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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
2016
Suelo A-2,6 estabilizado con cemento sustituyendo la fracción Suelo A-2,6 estabilizado con cemento sustituyendo la fracción
pasa el tamiz Nº 4 y retiene Nº 10 del agregado por polímero de pasa el tamiz Nº 4 y retiene Nº 10 del agregado por polímero de
alta densidad PEHD alta densidad PEHD
Cristhian Camilo Velandia Sanabria Universidad de La Salle, Bogotá
Manuel Leonardo Parra Perez Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Velandia Sanabria, C. C., & Parra Perez, M. L. (2016). Suelo A-2,6 estabilizado con cemento sustituyendo la fracción pasa el tamiz Nº 4 y retiene Nº 10 del agregado por polímero de alta densidad PEHD. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/161
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SUELO A-2,6 ESTABILIZADO CON CEMENTO SUSTITUYENDO LA FRACCIÓN
PASA EL TAMIZ Nº 4 Y RETIENE Nº 10 DEL AGREGADO POR POLÍMERO DE
ALTA DENSIDAD (PEHD)
CRISTHIAN CAMILO VELANDIA SANABRIA
MANUEL LEONARDO PARRA PEREZ
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D. C.
2016
ii
SUELO A-2,6 ESTABILIZADO CON CEMENTO SUSTITUYENDO LA FRACCIÓN
PASA EL TAMIZ Nº 4 Y RETIENE Nº 10 DEL AGREGADO POR POLÍMERO DE
ALTA DENSIDAD (PE-HD)
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Civil
CRISTHIAN CAMILO VELANDIA SANABRIA
MANUEL LEONARDO PARRA PEREZ
Director Temático
ING. SANDRA ELODIA OSPINA LOZANO
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D. C.
2016
iii
Agradecimiento
En primer lugar damos gracias a Dios por permitirnos desarrollar esta investigación, de su mano
nos mantuvimos con fuerzas y permitió que los contratiempos y las circunstancias difíciles fueran
derrotadas para poder cumplir con el logro y demostrar lo capaces que somos para desarrollar
proyectos profesionalmente.
A la ingeniera Sandra Elodia Lozano por su dedicación y gran interés por el trabajo de
investigación, aportando sus asesorías metodológicas, experiencia y dominio del tema, para darnos
el soporte necesario y así lograr culminar el proyecto de investigación. A los jurados Ing. Ana
Sofía Figueroa y el Ing. Fernando Nieto que en el transcurso de la elaboración del proyecto
hicieron en su momento, oportunas correcciones y aclaraciones, para el mejoramiento del
proyecto.
Al señor Luis E. Borja encargado de los laboratorios de Ingeniería Civil la Universidad de
La Salle, facilitándonos herramientas y aparatos junto su experiencia en la dirección del desarrollo
de las normas aplicables al proyecto.
A la Universidad de La Salle por el tiempo que nos facilitaron las instalaciones de
laboratorios, por ser matriz de nuestras bases profesionales y su esmero en buscar la calidad en
personas capaces de desenvolverse en su vida profesional.
A nuestros familiares, compañeros y demás personas que estuvieron pendientes y con su
apoyo sentir el empujón de no dejarnos atrasar, con sus buenos deseos y energías positivas lograr
la exitosa culminación del proyecto y compartir la alegría que nos brinda esta experiencia.
iv
Dedicatoria
Dedico este proyecto a mi padre Leonardo Manuel Parra Calixto, ingeniero civil que con su apoyo
y experiencia profesional, logre superar los muchos obstáculos que se me presentaron a lo largo
de mi carrera profesional, quien también me inculco la honestidad, sacrificio y valentía con que se
debe enfrentar la vida.
A mi madre Adriana Pérez Galindo mi mayor motor y motivación, que con su apoyo
incondicional, su amor y dedicación, guiaron cada uno de mis pasos, por lo que el logro de
culminar este proyecto profesional es tan mío como de ella, a quien la llena de satisfacción y
orgullo.
A mis hermanos Julián, Sara y Laura por su interés en mi proceso profesional y anhelo de
presenciar este logro.
A Jessica Armenta, por sus consejos y palabras de aliento en las últimas instancias de este
proceso.
A mis compañeros de estudio José Luis Chaparro, Jonathan Guevara y Camilo Velandia
por su amistad, compañía y crecimiento conjunto durante estos años de aprendizaje.
Manuel Leonardo Parra Pérez.
v
Dedicatoria
Dedico este trabajo de grado a mi madre que desde el cielo me concedió toda la bendición para
culminar una de mis metas, Luz Marina Sanabria y a mi padre Eduardo Velandia, quienes me
permitieron llegar a este mundo, dándome la mejor educación y el mejor ejemplo de persona que
alguien pudiera darme. Me doy gracias a mí mismo por trazarme objetivos que fueron un apoyo
importante para poder superar momentos de adversidad. Sin ser menos importante le doy gracias
a Dios por ser esa guía espiritual que nunca me fallo y por concederme una familia tan maravillosa
que sin ellos no hubiera sido posible nada de este gran logro.
También estoy muy agradecido con mis hermanas Adriana Velandia y Diana Marcela
Velandia, egresada de la universidad de La Salle de ingeniera civil ya que fue de gran influencia
para inclinarme a estudiar esta grandiosa carrera.
A mis compañeros, amigos en especial a Darío Fernando Illidge, Leonardo Guerra, Juan
Carlos Rico, Cristian forero y mi compañero de tesis Leonardo Parra por apoyarme compartir
conocimientos e ideas y grandes momentos universitarios de manera desinteresada.
Finalmente, agradezco a todas las personas que pasaron por mi vida que sin una intención
directa ayudaron a no perder el impulso a aprender, a valorar el esfuerzo que mis padres hicieron
para que pudiera ser un profesional; a aquellas personas que con sus consejos palabras de aliento
y hasta críticas me permitieron crecer como una persona integral y lograr mi objetivo que es mi
título profesional de ingeniero civil.
Cristian Camilo Velandia Sanabria.
vi
Tabla de Contenidos
Introducción .................................................................................................................................... 1 Generalidades .................................................................................................................................. 3
Título del Proyecto ...................................................................................................................... 3 Línea de investigación ................................................................................................................ 3
Descripción Del Proyecto ............................................................................................................... 4
Planteamiento del Problema ....................................................................................................... 4 Formulación del Problema .......................................................................................................... 5 Justificación ................................................................................................................................ 5
Objetivos ......................................................................................................................................... 7 Objetivo General ......................................................................................................................... 7
Objetivos Específicos.................................................................................................................. 7
Delimitación del proyecto ............................................................................................................... 8 Tabla de identificación de nomenclaturas................................................................................... 8
Plan de ensayos y repetibilidad ................................................................................................... 8
Requisitos Artículo 350 – 13 Invías, Suelo-Cemento ............................................................... 10 Marco referencial .......................................................................................................................... 14
Antecedentes Teóricos .............................................................................................................. 14 Marco Teórico ........................................................................................................................... 21 Marco Conceptual ..................................................................................................................... 24
Marco Normativo .......................................................................................................................... 27 Materiales ...................................................................................................................................... 33
Caracterización del agregado .................................................................................................... 33 Polietileno de alta densidad (PEHD). ....................................................................................... 40
Granulometría PEHD ................................................................................................................ 41 Cemento. ................................................................................................................................... 41
Agua. ......................................................................................................................................... 42 Resumen de resultados vs norma. ............................................................................................. 43
Diseño de mezcla de suelo-cemento-PEHD ................................................................................. 43
Metodología PCA ..................................................................................................................... 44 Sustitución del Material ............................................................................................................ 46
Relación Humedad-Densidad De Mezclas De Suelo Cemento – Norma INV E – 611 – 13 ... 47 Resistencia a la compresión de cilindros – norma INV E – 614 – 13 ...................................... 50 Contenido Optimo De Cemento................................................................................................ 55 Humedecimiento Y Secado De Muestras Compactadas De Suelo-Cemento – Norma INV E –
612 – 13..................................................................................................................................... 56
Resumen de resultados .............................................................................................................. 62 Análisis de resultados ................................................................................................................... 63
Densidad Vs % Cemento .......................................................................................................... 63 Densidad Vs % PEHD .............................................................................................................. 65 % Humedad vs % PEHD .......................................................................................................... 66 % Optimo De Cemento Vs % PEHD ........................................................................................ 66 % PEHD Vs Densidades y Contenido Óptimo De Cemento .................................................... 67
vii
% Perdidas Vs % PEHD ........................................................................................................... 68 % Volumen Vs % PEHD .......................................................................................................... 68
Resistencia vs contenido de PEHD ........................................................................................... 69 Conclusiones y recomendaciones ................................................................................................. 70 Lista de referencias ....................................................................................................................... 72 Anexos .......................................................................................................................................... 74
viii
Lista de tablas
Tabla 1. Nomenclatura. ................................................................................................................... 8 Tabla 2. Número de ensayos y repetibilidad, elaborados durante la ejecución del proyecto. ........ 9 Tabla 3. Clases de suelo cemento. ................................................................................................ 10 Tabla 4. Requisitos de los materiales granulares para la construcción de suelo-cemento. ........... 11 Tabla 5. Requisitos granulométricos del material para la construcción de suelo-cemento. ......... 12
Tabla 6. Criterios de diseño para la mezcla de suelo-cemento. .................................................... 13 Tabla 7. Resultados del ensayo de cántabro para la mezcla con dos polímeros (caucho y poli-
estireno)......................................................................................................................................... 20 Tabla 8. Propiedades físico - químicas del PEHD. ....................................................................... 22 Tabla 9. Descripción de ensayos. .................................................................................................. 27
Tabla 10. Resistencia a la compresión del cemento argos. ........................................................... 42
Tabla 11. Características del agua. ............................................................................................... 42 Tabla 12. Resumen de resultados.................................................................................................. 43
Tabla 13. Clasificación según la AASHTO. ................................................................................. 44
Tabla 14. Contenido de cemento aproximado para proyectar las mezclas suelo cemento según la
PCA. .............................................................................................................................................. 46
Tabla 15. Resumen de resultados obtenidos de proctor (relación humedad y densidad). ............ 50 Tabla 16. Contenidos óptimos de humedad y cemento para el total de sustituciones de PEHD. . 55 Tabla 17. Resumen de resultados obtenidos de resistencia a la compresión. ............................... 55
Tabla 18. Valores Máximos Variación Volumétrica y Perdidas de Mezcla Compactada. ........... 61 Tabla 19. Resumen de resultados obtenidos de durabilidad. ........................................................ 62
Tabla 20. Ecuaciones de tendencia. .............................................................................................. 64
ix
Lista de figuras
Figura 1. Porcentaje de CBR contra porcentaje de aditivo para las diferentes proporciones
utilizadas. ...................................................................................................................................... 15 Figura 2. Reciclaje de Polímero PEHD. ....................................................................................... 26 Figura 3. Ensayo Límite Líquido. ................................................................................................. 34 Figura 4. Curva de Fluidez – Límite Líquido. .............................................................................. 34
Figura 5. Ensayo Limite Líquido. ................................................................................................. 35 Figura 6. Ensayo Granulométrico. ................................................................................................ 36 Figura 7. Curva Granulométrica Material Granular patrón. ......................................................... 37 Figura 8. Registro Fotográfico Ensayo Contenido Material Orgánico. ........................................ 38 Figura 9. Registro fotográfico ensayo equivalente de arena. ........................................................ 39
Figura 10. Registro fotográfico PEHD pasa tamiz N° 4 – Retiene N° 10. ................................... 40
Figura 11. Curva granulométrica polietileno de alta densidad. .................................................... 41 Figura 12. Material granular sustituido por PEHD. ...................................................................... 47
Figura 13. Preparación relación humedad-densidad mezclas de suelo-cemento. ......................... 48
Figura 14. Ensayo proctor, humedades óptimas con contenido de PEHD en mezcla suelo-
cemento. ........................................................................................................................................ 49
Figura 15. Compactación de cilindros mezclas de suelo-cemento. .............................................. 51 Figura 16. Resistencia a la compresión de cilindros moldeados de suelo-cemento. .................... 52 Figura 17. Proceso de falla de especímenes.................................................................................. 52
Figura 18. Proyección de contenido de cemento. ......................................................................... 54 Figura 19. Humedecimiento y secado de briquetas de suelo-cemento – proceso de cámara
húmeda. ......................................................................................................................................... 57 Figura 20. Humedecimiento y Secado de briquetas de Suelo-Cemento – Ciclos de curado y
Exposición a Temperatura – Desarrollo Propio. ........................................................................... 58 Figura 21. Humedecimiento y Secado de briquetas de Suelo-Cemento – Raspado y toma de datos
de Briquetas. ................................................................................................................................. 58 Figura 22. Máximo cambio de humedad y máximo cambio de volumen. .................................... 60 Figura 24. Gráfica de densidad seca vs porcentaje de polietileno de alta densidad en 5%, 7% y
9%. ................................................................................................................................................ 65 Figura 25. Gráfica de contenido de humedad vs porcentaje de polietileno de alta densidad. ...... 66
Figura 27. Gráfica cruzada de porcentaje de alta densidad vs densidades y contenido de cemento
óptimo, junto. ................................................................................................................................ 67 Figura 28. Gráfica de pérdidas de material vs porcentaje de polietileno de alta densidad. .......... 68 Figura 29. Gráfica de volumen vs porcentaje de polietileno de alta densidad. ............................ 68 Figura 30. Grafica de Resistencia vs contenido de PEHD ............................................................ 69
1
Introducción
La estabilización de suelos como parte integral de la estructura de un pavimento, tiene la
función de aportar resistencia al conjunto estructural mejorando las condiciones del terreno
natural, con el fin de obtener mayor durabilidad para el pavimento y permitir que las cargas
producto del tráfico determinado se distribuyan y se transmitan de una forma que no afecte
la diferentes capas que conforman la estructura del pavimento.
En este caso, la diversidad de suelos que nos ofrece nuestro territorio capitalino y
sus alrededores; Bogotá presenta una geología bastante regular que no se ajusta para las
especificaciones de nuestra norma con agregados no óptimos que dificultan el desarrollo
de proyectos de infraestructura, así sustituyendo en su totalidad este material por un
agregado de cantera se busca estudiar las características a la modificación de este material
de relleno
Este proyecto de grado estudia la sustitución de manera porcentual de un polímero
en este caso Polietileno De Alta Densidad (PEHD), reciclado y tratado específicamente
como grano para varios ensayos siguiendo la normatividad del instituto nacional de vías,
Invías, específicamente el artículo 350-13, (suelo - cemento), constituida por una mezcla
que especifica las características uniforme de suelos o agregados (material adicionado
totalmente o resultante de la escarificación de la capa superficial existente, o una mezcla
de ambos), cemento hidráulico, agua y eventualmente aditivos, de acuerdo con las
dimensiones, alineamientos y secciones indicados en los documentos del proyecto. Así,
modificar el comportamiento a partir de ensayos como la resistencia a la compresión, la
durabilidad entre otros, analizando los resultados de la investigación y determinando el
porcentaje óptimo de cemento, agregado y polímero necesario para obtener la resistencia
que cumpla con las especificaciones de una mezcla suelo – cemento según el artículo 350-
13 del Invías, reemplazando porciones de agregados por polímeros provenientes de este
2
material reciclable. Para conocer cada material se realiza la caracterización tanto del
agregado como del polímero de alta densidad reciclado y cemento siguiendo las respectivas
normas del Invías.
Finalmente se estudian los resultados y con estos análisis se obtienen los
porcentajes óptimos de cemento, agregado y la sustitución del polímero reciclado que
cumpla el Artículo 350-13.
3
Generalidades
Título del Proyecto
SUELO A-2-6 ESTABILIZADO CON CEMENTO SUSTITUYENDO LA FRACCÍON
PASA EL TAMIZ Nº 4 Y RETIENE Nº 10 DEL AGREGADO POR POLÍETILENO DE
ALTA DENSIDAD (PEHD)
Línea de investigación
Innovación y desarrollo tecnológico.
4
Descripción Del Proyecto
Planteamiento del Problema
Los polímeros producto de desperdicio industrial y residencial se encuentran en los
tiraderos de basura debido a la producción excesiva de las industrias de plásticos, estos
generan un problema ambiental que a largo plazo se volverá difícil de manejar debido a
que sus propiedades biodegradables son insignificantes, existen varias plantas recicladoras
que dedican su infraestructura especialmente a clasificar este material para luego entregar
un nuevo producto y volver a darle diferentes usos comerciales e industriales.
Por otro lado, los suelos capitalinos no presentan óptimos desempeños al
clasificarlos para realizar la mezcla suelo – cemento, por esta razón los materiales
granulares más óptimos que se encuentran para desarrollar estos rellenos en nuestra
geología local se encuentran en las canteras ubicadas en la periferia de la ciudad en este
caso canteras ubicadas en el municipio de Soacha, aclarando que hay que modificarlos para
conseguir que sus propiedades finales cumplan con los requisitos presentados por la
normatividad vigente, debido a esto se encuentra la necesidad de investigar que beneficios
se muestran al sustituir alguna proporción de estos materiales granulares por materiales
reciclables en este caso el PEHD.
Haciendo frente a la problemática observada en la actualidad de cuidar y preservar
el medio ambiente, es necesario encontrar una adecuada disposición de los residuos
sólidos, en este caso se propuso una sustitución al agregado natural por PEHD en una
mezcla de suelo cemento, analizar su comportamiento y determinar la viabilidad y
pertinencia de emplearlo en la construcción de las capas granulares de bases estabilizadas
con suelo - cemento. Sin embargo, cabe mencionar que la ingeniería maneja materiales
normalizados, en consecuencia, no se permite el uso de materiales alternativos sin previo
conocimiento de sus propiedades y comportamiento.
5
Haciendo estas dosificaciones se determina el reemplazo óptimo evaluando propiedades
de estabilidad volumétrica, durabilidad y la resistencia a la compresión simple.
Formulación del Problema
¿Es posible modificar un suelo estabilizado con cemento sustituyendo un
porcentaje de polietileno de alta densidad PEHD, cumpliendo las exigencias del artículo
350 – 13 del Invias?
Justificación
El aprovechamiento de un residuo industrial no biodegradable como él PEHD,
permite gracias a sus propiedades que proporcionan durabilidad y resistencia a la
compresión sea planteado como investigación para la construcción de rellenos granulares
en el desarrollo de la infraestructura vial del país, al ser material alternativo actuando como
agente modificador, tal como lo es el caucho vulcanizado de suela de bota militar1;
materiales normalizados que cumplen las especificaciones requeridas por el Invías. Es
preciso aclarar que en Bogotá se encuentran suelos arcillosos que no son lo bastante
óptimos para desarrollar la Resistencia y durabilidad. De acuerdo con el profesor Facultad
de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia Guillermo Ávila Álvarez, el suelo
de Bogotá “está constituido geológicamente por depósitos de arcilla formados por la
desecación de un antiguo lago, con estratos intermedios y discontinuos de arenas y suelos
orgánicos. El espesor de los depósitos aumenta gradualmente desde las zonas próximas a
los cerros orientales, en donde tienen pocos metros de profundidad, hasta el sector
occidental de la Sabana, con sedimentos de hasta 600 m. En la parte media de la ciudad,
1 Estudiantes de la Facultad de ingeniería de la universidad militar de Colombia, realizaron en el año 2014
una investigación donde se analizó de las propiedades mecánicas de una mezcla asfáltica densa en caliente
tipo 2 mdc-2 elaboradas con asfalto modificado con caucho vulcanizado de suela de bota militar, teniendo
un éxito en su aplicación en las vías.
6
cerca de la Universidad Nacional de Colombia, el espesor varía entre los 180 y los 200 m.
Se trata de grandes capas de suelos relativamente blandos y compresibles”.
A su vez, de acuerdo con el artículo del periódico El Tiempo (1993), la Secretaría
de Obras Públicas dio a conocer las conclusiones del foro que realizó sobre Veeduría Vial,
llegando a la conclusión general que la calidad de los suelos y el sobrepeso de los vehículos
inciden en la durabilidad de las obras realizadas en la ciudad. Además, el estado de las vías
recién repavimentadas por lo general no es el más óptimo, de acuerdo a las condiciones de
los ajustes aplicados, lo que se alude al tipo de suelo existente en Bogotá.
Es por estas razones que se hace necesario acudir a las canteras que se encuentran
en la periferia capitalina encontrando material apto para la modificación de rellenos
alternativos como el propuesto en esta investigación. Por otro lado, el PEHD se utiliza en
la industria para elaborar productos como artículos para el hogar, juguetes, parques
infantiles, tarimas, canecas, entre otros, con la ventaja de que su vida útil es larga, que de
una u otra forma llegasen a depositarse en los botaderos de basura esperando poder ser
seleccionado para un nuevo proceso industrial.
Este trabajo investigativo hace parte de varios proyectos que simultáneamente se
realizan en la Universidad de La Salle, para incluir y sustituir residuos no biodegradables
en mezclas suelo cemento.
7
Objetivos
Objetivo General
Evaluar la influencia física y mecánica de la mezcla suelo-cemento, sustituyendo en 4
porcentajes diferentes (25%, 50%, 75%, 100%), entre la fracción granular de un agregado
que pasa tamiz N°4 y se retiene en el tamiz N°10) de un agregado natural por PEHD, para
proponerlo y así poderlo ajustar el artículo 350-13.
Objetivos Específicos
Analizar el comportamiento de la resistencia a la compresión simple de un suelo
estabilizado con cemento al sustituir parte de la granulometría por PEHD en cuatro (4)
proporciones distintas (25%, 50%, 75% y 100%).
Establecer la influencia del PEHD sobre la estabilidad volumétrica, y la durabilidad
del suelo cemento cuando se sustituye suelo por PEHD.
8
Delimitación del proyecto
Siguiendo la normatividad requerida por el Invías, se ajusta al artículo 350 - 13
denominados suelo - cemento, se procede a conocer las condiciones de los materiales y el
orden regular a seguir para un buen desarrollo de los ensayos en este artículo mencionado.
Tabla de identificación de nomenclaturas
En la siguiente tabla se presenta la nomenclatura utilizada para describir cada uno
de los porcentajes de polietileno de alta densidad.
Tabla 1.
Nomenclatura
Nomenclatura Descripción
PEHD Polietileno de alta densidad
A25 Material de control
APH25 Mezcla con sustitución del 25 % de PEHD en la fracción
APH50 Mezcla con sustitución del 50 % de PEHD en la fracción
APH75 Mezcla con sustitución del 75 % de PEHD en la fracción
APH100 Mezcla con sustitución DEL 100 % de PEHD en la fracción
% Co Porcentaje de cemento óptimo
Fuente: Elaboración propia
Plan de ensayos y repetibilidad
Como se muestra en la tabla 2 se hace una descripción del plan de ensayos
realizado:
9
Tabla 2.
Número de ensayos y repetibilidad, elaborados durante la ejecución del proyecto
Plan de ensayos Mezclas de suelo - cemento
Norma
Invías - 13 Ensayos PEHD A-25 APH25 APH50 APH75 APH100
Cantidad de ensayos por norma (Repetibilidad)
INV E 121 contenido de Materia Orgánica - 2 - - - -
INV E 123 Determinación de los tamaños
de partículas
1 2 - - - -
INV E 125 Determinación del límite
liquido de los suelos
- 2 1 2 1 2
INV E 126 índice de plasticidad - 1 2 1 2 1
INV E 133 determinación de equivalente de
arena
- 2 1 2 1 2
INV E 611 relaciones de humedad - peso
unitario de mezclas suelo –
cemento
- 1 1 2 1 2
INV E 612 Humedecimiento y secado de
mezclas de suelo - cemento
compactadas. Durabilidad
- 1 2 1 2 1
INV E 613 cantidad de probetas para
preparación y curado (3
probetas para el 5% de cemento,
3 probetas para el 7% de
contenido de cemento, 3
probetas para el 9% para el
contenido de cemento
- 13 14 13 11 16
INV E 614 resistencia a la compresión
simple
9 12 9 9 12
Fuente: Elaboración propia
El proyecto se realiza con agregados naturales y artificiales provenientes de lugares
específicos que lo suministran (agregado, cemento y polímero) el agregado a estabilizar
con cemento portland se obtuvo de fuentes locales producto de la explotación de canteras,
inspeccionando que se encuentre libre de toda materia orgánica o sustancia que pueda
alterar el fraguado del cemento, en este caso localizado en una cantera al sur de la ciudad
de Bogotá en el municipio de Soacha del Departamento de Cundinamarca. El cemento es
tipo I utilizado del stock de la Universidad de La Salle, cuyo proveedor es la empresa
10
ARGOS, y el polietileno de alta densidad2 es producto del reciclaje de canecas plásticas
color azul de 50 galones proporcionadas por el señor Arturo Ruiz, quien es comercializador
de plásticos reciclados que posee un stock de este material en el Municipio de Tocancipá,
Cundinamarca.
Requisitos Artículo 350 – 13 Invías, Suelo-Cemento
Los resultados que se mostraran a lo largo de la presente investigación serán
verificados con las siguientes condiciones expuestas por las especificaciones del Invías,
dicha verificación permite conocer si los resultados obtenidos se ajustan a los
requerimientos normalizados:
Se define como clase de suelo - cemento a trabajar para el criterio del diseño a
emplear de la mezcla SC-R (durabilidad y resistencia), de acuerdo con el siguiente
criterio mostrado en la tabla 3 tomado del artículo 350 -13 Invías:
Tabla 3.
Clases de suelo cemento
Fuente: (Invías (2013).
Otra delimitación comprende que el contenido de cemento mínimo en ningún caso
será menor al 3% de la masa seca del material por estabilizar.
2 De acuerdo con de la descripción extraída del Blog virtual textoscientificos.com, El polietileno (PE) es un
material termoplástico blanquecino, de transparente a translúcido, y es frecuentemente fabricado en finas
láminas transparentes. Las secciones gruesas son translúcidas y tienen una apariencia de cera. Mediante el
uso de colorantes pueden obtenerse una gran variedad de productos coloreados.
11
También el agregado deberá cumplir con las siguientes exigencias: su porcentaje
de limite liquido máximo no deberá exceder el 30%, su límite plástico no deberá
exceder el 12% y el contenido de materia orgánica no deberá exceder el 1.0% como
se muestra en la tabla 4.
Tabla 4.
Requisitos de los materiales granulares para la construcción de suelo-cemento
Característica Ensayo
INV - 13
Gradación Tipo A Gradación
Tipo B
Composición (F)
Granulometría del material pulverizado,
listo para estabilizar
123 Tabla 350 – 3
Tamaño máximo, fracción máxima del
espesor de la capa compactada
123 1\2
Limpieza (F)
Limite líquido, % máximo 125 30 35
Índice de plasticidad, % máximo 125 y 126 12 15
Contenido de materia orgánica, % máximo 121 1
Características Químicas (O)
Proporción de sulfatos del material
combinado, expresado como SO4, %
máximo
233 0,5
Reactividad álcali-agregado:
Concentración SiO2 y reducción de
alcalinidad R
234
Fuente: (Invías (2013).
La granulometría del material deberá ajustarse a los limites señalados en el artículo
350 – 13 como lo muestra a continuación la tabla 5 para este caso el material es
Tipo A-25 según resultados de clasificación, ver anexo N° 1 (análisis
granulométrico que pasa tamiz nº 4 retiene tamiz nº 10)
12
Tabla 5.
Requisitos granulométricos del material para la construcción de suelo-cemento
Tipo de gradación Tamiz (mm / U.S. Standart)
50 37,5 25 19 9,5 4,75 2 0,425 0,075
2" 1 1/2" 1" 3/4" 3/8" Nº. 4 Nº. 10 Nº. 40 Nº. 200
% Pasa
TIPO A A-50 100 70-100 60-100 50-90 40-80 30-70 20-55 10.-40 2.-20
A-25 - - 100 70-100 60-100 50-85 40-70 20-45 2.-25
Tolerancias
producción sobre la
fórmula de trabajo
0% 7% 6% 3%
Fuente: (Invías (2013).
El PEHD, proviene del proceso de reciclaje de canecas de 50 galones de color azul
en presentación de grano de tamaño homogéneo que pasa el tamiz N°4 y se retiene
en el tamiz N°10, que cumplieron su vida útil y se requiere darle un nuevo paso a
este material procesado para implementarlo en nuevos productos industriales.
El cemento para la estabilización deberá ser cemento hidráulico de uso general, el
cual deberá cumplir lo especificado en el artículo 501, “Suministro de cemento
hidráulico”. No se permitirá el empleo de cemento que haya fraguado parcialmente
o que contenga terrones del producto endurecido. Tampoco se permitirá el empleo
de cemento extraído de bolsas usadas en jornadas. (INV E 350-13, 2013, pp. 350-
3).
Para el diseño de la mezcla suelo-cemento se presentan las siguientes tablas 4, 5, y
6 de requerimientos dados por del artículo 350-13 donde en el capítulo 4. análisis
de resultados de este documento se da detalle de su alcance.
13
Tabla 6.
Criterios de diseño para la mezcla de suelo-cemento
Ensayo Ensayo INV - 13 SC-D SC-R
Durabilidad
Máxima pérdida de masa de la mezcla compactada en
prueba de humedecimiento y secado, %
E - 612
Suelos A-1, A-2-4-, A-2-5, A-3 E - 612 14
Suelos A-2-6, A-2-7, A-4, A-5 E - 612 10
Suelos A-6, A-7 E - 612 7
Resistencia
Comportamiento de la resistencia con: E - 614
Incremento en el contenido de cemento Crece
Incremento en la edad Crece
Resistencia a la compresión a 7 días E - 614
Mínima 2,1
Máxima 4,5 4,5
Fuente: (Invías (2013).
14
Marco referencial
Antecedentes Teóricos
Es importante resaltar la importancia de las mezclas de suelo cemento en el país como los
estudios y diseños en los que se presentan desarrollo, adaptaciones y modificaciones de las
normas internacionales por parte del Instituto Nacional de Vías, Invías, para este caso los
artículos 350 – 13 y 351 - 13, aunque hasta el momento no se han desarrollado
investigaciones donde se emplee la sustitución de PEHD cualquiera que sea su proceso de
recuperación y grado de polimerización. Es por ello que en esta investigación se pretende
buscar materiales de alta resistencia y durabilidad. Se muestra el estado del arte actual
hallado en diferentes bases de datos respectivamente.
Una firma como Polipropileno del caribe S.A. (vital para la industria y esencial
para la vida de las personas, Esenttia) ubicado en la Carrera 10 # 28-49 Piso 27, de la
ciudad de Bogotá D.C. dedicada al proceso industrial de los polímeros, en una visita técnica
a sus instalaciones, muestran los conceptos y componentes físico químicos del proceso de
PEHD este compuesto desde luego materia prima para nuestra investigación. En un
documento del centro empresarial del plástico “diplomado en plástico”, documento
propiedad de la firma indican los conceptos, sistemas de producción, propiedades y
procesos requeridos en el desarrollo de este producto que muestran aspectos importantes
descritos en el documento como:
El PEHD es material termoplástico con buenas cualidades mecánicas como
resistencia a la tensión y a la flexión. Tiene aspecto translúcido y es de superficie cerosa
porque tiene estructura muy cristalina; es decir, sus moléculas poseen alto grado de
ordenamiento. El de PEHD tiene propiedades mecánicas, térmicas y químicas superiores
al polietileno de baja densidad (PEBD). La producción del PEHD es por polimerización en
suspensión o fase gaseosa a baja presión de etileno, para controlar la estructura molecular
del polímero, en particular el grado y el tamaño de las ramificaciones; puede emplearse
15
propano, buteno, hexeno y octeno y este producto recibe el nombre de copolímero, que en
general es ligeramente más flexible y tiene punto de fusión menor.
Existe una investigación, referente a la influencia de la inclusión de PVC sobre el
CBR de un material granular tipo sub base, fue realizado por Ingenieros civiles doctores,
docentes y auxiliares de la Universidad Católica de Colombia, quienes lo investigaron. En
la estabilización de suelos las propiedades que se intentan modificar en un material granular
a través de un proceso de estabilización son: estabilidad volumétrica, resistencia,
permeabilidad, compresibilidad y durabilidad, esto para buscar un mejor resultado en el
comportamiento esfuerzo – deformación.
Haciendo referencia al material utilizado en la investigación de este documento el
Poli cloruro de vinilo (PVC), es un polímero sintético que se obtiene de la polimerización
del cloruro de vinilo, la materia prima de las cuales se deriva el PVC son la sal común y el
petróleo o el gas natural mediante el proceso de craqueo.
El desecho de PVC se utilizó en materiales industriales provenientes del proceso
sistemático por la empresa Petroquímica Colombiana S.A. (PETCO), empresa dedicada a
la producción de resinas PVC.
En la figura 1 se muestra el Análisis y resultados de los Ensayos de laboratorio:
Figura 1. Porcentaje de CBR contra porcentaje de aditivo para las diferentes proporciones utilizadas.
Fuente: Revista Ingenierías Universidad de Medellín (2006), p, 28.
16
Como se observa en la figura 1, el comportamiento del material granular (tipo
subbase) estabilizado mejora su resistencia en comparación con el original, al adicionar el
3% y 5% de desecho de PVC. En el caso de la adición de 1%, se obtuvo un CBR inferior
al obtenido con el material granular tipo subbase natural, posiblemente porque en este caso
se genera algún tipo de reacción química. Con el 1.8% se observa un CBR equivalente al
del material natural incrementándose a partir de este valor. (Revista Ingenierías
Universidad de Medellín 5(9): 21-30 julio-diciembre de 2006 influencia de la inclusión de
desecho de PVC)
Algunas referencias destacadas de la Universidad de La Salle encontradas son:
Se hace referencia a la investigación de la Universidad de La Salle realizada por
Ochoa y Valderrama (2012), de una base estabilizada con cemento modificada con grano
de caucho de llanta, la ejecución de este proyecto permitió caracterizar físico –
mecánicamente una base estabilizada con cemento combinada con un material alternativo
(caucho de llanta) y determinar si sus propiedades cumplían con las especificaciones
técnicas nacionales Invías (2007). En resumen, se determinó cómo se ve afectada la
estabilidad volumétrica, la resistencia, la compresibilidad y la durabilidad de un suelo
cemento que ha sido combinado con grano de caucho de llanta. Es importante destacar que
cuando se habla de base se está refiriendo al material definido en el Artículo 341 de 2007
del Invías. Para efectuar este trabajo experimental se diseñó una base estabilizada con
cemento y se caracterizó físico-mecánicamente.
Posteriormente, se prepararon 3 muestras de suelo – caucho y se determinó su
porcentaje óptimo de cemento. Cada una de las muestras preparadas (4 en total) fue
expuesta a las pruebas y ensayos exigidos por las entidades nacionales. Con base en los
resultados obtenidos se determinó el porcentaje de caucho que ofreció los resultados más
favorables. Determinadas conclusiones como:
17
Con el aumento de caucho en la mezcla la muestra presenta una menor
variación volumétrica, proporcionando mayor estabilidad en términos de
expansión y contracción.
La muestra de suelo-cemento-caucho que ofrece los mejores resultados es
aquella que contiene 5% de grano de caucho triturado, puesto que sus
propiedades físico-mecánicas permanecen constantes al compararlas con
las características del suelo natural (0% caucho).
Con base en lo anterior, se recomienda su uso en la construcción de pavimentos,
por cuanto no afecta las propiedades del suelo y promueve el consumo del caucho obtenido
a partir de la trituración de las llantas. No se recomienda adicionar caucho en proporciones
mayores al 5%, por cuanto aumenta considerablemente el porcentaje óptimo de cemento.
Si el material natural cumple con los requisitos exigidos en el Artículo 341 – 07, puede
agregarse hasta un 5% de caucho y seguirá siendo apto para ser estabilizado con cemento
hidráulico.
De igual forma, estudiantes de la Universidad de la Salle desarrollaron esta
investigación con base en el estudio sobre el “comportamiento de una base estabilizada
con cemento sustituyendo partículas de poliéster expandido en la fracción fina del
agregado (tamiz #10 y #20)”, tiene como propósito evaluar el comportamiento de un suelo
estabilizado con cemento implementando poli estireno expandido dentro de una fracción
del material granular de la mezcla de suelo-cemento, teniendo en cuenta los parámetros y
el diseño dado en el artículo 350-13 del Invías 2013. Se llega a la conclusión que a pesar
que el suelo a usar tenía unas condiciones muy malas para ser usado como base suelo
cemento, el porcentaje óptimo de icopor para poder usarlo en la base es del 25 % ya que
representa el fracción con la que más cumple los requisitos según la norma, tanto de
porcentaje de cemento, como perdidas de la mezcla y durabilidad, más sin embargo queda
abierto el estudio de icopor en base suelo cemento con un suelo de mejores condiciones.
(González y Buitrago, 2015)
18
Por otro lado, estudios llevados a cabo en la Universidad de Medellín muestran la
posibilidad de utilizar residuos de caucho proveniente de neumáticos fuera de uso, que
podrían utilizarse como sustituto de agregado grueso en bases, sub-bases y llenos
estructurales. Para este propósito se investigan los principales cambios en las propiedades
mecánicas en la mezcla suelo-caucho, tales como el peso unitario máximo, la capacidad de
soporte (C.B.R.), y resistencia al esfuerzo cortante. Las conclusiones primarias conducen
a una posible utilización de la mezcla base-caucho como materiales de sub-base granular
y en general en cualquier tipo de estructura de tierra con pocos requerimientos técnicos,
para llenos estructurales la mezcla arenilla-caucho puede ser utilizada como material de
relleno en muros de contención y otras estructuras de tierra mediante un apropiado diseño
geotécnico.
Como conclusiones del proyecto, se obtuvo que aunque el material de caucho con
el que se realizaron los ensayos no presentaba ninguna clase de refuerzo de acero, esto no
significa que los resultados arrojados se deban limitar a este tipo de material, puesto que la
gravedad especifica del caucho, es similar a las encontradas en investigaciones anteriores
donde el caucho si incluía acero.
Los valores obtenidos de C.B.R. en las muestras sumergidas son muy bajos para
que se pueda pensar en una implementación de caucho dentro de la estructura de un
pavimento flexible, ya que dichos valores no alcanzan a la mitad del valor mínimo
estimado.
Para llenos estructurales los parámetros obtenidos pueden ser utilizados en los
diseños convencionales para muros de contención y análisis de estabilidad, pero son
beneficios por el menor peso unitario en las estructuras pero manteniendo unas resistencias
al corte bastante adecuadas. (Giraldo Ruiz & Suárez Gamarra, 2004)
Existe un producto (PolyCom) australiano con más de 10 años de gama en
estabilización de suelos llega al mercado peruano a través de la empresa AUSTLATIN
PERU quien se encarga de su distribución y puesta en obra de tal forma garantizar la
estabilización de suelos que componen los caminos de nuestra vialidad, PolyCom permite
19
estabilizar estructuras como subrasante, subbase, base granular como también caminos de
afirmado; teniendo un rango de usos para carreteras de penetración de bajo volumen de
tránsito, carreteras nacionales de tráfico intenso, accesos de tránsito pesado así como
también calles y avenidas.
PolyCom es un material del tipo polímero del tipo acrylamida, surfactantes y
ligantes que cuando se mezclan con el agua forman un líquido estabilizador de suelos.
La función principal de este producto es impartir mayor resistencia al material a
tratar, en condiciones tanto secas como húmedas. En combinación con buenas técnicas de
construcción la inclusión de PolyCom permite conseguir mayores densidades en una
amplia variedad de materiales con el beneficio añadido de proporcionar un alto grado de
resistencia al agua y una mayor flexibilidad a la capa tratada.PolyCom crea un mayor grado
de densificación en los ciclos de compactación que es expuesto y esto a su vez resulta en
aumento del módulo elástico en la capa estabilizada al secarse de nuevo.
Un aumento significativo de la densidad seca , una reducción del contenido óptimo
de humedad y un notable mejoramiento en su capacidad de soporte conocido como CBR.
Por último, en la Universidad Javeriana Figueroa y Reyes (2007), publicaron una
investigación llamada “Caracterización Fisica de un Asfalto Modificado con Poliestireno
y Llanta Triturada”, donde se adiciona a mezclas asfálticas el poliestireno expandido y el
caucho. Como resultados se obtuvo que el valor óptimo de adición de poliestireno
expandido sea de 0,8%, y para el caucho, del 1,5% del peso en agregados, respectivamente,
ya que la mezcla con estos porcentajes de adición presenta los menores porcentajes de
desgaste. La proporción que se manejó de cada uno de éstos se observa en la siguiente tabla
7. Se fabricaron las briquetas tipo Marshall para cada porcentaje de polímero por cada
porcentaje se fabricaron 3 probetas, para un total de 15. Las 15 probetas fueron sometidas
al ensayo de cántabro; los resultados están expresados en la siguiente tabla:
20
Tabla 7.
Resultados del ensayo de cántabro para la mezcla con dos polímeros (caucho y poli- estireno)
Muestra
(número)
adición Espesor de la
briqueta
(mm)
Cántabro
peso inicial (g) peso final (g) Perdida (%)
1 0% C y 100% 1 70,03 1.167,40 1.013,25 13,2
2 25% C y 75%1 69,54 1.148,70 1.028,43 10,47
3 50% C y 50% 1 71,49 1.157,13 981,53 15,18
4 75% C y 25% 1 69,53 1.167,37 1.062,93 7,31
5 100% C y 0% 1 69,12 1.182,37 1.065,92 7,48
Fuente: Figueroa Infante , A. S., & Reyes Lizcano, F. A. (2007). Adaptación propia.
Se pudo concluir que los resultados de mayor relevancia obtenidos al ensayar las
diferentes mezclas con diferentes polímeros (desechos no biodegradables) evidencian que
los poliestirenos expandidos adicionados en las mezclas asfálticas aumentan
considerablemente el módulo dinámico, al mitigar de manera importante la deformación
plástica que se presenta en el pavimento por efecto del paso repetido de los vehículos en
una misma línea. Por otra parte, se concluyó que a pesar de tener este buen resultado por
deformaciones, las mezclas con poliestireno son más susceptibles a la fatiga. Para mitigar
este problema, la mejor solución es adicionar polvo de llama. Ésta es, sin lugar a dudas,
una primera aproximación a lo que puede ser una mezcla ideal; es decir, que tenga un alto
módulo, pero que también sea resistente a la fisuración por fatiga. Es necesario realizar una
contrastación mitigando los diferentes errores que pudieron cometerse en el laboratorio y,
sobre todo, lograr una buena modificación del asfalto o de la mezcla según sea el caso.
21
Marco Teórico
En contexto, el país atraviesa actualmente por un auge de competitividad en el que se busca
aumentar y mejorar la calidad de la infraestructura vial y de transporte ya que esta no cuenta
con los mejores estados físicos ya sea porque ha cumplido su vida útil o los materiales de
la estructura no son los suficientemente óptimos, esto se ve afectado en algunos casos por
el bajo mantenimiento y recuperación que las entidades estatales le deberían ofrecer a esta
infraestructura.
El estado de la infraestructura vial de nuestro país incide en gran medida en su nivel
de desarrollo, puesto que al tener vías en buen estado se mejora la transitabilidad, costos
de operación, comunicaciones y transporte en general, es por ello, que en primer lugar, se
debe apuntar a realizar diseños de estructura de pavimentos que cumplan con las
solicitaciones requeridas para determinada vía, con un costo razonable, y garantizando un
aceptable índice de serviciabilidad durante la vida de servicio estimada.
Históricamente el Instituto Nacional de Vías y las Entidades Gubernamentales han
enfocado sus esfuerzos en construir y mantener las vías de primer y segundo orden que
comunican las principales ciudades y las cabeceras municipales. Por lo anterior se requiere
cambiar el esquema y plantear soluciones duraderas y eficaces que disminuyan los costos
de operación vehicular y agilicen la evacuación de la producción. Dentro de estas
soluciones la más clara es la construcción de estructuras de pavimento que contemplen una
capa de rodadura que proteja los granulares y garantice seguridad y confort a quienes la
utilicen (Salamanca y Zuluaga, 2013). Dichas metodologías a la vez han permitido un
mejor aprovechamiento de materiales disponibles en el entorno, lo cual genera un
equilibrio entre los procesos de explotación y el medio ambiente. El PEHD es el material
utilizado dentro de la investigación; para poder determinar que propiedades varían en una
base estabilizada con suelo-cemento, sustituyendo en diferentes porcentajes una fracción
de la granulometría por PEHD.
22
A continuación se muestran algunas de sus propiedades físico - químicas:
Tabla 8.
Propiedades físico - químicas del PEHD
Fuente: Complejo Petroquímico Morelos Subgerencia de Calidad, Seguridad Industrial y
Protección Ambiental (2007).
Producción: la polimerización se efectúa mezclando el etileno con los
hidrocarburos disolventes con catalizador de lecho fijo, después se separa al
polímero del hidrocarburo disolvente. (Centro empresarial del plástico, 2014)
Densidad: El PEHD tiene densidad en el rango de 0.941- 0965 g/cm² presenta alto
grado de cristalinidad, siendo así material opaco y de aspecto ceroso. (Centro
empresarial del plástico, 2014)
Mecánica: La rigidez, dureza y resistencia a la tensión de los Polímeros se
incrementa con la densidad. La mayor presencia de cristales en el PEHD eleva la
resistencia a la tensión, manifestando menor elongación ante la misma magnitud de
fuerza aplicada que un espécimen de menor densidad. (Centro empresarial del
plástico, 2014)
Propiedades Físico – Químicas del PEHD
1.- Temperatura de Ebullición (ºc): N.A. 2.- Temperatura de Fusión (ºc): 105 - 135
3.- Temperatura de Inflamación (ºc): N.A. 4.- Temperatura de Auto Ignición (ºc): 330 -
410
5.- Ph : N.A. 6.- Densidad Relativa (Agua = 1): 0.93
7.- Densidad de Vapor (Aire = 1), A 0°C Y 1 Atm.
De Presión: N.A. 8.- Peso Molecular: N.D.
9.- Estado Físico Color Y Olor: Sólido (Gránulos O
Polvo), Blanco Traslucido E Inodoro.
10.- Velocidad de Evaporación (Butil -
Acetato = 1): N.A.
11.- Solubilidad En Agua %: Insoluble 12.- Presión de Vapor (Mm Hg A 25 °C):
N.A.
13.- % De Volatilidad: N.A. 14.- Límites de Inflamabilidad O
Explosividad, % En Vol.: Inferior N.A.
Superior N.A.
15.- Otros Datos: Temperatura De Descomposición:
>300 °C.
23
Eléctricas: El PEHD es excelente aislante eléctrico, por esta razón muchos
productos Eléctrico-Electrónicos están fabricados con este material. Tiene tendencia
a conservar cargas eléctricas estáticas, induciendo la aparición de “micro” arcos
eléctricos o la atracción de polvo. (Centro empresarial del plástico, 2014)
Térmicas: La temperatura máxima de servicio depende de la duración y la magnitud
del esfuerzo mecánico presente, en pruebas sin carga mecánica en periodos cortos,
la temperatura máxima es de 90º a 120°C, en periodos mayores, este valor desciende
ligeramente al intervalo señalado entre 70º y 80°C. (Centro empresarial del plástico,
2014)
Químicas: La estructura no-polar del PEHD permite que mantenga alta resistencia
al ataque de agentes químicos. En general, esta resistencia mejora con el aumento
de la densidad y el peso molecular. (Centro empresarial del plástico, 2014)
La selección de PEHD se hizo basados el aprovechamiento de dicho material en
nuestra ciudad. Se encuentra que el reciclaje de PEHD en Bogotá es prácticamente alto,
generando un aumento de rentabilidad, por lo tanto es un material reutilizable. Al mismo
tiempo, su gran reutilización genera un exceso de este material en los botaderos de la
ciudad, ocupando grandes volúmenes de espacio, que no se recuperara, ya que este material
tarda millones de años en degradarse o llega a no tener ningún tipo de descomposición.
Por este motivo se busca implementar esta sustitución de PEHD siguiendo la
normatividad del Invías en el artículo 350-13 de esta institución.
24
Marco Conceptual
Se presenta a continuación las definiciones de algunos conceptos que se desarrollaron en
el trabajo de grado.
Compresibilidad: Es el grado en que una masa de suelo disminuye su volumen
bajo el efecto de una carga. La compresibilidad se ve afectada por la relación de la carga
aplicada respecto a la que el suelo soportaba anteriormente y por el tiempo de aplicación
de la carga una vez se ha disipado la presión de poros. (Montejo Fonseca, 2002)
Estabilidad volumétrica: Propiedad que permite determinar la expansión y
contracción de una masa de suelo originada por los cambios de humedad. Cuando se
presenta la expansión y no se controlan las presiones pueden producir deformación y
rupturas en el pavimento. Una forma de controlar este fenómeno es el de introducir
humedad al suelo en forma periódica, aplicar cargas que equilibren la presión de expansión,
utilizar membranas impermeables y apoyar la estructura a profundidades tales que no se
registre variación estacional en la humedad. (Montejo Fonseca, 2002)
Estabilización de suelos: Consiste en modificar las propiedades del material
existente para hacerlo capaz de cumplir en mejor forma los requisitos deseados para ese
suelo o por lo menos que la calidad obtenida sea la adecuada. Existen varios métodos para
la estabilización, el más conocido es la compactación mecánica pero existen también por
medios de drenaje, eléctricos, químicos, de calor y calcinación, por la adición de agentes
estabilizantes específicos, etc. (Montejo Fonseca, 2002)
Estabilización de suelos con cemento: Consiste en la adición de cemento
hidráulico a una masa de suelo con el objeto de modificar algunas características físicas y
mejorar sus condiciones mecánicas. La naturaleza fibrosa del silicato de calcio que se
forma cuando los granos del cemento entran en contacto con el agua genera masas
25
minúsculas que se traban fuertemente unas con otras y con otros cuerpos. La solución
formada por la mezcla de cemento y agua reacciona con las partículas del suelo, reacción
en las que los iones de calcio tienden a agrumar las partículas de suelos cargas
negativamente produciéndose su floculación por la acción de la gravedad. Si se compacta
la mezcla se produce una producción de calcio con la sílice y alúmina de tamaños
coloidales produciéndose complejos compuestos de silicatos que aumentan lentamente la
resistencia de la mezcla. A esta acción se le llama Pusolánica. (Montejo Fonseca, 2002)
Resistencia a la compresión simple: Esfuerzo máximo que puede soportar un
material bajo una carga de aplastamiento y se calcula dividiendo la carga máxima por el
área transversal original de una probeta en un ensayo de compresión. (Montejo Fonseca,
2002)
Material a estabilizar: El material a estabilizar con cemento Portland TIPO I es
un suelo natural proveniente de excavaciones en zonas de préstamo, el cual proviene de
canteras localizadas al sur de la ciudad de Bogotá. Municipio de Soacha.
Polietileno de alta densidad (PEHD): es una sustancia que consiste en grandes
moléculas formadas por muchas unidades pequeñas que se repiten, llamados monómeros.
El número de unidades que se repiten en una molécula grande se llama grado de
polimerización. Los materiales con un grado elevado de polimerización se denominan altos
polímeros. Los homopolimeros son polímeros con un solo tipo de unidad que se repite. En
los copolimeros se repiten varias unidades distintas. (Areizaga et al., 1992)
De acuerdo con Roca, E (2005) este material es “ligero, resistente tanto
mecánicamente como químicamente, no se corroe, tiene bajo costo y sobre todo presenta
la versatilidad de ser fabricado a medida de las necesidades del consumidor. Todas estas
características hacen que el Polietileno de alta densidad posea una larga vida, cualidad útil,
cuando se usa, pero un problema cuando se quiera desechar. Es por ello que se deben
de tener técnicas de tratamiento para este plástico. La más recomendada es la de las 3R;
Reducir, Reutilizar y Reciclar” (Roca, 2005, p. 104)
26
Proceso de reciclaje del (PEHD):
Figura 2. Reciclaje de Polímero PEHD.
Fuente: slideshare (2007).
Durabilidad: Propiedad donde se puede determinar el comportamiento del
resultado del diseño de la mezcla de suelo-cemento a diferentes condiciones, como por
ejemplo el tiempo, el intemperismo, y las fuerzas externas que actúen sobre esta mezcla.
Se desarrolla bajo la normatividad del ensayo INV E 612-13. (Invías, 2013)
Repetibilidad: La repetibilidad hace referencia a la variabilidad entre mediciones
hechas en muestras o materiales idénticos nominalmente, en circunstancias idénticas. Se
reconoce que debido a factores desconocidos o incontrolables que influyen en el proceso
de medición, usualmente las mediciones repetidas no coincidirán. El grado de esta
variabilidad se puede expresar por una desviación estándar denominada desviación
estándar de repetibilidad, de los resultados de comparaciones dentro de laboratorio.
(Icontec, 2005)
27
Marco Normativo
A continuación se presenta el desarrollo investigativo referenciando brevemente los
ensayos requeridos por artículo 350 Invías versión 2013.
Tabla 9.
Descripción de ensayos
Fuente: Elaboración propia.
Contenido de Orgánico de un Suelo Mediante el Ensayo de Perdida por Ignición
(INV E – 121 – 13)
Este método es aplicable a aquellos materiales identificados como lodos, o suelos
que contengan material vegetal, madera, raíces, pasto, etc. Este material se deja 24 horas
al horno a 110 ºC hasta conseguir masa constante, luego se tamiza por el tamiz Nº 10 y se
extraen aproximadamente 50 gramos de material, procedente a este paso se ponen en el
recipiente de porcelana a calcinar a una temperatura constante de 450 ºC durante 6 horas
en la mufla (horno de laboratorio para pruebas de calcinación), luego de este proceso se
saca de la mufla y se registra el peso.
Ensayo Norma (Versión 2013)
Contenido de materia Orgánica INV E 121
Determinación de los tamaños de partículas INV E 123
Determinación del límite líquido de los suelos. INV E 125
Límite plástico e índice de plasticidad. INV E 126
Determinación del equivalente de arena INV E 133
Relaciones de humedad – peso unitario de mezclas
suelo cemento.
INV E 611
Humedecimiento y secado de mezclas de suelo
cemento compactadas.
INV E 612
Preparación en el laboratorio de probetas suelo
cemento.
INV E 613
Resistencia a la compresión de cilindros preparados
de suelo cemento.
INV E 614
28
Determinación de los Tamaños de las Partículas de los Suelos (INV E – 123 – 13)
Determinando el material necesario, se toman aproximadamente 20 kg.
Homogenizando el material cuidadosamente desmenuzándolo con la mano para expandir
las partículas y así poderlo llevar al horno por aproximadamente 24 hrs., a una temperatura
de 60 ºC. Luego de esto se reduce por cuarteo una cantidad de muestra representativa de
4000 gr. Posterior, este material obtenido se lava con el fin de eliminar todo el material
fino menor a 0.074 mm. Colocando como filtro el tamiz Nº 200 hasta observar que el agua
utilizada salga limpia. El material retenido en el tamiz Nº 200 se deposita en una bandeja
y se coloca en el horno durante 24 hrs. Por último se organizan los tamices de forma
decreciente y se agitan manualmente con movimientos verticales y laterales durante 15
minutos.
Determinación de Limite Liquido de los Suelos (INV E – 125 – 13)
Desarrollando este ensayo se preparan 1000 gr de la muestra seca dejándola en el
horno por 24 horas, a una temperatura de 110 ºC, disgregándola y pasándola por el tamiz
Nº 40 para obtener una muestra representativa de unos 200 gr. Luego se agrega una
cantidad pequeña de agua hasta dejar que se humedezca. Esta se Mezcló con ayuda de la
espátula hasta conseguir una mezcla homogénea e uniforme consiguiendo una pasta de tipo
pegajosa. Posterior a ello se coloca la pasta dentro de la cazuela y se pasa el ranurador por
el centro de la copa para cortar en dos la pasta de suelo. Poner en movimiento la cazuela
generando golpes que sean necesarios para cerrar la ranura hasta que dos partes entren en
contacto, luego se registra la cantidad de golpes y se toma una muestra de la parte central
para la determinación de humedad llevándola al horno por 24 horas a 110 ºC. Este proceso
se repite dos (2) veces más para lograr tres (3) puntos diferentes. Con esto tomando muestra
con peso inicial y final con el fin de obtener el valor real de la humedad.
29
Limite Plástico e Índice de Plasticidad de Suelos (INV E – 126 – 13)
Se trabaja con el material sobrante del límite líquido pasante por el tamiz Nº 40, se
toman aproximadamente 40 gr. Luego se agrega agua, se amasa el suelo, y se deja que
pierda humedad hasta una consistencia a la cual puedan hacerse rollitos de 3 mm, sin que
se pegue a las manos esparciéndolo y mezclándolo continuamente hasta que tienda a
desmoronarse, seguidamente se vuelve a repetir la operación tomando otras porciones de
suelo, se lleva al horno por 24 horas a 110 ºC y como resultado el límite plástico será la
humedad medida en la muestra llevada al horno.
Equivalente de Arena (INV E – 133 – 13)
Se prepara una cantidad representativa de material fino en una vasija de porcelana
se llena al horno pro 24 horas luego se lleva a la mufla por 6 horas para obtener la
incineración de las partículas orgánicas que contiene el agregado y este no debe exceder el
1 % de material orgánico para que cumpla con los requerimientos de la tabla 350 – 2 del
Invías.
Relaciones Humedad-Densidad de Mezclas de Suelo Cemento (INV E – 611 – 13)
Se prepara el material, para el cual se seleccionan muestras pasantes por el tamiz
No. 4, el material es llevado al horno durante 24 horas a una temperatura aproximada de
110 °C. Posterior a ello se tomaron 2300 g. de muestra para cada una de las probetas y se
realiza la sustitución de polietileno de alta densidad PEHD requerida, se tuvo especial
cuidado en el momento de mezclar el material, cuidando que el total de la muestra fuera
homogénea. Seguido a esto se adiciona la cantidad de cemento requerida y se mezcla con
el total de la muestra. Posterior a ello se formó un espécimen compactando en el molde, la
mezcla de suelo-cemento en tres capas iguales, empleando 25 golpes con el martillo
30
manual por cada una de las capas. Posterior a ello se enrasa la muestra cuidadosamente y
se determina la masa del molde con la muestra compactada. Con la masa tomada y el
volumen del molde, se determinó el primer punto de densidad seca. En la muestra
compactada se realiza un corte vertical y del centro de la misma se toma una pequeña
porción la cual fue llevada al horno, por 24 horas, para determinar la humedad con la que
se trabajó la muestra. Posterior a ello la muestra se disgrega y se adiciona agua, en un
porcentaje equivalente al 3% de la muestra, repitiendo el procedimiento de mezclado,
compactación, pesado y toma de muestra para determinación de la humedad. La adición de
agua se repite en porcentajes del 3% hasta detectar una caída en la densidad de la muestra.
Con los valores de densidades obtenidos, y las humedades encontradas en cada proceso de
compactación se obtiene una gráfica de humedad contra densidad seca máxima, teniendo
en su punto más alto el valor de la humedad óptima con que se trabajaron las mezclas de
suelo-cemento posteriores.
Humedecimiento y Secado de Mezclas Compactadas de Suelo-Cemento (INV E –
612 – 13)
Se elaboraron 10 briquetas, dos por cada porcentaje de PEHD establecidos en el
anteproyecto (0%, 25%, 50%, 75% y 100%), siendo las briquetas enumeradas con el
numero 1 las que se determinaron el cambio de volumen y de humedad, y para las briquetas
con el número 2 se determinaron las pérdidas.
Elaborado las briquetas, se midió el diámetro, altura y peso de cada una de ellas,
siendo el primer dato de inicio como referencia para el cálculo de cambio volumétrico y
cambio de densidad; enseguida se dejaron en curado durante 7 días para la hidratación del
cemento.
Habiendo transcurrido el periodo de curado, inician los ciclos de humedecimiento
y secado; las briquetas, comienzan un ciclo con humedecimiento en agua durante 5 horas,
luego se dejan en el horno a una temperatura de 71 º C. durante 42 horas, se tomaron las
31
mediciones de diámetro, altura y peso para las briquetas marcadas con el número 1, para
las briquetas marcadas con el número 2 se raspo con un cepillo de acero alrededor del eje
longitudinal de los especímenes con 20 pasadas y a los dos bordes 4 pasadas por cada uno,
posterior a ello se realiza el pesaje de las mismas. Los pasos anteriormente mencionados
equivales a un ciclo de la prueba, en total se realizaron 12 ciclos.
Preparación y Curado de Probetas de Suelo-Cemento para Pruebas de Compresión
y Flexión en el Laboratorio (INV E – 613 – 13)
Para el proyecto solamente se realizó la prueba de compresión. Esta prueba se
efectúa mediante molde de forma cilíndrica, el cual se deben aplicar aceite comercial en el
interior del molde. Se deposita en el molde una masa respectiva de la mezcla suelo-
cemento, compactándolo de una forma distribuida con una varilla compactadora hasta
obtener una altura aproximadamente de 150 mm, teniendo cuidado en no dejar vacíos en
la mezcla. Se coloca el pistón superior en posición y se aplica una carga con una máquina
de compresión, hasta tener una altura de 142 mm. Estas probetas se curan dentro de los
moldes en la cámara de húmeda durante 12 horas o más, para poder extraer las probetas
compactadas. Se introducen nuevamente en la cámara de húmeda para así luego poderlas
ser ensayados a compresión.
Resistencia a la Compresión de Cilindros Moldeados de Suelo-Cemento (INV E – 614
– 13)
El ensayo inicia con la preparación del material, para el cual se selecciona muestras
pasantes por el tamiz No. 4, el material es llevado al horno durante 24 horas a una
temperatura aproximada de 110 °C. Posterior a ello se tomaron 2300 g. de muestra para
cada una de las briquetas y se realizó la sustitución de polietileno de alta densidad (PEHD)
32
requerida. Seguido a esto se adiciona la cantidad de cemento requerida y se mezcla con el
total de la muestra. Paso seguido se adiciona la cantidad de agua requerida para cada
muestra, dato que se obtuvo con anterioridad del ensayo de relación de humedad-densidad.
Posterior a ello se formó un espécimen compactando en el molde, la mezcla de suelo-
cemento en tres capas iguales, empleando 25 con el martillo manual por cada una de las
capas. Posterior a ello se enrasa la muestra cuidadosamente. Luego del enrasado se lleva la
muestra a una cámara húmeda por 7 días, cuidando de mantener la humedad de la cámara.
Finalmente las briquetas son retiradas de la cámara y llevadas a la máquina de compresión
de cilindros, para realizar la compresión de las mismas. Con este ensayo se obtiene graficas
Resistencia a La Compresión vs Contenido Óptimo de Cemento, estos datos son
proyectados para obtener el porcentaje de cemento que cumpla con el requerimiento de
resistencia del artículo 350 – 13 del Invías.
33
Materiales
Los materiales granulares podrán estar compuestos por mezclas de agregados naturales con
agregados provenientes de trituración de piedra de cantera o de grava natural en estado
natural luego de clasificados en sitio, este material proveniente de excavaciones localizadas
al sur de la ciudad de Bogotá D.C., específicamente las canteras de Soacha, permitiendo
por medio de una mezcla con cemento desarrollar mediante ensayos descritos por el
artículo 350-13 del Invías, descubrir los comportamientos y características y así
diagnosticar que tan viable seria ejecutar proyectos con la sustitución del polímero de alta
densidad, para esto existen unos requisitos que se encuentran plasmados en el artículo en
mención.
Caracterización del agregado
Para la caracterización del agregado se emplearon 350 kilos de material de la
excavaciones de una cantera situada al sur de la ciudad de Bogotá en el municipio de
Soacha, este material luego de clasificarlo según AASTHO y visualmente, se procede a
describir sus características según los ensayos propuestos por del artículo 350 – 13 respecto
a las tolerancias requeridas, analizando factores como el tipo (Recebo común) en este caso
se le realizaron ensayos como: limites líquidos, índices de plasticidad y granulometría, para
darle una connotación y tener claro si se deben hacer modificaciones para lograr cumplir
con los requerimientos citados en el artículo, de esta forma lograr obtener un material que
se acondicione a los requerimientos. Cabe aclarar que en este caso el material presente
características favorables que no permitieron efectuarle modificaciones de mejora.
INV E – 125 – 13 Límite líquido
En la figura 3 se muestra el desarrollo del proceso de laboratorio y en la figura 4
los resultados obtenidos:
34
Figura 3. Ensayo Límite Líquido.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 4. Curva de Fluidez – Límite Líquido.
Fuente: Elaboración propia.
20
22
24
26
28
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
CO
NT
EN
IDO
DE
AG
UA
(%
)
NÚMERO DE GOLPES
LIMITE LÍQUIDO
35
Resultados:
Los requisitos establecidos en la (tabla 350-2 Invías) el porcentaje máximo
permitido para el límite líquido es del 30%; medida que se encuentra en el rango donde
muestra que el suelo está cumpliendo y es apto para el desarrollo de nuestra investigación
ya que se obtienen valores entre 20.45%, y 26,70% para las pruebas realizadas
respectivamente. Los resultados obtenidos se encuentran en el (Anexo C).
INV E – 126 – 13 Limite Plástico e Índice de Plasticidad de Suelos
De acuerdo con los procedimientos establecidos en este ensayo se muestran a
continuación los resultados obtenidos:
Figura 5. Ensayo Limite Líquido.
Fuente: Elaboración propia.
Resultados:
Lo establecidos en la (tabla 350-2 Invías), el porcentaje máximo permitido para el
índice de plasticidad es igual al 12%, obtenido como la resta entre el límite líquido y el
límite plástico; requerimiento que nuestro suelo claramente está cumpliendo, ya que se
están obteniendo valores entre 6.5% y 11.90% para las dos pruebas realizadas. Los
resultados obtenidos se encuentran en el ANEXO C
36
INV E – 123 – 13. Determinación de los Tamaños de las Partículas de los Suelos
En el agregado se encuentran una gran distribución de tamaños de partículas
presentes en una muestra de suelo, este ensayo muestra los criterios de aceptación
mencionados en la norma INV E 123 – 13 para utilizarlos en la investigación.
Para este ensayo se realizaron dos granulometrías ver anexo B, la segunda se toma
como control de repetibilidad.
Figura 6. Ensayo Granulométrico.
Fuente: Elaboración propia.
En la Articulo 350 – 13, Tabla 350-3 Invías se diferencian 4 tipos de gradación de
suelos donde se muestra el rango permitido, como lo son el Tipo A-50, Tipo A-25, Tipo
B-50-1 y Tipo B-50-2, para este caso nuestro material se acomoda al tipo A-25 como
muestran los anexos B junto con el que correspondiente a repetibilidad, dando como
resultado similares datos en la curva granulométrica. Estos valores en la curva muestran el
rango al cual pertenece este material siendo este el más acertado pasando el 100% del
37
material por el tamiz de 1” encontrándose la mayor parte del material dentro del rango del
tipo de agregado y reteniendo la mayor parte en el tamiz Nº 4 en un 12% del total del
agregado mostrado a continuación en la figura N° 7.
Figura 7. Curva Granulométrica Material Granular patrón.
Fuente: Elaboración propia.
Resultado:
Tal y como se observa en la figura 7 que la curva granulométrica del agregado posee
una buena gradación, en este caso las franjas que limitan este tipo de material permite
clasificarlo según la tabla 350 - 3 del artículo INV 350 - 13 (requisitos granulométricos) en
un suelo A-25 que se caracteriza por ser un material donde el 100 % de su agregado total
pasa el tamiz de una 1” luego se distribuye porcentualmente hasta que el contenido mínimo
retenido entre 2 -25 en el tamiz N° 200, luego según la norma ASSTHO lo clasifica en un
tipo de suelo que pertenece al grupo A-2,6, y por último la norma SUCS lo describe como
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,00,11,010,0100,0
Po
rcen
taje
qu
e p
asa (
%)
Diámetro de las partículas (mm)
38
arena bien gradada y pocos finos (SW), corresponde a un material permeable, por lo cual
presenta una absorción considerable de agua.
Luego de presentar este análisis, se observa que en la parte superior de la figura 7
la curva granulométrica en el 96.5 % del agregado total cumple con la franja
granulométrica, aunque para este material no altera los requisitos requeridos
normativamente ya que para ser suelo A-25 es necesario que el 100 % del material pase
por el tamiz de 1”.
INV E – 121 – 13. Contenido Orgánico de un Suelo Mediante el Ensayo de Perdida
por Ignición
En la figura 8 podemos apreciar el proceso y resultados obtenidos en este ensayo.
Figura 8. Registro Fotográfico Ensayo Contenido Material Orgánico.
Fuente: Elaboración propia.
39
Resultado:
El material después de pasar 6 horas en la mufla a 450 °C cambia su color
notablemente de un tono amarillo claro a un tono naranja oscuro ya que por su
calcinación toma este color quemado.
Los resultados obtenidos en este ensayo (ver anexo A) muestra que los
requerimientos de la tabla 4 cumplen para la investigación ya que debe tener menor
del 1% de contenido de materia orgánica.
INV E – 133 – 13. Equivalente de arena
Como se observa en la figura 9 el proceso de laboratorio de este ensayo:
Figura 9. Registro fotográfico ensayo equivalente de arena.
Fuente: Elaboración propia.
Resultado:
Para este laboratorio se realizaron los propuestos en el plan de ensayos, a cada uno
de los porcentajes de polietileno propuestos se le preparo la muestra y se obtuvieron
resultados que su variación no es significativa sino que se mantuvieron con cambios entre
29% y 33% (ver anexo D), esto quiere decir que este material en su contenido mantiene
40
un cambio de 4% mostrando una buena limpieza ya que no supera el cambio porcentual de
4.2 % que establece la norma en el numeral 12.1.1, del ensayo en mención referente a la
precisión de un solo operador.
Polietileno de alta densidad (PEHD).
El polietileno de alta densidad (PEHD) como se aprecia en la figura 10 se presenta
en forma semiesférica de color azul producto de la extrusión producida por una máquina
trituradora de material reciclado de canecas plásticas de 50 galones.
Figura 10. Registro fotográfico PEHD pasa tamiz N° 4 – Retiene N° 10.
Fuente: Elaboración propia.
Para realizar esta la clasificación del material se utilizaron tamices de N° ¾” al
tamiz N° 40, obteniendo que las partículas de PEHD por tratarse de un proceso industrial
de extrusión sean en su 98% en tamaño homogéneas reteniéndose en el tamiz N ° 10 en su
mayoría.
41
Granulometría PEHD
La siguiente ilustración en la figura 11 se muestra la curva granulométrica que se
obtuvo para el material Polietileno de alta densidad:
Figura 11. Curva granulométrica polietileno de alta densidad.
Fuente: elaboración propia.
Según se observa en la figura 11 la curva granulométrica del polímero, este material
pasa el tamiz Nº 4 en su 100% y queda retenido en el tamiz Nº 10 mostrando un material
con características uniformes y homogéneas tal como muestra la figura 10. (Ver anexo B)
Cemento.
Para la caracterización del cemento no se realizaron ensayos, se presenta la ficha
técnica (ver anexo H):
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,00,11,010,0100,0
Po
rcen
taje
qu
e p
asa (
%)
Diámetro de las partículas (mm)
42
El cemento utilizado para el desarrollo del proyecto es un cemento gris de uso
general tipo 1 de marca Argos. Este cemento cumple con las siguientes propiedades:
Presenta un cambio de longitud por autoclave expansión máx. de 0.8%.
El tiempo de fraguado es no menor a 45 minutos y no mayor de 420 minutos.
El contenido de aire en volumen de mortero es de máximo 12%.
La expansión de barras de mortero a 14 días es de máximo 0.02%.
Presenta resistencias a la compresión de la siguiente manera:
Tabla 10.
Resistencia a la compresión del cemento argos
Días Resistencia
(Mpa)
3 9
7 16
28 26
Fuente: Cementos ARGOS (2015). Adaptación propia (2016).
Agua.
Para la caracterización del agua no se realizaron ensayos, se presenta la ficha
técnica de las condiciones del agua que se requiera como la norma, para la estabilización
deberá ser limpia y libre de materia orgánica, álcalis y otras sustancias perjudiciales.
Puede ser agua potable; si no lo es, deberá cumplir los requisitos que se indican en
la tabla 11 a continuación:
Tabla 11.
43
Características del agua
CARACTERISTICAS NORMA DE
ENSAYOS ATMS
REQUISITO
pH D 1293 5.5 ‐ 8.0
Contenido de sulfatos,
expresado como SO4=,
g/l máximo
D 516 1.0
Fuente: INV 350-13 Invías (2013).
Resumen de resultados vs norma.
Véase en la tabla 12 el resumen de resultados obtenidos en los ensayos
anteriormente descritos.
Tabla 12.
Resumen de resultados
Ensayo INV Art. 350 -13 Invías Resultado
(%)
Cumple
E-125 <30% 20,45 - 26,70 SI
E-126 <12% 6,5 - 11,9 SI
E-123 Ajustar a Tabla 350-2. Art.350-13 A-25 SI
E-121 <1% 1% SI
E-133 <4,2% 4% SI
Ensayo INV Art. 350 -13 Invías Resultado
(%)
Cumple
PEHD N/A N/A SI
Cemento TIPO 1 (Esp. Argos) TIPO 1 SI
Agua 5.5-8.0 N/A SI
Fuente: Elaboración Propia.
Tal como se muestra en la tabla 12 la aceptación del material para los
requerimientos relacionados en el artículo INV 350-13, proporcionando a la investigación
el aval para continuar con los ensayos de diseño de mezcla que se describen en el siguiente
capítulo.
Diseño de mezcla de suelo-cemento-PEHD
44
A continuación se presenta la metodología empleada en el diseño de mezcla suelo-cemento
desarrollado en la investigación.
Metodología PCA
Consiste en la realización de ensayos mediante un orden especifico descritos en la
normatividad Invías mediante criterios establecidos en tablas de control donde muestran
las limitantes y requisitos comprendidos para los ajustes necesarios en la aceptación de
materiales y desarrollo de procesos de laboratorio, asimismo, esta metodología guía para
la investigación presenta los siguientes ensayos y tablas de forma ordenada a continuación.
Como primera medida el método solicita que se realice una clasificación del
material a trabajar para el proyecto, tal como se muestra en la tabla 13 clasificación de
suelos según AASHTO de donde se selecciona la muestra en este caso el tipo de suelo A-
2,6 el cual se clasifica mediante límite líquido e índice de plasticidad (INV E 125-13 INV-
E 126-13), descritos en el capítulo anterior. Siguiente se detalla el procedimiento:
Se muestra una clasificaron del material elaborando los ensayos de granulometría,
materia orgánica, equivalente de arena (INV E 121-13 INV- E 123-13 y INV E 133-13) para
tener un concepto claro del tipo de material propuesto.
Tabla 13.
Clasificación según la AASHTO
45
Clasificación Materiales granulares (35% o menos pasa por el
tamiz Nº 200)
Materiales limoso arcilloso
(más del 35% pasa el tamiz
Nº 200)
Grupo: A-1 A-3 A-2-4 A-4 A-5 A-6 A-7
A-7-
5 A-
7-6
A-1-
a
A-1-
b
A-2-
4
A-2-
5
A-2-
6
A-2-
7
Porcentaje que
pasa:
Nº 10 (2mm) 50
máx.
- - - -
Nº 40
(0,425mm) 30
máx.
50
máx.
51
mín.
- -
Nº 200
(0,075mm) 15
máx.
25
máx.
10
máx.
35 máx. 36
min
Características
de la fracción
que pasa por el
tamiz Nº 40
Límite líquido - - 40
máx.
41
mín.
40
máx.
41
mín.
40
máx.
41
mín.
40
máx.
41
mín.
(2)
Índice de
plasticidad 6 máx. NP
(1)
10
máx.
10
máx.
11
mín.
11
mín.
10
máx.
10
máx.
11
mín.
11
mín.
Constituyentes
principales
Fragmentos
de roca,
grava y
arena
Arena
fina
Grava y arena arcillosa o
limosa
Suelos
limosos
Suelos
arcillosos
Características
como subgrado Excelente a bueno Pobre a malo
Fuente: Clasificación de suelos según SUCCS, AASTHO (2013).
Teniendo establecido el material clasificado en la tabla anterior, se procede a buscar
esta descripción referente al Contenido de cemento aproximado para proyectar las mezclas
suelo cemento según la PCA.
Conociendo el porcentaje de cemento requerido, el contenido de cemento estimado
para la prueba de compactación en peso y contenido de cemento para la prueba de
humedecimiento y secado en peso que requiere la PCA, se preparan las briquetas en las
cuales se desarrollan los especímenes control de la investigación cumpliendo sus ciclos de
compactación y curado según lo describe el ensayo (INV E 613-13).
46
Siguiente a este proceso se prepara el diseño de mezcla ajustándose al
requerimiento descritos en el artículo 350-13 del Invías, donde muestra los ensayos (INV
E 611-13, INV E 614-13 y INV E 612-13), como guía base para la sustitución planteada
para el desarrollo del proyecto. Tal como se muestra en la tabla 14 el contenido de cemento
aproximado según el grupo de suelo que corresponde a A-2,6 para mezcla suelo cemento
el tipo de agregado.
Tabla 14.
Contenido de cemento aproximado para proyectar las mezclas suelo cemento según la PCA
Grupo de suelo según la
AASHTO
% De cemento
requerido
Contenido de
cemento
estimado para
la prueba de
compactación
en peso
Contenido de
cemento para la
prueba de
humedecimiento y
secado en peso
A2 5 a 9 7 5-7-9
Fuente: (State-of-the-Art Report on Soil Cement, 1997). Adaptation propia (2016).
Sustitución del Material
Estos ensayos se desarrollaron con cuatro materiales principales que son: recebo
común, cemento, agua y PEHD, materiales ya descritos y caracterizados anteriormente, el
ensayo consiste en tomar 2300 gr. para cada probeta de material suelo - cemento, sustituir
la porción que pasa el tamiz Nº 4 y se retiene en el tamiz N° 10 en masa por las partículas
de PEHD y así ocupar esa masa desalojada volviendo a conseguir obtener la masa principal
de 2300 gr. En este caso corresponde al 12 % del total del agregado seleccionado y
corresponde a la fracción granulométrica de l00% del PEHD.
47
Sustitucion del 25%
(a)
Sustitucion del 50 %
(b)
Sustitucion del 75 %
(c)
Sustitucion del 100 %
(d)
Figura 12. Material granular sustituido por PEHD.
Fuente: elaboración propia.
A continuación se describen los ensayos correspondientes a este capítulo.
Relación Humedad-Densidad De Mezclas De Suelo Cemento – Norma INV E – 611 –
13
En el procedimiento para sustituir el PEHD, con la elaboración de este ensayo, se
determinó el valor de la humedad óptima y la densidad máxima para la preparación de la
mezcla de suelo-cemento sustituyendo partículas de PEHD. Para dicha preparación se toma
48
como referencia la metodología empleada por la PCA; descrita anteriormente, donde se
calcula el contenido de cemento aproximado para proyectar las mezclas de suelo-cemento.
En el caso del porcentaje de cemento estimado para la prueba de compactación en
peso, tal como se muestra en la tabla 14 donde se observa que para un suelo tipo A-2, el
porcentaje de peso estimado para la prueba de compactación es del 7%, y los porcentajes
de cemento estimados para la prueba de humedecimiento y secado son de 5%, 7%, y 9%.
Figura 13. Preparación relación humedad-densidad mezclas de suelo-cemento.
Fuente: elaboración propia.
Para las pruebas de Proctor, realizadas en la mezcla de suelo-cemento con y sin
PEHD se obtienen las siguientes gráficas que muestran un porcentaje óptimo de humedad
y una densidad seca máxima. En la elaboración de los porcentajes de sustitución de 50% y
100% se planteó una repetibilidad.
49
a: Ensayo Proctor, 0% de PEHD Prueba No. 1 b: Ensayo Proctor,25% de PEHD en Prueba No. 2.
c: Ensayo Proctor, 50% de PEHD Prueba No. 3 d: Ensayo Proctor, 75% de PEHD en Prueba No.4.
e: Ensayo Proctor, 100% de PEHD. Prueba No. 5.
__________________________________________________________________
Figura 14. Ensayo proctor, humedades óptimas con contenido de PEHD en mezcla suelo-cemento.
Fuente: elaboración propia.
1,80
1,82
1,84
1,86
1,88
1,90
1,92
5,0 10,0 15,0
Den
sid
ad S
eca
(g/c
m3
)
Contenido de Humedad (%)
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
5,0 10,0 15,0
Den
sid
ad S
eca
(g/c
m3
)
Contenido de Humedad (%)
1,55
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
5,0 10,0 15,0
Den
sid
ad S
eca
(g/c
m3)
Contenido de Humedad (%)
1,55
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
5,0 7,0 9,0 11,0 13,0 15,0
Den
sid
ad S
eca
(g/c
m3)
Contenido de Humedad (%)
1,64
1,69
1,74
1,79
1,84
1,89
4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Den
sid
ad S
eca
(g/c
m3)
Contenido de Humedad (%)
50
Resultados:
Según se observa en la figura 15 la humedad óptima que corresponde al pico de la
curva dibujada de la mezcla suelo-cemento y el peso unitario o densidad seca,
correspondiente al contenido óptimo de humedad, tal como se muestra en la tabla 15
resumen de resultados obtenidos.
Tabla 15.
Resumen de resultados obtenidos de proctor (relación humedad y densidad)
Ensayo Noma del
Ensayo INVE
Mezcla Requisitos Según
Art. 350 - 13
Invías
Resultado
Humedad Densidad
(g/cm3)
Proctor E-611 0,0% PEHD N.P. 11,70% 1,910
25% PEHD 11,50% 1,908
50% PEHD 10,30% 1,907
50% PEHD (R) 10,90% 1,910
75% PEHD 10,20% 1,909
100% PEHD 9,70% 1,890
100% PEHD
(R)
9,60% 1,895
N.P. = No Presenta / R.= Repetibilidad.
Fuente: elaboración propia.
Puesto que la normatividad no registra limitantes ni parámetros requeridos los
resultados obtenidos son utilizados en el análisis de los siguientes ensayos.
Resistencia a la compresión de cilindros – norma INV E – 614 – 13
Tal y como muestra la figura 15 se realiza ensayo de Proctor para tener los especímenes
listos antes de fallarlos.
51
Figura 15. Compactación de cilindros mezclas de suelo-cemento.
Fuente: elaboración propia.
Para cada porcentaje de sustitución de polietileno de alta densidad (25%, 50%, 75%,
y 100%) se trabajaron porcentajes de cemento de 5%, 7% y 9%, para cada porcentaje de
cemento se elaboraron tres briquetas de suelo-cemento sustituyendo el respectivo
porcentaje de PEHD, Asimismo, los especímenes se curan dentro de los moldes en cámara
húmeda por 12 horas, de las cuales inmediatamente después de ser removidos de la cámara
se obtuvieron valores máximos de resistencia a la compresión, estos valores máximos de
cada probeta en cada porcentaje de suelo-cemento más PEHD se promedian y se elabora
una gráfica, por medio de la gráfica realizada se obtiene una proyección de la que se obtiene
el porcentaje de cemento requerido para obtener una resistencia de 2.1 MPa
52
Figura 16. Resistencia a la compresión de cilindros moldeados de suelo-cemento.
Fuente: elaboración propia.
Figura 17. Proceso de falla de especímenes.
Fuente: elaboración propia.
A continuación se muestran las gráficas donde se encuentra representado cada uno
de los ensayos realizados:
53
R = 0,0338(%C) + 0,6797R² = 0,9995
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55
Res
iste
nci
a a
la c
om
pre
sio
n (
Mp
a)
% Contenido de cemento Optimo
Con el 75 % de PEHD
a: Proyección contenido cemento 0% de PEHD b: Proyección contenido cemento 25% de PEHD
c: Proyección contenido cemento 50%PEHD d: Proyección contenido cemento 75% PEHD
R = 0,1667(%C) + 0,0167R² = 0,9586
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Res
iste
nci
a a
la c
om
pre
sio
n (
Mp
a)
% Contenido Optimo de cemento
Con 25 % de PEHD
R = 0,1292(%C) + 0,4636R² = 0,9446
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Res
iste
nci
a a
la C
om
pre
sio
n (
Mp
a)
% Contenido de cemento Optimo
Con el 50 % de PEHD
R = 0,425(%C) - 0,2483R² = 0,9575
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
2,9
3,1
3,3
3,5
3,7
3,9
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
Res
iste
nci
a a
la c
om
pre
sio
n (
Mp
a)
% Contenido Optimo de cemento
Con 0 % de PEHD
54
e: Proyección contenido cemento 100% PEHD
______________________________________________________________________________
Figura 18. Proyección de contenido de cemento.
Fuente: elaboración propia.
Resultados:
Durante el desarrollo del proyecto, con el fin de determinar si era posible la
elaboración de las briquetas, ya que la cantidad de PEHD en las sustituciones requería más
porcentaje de cemento, de tal manera que al sustituir y aplicar el diseño de mezcla los
resultados arrojados no fueron los adecuados de acuerdo con las resistencias esperadas ya
que eran inferiores y no superaban los 0,6 MPa, puesto que la resistencia de diseño es 2.1
MPa, para ajustarse a la norma se realizó proyección o línea de tendencia para conseguir
dicha resistencia y los valores de porcentaje de cemento optimo que dieron como resultado
grandes contenido de cemento. Por tal motivo se incrementa el contenido de cemento para
la prueba de humedecimiento y secado, esto a fin de obtener resultados que se acerquen
más al valor de resistencia a la compresión a los 7 días requerida de 2,1 MPa.
Al graficar las resistencias a la compresión vs los contenidos óptimos de cemento
señalados por la metodología PCA, es evidente que el PEHD no genera la suficiente
cohesión para que estas partículas y suelo interactúen entre ellas, igualmente al proyectar
R = 0,0589(%C) + 0,5236R² = 0,9974
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Res
iste
nci
a a
la c
om
pre
sio
n (
Mp
a)
% Contenido de cemento Optimo
Con el 100 % de PEHD
55
la línea de tendencia se muestra que se requiere mucho más contenido de cemento que el
esperado. Como muestra en la tabla 16 el resumen de resultados obtenidos y en la tabla 16
los resultados obtenidos para el diseño de la resistencia a la compresión.
Contenido Optimo De Cemento
Tabla 16.
Contenidos óptimos de humedad y cemento para el total de sustituciones de PEHD
Briqueta Humedad óptima (%) Densidad optima Kg/m3 Ecuación de
tendencia
Cemento óptimo
(%C)
0% PEHD 11,70 1,910 R = 0,425(%C) +
0,2483
R² = 0,9575
5.5
25 % PEHD 11,50 1,908 R = 0,1667(%C) +
0,0167
R² = 0,9586
12.5
50 % PEHD 10,60 1,908 R = 0,1292(%C) +
0,4636
R² = 0,9446
12.6
75 % PEHD 10,20 1,909 R = 0,0338(%C) +
0,6797
R² = 0,9995
42.0
100 % PEHD 9,65 1,897 R = 0,0589(%C) +
0,5236
R² = 0,9974
26.9
Fuente: elaboración propia.
Tabla 17.
Resumen de resultados obtenidos de resistencia a la compresión Ensayo del
Ensayo
INVE
Noma
Material Requisitos
según Art.
350 - 13
Invías
Resultado
(Mpa.)
Resultado proyectado Cumple
Muestra Cemento Cemento Resistencia
(Mpa.)
Resistencia
a la
Compresión
E-614 0,0%
PEHD
5% N.P. 1.98 5.5% 2,1 Si
Cumple 7% 2.52
9% 3.68
56
Ensayo del
Ensayo
INVE
Noma
Material Requisitos
según Art.
350 - 13
Invías
Resultado
(Mpa.)
Resultado proyectado Cumple
Muestra Cemento Cemento Resistencia
(Mpa.)
25% PEHD 5% N.P. 0.81 12.5% 2,1 Si
Cumple 7% 1.26
9% 1.48
50% PEHD 5% N.P. 1.07 12.6% 2,1 Si
Cumple 7% 1.44
9% 1.59
75% PEHD 5% N.P. 0.85 42.0% 2,1 Si
Cumple 7% 0.92
9% 0.98
100%
PEHD
5% N.P. 0.81 26.9% 2,1 Si
Cumple 7% 0.94
9% 1.05
N.P. = No Presenta, N.A. = No Aplica
Fuente: elaboración propia.
Humedecimiento Y Secado De Muestras Compactadas De Suelo-Cemento – Norma
INV E – 612 – 13
Tal y como indican los requisitos del informe del ensayo se hace descripción de
los mismos a continuación:
Se identifica la muestra al momento de caracterizarla como un tipo de suelo A-2,6,
luego se escoge el método A ya que la granulometría muestra que el 100% del suelo
previamente clasificado pasa por el tamiz N° 4. La curva de compactación se referencia en
el ensayo INV E 611 -13 mencionada en la figura 14, para los contenidos de humedad y
máximo peso seco se encuentran los resultados este ensayo en las tabla 15.
El ensayo de humedecimiento y secado permite determinar los cambios de
volumen, cambios de humedad y pérdidas, debidos a los procesos seguidos de
humedecimiento y secados de briquetas, se compactan con 3 capas mediante 25 golpes del
martillo cada capa de suelo-cemento. Este ensayo en el cual se elaboraron 10 briquetas,
dos por cada porcentaje de PEHD (0%, 25%, 50%, 75% y 100%), utilizando el porcentaje
de cemento optimo obtenido a partir del ensayo de resistencia, siendo los especímenes
57
enumerados con el número 1 los que se determinaron el cambio de volumen y de humedad,
y para los especímenes con el número 2 se determinaron las pérdidas.
Figura 19. Humedecimiento y secado de briquetas de suelo-cemento – proceso de cámara húmeda.
Fuente: elaboración propia.
Habiendo transcurrido el periodo en cámara húmeda por 12 horas los especímenes
se curan dentro de los moldes, e inician los ciclos de humedecimiento y secado; las
briquetas, comienzan un ciclo con humedecimiento en agua durante 5 horas, luego se dejan
en el horno a una temperatura de 71 º C. durante 42 horas figura 20; se tomaron las
mediciones de diámetro, altura y peso para las briquetas marcadas con el número 1, para
las briquetas marcadas con el número 2 se raspo con un cepillo de acero alrededor del eje
longitudinal de los especímenes con 20 pasadas y a los dos bordes 4 pasadas por cada uno
ver Figura 21, posterior a ello se realiza el pesaje de las mismas. Los pasos anteriormente
mencionados equivales a un ciclo de la prueba, en total se realizaron 12 ciclos.
58
Figura 20. Humedecimiento y Secado de briquetas de Suelo-Cemento – Ciclos de curado y
Exposición a Temperatura – Desarrollo Propio.
Fuente: elaboración propia.
Al finalizar los 12 ciclos, se dejaron las briquetas en el horno durante 12 horas a
una temperatura de 110 ºC, para obtener la masa seca al horno, para calcular el porcentaje
de pérdidas suelo-cemento.
Figura 21. Humedecimiento y Secado de briquetas de Suelo-Cemento – Raspado y toma de datos de
Briquetas.
Fuente: elaboración propia.
Para las pruebas de Durabilidad realizadas en la mezcla de suelo-cemento con y
sin PEHD se obtienen las siguientes gráficas que muestran un porcentaje de cambio
máximo de humedad y el cambio volumétrico máximo que se presenta al realizar el
ensayo.
59
a: Máximo cambio de humedad y máximo cambio de volumen para 0% de PEHD
b: Máximo cambio de humedad y máximo cambio de volumen para 25% de PEHD
c: Máximo cambio de humedad y máximo cambio de volumen para 50% de PEHD
0123456789
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
po
rcen
taje
%
Numeros de Ciclos
Para el 0% de PEHD
Humedad Volumen
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Po
rcen
taje
%
Numero de Ciclos
Para el 25% de PEHD
Humedad Volumen
0,5
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
7,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Po
rcen
taje
%
Numero de ciclos
Para el 50% de PEHD
Humedad Volumen
60
d: Máximo cambio de humedad y máximo cambio de volumen para 75% de
PEHD
e: Cambio de volumen para 100% de PEHD
___________________________________________________________ Figura 22. Máximo cambio de humedad y máximo cambio de volumen.
Fuente: Elaboración propia.
.
En la tabla 18 se muestra la máxima variación volumétrica y el porcentaje de
pérdidas más altos para cada porcentaje de sustitución:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Po
rcen
taje
%
Numero de Ciclos
Para el 75% de PEHD
Humedad Volumen
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Po
rcen
taje
%
Numero de ciclos
Para el 100% de PEHD
Humedad Volumen
61
Tabla 18.
Valores Máximos Variación Volumétrica y Perdidas de Mezcla Compactada
Porcentaje Perdidas Δ Volumétrica
0,0% PEHD 9,78% 2,49%
25% PEHD 16,70% 1,58%
50% PEHD 11,72% 1,26%
75%PEHD 10,17% 0,82%
100% PEHD 7,49% 1,41%
Fuente: elaboración propia.
Resultados:
Como se observa la figura 22, el cambio volumétrico y de humedad no presentan
variaciones bruscas si no que tiende a mantener un estado constante con muy poca
diferencia entre los (12) doce ciclos curado, en la gráfica (a), muestra patrón, en los
primeros 5 ciclos se nota un aumento porcentual para la humedad debido a que el agua va
a ocupar más el volumen desalojado del agregado y una disminución para el volumen
debido a la perdida de material inicial para luego mantenerse constante. También se
observa que en el ciclo 7 de la gráfica (a) de volumen se establece un dato máximo que
puede haber sucedido por errores en la toma de datos.
Por otra parte cumpliendo con el límite requerido por el artículo 350 – 13 del Invías,
donde las pérdidas no podían exceder un 10% tal y como muestra la tabla 6 (requerimientos
de la norma 350-13). Máxima pérdida de masa de la mezcla compactada en prueba de
humedecimiento y secado, para el suelo A-2,6 con contenido de PEHD corresponde que
los resultados obtenidos NO se ajustan para los porcentajes de 25%, 50%, y 75%, exceden
la limitación descrita en la normatividad exigida, por lo tanto las pérdidas de material en la
mezcla suelo-cemento son considerables. Por otra parte en las sustituciones del 0% y del
100% los resultados se acogen a los requisitos del Invias
62
Resumen de resultados
Para el análisis comprendido después de verificar los resultados se obtiene tal y
como muestra la tabla 19 de resumen de resultados.
Tabla 19.
Resumen de resultados obtenidos de durabilidad
Ensayo Norma
del
Ensayo
INVE
Mezcla requisitos
según
art. 350 -
13 Invías
Resultado Cumple
Δ Volumétrica Perdidas
Durabilidad
(Perdidas
de Suelo-
Cemento)
E-612 0,0% PEHD Max. 10% 2,49% 9,78% Si Cumple
25% PEHD 1,58% 16,70% No Cumple
50% PEHD 1,26% 11,72% No Cumple
75% PEHD 0,82% 10,17% No Cumple
100% PEHD 1,41% 7,49% Si Cumple
N.P. = No Presenta, N.A. = No Aplica.
Fuente: elaboración propia.
De esta forma los porcentajes que corresponden a 25%, 50%, y 75% de PEHD no
cumplen ya que exceden la limitante requerida, esto puede ser ocasionado al alto contenido
de cemento que se le incluyo en la mezcla.
63
Análisis de resultados
En este capítulo se describen los análisis e interpretaciones sobre los cuales se dan
conceptos según lo muestran las siguientes figuras.
Densidad Vs % Cemento
Figura 23. Gráfica de densidad vs porcentaje de contenido de cemento según PCA
Fuente: elaboración propia.
Análisis:
Como muestra la figura 23, las tendencias lineales correspondientes a las
densidades obtenidas en los ensayos para los diferentes contenidos de cemento de 5%, 7%
y 9%, estas (4) cuatro tendencias son negativas quiere decir que su densidad decrece.
Después de un análisis se aprecia que a mayor cantidad de PEHD se obtiene una menor
densidad; por otra parte como se observa en la misma figura a medida que aumenta el
y = -0,0509x + 2,1352R² = 0,8716y = -0,0197x + 1,796
R² = 0,6735
y = -0,0375x + 2,0647R² = 0,498
y = -0,0179x + 1,9246R² = 0,9995
y = 0,0215x + 1,9486R² = 0,3511
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5
Den
sid
ad
% contenido de Cemento
Densidad vs % cemento con PEHD
25% 50% 75% 100% 0%
Lineal (25%) Lineal (50%) Lineal (75%) Lineal (100%) Lineal (0%)
64
cemento su densidad disminuye. En la sustitución del 50% de PEHD se muestra una
densidad menor que sus homologas; esto se debe a que en este porcentaje se requirieron
moldes en PVC. Su difícil desencofrado hace que se pierda una fracción del material y
esto hace que se presente una densidad más pequeña.
Tabla 20.
Ecuaciones de tendencia
Briqueta Ecuación de Tendencia
0% PEHD y = 0,0215x + 1,9486
R² = 0,3511
25 % PEHD y = -0,0509x + 2,1352
R² = 0,8716
50 % PEHD y = -0,0197x + 1,796
R² = 0,6735
75 % PEHD y = -0,0375x + 2,0647
R² = 0,498
100 % PEHD y = -0,0179x + 1,9246
R² = 0,9995
Fuente: elaboración propia.
Las ecuaciones de líneas de tendencia que se muestran en la tabla 20 muestran que
el mayor contenido de PEHD confiable es la del 100% ya que su comportamiento es
directamente proporcional al aumento de cemento como se observa en la figura 21 (línea
de tendencia color amarillo).
65
Densidad Vs % PEHD
Figura 24. Gráfica de densidad seca vs porcentaje de polietileno de alta densidad en 5%, 7% y 9%.
Fuente: elaboración propia.
Como se observa en la figura 24 la relación entre la densidad seca y el contenido
de PEHD la muestra patrón aumenta la densidad en la medida que aumenta el contenido
de cemento. Por otro lado las probetas con PEHD presentan una densidad más baja en
comparación a su igual de la muestra patrón.
Desarrolla una curva convexa en los contenidos del 25% y 75% y cóncavo en el
50% y para los porcentajes propuestos del 0% y el 100% el aumento fue gradual en la
medida que se aumentaba el contenido de cemento. Esto muestra que no existe un
comportamiento de tendencia en los porcentajes del 25% al 75% de contenido de PEHD.
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
Den
siad
ad S
eca
5 7 9 Porcentaje de PEHD
Densidad vs % PEHD
0 25% 50% 75% 100%
66
% Humedad vs % PEHD
Figura 25. Gráfica de contenido de humedad vs porcentaje de polietileno de alta densidad.
Fuente: elaboración propia.
La anterior gráfica muestra que a mayor contenido de PEHD mayor contenido de
humedad, esto ocurre porque con el aumento en la cantidad de PEHD se necesita más
cantidad de agua para poder llegar a la humedad optima de compactación y la Resistencia
ultima cumpla con la normatividad Invías.
% Optimo De Cemento Vs % PEHD
Figura 26. Gráfica de contenido Optimo de cemento vs porcentaje de polietileno de alta densidad
Fuente: elaboración propia.
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
12,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
% d
e H
um
edad
% de PEHD
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
%O
pti
mo
cem
ento
% de PEHD
67
Como muestra la figura 26 los porcentajes óptimos de cemento, se observa que a
medida que se aumenta el PEHD se aumenta el contenido cemento con un comportamiento
asintótico con excepción de un porcentaje que es el 75% que presenta un consumo muy
superior a la media de los otros puntos ya que con respecto al remplazo del 50% presento
un aumento del 70%. Este aumento se debe a que en la sustitución del 75% donde se
elaboraron en moldes de PVC al desencofrar los especímenes el espécimen presenta
perdida del mismo por la difícil manipulación de estas probetas.
% PEHD Vs Densidades y Contenido Óptimo De Cemento
Figura 27. Gráfica cruzada de porcentaje de alta densidad vs densidades y contenido de cemento
óptimo, junto.
Fuente: elaboración propia.
En esta gráfica se alcanzan a cruzar las dos curvas en el rango de 70% de PEHD.
Esta intersección muestra donde existe un punto óptimo de cemento y a su vez una densidad
óptima. Al generar líneas de tendencia tanto de densidad y porcentaje de PEHD se sale del
rango propuesto lo que conlleva a replantear la franja granulométrica a investigar.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
0 20 40 60 80 100 120
Co
nte
nid
o C
emen
to O
pti
mo
Den
sid
ades
% de PEHD
68
% Perdidas Vs % PEHD
Figura 28. Gráfica de pérdidas de material vs porcentaje de polietileno de alta densidad.
Fuente: elaboración propia.
Las pérdidas de material que se observan en la figura 28 muestran que a mayor
cantidad de PEHD menor cantidad de perdida, tanto así que al llegar al 100% presenta una
disminución del 23% con respecto al espécimen patrón.
% Volumen Vs % PEHD
Figura 29. Gráfica de volumen vs porcentaje de polietileno de alta densidad.
Fuente: elaboración propia.
Como se observa en la figura 29 se aprecia que los cambios de volumen disminuyen
en proporción al remplazo de PEHD, presentan una tendencia decreciente máxima de un
7%8%
9%
10%11%12%
13%14%
15%16%17%
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
% P
erd
idas
% PEHD
0,6%0,8%1,0%1,2%1,4%1,6%1,8%2,0%2,2%2,4%2,6%
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
% v
OLU
MEN
% PEHD
69
del 67% con respecto a la muestra patrón en el 75% de sustitución; luego en el remplazo
del 100% disminuye en un 43% con el mismo patrón de referencia, haciendo menos
eficiente el remplazo en el 100%.
Resistencia vs contenido de PEHD
Figura 30. Grafica de Resistencia vs contenido de PEHD
Fuente: elaboración propia.
Como se evidencia en la figura 30, a medida que aumenta el contenido de PEHD
disminuye la resistencia; esto evidencia que los especímenes que contienen PEHD no
generan un aporte de resistencia como la muestra patrón. Y también observamos que a
partir del 75% del remplazo PEHD se presenta un acercamiento de las 3 curvas donde
muestra que los contenidos de cemento desde el 75% de remplazo tiene una incidencia
menor en cuanto a resistencia en comparación a los porcentajes de remplazo anteriores.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105
resi
ste
nci
a (M
pa)
% PEHD
Resistencia vs % PEHD
9
7
5
70
Conclusiones y recomendaciones
Los valores de humedad por cada remplazo de PEHD varían de forma ascendente,
es decir que al sustituir el polímero en un 25% aumenta en un 19.3% la humedad en las
siguientes sustituciones presenta aumentos hasta llegar a 32.4% al sustituirse el 100% del
material por PEHD; todos estos datos son en referencia al suelo patrón que muestra una
humedad del 9.21%. Con estos resultados podemos concluir que para una mezcla de suelo
cemento con características similares a las investigadas en este proyecto que contengan
PEHD el aumento de agua va a ser inversamente proporcional a la cantidad del polímero
agregado.
En el ensayo de durabilidad observamos como el PEHD al entrar a ser remplazado
en los diferentes porcentajes propuestos se observa una tendencia asintótica en los cambios
volumétricos manteniendo la cantidad de humedad estable. Esto sucede por las
características de permeabilidad que posee el material de remplazo como es este polímero.
Se puede concluir que el polímero de estudio resulta siendo un material que estabiliza los
cambios de volumen en suelos y también controla la cantidad de humedad. Se recomienda
hacer una investigación en otros tipos de suelos con la influencia del PEHD para determinar
el control de estos cambios de volumen y humedad, además, se sugiere aumentar el número
de repeticiones para dar mejor soporte a los comportamientos de los resultados
En las pérdidas de material se observó que en los remplazos del 25%, 50% y 75%
de PEHD presentaron una tendencia negativa y teniendo perdidas mayores a la del suelo
patrón, pero al remplazar en el 100% del polímero de la fracción granulométrica hubo una
disminución del 23% con respecto al espécimen de referencia. Se concluye que PEHD
resulta siendo poco efectivo para contrarrestar perdidas de volumen de material. Sin
embargo, en los remplazos altos del PEHD su comportamiento tiende a amentar por tal
razón se recomienda hacer un estudio de adición para conocer los comportamientos de este
71
material ya que la delimitación de nuestra investigación no nos permite observar
comportamiento a partir de este punto.
Para el contenido de cemento optimo la cantidad de PEHD es un factor
determinante que va a requerir la mezcla ya que al ser remplazada una parte del material
por polímero el cemento aporta la cohesión necesaria para lograr la amalgama entre el
polímero y el agregado restante. Se recomienda hacer una investigación sobre las
afectaciones de cohesión del PEHD y los diferentes tipos de suelos.
La resistencia que aporta el cemento a los especímenes propuestos con sus
remplazos de material por el PEHD resulta de menor influencia en la medida que se
aumenta dicho contenido de polímero. Sin embargo, se recomienda hacer un estudio de
sustitución de PEHD en la franja del 0% y el 25 ya que por como se observa podrían existir
puntos óptimos en esta franja.
Se propone realizar estudios acerca de la adherencia mecánica del suelo cemento al
PEHD para una futura investigación. Tal recomendación se hace al observar los resultados
de los diferentes ensayos como resistencia, cambios de volumen, contenidos óptimos de
cemento y pérdidas de material propuestos en este estudio.
72
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http://www.textoscientificos.com/polimeros/polietilen
74
Anexos
Anexo A. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 121 – 13 DETERMINACION
DEL CONTENIDO ORGANICO DE UN SUELO MEDIANTE EL ENSAYO DE
PERDIDA POR IGNICION. (Digital).
Anexo B. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 123 – 13 DETERMINACION
DE LAS TAMAÑOS DE LAS PARTICULAS DE SUELO. (Digital).
Anexo C. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 125 – 13 LIMITE LIQUIDO
Y ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 126 – 13 LIMITE PLASTICO E
INDICE DE PLASTICIDAD. (Digital).
Anexo D. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 133 – 13 EQUIVALENTE DE
ARENA
Anexo E. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 611 – 13 RELACION
HUMEDAD – DENSIDAD DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO. (Digital).
Anexo F. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 614 – 13 RESISTENCIA A
LA COMPRESION DE CILINDROS MOLDEADOS DE SUELO CEMENTO.
(Digital).
Anexo G. ENSAYO DE LABORATORIO INV E – 612 – 13
HUMEDECIMIENTO Y SECADO DE MEZCLAS COMPACTADAS DE
SUELO-CEMENTO. (Digital).
Anexo H. FICHA TECNICA DE CEMENTO ARGOS
75
Anexo I. REGISTRO FOTOGRAFICO (Digital).
Anexo J. ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCION DE
CARRETERAS ART 350 -13, ENSAYO INV E 121-13, ENSAYO INV E 123-13,
ENSAYO INV E 125-13, ENSAYO INV E 126-13, ENSAYO INV E 133-13,
ENSAYO INV E 611-13, ENSAYO INV E 612-13, ENSAYO INV E 613-13 Y
ENSAYO INV
76
