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ESTABILIZACION DE SUELOS GENERALIDADES La estabilización de suelos en los trabajos de pavimentación puede ser definida como un medio de consolidación permanente de los materiales de sub-rasante. Sub-base y base, incrementando de manera notoria su resistencia y capacidad de carga y decreciendo su sensibilidad al agua y a los cambios volumétricos durante ciclos de humedecimiento - secado. La estabilización del suelo puede aumentar la resistencia, incrementar o disminuir la permeabilidad, reducir la compresibilidad, mejorar la estabilidad o disminuir el levantamiento debido a heladas o hinchamientos. La Estabilización se puede lograr por medios mecánicos o químicos. ESTABILIZACIÓN MECÁNICA: Mediante la estabilización mecánica se modifica la densidad, el contenido de agua, o la granulometría del suelo.     

Las mezclas de suelos: de dos duelos, de tres suelos. La compactación. Drenaje. Consolidación, Uso de geosintéticos, etc.

POR MEDIOS QUÍMICOS.  Con aglomerantes: cal cemento, asfalto.  Con aditivos: tipo aminas, polímeros, etc. OTRAS FORMAS DE ESTABILIZACIÓN SE CONSIGUEN:  Por medios eléctricos  Por medio de calor y calcinación; y

En el Perú no se han aplicado estabilizaciones por medios eléctricos ni por calcinación, aunque si existen experiencias de estabilizaciones con cal y con cemento, que son de las que nos ocuparemos más adelante: MEZCLA DE SUELOS Uno de los problemas más frecuentes en los trabajos de pavimentación es la mezcla de suelos para lograr uno de mejor calidad que cumpla con los requisitos de una determinada especificación. Como método de estabilización mecánica, es el procedimiento por el cual se combinan dos o más suelos bajo ciertas condiciones de humedad, granulometría y Límites de Consistencia a fin de mejorar las propiedades individuales y producir una mezcla aceptable. Obviamente que la mezcla física también puede en algunos casos traer como consecuencia una modificación en la química del producto resultante como por ejemplo en el caso de la mezcla de agregados para producir concreto, en que uno de ellos tenga contenidos muy altos de sulfatos que se trasmitan a la mezcla resultante en límites no permisibles. En esta parte solamente tendremos en cuenta los casos en que ya hayan sido analizados los otros aspectos y nos concentraremos en mostrar la metodología para conseguir mezclas de dos y de tres suelos. MEZCLA DE DOS SUELOS Para una mejor ilustración el procedimiento a seguir con el método gráfico del cuadrado que es el que se presentará, se muestra el caso dado por Rico y Del Castillo. La Figura a) muestra las curvas granulométricas de dos suelos 1 y 2, que se desea mezclar para lograr un tercero que esté dentro del huso granulométrico de la especificación mostrada en achurado. En la figura 3.2.2.b. se muestra un cuadrado que ha sido construido con 100 unidades de lado, que representan los porcentajes que pasan las respectivas mallas de los materiales 1 y 2 aisladamente (escalas verticales) y como parte de la mezcla (líneas horizontales). El procedimiento consiste en marcar en cada escala vertical los porcentajes que pasan, correspondientes a cada tipo de malla en ambos suelos, los que luego se unen representando así los porcentajes de suelos 1 y 2 en cada malla. Luego se procede a marcar sobre esas líneas, los límites del huso granulométrico que

representan los porcentajes, que pasan por cada una de las mallas contenidos en el huso, de tal manera que la porción comprendida entre la menor separación de todas esas marcas (línea punteada), representa todas las posibles combinaciones de los suelos 1 y 2, que cumplen con las especificaciones. En la figura b)., se muestra como “primer tanteo”, la curva correspondiente a una mezcla 50-50, es decir con 50% de suelo tipo 1 y con 50% de suelo 2.

MEZCLA DE TRES SUELOS Se utiliza el método del triángulo tomado de la misma referencia anterior. Se tiene tres suelos A, B y C (Tabla a) que se desea mezclar para obtener un cuarto que cumpla las especificaciones mostradas en el achurado de la Figura c). El procedimiento consiste en construir un triángulo equilátero con 100 unidades por lado, correspondientes a los porcentajes que retiene la malla Nº 4, a los que pasan la malla Nº 4 y son retenidos en la malla Nº 200; y a los que pasan la malla Nº 200. Dentro de éste triángulo se ubican los puntos A,B y C correspondientes a cada tipo de suelo que interviene en la mezcla y lo mismo se hace con los límites del Huso Granulométrico, obteniéndose a sí un paralelogramo (abcd). Cualquier punto dentro del triángulo ABC, representa una mezcla de los tres suelos, pero si además ese punto cae dentro del paralelogramo abcd, cumplirá además la especificación dada. Siendo el punto de mezcla óptima el que se localiza en el centro de gravedad del paralelogramo (punto O), se consigue la proporción de la mezcla de los tres suelos de la siguiente manera: se une el punto C con el punto O y se prolonga la línea hasta O’ sobre la línea que une a los suelos A y B. La relación OO’/ O’C dará la proporción con que interviene el suelo C en la mezcla. Del mismo modo, la relación BO’/AB multiplicada por el complemento de la proporción con la que interviene C, dará la proporción con que interviene A. Finalmente , el complemento de las dos anteriores será la proporción con la que interviene B en la mezcla. Esas proporciones multiplicadas por los correspondientes porcentajes de cada suelo que pasan las respectivas mallas (Tabla a), permitirá obtener la curva granulométrica de la mezcla como se muestra en la figura d). En la Tabla b) se dan algunos criterios en la estabilización de suelos y minerales.

COMPACTACION Se aumenta la densidad del suelo mediante acción mecánica, que remodela ó cambia estructuralmente el suelo. Mientras más denso sea el suelo, más baja es su compresibilidad El esfuerzo de compactación es el número de pasadas hechas con una máquina específica de peso dado y con una velocidad dada. Para un esfuerzo dado de compactación, la densidad varía con el contenido de humedad. Para un contenido de humedad dado, el aumentar el esfuerzo de compactación aumenta la densidad y reduce la permeabilidad. El uso de medios vibratorios mejora la compactación en suelos granulares (arenas) RECOMENDACIÓN DEL EQUIPO DE COMPACTACION SEGÚN TIPO DE SUELO A–2

A -1 Tipo de Equipo

A-3 A-1-a A-1-b

A-4 A-5 A-6 A-7 A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7

Liso.

1

2

2

1

1

1

2

2

3

3

4

Neumático

2

2

2

1

1

1

1

2

2

2

3

Pata de cabra

5

5

5

4

4

3

2

2

1

1

1

Pisón Impacto

2

2

1

2

2

2

4

4

4

4

4

Vibratorio

1

1

1

1

1

3

4

3

3

5

5

1.- Excelente 2.- Bueno 3.- Regular 4.- Deficiente 5.- Inadecuado

CONSOLIDACION Se logra mediante la aplicación de cargas estáticas y la eliminación de agua de los poros. Aplicada a suelos cohesivos saturados de los mismos resultados que la compactación. Es un proceso lento que puede llevar tiempos bastante largos. Cuando se consolida un suelo, llega al equilibrio con la carga super impuesta.

DRENAJE Consiste en la eliminación del agua del suelo; cuando la cantidad de agua en el suelo, y la presión del agua en los poros aumenta, generalmente la resistencia del suelo disminuye. El drenaje puede realizarse mediante gravedad, bombeo, compresión mediante carga externa sobre el suelo, electro ósmosis, calefacción ó congelación.

ESTABILIZACIÓN QUÍMICA. Este procedimiento se utiliza para muchos fines. Consiste en la aplicación de algún tipo de aglomerante a la masa de suelo, con la finalidad de modificar sus propiedades mecánicas. En tratamientos de superficie, suplementa la estabilización mecánica para que los efectos sean más duraderos. En tratamientos subterráneos, los productos químicos pueden utilizarse para mejorar la capacidad de carga o disminuir la permeabilidad. Como material aglomerante se suele utilizar: cal, cemento, asfalto u otros tipos de productos químicos conocidos como aditivos, de diferentes marcas. ESTABILIZACIONES CON CAL Ha venido a ser en muchos países una técnica preferida de estabilización de sub-rasantes, sub-bases y bases, debido a que permite el uso de suelos marginales mejorándolos por el añadido de una pequeña cantidad de cal hidratada, evitando a sí su eliminación y reemplazo por materiales de préstamo. La estabilización con cal se aplica solamente a la cal hidratada y no a la roca caliza pulverizada, que sólo reacciona mecánicamente con los suelos. En algunos casos se utiliza la cal viva en pretratamientos con suelos húmedos. Los principales efectos de la cal sobre los suelos son:        

Reduce el Indice de Plasticidad; Reduce los cambios de volumen (arcillas expansivas); Ayuda a la pulverización del suelo; Eleva el óptimo contenido de humedad, permitiendo compactar en condiciones mas húmedas; Aumenta la resistencia compresiva; Incrementa su capacidad portante en términos del CBR; Forma una barrera resistente al agua de abajo hacia arriba y viceversa; Permítela formación de una “mesa de trabajo”, facilitando la compactación de las capas superiores.

La aplicación mas frecuente de la estabilización con cal es como pre-tratamiento a la estabilización con cemento sobre arcillas plásticas (10% IP  50%), a las que hace mas trabajables y fáciles de compactar. También se la utiliza en el mejoramiento de las propiedades resistentes de las gravas arcillosas (material de base). Donde tiene poco efecto es con los suelos muy orgánicos o sin arcilla. Cuando los suelos tienen un IP bajo, es inprescindible que exista cuando menos 15% de material que pase la malla Nº 200. En lo que sigue, se dan algunas recomendaciones de la National Lime Association para la ejecución de estabilizaciones con cal hidratada en sub-rasantes o sub-bases, a un rango de 3% a 6% en peso del suelo seco. Los pasos a seguir son:       

Escarificación y Pulverización Extendido de la cal Mezclado preliminar y Regado Curado preliminar Mezclado final y pulverización Compactación Curado final

ESTABILIZACION CON CEMENTO Es una técnica que se utiliza desde 1917 y que hoy en muchos países es de uso común para estabilizar sub-rasantes o mejorar las propiedades resistentes de sub-bases y bases de pavimentos urbanos, de carreteras y aeropuertos. Se emplea normalmente para disminuir la porosidad y la plasticidad de los suelos arcillosos, así como para aumentar su resistencia y su durabilidad; aunque es posible emplearlo con cualquier tipo de suelo (Tablas 3.3.3.a y 3.3.3.b). La principal restricción a las estabilizaciones de suelo-cemento se encuentra en el contenido de materia orgánica que dificulta la reacción es por esa razón que se le restringe a 1 ó 2% en peso. Otros elementos nocivos son los sulfatos de calcio y de magnesio y en general toda sustancia hidrófila presente en el suelo. Para contrarrestar las sustancias nocivas, se recomienda el empleo de cementos de alta resistencia. Aunque todos los tipos de cemento son útiles para la estabilización de suelos, normalmente se utilizan los de fraguado rápido y los de resistencias normales, siendo en todo caso preferibles los cementos mas finos. Hay tres tipos de mezclas de suelo y cemento:  Suelo-cemento compactado;  Suelo modificado con cemento; y  Suelo-cemento plástico. El suelo-cemento compactado es aquel que contiene suficiente cantidad de cemento como para endurecer el suelo, así como el grado de humedad necesario para lograr la hidratación del cemento y una adecuada compactación. Otras expresiones utilizadas para denominar a este tipo de mezcla son: “bases tratadas con cemento”, “suelo estabilizado con cemento” y “agregado estabilizado”.

El suelo modificado con cemento es una mezcla no endurecida o semi-endurecida de suelo y cemento, con cantidades de éste último menores que las empleadas para el suelo-cemento. Se utiliza preferentemente para reducir la plasticidad y la capacidad de retención de agua, e incrementar la capacidad portante de ciertos suelos. Sus principales aplicaciones están: como material de relleno en terraplenes, en sub-rasantes, sub-bases y bases. El suelo-cemento plástico también es una mezcla endurecida de suelo y cemento, que contiene al momento de colocarla, suficiente cantidad de agua como para que contenga una consistencia similar a la del mortero plástico. Se emplea en taludes, áreas irregulares o confinadas tales como revestimientos de cuentas u otras áreas erosionables, donde es difícil operar con el equipo normal de construcción.

PORCENTAJE DE CEMENTO A PROBAR INICIALMENTE EN DIFERENTES TIPOS DE SUELOS. Suelo Clasif. SUCS

% de cemento en peso normalmente usado por capa terminada. GW, GP,GM y SW. 3–8 SC y GC. 5–9 SP y SM. 7 – 11 ML 7 – 12 CL, OL y MH 8 – 13

% de cemento en peso a usar en pruebas de compactación 5–6 7 9 10 10

% de cemento en peso a usar en pruebas de durabilidad. 3–7 5–9 7 – 11 8 – 12 8 – 12

9 – 15 10 – 16

CH OH y Pt.

10 – 14 11 – 15.

12 13

Los suelos provenientes del horizonte “A” contienen materias orgánicas u otros materiales perjudiciales para la reacción del cemento, por lo que pueden requerir porcentajes mas altos de éste. Cuando la coloración de estos suelos sea de gris a gris oscura, convendrá incrementar los contenidos de cemento indicados en 4 puntos. Cuando la coloración sea negra, el aumento será de 6 puntos.

TABLA LIMITES NORMALES DE CONTENIDOS DE CEMENTO EN LOS SUELOS DE LOS HORIZONTES B y C Grupo de suelo Clasificación AASHTO A–1–a A–1–b A–2–4 A–2–5 A–2–6 A–2–7 A–3 A–4 A–5 A–6 A–7

% de volumen

% en peso

5–7 7–9 -.-.7 – 10 -.8 – 12 8 – 12 8 – 12 10 – 14 10 - 14

3–5 5–8 -.-.5–9 -.7 – 11 7 – 12 8 – 13 9 – 15 10 - 16