USO DE CONCHA DE ABANICO TRITURADA PARA …

Farfán, P. (2015). Uso de concha de abanico triturada para mejoramiento de subrasantes arenosas. Tesis de pregrado en Ingeniería Civil. Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Civil. Piura, Perú.

USO DE CONCHA DE ABANICO

TRITURADA PARA MEJORAMIENTO

DE SUBRASANTES ARENOSAS

Pierre Farfán-Raymundo

Piura, noviembre de 2015

FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Civil

USO DE CONCHA DE ABANICO TRITURADA PARA MEJORAMIENTO DE SUBRASANTES ARENOSAS

Esta obra está bajo una licencia

Creative Commons Atribución-

NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú

Repositorio institucional PIRHUA – Universidad de Piura

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/pe/



U N I V E R S I D A D DE P I U R A

FACULTAD DE INGENIERÍA

“Uso de concha de abanico triturada para mejoramiento de subrasantes arenosas”

Tesis para optar el Título de Ingeniero civil

Pierre Richard Farfán Raymundo

Asesora: Mgtr. Gaby Patricia Ruiz Petrozzi

Piura, Noviembre 2015

A Dios por su infinito amor y sin él nada hubiese sido posible. A mis padres quienes me apoyaron siempre, especialmente a mi madre.

A mis hermanos y familiares cercanos que siempre me alentaron a seguir adelante. A mis amigos, por su sincera amistad y motivación.

PRÓLOGO El crecimiento socioeconómico de una región está relacionado principalmente al desarrollo de las obras de construcción, siendo las vías de comunicación una de las más importantes. La construcción de obras viales se apoya en el suelo, sin embargo a veces éste no cumple con los requisitos para ser empleado dentro de la estructura interna de un pavimento, siendo la estabilización una solución que se emplea para mejorar sus propiedades. En la actualidad la industria de la construcción de obras viales busca productos que se utilicen para el mejoramiento de las propiedades de los suelos. La presente tesis es el resultado de un trabajo de investigación realizado los últimos meses en el Laboratorio de Ensayos de Materiales de Construcción de la Universidad de Piura (LEMC) con el fin de estudiar la posibilidad de un nuevo producto que funcione como estabilizador de suelos. Para la realización de esta investigación conté con el apoyo de personas a las cuales tengo la alegría de agradecer. Agradezco de una manera especial a mi asesora Ing. Gaby Patricia Ruiz Petrozzi, catedrática de esta casa de estudios por ser mi consejera durante el desarrollo de la elaboración de esta tesis. También agradezco a la Ing. Blanca Jiménez, Jefa del laboratorio de Ensayo de Materiales de Construcción y al personal que labora en el mismo por las facilidades que me brindaron para realizar las pruebas correspondientes. Por último a mi familia y amigos por su apoyo incondicional.

RESUMEN La presente tesis evalúa el uso de la concha de abanico triturada como estabilizador mecánico de suelos por cambio de granulometría. Se empleó concha de abanico y suelo areno-limoso, provenientes de la provincia de Sechura. Algunos reglamentos como el Florida Department of Transportation Standard Specifications

for Road and Brigde Construction y Orange County Utilities Master CIP Technical

Specifications especifican el uso de las conchas de mar como estabilizador de bases y subbases pero en nuestro país no se conocen ni se aplican. Mediante el método cuantitativo experimental, con la concha triturada entre 38.1 y 0.85 milímetros, se hicieron 4 mezclas por combinación que cumplían con el uso granulométrico de la norma ASTM D-1241 y se evaluaron las propiedades físicas y mecánicas. Todos los ensayos se realizaron en el laboratorio de la Universidad de Piura (LEMC) siguiendo las Normas Técnicas Peruanas. Los resultados indican que la concha de abanico triturada tiene una dureza muy similar a la de los agregados pétreos locales y que su uso mejora el C.B.R del suelo, registrándose un valor máximo de CBR 121% con un 45% de concha triturada. Se concluye que sí es posible utilizar la concha de abanico como material estabilizador de suelos arenosos.

ÍNDICE Introducción.……………………………………………………………………………1 Capítulo 1. Fundamentos de estabilización mecánica por método granulométrico para pavimentos de suelos arenoso……………………………………….………….……...3 1.1 Pavimentos…………………………………………………………………….…....3

1.1.1 Subrasante……….……………………..…………………………………....4 1.1.2 Subbase y base…………………….…………………………………….…….....4

1.2 Estabilización en pavimentos……………………………………………………….5 1.2.1 Métodos de estabilización en pavimentos……………………….………..….5 1.2.2 Estabilización en suelos arenosos…………………………………….……....8

1.3 Estabilización mecánica por cambio de granulometría…………………….….…....8 1.3.1 Método para el cálculo de mezclas…………………………………...…......10

1.4 Características de la concha de abanico como material estabilizador……………..15 Capítulo 2. Interpretación de documentos técnicos internacionales para estabilización mecánica de suelos con residuos de moluscos……………………………………….19 2.1 Florida department of transportation standard specifications for road and bridge

construction (FDOT)……………….……………………………………………...19 2.2 Orange county utilities master cip technical specifications………………………..21 2.3 Halff associates, Inc. Tx office- Section 02500……………………………………22 Capítulo 3. Caracterización de materiales…………………………………………..25 3.1 Suelo de la provincia de Sechura…………………………………………………..25 3.2 Residuos de la concha de abanico……………………………………………….....29

3.2.1 Ubicación de los residuos concha de abanico………………………….……29 3.2.2 Preparación de la concha para usarla como estabilizador…………………...31 3.2.3 Análisis de las partículas obtenidas de la concha de abanico triturada……...33

3.2.3.1 Curva granulométrica………………………………………………..33 3.2.3.2 Abrasión de los ángeles……………………………………………..34 3.2.3.3 Partículas chatas y alargadas………………………………………...35

3.3 Posible comportamiento de las mezclas……………………………………………37 Capítulo 4. Ensayos y resultados de estabilización…………………………............39 4.1 Descripción de las propiedades de las mezclas a utilizar para la estabilización…...39 4.2 Ensayo de CBR………………………………………………………………….....44

4.2.1 Determinación de la relación humedad-densidad……………………….......45 4.2.1.1 Ensayo PROCTOR………...……………………………….............45 4.2.1.2 CBR determinación de humedad-densidad……………………........49

4.2.2 Determinación de las propiedades expansivas del material……………........49 4.2.3 Determinación de la penetración…………………………………….............50

4.3 Análisis de las propiedades de las mezclas con la norma AASTHO -97………….54 4.4 Análisis de la curva granulométrica luego de ensayo CBR………………………..55 Conclusiones y recomendaciones……………...……………………….…….………57 Bibliografía…….……….…………………………………………………….………..59 Anexo A………..……….…………………………………………………………..….61

Granulometría del suelo arenoso limoso Anexo B……………………………………………………………………………..….65

Humedad del suelo arenoso limoso Anexo C…...………………………………………………………………………..….69

Límites de atterberg del suelo arenoso limoso Anexo D……..……………………………………………………………..….……….73

Proctor modificado del suelo arenoso limoso Anexo E………..…………………………………………………………….……..….77

CBR del suelo arenoso limoso Anexo F…………..………………………………………………………….……..….81

Partículas chatas y alargadas de la concha de abanico Anexo G…………..………………………………………………………..………….85

Desgaste de los ángeles de la concha de abanico Anexo H……………..……………………………………………………………..….89

Proctor modificado de la mezcla 1 Anexo I………………..…………………………………………………….……..….93

Proctor modificado de la mezcla 2. Anexo J………………..…………………………………………………………...….97

Proctor modificado de la mezcla 3 Anexo K………………..………………………………………………………..……101

Proctor modificado de la mezcla 4 Anexo L…………………..…………………………………………………….….…105

CBR de la mezcla 1 Anexo M…………………..……………………………………………….…………109

CBR de la mezcla 2

Anexo N……………………..………………………………………………..…….…113 CBR dela mezcla 3

Anexo O………………………..……………………………………………….…….117

CBR de la mezcla 4 Anexo P…………………………..…………………………………………..……….121

Granulometría de la mezcla 3 luego del ensayo Proctor.

INTRODUCCIÓN El suelo es el material de construcción más usado porque aparece en la mayoría de las obras, por razones medioambientales y económicas. En las obras de construcción de carreteras se recomienda usar el suelo in situ, sin embargo mayormente esto no presentan las características adecuadas para cumplir las exigencias de calidad establecidas. La estabilización es un método que se utiliza para mejorar las propiedades de un suelo. Dependiendo de las características que se quieren mejorar se selecciona la técnica estabilizadora más eficiente. Una correcta estabilización ocasiona que el suelo in situ pueda ser empleado en la construcción de la estructura interna de un pavimento. Actualmente en la provincia de Sechura existe un problema de contaminación ambiental por los residuos de concha de abanicos. Al año, unas 100 mil toneladas de residuos son arrojadas a botaderos autorizados por la municipalidad. De cada concha, solamente se aprovecha el tallo y el coral, lo que representa un 15% del total extraído; lo que deja que un 85% del producto se convierta en residuos, ocupando espacio y generando una dedicación de recursos públicos para su disposición final. Estos residuos pueden ser reutilizados para diferentes fines; uno de ellos es en la industria de la construcción de carreteras, pues su uso ya ha sido estudiado por diferentes investigadores. Yamada Mikio et al (2002) analizaron la utilidad de la concha de ostra triturada como material de Sub-rasante en la mejora de carreteras existentes en Japón; la investigación demostró que tanto el CBR como las deflexiones del pavimento obtenido fueron adecuadas a los requisitos del tráfico. Otra investigación importante es la que se hizo en España (Matías Carnero el al, 2009), donde se mostró el uso de la concha de mejillón triturada para incrementar la capacidad portante (CBR) con respecto a muestras puras de zahorras naturales1. Gracias a los trabajos citados anteriormente se puede intuir que las conchas actúan en el suelo como partículas gruesas (agregados gruesos), estabilizando suelos de grano fino. Aunque las aplicaciones se han limitado a suelos arcillosos, se podría hacer la prueba con suelos también finos no cohesivos, como es el caso de los suelos areno-limosos. Ante la problemática que enfrenta actualmente el medio ambiente, esta tesis busca explorar la posibilidad de utilizar la concha de abanico triturada como agente estabilizador en una

1 Zahorra es material granular, de granulometría continua, utilizado como capa de firme. Zahorra natural es el material formado básicamente por partículas no trituradas.

estabilización mecánica por cambio de granulometría a fin de mejorar las propiedades mecánicas y físicas de un suelo.

CAPÍTULO 1

FUNDAMENTOS DE ESTABILIZACIÓN MECÁNICA POR MÉTODO GRANULOMÉTRICO PARA PAVIMENTOS DE

SUELOS ARENOSOS

1.1 Pavimentos

Pavimento “es la superficie de rodamiento para los distintos tipos de vehículos, formada por el agrupamiento de capas de distintos materiales destinados de distribuir y transmitir las cargas aplicadas por el tránsito” (Gutiérrez Graf, 2004). Existen dos tipos de pavimentos los flexibles y los rígidos; el primero está compuesto por asfalto y el segundo por concreto hidráulico.

Los pavimentos flexibles están compuestos por un sistema de multicapas, las capas son de mejor calidad cerca de la superficie donde las tensiones son mayores. Estos pavimentos se conforman por una subbase, base y carpeta asfáltica (Figura 1). Al poseer menor rigidez que un pavimento rígido, hay tensiones mayores en la subrasante y en consecuencia, debe cumplir mayores requisitos de capacidad de soporte.

Figura 1. Estructura de pavimento flexible Fuente: Elaboración propia

Los pavimentos rígidos están compuestos por una subbase /base (es indistinto) y una losa de concreto hidráulico (Figura 2). En estos pavimentos, las cargas se distribuyen

4

uniformemente debido a la rigidez del concreto, teniendo como resultado tensiones bajas en la subrasante.

Figura 2. Estructura de pavimento flexible Fuente: Elaboración propia

1.1.1. Subrasante

La subrasante es el soporte natural gradado y compactado, en el cual se puede construir un pavimento. Tiene la particularidad de otorgar la respuesta estructural y comportamiento del pavimento en construcción y operación, por lo tanto determina los espesores de diseño del pavimento (American Concrete Pavements Association, 2007).

La calidad de la subrasante influye en el proceso constructivo y eficiencia de un pavimento, pues da soporte adecuado a las operaciones de la base y/o subbase. Si un proceso constructivo no es eficiente, los problemas en la subrasante permanecerán ocultos y aparecerán después a la exposición del tráfico y medio ambiente.

La calidad de la subrasante también influyen significativamente en los esfuerzos desplazamientos y agrietamientos de un pavimento. Cuando las deflexiones están presentes en la superficie de un pavimento son atribuidas a la subrasante; por lo tanto es necesario asegurar que su caracterización sea la correcta. 1.1.2. Subbase y base

La base y subbase son capas que están compuestas por materiales pétreos que tiene como finalidad trasladar las cargas de la carpeta de rodadura a la subrasante. Puesto que los esfuerzos en un pavimento disminuyen con la profundidad, el material que se encuentra más cerca a la superficie deberá ser de mejor calidad y deberá tener mejores propiedades mecánicas (American Concrete Pavements Association, 2007). Si el terreno de fundación es bueno, se pueden emplear suelos en su estado natural, de lo contrario se desecha el material o se utiliza algún proceso de mejoramiento tal como la

5

estabilización mecánica o la estabilización química con aditivos como el cemento portland, la cal, el asfalto, entre otros. El suelo mejorado puede llegar a emplearse como subrasante, subbase o base si cumple con los estándares establecidos en el proyecto. 1.2. Estabilización en pavimentos

La observación de las propiedades de los suelos ha creado una técnica de gran interés, la estabilización, la cual tiene un doble fin: construir caminos de costo reducido, aceptable para ciertos límites de tráfico, y tener una estructura interna capaz de soportar las cargas que transmite la capa de rodadura.

La estabilización de un suelo es un proceso que tiene por objeto mejorar su resistencia, trabando las partículas de una forma más efectiva y asegurando que las condiciones de humedad en las que trabaja el suelo varíen dentro de los rangos establecidos, consiguiendo una buena estabilidad de las cargas, una mínima variación volumétrica y un aumento de durabilidad en dicha capa (Beviá García & Bañón Blázquez, 2000). De esta forma se podrán usar suelos que originalmente no presenten las características adecuadas como subrasante, subbase o base.

La estabilización es una herramienta ventajosa, pero hay que tener en claro el conjunto de propiedades que se quiere mejorar y la relación entre lo que se logrará al mejorarlas y el precio y el esfuerzo que se debe invertir. Balanceando correctamente estos factores se logrará la estabilización correcta deseada.

Como se ha mencionado hay que tener claro las propiedades del suelo que se quieren mejorar. Por lo tanto, las propiedades que se estudian son: estabilidad volumétrica, resistencia, comprensibilidad y durabilidad. Mayormente se buscará mejorar estas propiedades simultáneamente, pero hay casos donde no es posible mejorarlas todas sino que se mejora alguna sacrificando otras.

En general, todos los suelos pueden ser estabilizados, pero el precio de la estabilización ha de tener un costo de operación alto si el suelo que se trata de mejorar no posee determinas condiciones que se requieren en el proyecto. Por consiguiente, se busca usar la técnica de estabilización más eficiente que suponga un bajo costo. Para este fin se estudian los siguientes parámetros: los materiales que serán empleados en el proceso, el procedimiento de la técnica a usar, las herramientas, mano de obra calificada, etc.

1.2.1. Métodos de estabilización en pavimentos

Las técnicas de estabilización pueden ser mecánicas, mezclando dos o más suelos de características complementarias, de tal forma que se obtenga un suelo de mejor granulometría, plasticidad, permeabilidad o impermeabilidad, etc. También se puede emplear diversos aditivos que actúan física o químicamente sobre las propiedades del

6

suelo. Los aditivos más utilizados son la cal y el cemento, pero también se usa cloruros de sodio, cloruros de magnesio, asfaltos líquidos, etc.

Los métodos más prácticos son los que a continuación se indican:

Estabilización mecánica

o Estabilización por compactación

Es el proceso que se lleva a cabo mediante equipos que transmiten al suelo esfuerzos por amasado, presión, impacto, vibraciones o su combinación. Al compactar un suelo se obtiene mayor densidad, las fuerzas que actúan sobre el suelo tendrán una mejor distribución, y se tiene mayor estabilidad, desaparecen los asentamientos desiguales en la estructura. Este método es el más usado. De hecho, es casi de carácter obligatorio en la construcción de pavimentos. No se admite la colocación de una capa de pavimentos si no ha sido compactada con determinados requerimientos técnicos.

o Estabilización por cambio de granulometría

Consiste en la combinación de 2 o más suelos para lograr una granulometría deseada. Este tipo de estabilización por sí sola no logra producir los efectos deseados, y siempre se necesita la compactación como complemento.

Estabilización Química:

Se usa por la adición de aditivos químicos específicos. Con esta tecnología se busca una reacción química del suelo con el estabilizante para lograr la modificación de las características del suelo. Los más frecuentes aditivos son la cal, el cemento y el asfalto.

o Estabilización con cal

Consiste en mezclar el suelo con cal en un porcentaje en peso, en seco y luego es humedecido antes de su compactación. Su aplicación se recomienda para suelos finos de arcillas porque su reacción química ocasiona la reducción de las propiedades plásticas del suelo.

o Estabilización con cemento

Es la combinación de un suelo convencional, pulverizado con cemento Portland y agua, que compactado a una humedad óptima y densidad produce un material resistente, durable y de bajo costo. Funciona en todo tipo de suelo,

7

pero su aplicación se torna poco económica cuando el suelo tiene alta plasticidad, porque la cantidad de cemento necesaria para la estabilización se vuelve excesiva. Por ello, se limita a suelos con IP de 4.

o Estabilización con asfalto

Se emplea asfalto o bitumen, para lograr propiedades impermeabilizantes y de preservación en el suelo, especialmente cuando el efecto del agua es muy agresivo.

Estabilización con tratamientos térmicos

Consiste en pasar gases a temperaturas elevadas, superiores a 400°C, por ductos dentro del suelo. Esto ocasiona que se calcine el suelo provocando cambios irreversibles especialmente en la estructura de las arcillas; el índice de plasticidad se reduce notoriamente.

Estabilización con polímeros Los polímeros actúan como agentes catalíticos de intercambio iónico sobre las moléculas de arcilla reduciendo su capacidad electrostática, anulando su destreza de absorber agua. Con el objetivo de impermeabilizar y aumentar la capacidad portante del suelo.

A continuación se presenta la Tabla 1, la cual proporciona algunas indicaciones de suelos comunes ante la posibilidad de estabilizaciones. Tabla 1. Problemas típicos y posibilidades de estabilización de algunos suelos comunes. Tipo de Suelo Problemas y medios de estabilización usuales Suelos arenosos Cuando la granulometría es uniforme puede

convenir con mezcla de otros suelos. Las arenas limpias pueden mejorar sus características con cemento o asfalto.

Suelos limosos con algo de arcilla En general, el único tratamiento económico al que son susceptibles es la compactación.

Suelos Limosos con muy poca o ninguna arcilla

No existen tratamientos económicos. Debe evitarse el uso en superficies expuestas, por los polvos que producen cuando se secan.

Suelos arcillosos agrietados Responden a la estabilización con cal. Suelos arcillosos no agrietados y de textura abierta

Responden muy bien a la compactación.

Arcillas suaves Susceptibles a la estabilización con cal. Fuente: La ingeniería de suelos en las vías terrestres, carreteras, ferrocarriles y aeropistas. Alfonso Rico Rodriguez (1977).

8

En la Tabla 2 se presentan algunas indicaciones acerca de la respuesta típica de algunos minerales ante la aplicación de diferentes métodos de estabilización.

Tabla 2. Respuesta de algunos minerales típicos a los diferentes métodos de estabilización Mineral o componente del suelo típico

Estabilización recomendable

Finalidad

Material orgánico Estabilización mecánica Los demás métodos no son efectivos

Arenas Mezcla con materiales finos no plásticos

Para estabilidad mecánica

Cemento Para incrementar resistencia Asfalto Para adquirir cohesión

Limos Cloruro de sodio y Cloruro de calcio

Disminuye los finos del suelo, principalmente los limos.

Alófanos Cal o mezcla de cal con yeso

Para incrementar la resistencia

Coalín Arena Para estabilidad mecánica Cemento Para incrementar resistencia a

corto plazo Cal Para mejorar trabajabilidad y

adquirir resistencia a largo plazo Ilita Cemento Para incrementar resistencia a

corto plazo Cal Para mejorar trabajabilidad y

resistencia a largo plazo Montmorilonita Cal Para mejorar trabajabilidad y

resistencia a corto plazo Fuente: La ingeniería de suelos en las vías terrestres, carreteras, ferrocarriles y aeropistas. Alfonso Rico Rodriguez (1977). 1.2.2. Estabilización de suelos arenosos

Dado que el presente trabajo se centra en los suelos de subrasantes arenosas, se aprecia detallar los métodos de estabilización de estos suelos. Al analizar las tablas 1 y 2 se recomienda la estabilización mecánica para mejorar un suelo arenoso. Por lo tanto se explicará en el siguiente apartado la estabilización mecánica por cambio de granulometría, porque en muchos casos es la solución más factible y viable económicamente. 1.3. Estabilización mecánica por cambio de granulometría

La estabilización granulométrica consiste en mezclar dos o más suelos para obtener un material de características admisibles y que cumpla con las exigencias deseadas para ser utilizado en la estructura interna de un pavimento (Beviá García & Bañón Blázquez,

9

2000). Se recomienda usar materiales locales para poder optimizar los costos de preparación y transporte.

Mayormente uno de los suelos que se utiliza es el de la subrasante y el otro es el de aporte para mejorar sus propiedades. Este método pretende mejorar la plasticidad y/o granulometría, la primera hace referencia a la capacidad drenante y susceptibilidad del agua; la segunda afecta la resistencia y compactación final.

Los suelos de grano grueso, gravas y arenas, tienen una alta fricción interna, lo que hace que puedan soportar grandes esfuerzos. Sin embargo, al no tener cohesión y estar sueltas, sus partículas se mueven libremente y con el esfuerzo ocasionado por la carga de los vehículos se pueden separar. Al mezclarlo con un suelo de grano fino, arenas, limos o arcillas, se rellenan los espacios que existen entre las partículas de grano grueso. La mezcla adecuada de estos suelos tiene como resultado un material que posee una buena granulometría y gran fricción interna.

La ejecución de este método se puede hacer en obra, in situ, o en una planta de tratamiento de áridos, el procedimiento que mayormente se aplica es el siguiente:

Escarificación y pulverización del suelo si el procedimiento se realiza in situ, o

pulverización únicamente si se realiza en planta (Figura 3).

Mezcla homogénea de los materiales, tanto en obra empleando grada de discos, como en una central, empleando tolvas dosificadoras.

Extensión y nivelación de la mezcla.

Humedecer y compactar la mezcla hasta alcanzar la densidad mínima requerida

en obra, usualmente es de 95 a 100% del Proctor modificado.

Figura 3. Bulldozer efectuando labores de excavación y escarificado. Fuente: Manual de carreteras. Beviá García & Bañon Blázquez (2000).

10

La tabla 3 presenta la elección de equipos para la compactación. El número uno corresponde al equipo que se debe escoger en primera instancia y así sucesivamente.

Tabla 3. Indicación sobre elección de equipos de compactación.

Est

ruct

ura

dent

ro d

el

pavi

men

to

Mat

eria

l T

ampe

r au

topr

opul

sado

Tam

per

rem

olca

do

Pata

de

cabr

a au

topr

opul

sado

Pata

de

cabr

a re

mol

cado

Lis

o vi

brat

orio

, peq

ueño

Lis

o vi

brat

orio

, pes

ado

Pata

de

cabr

a vi

brat

orio

, pe

queñ

o Pa

ta d

e ca

bra

vibr

ator

io,

pesa

do

Neu

mát

ico,

lige

ro

Neu

mát

ico,

pes

ado

Base Granular limpio 1 1 3 2 Subbase Granular, pocos finos 1 1 1 1 2 2 2 2 Subrasante

Roca 2 2 1 2 Arena grava 2 2 1 1 2 2 2 Arena uniforme 1 1 2 2 3 Arenas, gravas limosas

1 1 4 4 3 3 2 2 2

Limos 1 1 2 2 3 3 2 Arenas, gravas arcillosas

1 1 2 2 3 3 2

Arcillas 1 1 2 2 3 3 Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

1.3.1. Método para el cálculo de mezclas

Para determinar las cantidades de material necesario en la mezcla se puede analizar por diversos métodos gráficos y manuales. En la preparación de mezclas primero se obtiene el análisis granulométrico de un suelo, mayormente subrasante, conocido el porcentaje que constituye cada fracción se le adiciona proporciones de uno o más suelos de granulometría conocida para variar dichos porcentajes. El resultado de la mezcla es un producto que posee la granulometría deseada.

Actualmente existen diversos escritos que explican el diseño de una estabilización mecánica por cambio de granulometría, a continuación se explicará el desarrollo del método gráfico proporcionado por el INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTOS DE CEMENTOS porque es el más asequible de entender.

En la siguiente tabla (Tabla 4) se muestran tres materiales con sus granulometrías mostradas en las columnas B, C y D, respectivamente; y la columna A nos indica la granulometría a lograr.

11

Tabla 4. Granulometría libre y a lograr. Tamaño de partículas

Granulometría a lograr A

Granulometrías disponibles % que pasa

B C D 38,10 mm 100 100 100 100 19,00 mm 100 100 100 100 9,51 mm 65 100 94 18 4,76 mm 42 99 9 2 2,38 mm 35 90 3 - 1,19 mm 28 75 - - 595 um 21 51 - - 297 um 5 16 - - 149 um 0 2 - -

Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

Los pasos a seguir son:

- Primer paso: En un plano con coordenadas rectangulares se coloca en la escala

del eje vertical, el porcentaje de material que pasa. En ese mismo plano se traza la línea a-h.

Figura 4. Primer paso. Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

- Segundo paso: Sobre la escala vertical se determina los porcentajes del material

que pasan cada tamiz de la granulometría a lograr y desde ahí se trazan líneas horizontales hasta que corten la línea a-h en los puntos b, c, d, e, f, g.

12

Figura 5. Segundo paso. Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

- Tercer paso: Se trazan líneas verticales que pasen por los puntos determinados

sobre la diagonal en el paso anterior. El punto donde corten perpendicularmente al eje horizontal corresponde al tamaño del tamiz por el que pasó un cierto porcentaje.

Figura 6. Tercer paso. Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

13

- Cuarto paso: Sobre las líneas correspondientes a cada tamiz y empleando la escala vertical de porcentaje se grafican las curvas granulométricas de cada uno de los agregados disponibles, la cual cortan los ejes horizontales en los puntos P, Q, R, S, como se indica en la figura.

Figura 7. Cuarto paso. Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

- Quinto paso: Luego se trazan líneas que una los puntos P y Q, y R y S que se

interceptan con la línea a-h en los puntos V y W. Pasando por estos últimos puntos se trazan dos rectas horizontales que cortan el eje vertical. Para este caso específico lo hacen en el 38 y 60 % respectivamente.

Figura 8. Cuarto paso. Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

14

- Sexto paso: La manera como se deben combinar los tres tipos de agregados está

dado por los valores de los intervalos determinados con la ayuda del quinto paso:

Porcentaje del agregado de la columna: Columna B: (38-0) = 38% Columna C: (60-38) = 22% Columna D: (100-60) = 40%

La granulometría que se obtiene mediante este procedimiento es el resultado de multiplicar los porcentajes encontrados en el paso anterior por las gradaciones de los tres agregados que se requieren mezclar.

En la tabla 5 se observa la granulometría obtenida por el proceso de la mezcla. Al comparar la granulometría obtenida con la que se quiere lograr, la aproximación es muy buena. Los porcentajes se redondean al número entero más cercano.

Tabla 5. Granulometría obtenida en el proceso de mezcla

Tamaño de

partículas

% de participación Gradación obtenida

Gradación Requerida B

38% C

22% D

40% 38,10 mm 38 22 40 100 100 19,00 mm 38 22 37 97 100 9,51 mm 38 21 7 66 65 4,76 mm 38 2 1 41 42 2,38 mm 34 1 35 35 1,19 mm 28 28 28 595 um 19 18 21 297 um 6 6 5 149 um 1 1 0

Fuente: Mecánica de suelos para ingenieros de vías. Instituto Colombiano de productos de Cemento (1991).

Aplicar el método de estabilización mecánica por cambio granulométrico implica traer un suelo de otra localidad, esto ocasiona que se contamine la zona de donde se extrae el suelo. Una alternativa es emplear algún recurso que no se explote correctamente y esté ocasionando problemas al medio ambiente. Esta es la aplicación que se busca desarrollar al usar la concha de abanico como material para realizar la mezcla con el suelo de la subrasante.

15

1.4 Características de la concha de abanico como material estabilizador

La concha de abanico es un molusco filtrador de 2 valvas, es decir 2 placas, conformado por carbonato cálcico, conocida científicamente como Argopecten Purpuratus, perteneciente a la familia Pectinidae, la misma que engloba un gran número de especies conocidas internacionalmente como ‘Vieras’ o ‘Scallopos’. Su especie habita en zonas costeras, entre profundidades que van entre los 5 metros hasta los 30 metros, y bajo temperaturas que varían entre los 13° a 28° C.

Figura 9. Concha de abanico, lado de izquierdo se aprecia la parte rugosa y el lado derecho se visualiza la parte lisa de la concha. De la figura anterior se aprecia el estilo de textura que presentan en su caparazón por un lado es bastante rugoso y del otro liso. Se visualiza que tienen forma de partículas laminares e irregulares y poseen un espesor que varía entre 1.5mm y 3mm. Existen estudios en donde se ha comprobado el uso de conchas como material de construcción en carreteras. Yamada Mikio et al (2002), analizaron la utilidad de la concha de ostra triturada como material de subrasante en la mejora de carreteras existentes en Japón; la investigación demostró que tanto la capacidad portante (CBR) como las deflexiones del pavimento obtenido fueron mejoradas y se adecuaron a los requisitos del tráfico.

Otro estudio importante es el que se realizó en España (Badajoz) presentado en el XII Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos (2009), donde se demostró que el uso de la concha de mejillón triturada podía incrementar el CBR con respecto a muestras puras de zahorras naturales.

En ambos casos la concha triturada se usó para estabilizar suelos arcillosos altamente plásticos. Aunque su uso en suelos arenosos no se ha probado, es posible esperar que por su tamaño y su dureza actúe como una gravilla, pudiendo en ese caso, mejorar su comportamiento.

Al caracterizar los residuos de la concha de abanico según las normas AASTHO o ASTM se puede afirmar lo siguiente:

16

Granulometría No se puede decir que la concha de abanico tendrá una granulometría, pues el material se triturará mecánicamente, posteriormente se define la cantidad de material que será retenido en cada tamiz. El producto adquirirá la granulometría que más se ajuste para complementar al suelo que se quiere mejorar.

Capacidad portante Es el parámetro que más varía en la estructura interna del pavimento. La capacidad portante del suelo depende de varios factores: -Granulometría: Una buena granulometría ocasionara que las partículas se acomenden de tal manera que los espacios entre las partículas gruesas sean rellenadas por las pequeñas, esto al ser compactadas ocasiona un CBR alto. El tamaño de la concha de abanico en su estado natural es retenido en el tamiz 1 ½”y 2”, por lo que se triturara el material para obtener los distintos tamaños de partículas. -La competencia entre los granos: esto se refiere a la dureza de la concha. En los agregados pétreos tiene que ver con su origen geológico. Se puede medir con una prueba de desgaste. -Forma de las partículas: Al generar las partículas por un método de trituración mecánica se intuye que las partículas serán de forma angulosa. Se ha comprobado que esta forma produce mayor resistencia por la trabazón mecánica que se genera entre ellas. Sin embargo, en el caso de la concha triturada, su forma laminar condiciona que las partículas sean chatas si se usan tamaños de trituración muy grande.

Abrasión Se sospecha que las conchas de abanico son un material que posee menos resistencia que los agregados convencionales, pero se tiene que ensayar para poder comprobar. Este parámetro es un buen índice para ver la degradación durante la compactación y colocación en obra, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento.

Partículas chatas y alargadas Por el espesor que tienen las conchas se intuye que las partículas pueden en su mayoría ser chatas. El porcentaje de partículas que presenten estas características debe ser bajo, pues se ha comprobado en diversos estudios que

17

una cantidad elevada de partículas chatas y alargadas ocasiona un cambio en las propiedades mecánicas del pavimento. Por ejemplo una carretera para tráfico pesado ocasiona que estas partículas se quiebren, la granulometría cambia y a largo plazo se origina abolladuras o grietas en el pavimento. Por lo tanto, el tamaño de trituración de las conchas debe ser tal que no se generen partículas con índices muy elevados.

Partículas con caras fracturadas Todas las partículas serán generadas por la trituración mecánica. A priori se intuye que la mayoría tendrán un elevado porcentaje de caras fracturadas. Cuantas más partículas con caras fracturadas haya se mejorará la trabazón entre ellas, generando una mejor adherencia al ser compactadas.

En general, se puede considerar que la concha triturada podría actuar como agregado grueso, mejorando la estabilidad del suelo, aunque no aportaría mucho a la cohesión. Esto, si bien tiene un efecto limitado en la mejora de la respuesta del suelo arenoso, la capacidad de soporte podría mejorar significativamente en aplicaciones donde las capas del pavimento estén confinadas por otros mecanismos como ocurre en los pavimentos urbanos, donde las capas de pavimento están confinadas por sardineles.

CAPÍTULO 2

INTERPRETACIÓN DE DOCUMENTOS TÉCNICOS INTERNACIONALES PARA ESTABILIZACIÓN MECÁNICA DE

SUELOS CON RESIDUOS DE MOLUSCOS

En varios países, incluyendo Perú, se aplica la estabilización mecánica por cambio de granulometría porque es un método muy económico cuando los materiales utilizados para mejorar la granulometría se encuentran cerca de la zona del proyecto.

Actualmente en nuestro país existen documentos vigentes en las cuales se dan pautas para la estabilización de un suelo. Una es la norma “CE. 020 Estabilización de suelos y taludes” la cual da recomendaciones acerca de la estabilización por métodos físicos y químicos; de igual forma el Ministerio de Trasportes y Comunicaciones (MTC), en su “Manual de carreteras suelos, geología, geotecnia y pavimentos 2013” propone criterios para estabilizar un suelo. Sin embargo, estos documentos no hacen mención acerca del uso de residuos de moluscos como material estabilizador.

Sin embargo, existen normas vigentes extranjeras en donde mencionan el uso de residuos de concha triturada como material estabilizador del suelo. Los documentos que se analizan para la evaluación de esta investigación son los siguientes:

“Florida Department of Transportation Standard Specifications for Road and Bridge Construction”

“OCU ( Orange County Utilities) Master CIP Technical Specifications”

“Halff Associates, Inc. TX office – Section 02500”

2.1 FLORIDA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION STANDARD SPECIFICATIONS FOR ROAD AND BRIGDE CONSTRUCTION ( FDOT)

El Departamento de Transporte de Florida (FDOT) es una agencia ejecutiva encargada de coordinar la planificación y desarrollo del sistema de transporte estatal, que incluye

20

instalaciones de carreteras, aéreas, ferrovías, marítimas, tránsito de autobuses, bicicletas y peatones.

Esta norma contiene requisitos que establecen el método de realizar el trabajo, las cantidades y calidades de los materiales, maquinaria y mano de obra para todos los contratos del FDOT.

Esta norma, en su sección 913 “Material de concha” desarrolla el uso de depósitos naturales de conchas de moluscos rotos, corales, entre otros como material de base y para estabilizarla.

Esta especificación sugiere el uso del ensayo de “Bearing Ratio Limerock” (LBR) para evaluar la resistencia mecánica del suelo e indica que no deberá tener un valor menor a 100 y es inaceptable un valor menor a 90. El LBR es un método de ensayo pensado para la determinación del valor de carga de los suelos cuando se compactan en el laboratorio a humedades que varíen desde seco a humedad óptima, utilizando un pisón de 10lb (4.54kg) dejándolo caer desde una altura de 18 pulgadas. (Florida Method of test for LIMEROCK BEARING RATIO (LBR), 2000).

Como guía, la misma especificación establece unos límites para la granulometría del producto usado para estabilizar la base, refiriéndose al porcentaje que pasa los tamices 3 ½ in (97 %), el tamiz N°4 (50%) y el tamiz N°200 (7.5%). Se puede deducir que el material que predomina en la mezcla será el agregado grueso, manteniendo bajos o nulos los porcentajes de arcillas o limos.

Tabla 6. Granulometría de FDOT

Tamiz Abertura (mm) FDOT ( % que pasa) 3 ½ 87.5 97 4 4.76 50

200 0.074 7.5 Fuente: Florida Department of Transportation Standard Specifications for Road and Bridge Construction. Sección 913 “Shell Material”.

Estas especificaciones se han graficado en la Figura 10. Si bien la granulometría que recomienda el FDOT son valores referidos a 3 tamices, se ha interpolado estos datos para graficar una línea continua con el fin de mejorar la representación.

21

Figura 10. Curva granulometría del material en FDOT. Fuente: Elaboración propia. En la sección 914 “Estabilización de una Subrasante” esta especificación establece que el Índice máximo de plasticidad será de 10 y que el límite líquido máximo será de 40 para el producto que se empleará como estabilizador; ambos parámetros coincidentes con las especificación AASHTO. La norma no menciona el porcentaje de concha que se usa como producto al elaborar la mezcla ni el procedimiento de mezclado. Solo menciona las propiedades físicas y mecánicas que debe cumplir el material para ser utilizado. 2.2 ORANGE COUNTY UTILITIES MASTER CIP Technical Specifications

La norma técnica del condado de Orange, situado en la Florida Central, en la sección 02570 “Estabilización de Subrasante” hace mención acerca del uso de residuos de conchas como material estabilizador. La norma toma de referencia la sección 914 del FDOT mencionada anteriormente.

La granulometría que propone esta norma es similar a la propuesta por el FDOT, pero varía en el porcentaje que pasa para el tamiz No. 200, el cual es de 20% respecto al 7.5% sugerido por la norma FDOT. En la tabla 7 se presentan los requerimientos físicos y mecánicos que deben cumplir, los que a su vez han sido graficados en la Figura 11.

Tabla 7. Granulometría de OCU Tamiz Abertura (mm) FDOT ( % que pasa)

3 ½ 87.5 97 4 4.76 50

200 0.074 20 Fuente: Orange County Utilities Master CIP Technical specifications. Sección 02570-“Stabilized Subgrade”.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100

% q

ue p

asa d

el to

tal d

e

ag

reg

ad

os

Abertura en mm

FDOT

22

Figura 11. Curva granulométrica del material OCU. Fuente: Elaboración propia. Esta norma limita los valores del índice de plasticidad a 10 y el límite líquido a 40 para el producto a usar como estabilizador, lo que indica que debe tener una proporción baja o nula de arcillas, similar a lo sugerido por la especificación FDOT. El documento no hace mención acerca de la capacidad portante que debe tener el material para poder ser utilizado como una subrasante de estado óptimo. Sin embargo, establece la metodología para realizar la mezcla, los equipos, la necesidad de una planta de mezcla, condiciones de trabajo del área que será estabilizada y las verificaciones necesarias para asegurar que la gradación del material esté dentro de los límites establecidos. En general, la compactación se establece en un 98% de la densidad máxima determinada por AASHTO T-180 usando el contenido de humedad adecuada para la compactación especificada. 2.3 HALFF ASSOCIATES, INC. TX OFFICE – SECTION 02500

Halff Associates, Inc. es una empresa que proporciona servicios de consultoría de ingeniera civil, con sede en Texas y 12 sucursales en USA.

En la Sección 02500 “Flexible Base” de su manual de especificaciones técnicas, presenta 6 tipos de materiales estabilizados que se utilizan como producto de una base flexible. Dentro ellos, hay 2 que utilizan agregado de concha. En la tabla 8 se presenta los requerimientos físicos y mecánicos que deben cumplir estos 2 productos. Según estas especificaciones, se establece un rango para la distribución granulométrica, con un mínimo y un máximo, los mismos que han sido graficados en la Figura 12.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100

% q

ue p

asa d

el to

tal d

e

ag

reg

ad

os

Abertura en mm

OCU

23

Tabla 8. Requerimientos físicos y mecánicos de una base flexible estabilizada. Tipos Grado 2

Ensayo triaxial resistencia mínima a la compresión, psi: 35 a 0 psi y 175 a 15 psi presión lateral

Grado 3 Sin especificar ensayo triaxial

Concha con arena

Retenido tamiz % 1-3/4” ______ 0- 10 No 4 ______ 45 - 65 No 40 ______ 50- 70 Max LL ______ 35 Max PI ______ 10

Retenido tamiz % 1-3/4” ______ 0- 10 No 40 ______ 45- 65 Max LL ______ 35 Max PI ______ 12

Concha con arena y caliche



Fuente: Halff Associates – section 2500 “Base flexible”.

Figura 12. Curva granulométrica del material HALFF ASSOCIATES. Fuente: Elaboración propia

De la tabla 8 se observa que el primer material, mezcla de concha con arena, tiene un índice de plasticidad máximo de 12 y el segundo material, mezcla de concha con arena y caliche, tiene un índice de plasticidad máximo de 10. En ambos productos el índice de plasticidad debe ser bajo, por lo tanto el producto debe tener una proporción baja o nula de arcilla. Esta especificación no establece la capacidad portante que deberá tener la base para ser considerada como buena. En esta especificación se recomienda que los materiales se combinen en una planta central de mezcla y las proporciones sean determinadas por el ingeniero encargado, para producir una mezcla que cumpla con todos los requisitos de las especificaciones. Al graficar los requisitos granulométricos de las tres especificaciones (Figura 13) se puede observar una tendencia muy similar.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100

% q

ue p

asa d

el to

tal d

e

ag

reg

ad

os

Abertura en mm

24

Figura 13. Interposición de curvas granulométricas de los materiales de las normas expuestas anteriormente. Fuente: Elaboración propia

Si bien el rango OCU es para subrasantes, hay una tendencia a mantenerse dentro de un rango muy similar a las otras dos especificaciones. Por lo tanto, la curva granulométrica de una base o subrasante estabilizada no debería variar mucho cuando se hace uso de residuos de concha triturada. El aporte de material fino cohesivo con plasticidad sigue siendo necesario en el material de base y puede eliminarse en el caso de subrasantes. Con ello, la aplicación de las conchas en la estabilización de las subrasantes se hace posible a pesar de su nula plasticidad.

Se entiende entonces que en estas tres especificaciones, la concha se trata como un agregado grueso y su función está en mejorar la estabilidad del suelo.

Por otro lado, es importante recordar que el parámetro de capacidad portante del suelo aumenta cuando la capa se acerca a la carpeta asfáltica; por lo tanto una base tendrá una capacidad portante mayor a una subrasante. Pero de los 3 documentos, solamente el FDOT indica el valor de este parámetro.

Se concluye que el material que se emplea para estabilizar una subrasante o base debe contener un índice de plasticidad bajo, por lo tanto debe ser escaso el contenido de arcillas.

Si bien algunas normas indican que el mezclado puede elaborarse en una planta de áridos, no precisan más datos acerca del procedimiento que se debe seguir para elaborar dicha mezcla. El porcentaje de concha triturada que se empleará tampoco es indicada. Por lo tanto, el encargado a elaborar las mezclas es el responsable a obtener un material que cumpla con los requisitos físicos y mecánicos que exige cada documento.

De este modo, se plantea la necesidad de establecer el porcentaje de reemplazo necesario para lograr un mejoramiento del suelo original de la subrasante. Este es, por tanto, el propósito que se plantea la presente investigación y que será desarrollada en los siguientes capítulos.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100

% q

ue p

asa d

el to

tal d

e

ag

reg

ad

os

Abertura en mm

FDOT HALFF OCU

CAPÍTULO 3

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

3.1.Suelo de la Provincia de Sechura

Se utilizó suelo de la provincia de Sechura ubicada en la avenida Bayóvar S/N, al sur de la ciudad (Figura 14). El lugar de extracción de la muestra es debido a la cercanía con los botaderos de conchas de abanico.

Figura 14.Lugar de extracción de la muestra de suelo Fuente: Google maps

26

Figura 15.Lado izquierdo se observa la calicata que se realizó in situ para la extracción del material. Lado derecho es la muestra de suelo de la Provincia de Sechura. Como descripción litológica de la muestra, se puede decir que el suelo está compuesto por una arenisca, arena de grano muy fino, que contiene rocas sedimentarias con geoformas que parecen celdas con fragmentos angulosos fracturados de fósiles calcáreos de entre 5 mm a 20 mm (Figura 16).

Figura 16. Fracción de agregado grueso de la muestra. Lado derecho, la muestra antes de su ingreso al horno. Lado Izquierdo la muestra seca. Las rocas sedimentarias se disgregaban al contacto con el agua lo que demuestra una baja estabilidad. Al realizar el tamizado de agregado grueso se observó que las partículas se desunían, lo que demuestra que tiene una baja adherencia entre sus partículas. En la figura 17 se observa el procedimiento de tamizado de agregado fino y la figura 18 la curva granulometría que resulta del tamizado.

27

Figura 17.Tamizado de agregado fino en LEMC.

Figura 18.Curva granulométrica del suelo procedente de Sechura. Fuente: Informe del LEMC de la Universidad de Piura Al realizar el ensayo para determinar los límites de consistencia o límites de Atterberg, primero se realizó el ensayo de límite líquido el cual daba valores incoherentes por lo que se decidió ensayar el límite plástico sin terminar el primer ensayo. En el segundo ensayo al rolar en hilos las muestras se fraccionaban, por lo que se concluyó que el suelo fue no plástico (Índice de plasticidad IP=0).

28

Para determinar la capacidad portante del suelo, se realizó el ensayo de CBR de suelos compactados en el laboratorio. En la tabla 9 se muestra los resultados del ensayo. Tabla 9. Resultados de ensayo CBR para el material de subrasante. Especímenes #1 #2 #3 Compactación en golpes por capa 10 25 56 C.B.R corregido a 0.1” de penetración

18 34 51

C.B.R corregido a 0.2” de penetración

21 38 53

Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015. Considerando el suelo como Subrasante, el C.B.R correspondiente al 95% de la máxima densidad seca es 21 (Figura 19), lo que significa que si se emplea este suelo para subrasante sería muy bueno.

Figura 19.Diagrama de C.B.R vs Densidad Seca para el material de subrasante. Fuente: Elaboración propia El valor del C.B.R correspondiente al 100% de MDS es 51, es un valor bueno para una subbase. Se debe a la composición del suelo, pues este presenta partículas calcáreas de significativa dureza y de forma angulosa y fracturada, que al compactarse ofrecen una buena trabazón. Durante el ensayo de C.B.R se observó que las muestras no presentaron hinchamiento, gracias a que el suelo es no plástico. Los parámetros físicos básicos del suelo se presentan en la tabla 10. Los certificados de los ensayos emitidos por el laboratorio de la UDEP se ubican en los anexos A, B, C, D y E.

29

Tabla 10.Resultado de los ensayos. Caracterización del suelo puro.

Ensayo Valor

Límites de Atterberg LL (%) - LP (%) - IP (%) NP

Proctor modificado haópt (%) 9.8

Dmáx (Kg/m3) 1.87 Humedad h (%) 7.8

CBR Índice (100% MDS) 51 Índice ( 95 % MDS) 21 Hinchamiento -

Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015

3.2.Residuos de la concha de abanico 3.2.1. Ubicación de los residuos concha de abanico En la provincia de Sechura existen diferentes opciones para poder adquirir este producto. Una primera opción es adquirirlos directamente de una planta procesadora que utiliza este material. Actualmente hay 11 empresas procesadoras de concha de abanico que trabajan en la zona. Otra opción es recoger los productos de botadores municipales que se encuentran en las afueras del poblado (Figura 20). Los residuos de conchas fueron obtenidos del botadero No. 2 que se encuentra en las afueras de la provincia de Sechura. Se escogió esta opción para analizar la situación de los botaderos y porque el medio de adquisición era sencillo, pues los residuos están a disposición para que cualquier persona los pueda recoger sin costo alguno.

Figura 20.Ubicación de los botaderos 1 y 2. Fuente: Google maps.

30

En la figura 20 se visualiza la ubicación de los botaderos. El producto se encontraba contaminado pues en su mayoría tenían adheridas materia orgánica en las valvas. Todas las partículas fueron limpiadas antes de su uso. El botadero 1 tiene un área aproximada de 35000 m2, actualmente ya alcanzó su capacidad por lo que se está sin uso. El tiempo de vida del botadero es desconocido. Se aprecia que el tiempo que llevan depositadas las conchas ha ocasionado que ya no presenten residuos de materia orgánica adherida, esto se debe a que el material se ha encontrado en un proceso continuo de intemperismo de calentamiento en el día y enfriamiento en la noche, además de fuertes vientos (Figura 21).

Figura 21.Botadero N°1 de las conchas de abanico ubicado en Sechura.

Si bien el material ya no presenta residuos orgánicos porque se han descompuesto por el tiempo, ha ocasionado que el material se encuentre en un estado de mayor fragilidad que los residuos que se encuentran en el botadero 2. El botadero 2 tiene un área aproximada de 90 000 m2 y está aún en uso. Por ello, gran parte de los residuos se encuentra fresco.

Figura 22.Botadero N°2 de concha de Abanico ubicado en Sechura

31

El producto al contener materia orgánica ocasiona que el lugar esté poblado de insectos, particularmente moscas, y aves que son atraídas por el alimento (Figura 22). La descomposición del material produce un olor nauseabundo. Para extraer el producto se recomienda traer elementos de seguridad. Las conchas recogidas tienen características similares pues todas poseen forma casi redonda, su textura en un lado es rugosa y la otra lisa. Sin embargo, el tamaño varía por partículas siendo el de mayor dimensión de 12.00 x 12.50 cm y el de menor dimensión de 8.00x8.50 cm; tienden a variar de color, entre rosado, anaranjado y púrpura; la cara rugosa de la valva tiene líneas radiales que van en un rango de 23 a 27 y posee espesores que varían entre 1.5mm y 3mm (Figura 23).

Figura 23.Características físicas de las conchas de abanico de diferentes dimensiones.

3.2.2. Preparación de la concha para usarla como estabilizador

En la elaboración de un prototipo de suelo a base de concha de abanico, primero se lavaron las conchas y posteriormente se secaron, todo el proceso se realizó en 7 días. Posteriormente se trituraron manualmente, en la Figura 24 se visualiza las herramientas que se emplearon en dichos procesos.

32

Figura 24.Herramientas empleadas en la trituración mecánica de la concha de abanico. Para lograr el tamaño de las partículas más pequeñas se realizaron 2 intentos; primero se trituraron utilizando un pistón de 10 kg pero el trabajo mecánico era agotador y la producción del material fue baja. Posteriormente en el segundo intento se utilizó una moledora casera (Figura 24) la cual facilitó el trabajo, al dar mejores resultados se decidió emplear este método hasta concluir con el material requerido.

Partículas de Agregado Grueso Retenido tamiz # 1 1/2 Retenido tamiz # 1 Retenido tamiz # ¾

Retenido tamiz # 1 /2 Retenido tamiz # 3 /8 Retenido tamiz # 4

Figura 25.Tamaño de las partículas gruesas de la concha de abanico. Fuente: Elaboración propia

33

Partículas de Agregado Fino

Retenido tamiz # 10 Retenido tamiz # 20

Figura 26.Tamaño de las partículas finas de la concha de abanico. Fuente: Elaboración propia El procedimiento de trituración mecánica es más agotador que el de limpieza, por lo que se recomienda emplear algún diseño de trituradora industrial.

3.2.3. Análisis de las partículas obtenidas de la concha de abanico triturada 3.2.3.1. Curva granulométrica Para el diseño de la curva granulometría de la concha de abanico triturada se analizaron los siguientes criterios:

-El primero es basarse en las recomendaciones que proponen los reglamentos internacionales que se plantearon en el capítulo 2, pues se concluyó que tanto para una subrasante o base la curva no tiende a variar considerablemente.

-El segundo es referido a la curva granulométrica que presenta el suelo arenoso limoso, se busca complementar este suelo para lograr una granulometría óptima teniendo en cuenta que dicha mezcla caiga en los rangos establecidos por el AASHTO para los materiales de subbase y base.

Tabla 11.Porcentaje de material retenido en cada tamiz de la concha de abanico triturada.

Tamiz Abertura(mm) % que pasa 2 50.8 100

1 ½ 38.1 95 1 25.4 85 ¾ 19.1 75

3/8 9.53 40 4 4.76 20 10 2 5 20 0.85 0 40 0.426 0 60 0.25 0 140 0.106 0 200 0.074 0

Clasificación SUCS GP Clasificación AASTHO A-1-a(0)

34

Figura 27.Curva granulometría de la concha de abanico triturada. Se observa que el suelo tiene una granulometría con graduación discontinua por la falta de agregado fino. Los granos de agregado grueso son los que predominan en la mezcla, por lo que se tiene un suelo de clasificación AASTHO A-1-a. Al no tener material fino no se puede elaborar los ensayos de límites de consistencia. Se intuye que si el material se moliera hasta obtener finos, este tendría índice de plasticidad cero porque no presenta una composición que ocasione alguna reacción con el agua. 3.2.3.2. Abrasión de los Ángeles En un estudio anterior se utilizó la concha de abanico entera, forma original, en la máquina de abrasión de los Ángeles con la finalidad de triturar el material, el resultado fue que no hubo desgaste de la concha. Se debe a la forma orbicular que posee la concha, pues se intuye que las esferas metálicas se resbalan en la parte lisa del material. Cuando se realizó el ensayo con las partículas trituradas en la presente investigación, con la cantidad de material retenido en cada tamiz como exige la norma, se observó que sí hubo un desgaste del producto. El mismo proceso de trituración ocasiona que la partículas pierdan la forma orbicular, se convierten en partículas chatas, ocasionando un desgaste entre el roce de las partículas y las esferas. El porcentaje de desgaste fue de 25.2%, comparando este valor con la fracción gruesa del suelo a estabilizar indica que el material tiene una alta resistencia al desgaste. Se debe a la dureza que presenta los productos calcáreos. El valor de desgaste cumple con los requisitos para una base y subbase según AASHTO, ASTM y MTC (Tabla 12). Tabla 12. Requisitos de abrasión de los Ángeles para materiales de pavimentos. Abrasión de los Ángeles Capa de Sub base Capa de Base AASTHO T-96 50% max 45% max ASTM C-131 50 % max 40 % max MTC E 207 50% max 40% max Fuente: Elaboración propia.

35

Se conoce que el desgaste por abrasión del suelo en la zona de Sechura oscila entre 12.6 % y 37.9 %, teniendo un valor promedio de 25.4% (LEMC, 2014). El valor de desgaste de la concha es muy similar al de los agregados gruesos de la zona.

Figura 28. La N° 1,2 y 3 se observa la secuencia del ensayo en la máquina de abrasión de los Ángeles. La N°4 se contempla el material luego del ensayo.

3.2.3.4 Partículas chatas y alargadas. El porcentaje de partículas chatas es 99%, el de alargadas 0% y el de chatas y alargadas es 0%. Se debe a que la concha en su forma original tiene un espesor que varía entre 1.5 mm y 3 mm, son partículas laminares. Tal como se intuyó en el capítulo 1, la forma laminar de las conchas y los tamaños de trituración determina que las partículas sean chatas. .El valor de partículas chatas y alargadas cumple con los requisitos para una base y subbase según ASTM y MTC (Tabla 13). Tabla 13. Valores de Partículas chatas y alargadas. Partículas chatas y alargadas

Capa de Subbase Capa de base

AASTHO --- --- ASTM D 4791 20 % max 15 % max MTC E 211 20 % max 15 % max Fuente: Elaboración propia En la figura 29 se puede apreciar claramente que todas las partículas son chatas, sin embargo ninguna es alargada. Se debe a la combinación de la forma orbicular y redonda del material y al estilo de trituración, pues al ejercer la fuerza del martillo sobre la concha el impacto mayormente fue en el centro de la partícula ocasionando que se fracture como se muestra en la figura 30.

36

Figura 29. La N° 1 y 2 se observa el Procedimiento de Ensayo partículas chatas y alargadas. La N°3 se aprecia una muestra de partículas ensayadas.

Figura 30. Estilo de fractura producida por la trituración mecánica. Fuente: Elaboración propia Los parámetros físicos básicos del prototipo suelo de concha de abanico se presentan en la tabla 14. Los certificados de los ensayos emitidos por el laboratorio de la UDEP se ubican en los F y G. Tabla 14.Resultado de los ensayos. Caracterización de la concha de abanico triturada. Ensayo Valor Partículas chatas y alargadas

Partículas chatas 99 Partículas largas 0

Partículas Chatas y alargadas

0

Desgaste de los Ángeles (%) 25.3 Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015.

37

3.3. Posible comportamiento de las mezclas

Se espera que al introducir la concha de abanico la capacidad portante de las mezclas sean superiores que la del suelo puro. Si bien no se ha podido comprobar la capacidad portante de la concha, se espera que las mezclas se complementen en su granulometría. Esto ocasiona que al ser compactadas los espacios libres que dejan las partículas gruesas sean rellenadas por las partículas finas y se logre una buena compactación. Otro motivo por el que se espera una buena respuesta es por la forma que tiene las partículas. Por el método de trituración mecánica estas tienen forma angulosa, ocasionando una buena trabazón entre ellas y aumentando la posibilidad de un incremento en la resistencia mecánica. También hay que tener en cuenta la textura del material, hay una zona muy rugosa donde hay líneas de crecimiento, lo que podría aumentar la fricción entre las partículas. Se ha comprobado que las partículas son chatas, lo que constituye un problema para las mezclas. Al ser compactadas, estas se romperán y la granulometría puede variar notoriamente. Por otro lado, se sabe que un exceso de partículas chatas ocasiona cambios en las propiedades de un pavimento. En el siguiente capítulo se analizará la granulometría final de la mezcla de suelo estabilizado con la concha triturada luego de un ensayo de CBR.

CAPÍTULO 4

ENSAYOS Y RESULTADOS DE LA ESTABILIZACIÓN

4.1. Descripción de las propiedades de las mezclas a utilizar para la estabilización

Existen normas que sugieren la granulometría que debe tener un suelo para ser empleado en las diferentes capas de la estructura interna del pavimento, sub base y base. El manual de carreteras “Especificaciones Técnicas Generales para Construcción” EG-2013 que es utilizado en nuestro entorno toma de referencia la norma ASTM D 1241, la cual propone la misma gradación de granulometría para Sub base y Base. En la tabla 15 se presentan los límites sugeridos por la norma y el manual.

Tabla 15. Valores de granulometría de Base y Sub base según ASTM D 1241.

Tamiz Porcentaje que pasa en peso Gradación A Gradación B Gradación C Gradación D

50mm (2”) 100 100 --- --- 25mm (1”) --- 75-95 100 100

9.5mm(3/ 8”) 30-65 40-75 50-85 60-100 4.75mm(N°4) 25-55 30-60 35-65 50-85 2.0mm(N°10) 15-40 20-45 25-50 40-70 4.25um(N°40) 8-20 15-30 15-30 25-45 75um (N°200) 2-8 5-15 5-15 8-15

Fuente: American Society for Testing and Materials. ASTM D 1241. La curva de gradación A deberá emplearse en zonas cuya altitud sea igual o superior a 3000m.s.n.m. La presencia de finos es baja en comparación con las otras gradaciones para contrarrestar el efecto de congelamiento y descongelamiento, pues las partículas finas tienden a mantener la humedad por más tiempo y esto ocasiona que al bajar la temperatura la base se congele y en el proceso de descongelamiento se produzcan fallas. Las gradaciones B, C y D se utilizan para zonas cuya altitud es menor a 3000 m.s.n.m. Su uso depende del espesor de la capa del pavimento donde se aplique, pues el tamaño máximo de partícula debe ser de 2/3 de este espesor. La gradación B tiene presencia de partículas de mayor tamaño, por lo que hay un indicio que puede tener mejor resistencia mecánica que las gradaciones C y D. En el presente estudio se optó por elaborar cuatro mezclas para estabilizar el suelo, variando el porcentaje de concha de abanico en la mezcla. Los porcentajes de suelo

40

arenoso limoso y concha de abanico de las cuatro muestras exploradas se muestran en la tabla 16.

Tabla 16. Porcentajes de los materiales en las mezclas evaluadas en el presente estudio.

Mezcla % de Concha de abanico triturada

% de Suelo arenoso limoso

1 20 80 2 45 55 3 65 35 4 80 20

Se observa de la tabla 16 que las proporciones varían gradualmente, se debe a que se busca estudiar el comportamiento de las mezclas variando la cantidad de concha de abanico triturada. Aunque el suelo que se va a estabilizar debe tener mayor proporción en la mezcla que el agente estabilizante, se ha querido probar proporciones mayores en las mezclas 3 y 4, donde el suelo arenoso limoso es el que estabilizará a la concha de abanico triturada. El proceso de mezclado se hizo manualmente, usando el método de cuarteo manual que sugiere la norma ASTM C 702. En la Figura 31 se observa que se utiliza una palana para mezclar el material hasta obtener un producto homogéneo, luego se divide en cuatro partes igual y se remueve los cuartos diagonales opuesto que se va a ensayar. El mismo procedimiento se aplicó para las cuatro mezclas.

Figura 31. Proceso de mezclado entre concha de abanico triturada y suelo arenoso limoso.

En la tabla 17 se presenta las granulometrías del suelo arenoso limoso y de la concha de abanico triturada con sus respectivas mezclas así como la clasificación del suelo de cada mezcla.

41

Tabla 17. Granulometría del suelo arenoso y concha de abanico triturada con sus respectivas mezclas. Tamiz Abertura

(mm) Suelo

Arenoso Limoso

Concha De

Abanico

Mezcla 1-20%

Mezcla 2-45%

Mezcla 3-65%

Mezcla 4-80%

% que pasa

2 50.8 100 100 100 100 100 100 1 ¾ 43.75 100 100 100 100 100 100 1 ½ 38.1 100 95 99 97.8 96.8 96 1 25.4 100 85 97 93.3 90.3 88 ¾ 19.1 100 75 95 88.8 83.8 80

3/8 9.53 97 40 85.6 71.4 60 51.4 4 4.76 92 20 77.6 59.6 45.2 34.4 10 2 86 5 69.8 49.6 33.4 21.2 20 0.85 82 0 65.6 45.1 28.7 16.4 40 0.426 78 0 62.4 42.9 27.3 15.6 60 0.25 75 0 60 41.3 26.3 15 140 0.106 26 0 20.8 14.3 9.1 5.2 200 0.074 17 0 13.6 9.4 6.0 3.4

Clasificación SUCS SM SW GW GW Clasificación AASHTO A-2-4

(0 ) A-1-b (0 )

A-1-a (0 )

A-1-a (0 )

En general, se observa que al mezclar se logra una granulometría continua y dependiendo de los porcentajes de mezcla, se puede alcanzar las especificaciones que recomienda la norma. En las figuras 32, 33, 34 y 35 se presentan las curvas granulométricas de las cuatro mezclas y las gradaciones A, B, C y D para Base y Sub base según la EG-2013 y la ASTM D 1241, respectivamente.

Figura 32. Gráfico de curvas granulométricas de las mezclas y requerimientos granulométricos de la gradación A.

42

Figura 33. Gráfico de curvas granulométricas de las mezclas y requerimientos granulométricos de la gradación B.

Figura 34. Gráfico de curvas granulométricas de las mezclas y requerimientos granulométricos de la gradación C.

Figura 35. Gráfico de curvas granulométricas de las mezclas y requerimientos granulométricos de la gradación D.

43

La mezcla 4 es la que mejor se acomoda al uso granulométrico de la gradación A, por lo que puede servir para zonas ubicadas a una altitud de 3000m.s.n.m en donde se dan las condiciones de congelamiento y descongelamiento, condición que no se da en la localidad de donde se han extraído las muestras. La mezcla 4 sale ligeramente de los límites establecidos por las gradaciones B y C, y tiene una tendencia a los límites inferiores. Se observa que la mezcla 3 es la única que cae completamente dentro de uno de los usos granulométricos establecidos, la cual corresponde a la gradación B; y también sale ligeramente de la gradación C, con una tendencia al límite inferior. Las mezclas 1 y 2 se acercan más a la gradación D, siendo la mezcla 2 la que mejor se acomoda; ambas se encuentran encima del límite superior de la especificación. Esto indica que las mezclas 1 y 2 podrían recomendarse cuando se requiera la construcción de capas de base y subbase con espesores no tan elevados, mientras que las mezclas 3 y 4 serían las más adecuadas cuando los espesores de capas requieran ser elevados. En general, se puede afirmar que cuando el porcentaje de concha triturada aumenta en las mezclas, éstas tienden a acercarse al límite inferior de las especificaciones, ocasionando que se conviertan prácticamente en gravas, pues más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por el tamiz #4. Al comparar las curvas granulométricas de las cuatro mezclas y las gradaciones recomendadas por las normas internacionales OCU, HALFF y FDOT (Figura 36) se puede observar que las mezclas 2, 3 y 4 se acercan mucho a tales especificaciones. De ellas, la mezcla con un 65 % de reemplazo es la que mejor se acomoda. La mezcla con un 80% de reemplazo tiende al límite inferior (suelo más grueso) y la mezcla con un 45% de reemplazo, al límite superior (suelo más fino).

Figura 36. Gráfico de curvas granulométricas de las mezclas y requerimientos granulométricos de las gradaciones de normas extranjeras que emplean moluscos triturados.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.010.1110100

Porc

enta

je q

ue p

asa

Abertura mm

M1 (20%)

M2 (45%)

M3 (65%)

M4 (80%)

OCU SR

FDOT B

HALFF B

44

4.2. Ensayo de CBR

Cuando se aplica una carga a través de una superficie de contacto al pavimento de asfalto, se desarrollan dos resistencias: resistencia al corte perimetral y resistencia a la compresión. El California Bearing Ratio CBR mide la resistencia al corte del suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas permitiendo obtener un porcentaje de relación soporte. Se utilizó la norma NTP 339.145 “Método de ensayo CBR (Relación de Soporte de California) de suelos compactados de laboratorio”. La norma menciona que cuando se ensaye materiales que tengan partículas de tamaño mayores de 3/4 de pulgadas se modifica la gradación del material de manera que todo el material utilizado pase por el tamiz de 3/4 pulgadas, mientras que toda la fracción de grava (mayor al tamiz N°4) del suelo permanezca igual con el fin de evitar el error inherente al ensayar materiales que contengan grandes partículas en el equipo de CBR. Si bien los valores obtenidos del ensayo varían significativamente del material original, la experiencia ha demostrado que los diseños son satisfactorios. Las 4 mezclas tienen partículas mayores a 3/4 de pulgadas, por lo que se decidió aplicar el método de sustitución de granulometría. A continuación se presenta la nueva granulometría de las 4 mezclas: Tabla 18. Granulometría del suelo arenoso y concha de abanico triturada después de la sustitución de granulometría para el ensayo CBR.

Tamiz Abertura % que pasa en peso corregido M1 M2 M3 M4

¾ 19.1 100 100 100 100 3/8 9.53 87.9 75.9 66.1 58.8 4 4.76 77.6 59.6 45.2 34.4

10 2 69.8 49.6 33.4 21.2 20 0.85 65.6 45.1 28.7 16.4 40 0.426 62.4 42.9 27.3 15.6 60 0.25 60.0 41.3 26.3 15.0

140 0.106 20.8 14.3 9.1 5.2 200 0.074 13.6 9.4 6.0 3.4

Clasificación AASTHO A-2-4 A-1-b A-1-a A-1-a SUCS SM SW GW GW

Al comparar las tablas 17 y 18 se observa que el cambio de granulometría no afecta la clasificación de las mezclas. El ensayo CBR comprende en realidad tres ensayos, los cuales se analizarán detalladamente más adelante en los siguientes apartados:

Determinación de la relación humedad- Densidad.

Determinación de las propiedades expansivas del material.

Determinación de la resistencia a la penetración.

45

El equipo que se utilizó para el ensayo fue:

Compactación y expansividad

o Moldes de 6” diámetro y 7” de altura, con un collarín de 2’’ o Disco espaciador de acero o Pisón de 10 lb- altura de caída 18” o Trípode y extensómetro con aproximado 0.001” o Pesas de plomo anular de 5 libras cada una

Resistencia a la penetración

o Pisón de sección circular de diámetro de 2” o Prensa hidráulica para aplicar carga con anillo calibrado o Equipos varios: balanzas, horno, tamices, cronómetros, extensómetros,

poza para saturar. 4.2.1. Determinación de la relación humedad – Densidad

Los suelos en su estado natural poseen una cantidad de agua, dicha cantidad puede ser favorable o desfavorable para la resistencia de un suelo. Se ha demostrado que el suelo, al tener una adecuada cantidad de agua, puede alcanzar una alta resistencia al corte. Para determinar las condiciones, humedad óptima y máxima densidad seca, en que se produce una alta resistencia al corte se utiliza el ensayo PROCTOR. Éste establece una relación entre la densidad seca del suelo compactado y el contenido de agua, cuando se emplea cierta energía de compactación. 4.2.1.1. Ensayo PROCTOR Se empleó el ensayo Proctor Modificado según la norma NTP. 339.141, la cual recomienda 3 procedimientos; por la granulometría de las muestras se optó por utilizar el procedimiento C. El procedimiento C emplea un molde de 6 pulgadas y material que pase el tamiz de 3/4”. En el molde se colocan 5 capas las cuales son compactadas con 56 golpes cada una.

Figura 37. Proceso de Ensayo Proctor modificado en el LEMC UDEP

46

En la figura 37 se observa que cada mezcla se coloca en 4 recipientes a los cuales se les adiciona diferentes cantidades de agua, luego se separa un poco de material y se coloca en un horno para hallar el porcentaje de humedad. Después se compacta cada espécimen como indica el procedimiento C y se pesa el material para encontrar su densidad. Cada espécimen indica un valor que luego se emplea para graficar una curva donde se puede hallar la máxima densidad seca y el contenido de humedad óptimo (Figura 38). Figura 38. Curva de densidad seca vs % de humedad

Mezcla 1: 20% de concha triturada + 80 % de arena limosa


Mezcla 3: 65% de concha triturada +

35 % de arena limosa Mezcla 4: 80% de concha triturada +

20 % de arena limosa

Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015 Los resultados del ensayo se presentan en la tabla 19. Los certificados de los ensayos emitidos por el laboratorio de la UDEP se ubican en los anexos H, I, J y K.

47

Tabla 19. Valores de máxima densidad seca y humedad óptima.

Mezcla Máxima

Densidad Seca (g/cm2)

Humedad Óptima

(%) Mezcla Pura: 0% de concha triturada +

100% de arena limosa 1.87 9.8


1.96 7.4


2.03 6.0


1.96 4.6


1.84 2.5

Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015 En la figura 39 se interponen los puntos de máxima densidad seca y humedad óptima para cada una de las mezclas. Se ha considerado la muestra patrón como el suelo puro, sin concha, para cuyo material los valores de densidad y humedad óptima son Dmáx (g/m3) = 1.87 y ha

ópt (%)= 9.8.

Figura 39. Resultados de la compactación (máxima densidad seca y humedad óptima) de las mezclas. Se puede observar que la adición de la concha triturada mejora el valor de máxima densidad seca, hasta un límite, por encima del cual empieza a disminuir hasta hacerse menor que el valor de la mezcla pura de suelo. Esta disminución ocurre cuando se combina un 45% de concha con un 55% de suelo. Al parecer, cuando se adiciona concha triturada, las partículas se van acomodando en la mezcla, de modo que se explica el incremento de la densidad porque la granulometría se va mejorando y los espacios vacíos entre las partículas grandes de concha se llenan con las partículas de arena del suelo original. Sin embargo, cuando hay partículas de concha triturada en exceso, prácticamente lo que se tiene es una predominancia de partículas de tamaño

1.75

1.8

1.85

1.9

1.95

2

2.05

0.5 5.5 10.5 15.5

Máx

ima

Dens

idad

Sec

a

Humedad Óptima

Muestra Pura

M1-20%

M2-45%

M3-65%

M4-80%

48

grande, haciendo que la distribución deje de ser adecuada y ocasionando vacíos que no pueden ser llenados por las partículas pequeñas, haciendo que la densidad seca disminuya. La mezcla 2 que contiene 45% de concha triturada es la que tiene el mayor valor de máxima densidad seca, por lo que se intuye que dicha mezcla tendría un valor de CBR alto. Esto indica además, que utilizar concha de abanico triturada puede aumentar o disminuir el valor de la densidad de la mezcla y se requiere hallar el valor óptimo de adición de concha triturada. En cuanto a la humedad óptima, se observa que las mezclas que poseen mayor cantidad de concha de abanico triturada requieren menor contenido de humedad para lograr su máxima densidad seca. En la Figura 40 se ha graficado el valor de humedad óptima requerido para compactar cada uno de las mezclas contra el porcentaje de concha triturada en cada mezcla.

Figura 40. Valores de humedad óptima de las mezclas según el porcentaje de concha triturada en la mezcla. La disminución de la humedad óptima requerida para la compactación se podría explicar por el concepto de superficie específica de las partículas de suelo, ya que se requiere más cantidad de agua para mojar la superficie de un agregado fino que la de un agregado grueso. Así, para una misma masa de suelo, si las partículas son grandes, se requerirá una menor cantidad de agua para humedecer la superficie de cada partícula, mientras que si son más pequeñas, la cantidad de agua para humedecerlas será mayor. Por eso, cuando aumenta la proporción de concha de abanico triturada prácticamente se están adicionando partículas grandes y disminuye la cantidad de arena limosa en la mezcla, predominando las partículas de mayor tamaño y requiriendo, por tanto, menor cantidad de agua para alcanzar la máxima densidad seca.

49

4.2.1.2. CBR determinación de Humedad- Densidad En el ensayo de CBR se prepararon 3 especímenes por mezcla (Figura 41). En cada molde se utilizó 5 capas y se empleó una energía de compactación diferente: en el primero, 10 golpes; en el segundo, 25 golpes; y en el tercero, 56. La compactación se trabajó con la humedad óptima de cada mezcla.

Figura 41. Especímenes y proceso de compactación de las mezclas.

4.2.2. Determinación de las propiedades expansivas del material

Terminado el proceso de compactación se colocó papel filtro sobre la superficie enrasada de cada espécimen, un plato metálico perforado y se volteó el molde. Luego sobre la superficie libre de la muestra se colocó papel filtro y se montó un plato con un vástago graduable en el cual se colocaron varias pesas de plomo con una sobrecarga mínima de 10 libras (Figura 42).

Figura 42. A: Vástago graduable con las pesas de plomo. B: Moldes con los vástagos instalados.

Colocado el vástago y las pesas, se colocó el molde dentro de un depósito lleno de agua. Se montó el trípode con un extensómetro y se tomó una lectura inicial (Figura 43), al cabo de 96 horas se anotó la lectura final y se calculó el hinchamiento.

50

Figura 43. Proceso de colocación de los moldes durante 96 horas para medir el hinchamiento.

El suelo de muestra tiene índice de plasticidad cero, por lo tanto no se expande; de igual forma la concha de abanico triturada, al no tener material fino, no presenta expansión. Ninguno de los especímenes presentó hinchamiento.

4.2.3. Determinación de la penetración

Terminado el proceso de lectura del hinchamiento se retiraron las muestras del depósito de agua y se dejaron drenar unos 15 minutos, volteando cuidadosamente el cilindro. Posteriormente se colocaron las muestras en la prensa hidráulica para medir las lecturas de la carga y penetración (Figura 44).

Figura 44. A: Drenaje de las muestras antes de ser ensayadas. B: Ensayo de penetración de la muestras en la prensa hidráulica. En la prensa hidráulica se hincó el pistón en incrementos de 0,025” a la velocidad de 0.05”/ minuto y se leyeron las cargas totales que han sido aplicadas hasta llegar a hincar

51

el pistón 0.5 pulgada, luego se soltó la carga lentamente y se retiró el molde de la prensa. Se presentan las lecturas tomadas, tanto de penetración como de las cargas aplicadas, graficadas en un sistema de coordenadas (Figura 45). Figura 45 Gráficos de penetración vs carga aplicada



Mezcla 3: 65% de concha triturada +

35 % de arena limosa Mezcla 4: 80% de concha triturada +

20 % de arena limosa

Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015

52

Los resultados del ensayo se presentan en la tabla 20. Los certificados emitidos por el laboratorio de la UDEP se ubican en los anexos L, M, N y O. Tabla 20. Valores de CBR de las mezclas.

Mezcla CBR a 0.1” CBR a 0.2” Mezcla Pura: 0% de concha triturada +

100% de arena limosa 51 53


86 101


121 156


55 84


64 77

Fuente: Ensayos LEMC UDEP 2015 Existen normas que sugieren el valor de CBR para que un suelo pueda ser empleado en las diferentes capas de la estructura interna del pavimento, sub base y base. El manual de carreteras “Especificaciones Técnicas Generales para Construcción” EG-2013 que es utilizado en el Perú considera el CBR referido al 100% de la máxima densidad seca y una penetración de carga de 0.1” (2.5mm). El manual toma como referencia las normas MTC E-132, ASTM D1883 y AASTHO T193. La tabla 21 muestra los valores de CBR a 0.1” que recomienda el manual. Tabla 21. Valores de CBR referido al 100% de la máxima densidad seca y una penetración de carga de 0.1” (2.5mm) recomendados por las normas indicadas.

Ensayo

AASHTO

ASTM

MTC

Sub Base Base <

menor de 3000 msnm

≥ de 3000 msnm

Tráfico en ejes

equivalentes (<106)

Tráfico en ejes

equivalentes (≥106)

CBR T 193 D 1883

E 132

40 % min

40 % min

80% min 100% min

Fuente: Manual de carreteras “Especificaciones Técnicas Generales para Construcción” EG-2013. El valor de CBR de la muestra pura indica que puede ser usada como subbase, pero al comparar los valores de la tabla 20 con las especificaciones recomendadas en la tabla 21 se observa que las mezclas 1 y 2 pueden ser empleadas como Base y las mezclas 3 y 4 cumplen las especificaciones para ser usadas como Sub base. Por lo tanto las mezclas 1 y 2 incrementan el valor de CBR, de tal modo que este puede ser empleado en una capa que requiera mejor calidad, ocasionando que un suelo que se puede utilizar para la construcción de una subbase se emplee en la de una Base. Si bien las mezclas 3 y 4 aumentan el CBR, éstas se siguen manteniendo en especificaciones de Sub base como la muestra pura; sin embargo las mezclas 1 y 2 producen una mejora del suelo original, haciendo que pueda ser empleado como Base.

53

Al graficar los valores de CBR a 0.1” respecto al porcentaje de concha de abanico triturada de las mezclas (Figura 46) se puede observar que todas las mezclas tienen mayor CBR que la muestra pura, alcanzando un valor máximo de 121 proveniente de la mezcla 2, que corresponde al 45% de concha en la mezcla de suelo. Cuando se usa porcentajes de concha mayores al 65%, aunque el CBR disminuye respecto a las mezclas con menores porcentajes, sigue siendo ligeramente mayor que la muestra pura.

Figura 46. Gráfico de CBR vs % de Concha de abanico triturada Al parecer, se logra una mejora de la granulometría al adicionar la concha triturada. Sin embargo, aunque la mezcla que se obtiene al adicionar concha triturada tiene una mejor granulometría, sigue careciendo de finos cohesivos, lo que limita grandemente la adquisición de resistencia. Por ello, se puede decir que la adición de concha triturada ayuda a mejorar la resistencia porque contribuye con partículas grandes que no tiene la subrasante natural por ser una arena limosa. Sin embargo, al seguir añadiendo concha triturada, el efecto de la falta de finos cohesivos es más evidente, disminuyendo la capacidad resistente cuando se adiciona más concha en la mezcla de suelo.

Otro aspecto importante a considerar es la forma orbicular de la concha, que hace que las partículas sean consideradas como chatas. Aunque la forma achatada de las partículas podría reducir la resistencia mecánica, parece que la forma angulosa ayuda en la trabazón entre las partículas, favoreciendo la resistencia mecánica y superando los problemas por la forma achatada de las partículas. Esto explicaría por qué el CBR aumenta al agregar partículas de concha. Sin embargo, cuando se sigue aumentando la cantidad de concha triturada, la forma achatada y angulosa de las partículas de concha genera mayores espacios vacíos que disminuyen la densidad del material, limitando la compactación en los especímenes y propiciando una disminución de la resistencia. Así, se define un valor máximo de contenido de concha en la mezcla que produce la máxima capacidad resistente. En este caso, coincide con la mezcla que tuvo la máxima densidad seca en el ensayo Proctor.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CBR

% de concha de abanico triturada

Muestra Pura

M1-20%

M2-45%

M3-65%

M4-80%

CBR Base 80% min

CBR Sub base 40% min

54

Probablemente, la mejor opción sería combinar un tercer suelo que contenga finos cohesivos o quizás estabilizar la mezcla con un ligante que garantice la adherencia entre las partículas al final de la compactación.

4.3. Análisis de las propiedades de las mezclas con la Norma AASHTO -97

La norma AASHTO -97 brinda una correlación entre el tipo de suelo y el valor de CBR, debido a esto, se presentará una tabla resumen de las correlaciones de interés y de las propiedades de las mezclas. Tabla 22. Tabla Resumen de propiedades de las mezclas y correlación de las propiedades.

Mezcla

Descripción

Clasificación CBR Mezclas

(%)

CBR AASTHO97

(%) AASTHO SUCS

Mezcla Pura: 0% de concha triturada +

100% de arena limosa

Arena Limosa

A-2-4 SM 51 20-40


Arena Limosa

A-2-4

SM 86 20-40


Arena Gruesa

A-1-b

SW 121 20-40


Grava A-1-a

GW 55 60-80


Grava A-1-a

GW 64 60-80

Fuente: Fuente: AASTHO-97 Guía de Diseño Versión 1997; Tabla 11; Pág. 6 Se observa que el valor de CBR de la mezcla 4 es el único que cae dentro de la correlación que especifica la norma AASTHO 97. Las mezclas en donde la cantidad de concha de abanico no es predominante, mezclas 1 y 2, los valores de CBR son muy superiores a los que se plantean en la norma, siendo la mezcla 2 hasta 3 veces mayor al valor máximo que se precisa; sin embargo la mezcla 3 en donde predomina la cantidad de concha de abanico triturada posee un valor inferior de CBR al que especifica la norma. Se puede afirmar que la correlación entre el tipo de suelo y el valor de CBR que recomienda la norma no es aplicable a los resultados obtenidos en las mezclas. Se intuye que una correcta proporción de concha de abanico triturada ocasiona un material muy resistente al corte, gracias a las propiedades del material resultante, como una alta resistencia al desgaste por abrasión y la forma angulosa de las partículas; sin embargo, parece que una cantidad excesiva de concha triturada ocasiona que el material baje su capacidad portante porque la forma angulosa de las partículas genera excesivos vacíos, reduciendo la capacidad resistente del suelo.

55

4.4. Análisis de la curva granulométrica luego de ensayar CBR. Los procesos de compactación empleados en nuestro país son principalmente los propuestos por el American Society for testing and Materials, ASTM y American

Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO. Proctor (1993) propuso un ensayo en el que se aplica al suelo una energía de compactación de 600 KNxm/m3; debido al desarrollo de la maquinaria de compactación en campo, cada vez se alcanzaron pesos unitarios mayores, debiendo modificarse el ensayo Proctor con el propósito de imprimir una energía de compactación de 2700 KNxm/m3, naciendo así el ensayo de Proctor modificado. Se ha propuesto evaluar el material luego del proceso de compactación porque la energía aplicada en el laboratorio es similar a la que se aplica en campo por una maquinaria estándar, y también porque todas las partículas de agregado grueso son chatas las cuales se intuye que se romperán al ser compactadas. Con tal fin, se analizó la granulometría de la mezcla 3, porque es la única muestra que cae completamente dentro de uno de los usos granulométricos establecidos por la norma ASTM D-1241 (figura 33). Ver anexo P. Tabla 23. Granulometría de la mezcla 3 antes y luego de ser ensayada.

Tamiz Abertura (mm)

Mezcla 3 Antes del

ensayo Antes del Ensayo por sustitución

Después del Ensayo

2 50.8 100 100 100 1 ¾ 43.75 100 100 100 1 ½ 38.1 96.8 100 100 1 25.4 90.3 100 100 ¾ 19.1 83.8 100 100

3/8 9.53 60 66.1 89 4 4.76 45.2 45.2 62 10 2 33.4 33.4 43 20 0.85 28.7 28.7 32 40 0.426 27.3 27.3 27 60 0.25 26.3 26.3 24 140 0.106 9.1 9.1 7 200 0.074 6.0 6.0 3

Clasificación AASTHO A-1-a(0) A-1-a(0) A-1-a(0) SUCS GW GW GW

56

Figura 47. Curva granulométrica de la mezcla 3 antes y después de ser ensayada por ensayo Proctor. Se observa que la mezcla 3 es la que se obtiene por la combinación de granulometrías de la concha triturada y la muestra areno-limosa. Para poder ensayar la muestra se aplicó el método de sustitución, modificando la granulometría de la muestra, que corresponde con la que se obtiene luego del ensayo Proctor. La mezcla luego del ensayo no cae dentro de las especificaciones, principalmente por el cambio de granulometría por sustitución, pues son eliminadas todas las partículas mayores a 3/8 pulgadas. La granulometría de la mezcla luego del ensayo Proctor tiene menor cantidad de agregado grueso que la obtenida por sustitución. Como todas las partículas de agregado grueso son chatas; se puede suponer que en el proceso de compactación se han quebrado. Sin embargo, el material no presenta cambio en su clasificación luego de ser ensayada, por lo tanto, se puede suponer que su granulometría no se altera significativamente al aplicar la energía de compactación; se podría decir que las partículas de la mezclas, especialmente las de concha triturada son duras y poseen una suficiente resistencia mecánica frente a los procesos de compactación.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. Para un rango de trituración entre 9.53 y 0.85 milímetros, el uso de un 45% de

concha de abanico puede aumentar drásticamente el valor de CBR, mejorando una subrasante arenosa con CBR de 51% a valores que superan el 100%.

2. El proceso de trituración mecánica para obtener los tamaños de partículas ocasiona

que se pueda obtener cualquier granulometría del material, teniendo como límite el tamaño máximo de concha de abanico que es de 2 pulgadas.

3. La concha de abanico posee una resistencia al desgaste por la abrasión del 25%, por

lo que se puede considerar como un agregado grueso de alta resistencia al desgaste.

4. La presencia de concha de abanico en las mezclas reduce el porcentaje de humedad óptima requerido para la compactación porque actúa como un agregado grueso.

5. La adición de hasta un 45% de concha de abanico a las mezclas mejora el valor de máxima densidad seca, por encima de este valor, empieza a disminuir. Esto se debe a que la presencia de concha mejora la granulometría, aportando partículas gruesas al suelo arenoso, pero también ocasiona vacíos que no pueden ser llenados completamente por las partículas pequeñas. Esto explicaría por qué el valor máximo de densidad seca se obtiene para un valor intermedio de la combinación de suelos.

6. La forma orbicular de la concha hace que las partículas sean consideradas como

chatas y angulosas. Aunque la forma achatada de las partículas podría reducir la resistencia mecánica, parece que la forma angulosa ayuda en la trabazón entre las partículas, favoreciendo la resistencia mecánica y superando los problemas por la forma achatada de las partículas. Esto explica por qué el incremento máximo del CBR se da para un determinado porcentaje de reemplazo; por encima de dicho valor, el CBR vuelve a disminuir.

7. La granulometría de las mezclas de suelo con concha triturada no cambia

significativamente al aplicar la energía de compactación; esto podría ser el resultado de una suficiente dureza de las partículas de concha triturada, que no se rompen con el esfuerzo de compactación aplicado.

Futuras investigaciones 1. La presente investigación ha evaluado los efectos de la estabilización con los ensayos

de CBR. Sin embargo, existen otros parámetros que pueden definir mejor la

58

performance de la estabilización, que podrían incluirse en la evaluación para ampliar el conocimiento sobre los efectos que tiene la concha en un suelo con fines de pavimentación.

2. Los resultados de esta investigación son válidas para una trituración de la concha

entre 9.53 y 0.85 milímetros. Sin embargo, se puede continuar explorando otros tamaños (entre 0.85 a 0.074 milímetros) y otras combinaciones.

3. Se recomienda seguir investigando sobre la interacción de la concha de abanico con

otros tipos de suelos para determinar las condiciones de su aplicación como elemento estabilizador.

4. Se recomienda el diseño de una triturada especial o la propuesta de algún método de

trituración para su aplicación masiva.

BIBLIOGRAFÍA

- Rico, A., y Del Castillo, H. (1977). La ingeniería de suelos en las vías

terrestres: Carreteras, ferrocarriles y autopistas. (2a ed.)México: Limusa.

- Bustos, G. (2002). Pg-3: Pliego de prescripciones técnicas generales para obras

de carreteras y puentes. (3a ed.) España: Liteam.

- Bañon, L y Beviá, j. (2000). Manuales de carreteras. Volumen 2: Construcción

y mantenimiento. Alicante España: Ortiz e hijos, contratistas de obras, S.A.

- Montejo, A. (2002). Ingeniería de pavimentos para carreteras. (2a ed.). Bogotá: Universidad católica de Colombia ediciones y publicaciones.

- Torres, M., y Hidalgo, F. (2007). Sistema de pavimentos carreteras vías terrestres diseño de estructuras climatología. Tesis para título de Ingeniero civil, Escuela Politécnica del ejército, Sangolquí.

- Gutiérrez, F. (2004). Rediseño geométrico del distribuidor vial de la UDLA-P en la ruta Quetzalcóat. Tesis para título de Ingeniero civil, Universidad de las Américas Puebla, Puebla.

- Ravines, M. (2010). Pruebas con un producto enzimático como agente estabilizador de suelos para carreteras. Tesis para título de Ingeniero civil, Universidad de Piura, Piura.

- Nizama, Dooglas (2015). Valoración de residuos crustáceos para concretos de baja resistencia. Tesis para título de Ingeniero civil, Universidad de Piura, Piura.

- En Sechura se arrojan 100 mil toneladas al año de residuos de concha de abanico. (2014, 12 de agosto). El comercio, pp. 3.

- Si no para la contaminación, no renovarán permisos a las procesadoras en Sechura. (2014, 13 de agosto). El comercio, pp. 3.

60

- Canero, M., Fernández, M., y Carreira, X. (2009). Mezclas de zahorras naturales y concha de mejillón para firmes de vías forestales. XIII congreso internacional de ingeniería de proyectos, Badajoz.

- Rowland, G., y Ifechukwude, E. (2014). Mechanical stabilization of a deltaic clayey soil using crushed waste periwinkle shells. International journal of

engineering and technology research, 2, 1-7.

- Londoño, C., y Tabares, J. (1992). Mecánica de suelos para ingenieros de vías. (2a ed.). Medellín: Instituto colombiano de productores de cemento.

- Halff Associates (2004). 02500- Flexible base. Texas.

- Florida department of transportation. (2015). Standard specifications for road and bridge construction: Section 913,913A y 914. Florida.

- Orange County Utilities. (2013). Technical specifications: Section 02570 Stabilized subgrade. Florida.

- INDECOPI (1999). NTP. 339.128 – SUELOS: Método de ensayo para el análisis granulométrico.

- INDECOPI (1999). NTP. 339.129 – SUELOS: Método de ensayo para determinar el límite líquido, límite plástico, e Índice de plasticidad de los suelos.

- INDECOPI (1999). NTP. 339.134 – SUELOS: Método para la clasificación de suelos con propósitos de ingeniería (sistema unificado de clasificación de suelos, SUCS).

- INDECOPI (1999). NTP. 339.135 – SUELOS: Método para la clasificación de suelos con para uso de vías de transporte.

- INDECOPI (1999). NTP. 339.141 – SUELOS: Método de ensayo para la compactación del suelo en laboratorio utilizando una energía modificada (2,700 KN-m/m3 (56,000 pie-lbf/pie3))

- INDECOPI (2001). NTP. 400.012 – AGREGADOS: Análisis granulométrico del agregado fino, grueso y global.

- INTINTEC (1977). NTP. 400.020 – AGREGADOS: Determinación al desgaste de agregado grueso de gran tamaño por medio de la máquina de los ángeles.

- INDECOPI (1999). NTP. 400.040 – AGREGADOS: Partículas chatas o alargadas en el agregado grueso.

ANEXO A

Granulometría de suelo arenoso

63

ANEXO B

Humedad de suelo arenoso limoso

67

67

ANEXO C

Límites de atteberg del suelo arenoso limoso

71

ANEXO D

Proctor modificado del suelo arenoso limoso

75

ANEXO E

CBR del suelo arenoso limoso

79

80

ANEXO F

Partículas chatas y alargadas de la concha de abanico

83

ANEXO G

Desgaste de los ángeles de la concha de abanico

87

ANEXO H

Proctor modificado de la mezcla 1

91

ANEXO I


95

ANEXO J


99

ANEXO K


103

ANEXO L

CBR de la mezcla 1

107

108

ANEXO M

CBR de la mezcla 2

111

112

ANEXO N

CBR dela mezcla 3

115

116

ANEXO O

CBR de la mezcla 4

119

120

ANEXO P

Granulometría de la mezcla 3 luego del ensayo Proctor.

123

Documents

USO DE CONCHA DE ABANICO TRITURADA PARA …