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• JoseAndrésEspinozaAponte

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UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO :

PAVIMENTOS DOCENTE :ING. MARCOS OYOLA ZAPATA

ESTABILIZACION DE SUELOS, METODOS MECANICOS, QUIMICOS, USO DE GEOSINTETICOS

INTRODUCCIÓN Todas las propiedades, condiciones y características que posee un suelo, son diferentes, por esto se emplean ensayos para modificarlos y luego emplearlos para la construcción de toda obra, logrando la estabilidad apropiada y exigida por la norma que según su uso sea necesario emplear, en este caso, para la ejecución de un diseño vial se seguirá la reglamentación que rige este campo que es la Norma peruana para carreteras EG - 2013 y así, poder estabilizar el suelo para cualquiera de sus componentes.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL

• Conocer los diferentes métodos estabilización de sub-rasantes.

utilizados

en

la

OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Establecer la diferencia que existe entre las clasificaciones físicas y químicas. • Demostrar que métodos de estabilización de sub-rasantes son los más comúnmente utilizados. • Comprender la importancia de estos métodos para mejorar los suelos naturales.

METODOS DE ESTABILIZACION DE LA SUB RASANTE

Generalidades Casos que justifican una estabilización * Suelo de subrasante desfavorable, o muy arenoso o muy arcilloso * Materiales para base o subbase en el límite de especificaciones. * Condiciones de humedad desfavorables.

ESTABILIZACION DE LA SUB RASANTE • Gradación • Límites de Atterberg

• Contenido de Humedad • CBR

PARAMETRO DE EVALUACION PARA VIAS NO PAVIMENTADAS

PARAMETRO DE EVALUACION PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES

TIPOS DE ESTABILIZACIÓN TIPO

ESTABILIZACIÓN

PRODUCE

Mecanica

Proceso de compactación

Densificación

Fisica

Granulometria

Fricción y cohesión

Fisico - Quimica

Suelo - Cal

Intercambio iónico y cementación

Quimica

Suelo - Cemento

Intercambio iónico y cementación

I. BENEFICIOS DE UNA ESTABILIZACIÓN DE SUB-RASANTE

Las técnicas de estabilización, permiten mejorar en forma total o parcial las propiedades de un suelo. Toda estabilización de suelos, al mejorar sus propiedades, permite obtener los siguientes beneficios o ventajas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Mejoramiento de materiales marginales, es decir, materiales que no son utilizados por sus bajas propiedades de resistencia y cohesión. Mejoramiento de la resistencia del suelo. Aumento de la durabilidad. Control de las deformaciones volumétricas del suelo. Aumento de la trabajabilidad del suelo. Reducción de los requerimientos de espesor de los pavimentos. Aumento de la impermeabilidad del suelo. Reducción del polvo. La optimización de materiales trae como consecuencia un menor impacto ambiental.

ESTABILIDAD VOLUMÉTRICA:  Aplicar cargas que equilibren la expansión del suelo, se considera como un método que puede prevenir la expansión.  Utilizar membranas impermeables y apoyar la estructura a profundidades tales, que no se registren variación estacional en la humedad.

ESTABILIDAD VOLUMÉTRICA:  Modificar la arcilla expansiva a través de medios químicos o térmicos como: aceites sulfonados, ácidos fosfóricos, cloruros de sodio, etc; con el fin de conseguir una masa rígida o granular cuyas partículas estén suficientemente ligadas para resistir la presión interna de la arcilla.

RESISTENCIA: Casi todos los métodos de estabilización producen grandes aumentos en la resistencia de los suelos. Se exceptúan, quizás, los suelos con materia orgánica, por cuanto la mayor parte de los problemas de resistencia ocurren precisamente en esos suelos.

COMPRESIBILIDAD Prácticamente todos los métodos de estabilización disminuyen la compresibilidad de los suelos. DURABILIDAD:  Para obtener una buena durabilidad, la capa estabilizada debe presentar una adecuada resistencia a los agentes atmosféricos y al tránsito que deba soportar durante el período de diseño.

II. MECANISMOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Existen varios medios para mejorar la condición de un suelo que ha de ser utilizado para en este tipo de construcciones. Estos se dividen en tres grupos. A. PROCEDIMIENTOS MECÁNICOS (COMPACTACIÓN). B. PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS (ESTABILIZACIONES). C. PROCEDIMIENTOS FÍSICOS.

A) PROCEDIMIENTOS MECÁNICOS (COMPACTACIÓN)  Amasado (rodillos pata de cabra).  Impactos de carga (pisones)  Presión estática (rodillos lisos y neumáticos)  Vibración (rodillos vibratorios)  Métodos mixtos (combinación de los métodos anteriores).

B) PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS (ESTABILIZACIONES): Proceso para el mejoramiento de la resistencia del suelo mediante la reducción de su susceptibilidad a la influencia del agua y condiciones del tránsito en un periodo de tiempo razonable. Los estabilizadores químicos generalmente caen dentro de una de tres categorías:

1. Pueden utilizarse para cubrir e impermeabilizar los granos del suelo y proveer fuerza cohesiva. 2. Un segundo grupo se usa para formar una adhesión cementante entre las partículas del suelo, proporcionando fuerza y durabilidad.

3. Un tercer grupo realmente interactúa con suelos tipo arcilla para alterar la naturaleza del sistema agua – arcilla, baja la plasticidad, el potencial de cambio de volumen, forma uniones cementantes y aumenta la resistencia

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS POSIBILIDADES DE ESTABILIZACIÓN DE ALGUNOS SUELOS PARA USO EN PAVIMENTOS: TIPO DE SUELO

SISTEMA DE ESTABILIZACIÓN DE SUELO - La adición de cemento aumenta la resistencia.

ARENAS

- La adición de asfalto les brinda cohesión.

- Si tienen algo de arcilla responde económicamente sólo a la compactación. LIMOS

- Los limos puros no responden económicamente a métodos de estabilización usuales. - La cal mejora su trabajabilidad y resistencia.

ARCILLAS

- El cemento produce aumentos de resistencia.

ALGUNOS MAERIALES PARA LOS PROCEDIMIENTOS QUIMICOS.

1. CAL La cal se usa en suelos que contienen componentes minerales de arcilla. La reacción entre el mineral de la arcilla y la cal, es la que produce el efecto de estabilización. La cal, sola o en combinación con otros materiales, puede ser utilizada para tratar una gama de tipos de suelos. Las propiedades mineralógicas de los suelos determinarán su grado de reactividad con la cal y la resistencia final que las capas estabilizadas desarrollarán.

 Cuando la cal y el agua se añaden a un suelo arcilloso, comienzan a ocurrir reacciones químicas casi inmediatamente. A. SECADO. Si se usa la cal viva, la misma se hidrata inmediatamente (químicamente se combina con el agua) y libera calor. Los suelos se secan, porque el agua presente en el suelo participa en esta reacción, y porque el calor generado puede evaporar la humedad adicional. B. MODIFICACIÓN. Después de la mezcla inicial, los iones de calcio (Ca++) de la cal hidratada emigran a la superficie de las partículas arcillosas y desplazan el agua y otros iones. El suelo se hace friable y granular, haciéndolo más fácil para trabajar y compactar

ESTABILIZACIÓN CON CAL  La cal es un producto de la cocción de la piedra caliza, para constituir un material ligante al combinarse con agua y suelo.  Este material mejora las características naturales, de modo que aumenta su capacidad para resistir los efectos inducidos por el tránsito y disminuye los cambios volumétricos.

ESTABILIZACIÓN CON CAL REQUISITOS DE LA CAL:  Las cantidades de cal pueden variar entre el 2 y 6% en peso, del material estabilizado. • MATERIALES:  Los suelos que se utilicen no deben tener partículas de tamaño superior a 80 mm.  La cal debe estar seca al momento de su incorporación al suelo, para que fluya, debe estar protegida de la humedad hasta su utilización.  El agua que se utilice para el mezclado y el curado de la mezcla deberá estar en óptimas condiciones.

ENSAYOS Y TOLERANCIAS  Para controlar el contenido de cal en la mezcla y su homogeneidad se debe realizar el ensayo para determinar el PH, cuyo valor mínimo será de 11.

 La granulometría se debe realizar para comprobar que el 100% de la mezcla pasa el tamiz de 1 in (25.4 mm) y no menos del 60% pasa el tamiz No 4 (4.75 mm).  El espesor de la capa no puede variar en más de 2 cm del espesor estipulado en el contrato.

 EN ESTA ETAPA, EL ÍNDICE DE PLASTICIDAD DEL SUELO DISMINUYE DRÁSTICAMENTE, ASÍ COMO LO HACE SU TENDENCIA A HINCHARSE Y CONTRAERSE.

El proceso, llamado "floculación y aglomeración", generalmente ocurre en el transcurso de horas.

C. ESTABILIZACIÓN. Cuando se añaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rápidamente arriba de 10.5, lo que permite romper las partículas de arcilla. La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseño y se estima por pruebas como la de Eades y Grim (ASTM D6276).

COMPACTACIÓN:

 Para la compactación se deberá usar rodillos pata de cabra, y luego rodillos lisos de tres ruedas de acero o rodillos neumáticos. El espesor de cada capa compactada no deberá ser mayor a 15 cm.  La compactación se iniciará a los costados de la vía e irá progresando hacia el centro hasta lograr un 95% de la densidad máxima obtenida en el laboratorio, ( AASHTO T- 147).

CURADO:

 La capa mezclada y compactada debe ser curada por un lapso de 3 a 7 días.  El curado de todas las capas estabilizadas podrá efectuarse mediante riegos ligeros de agua, que mantengan la superficie húmeda mientras se rodilla con compactadores neumáticos hasta su curado completo.

2. CEMENTO PORTLAND La estabilización con cemento Portland se puede usar en una gran variedad de suelos, tales como: gravas, arenas, limos y suelos de baja plasticidad. Sin embargo, el cemento no es tan efectivo como la cal en la estabilización de arcillas de alta plasticidad. • Como en el caso de la cal, el cemento ayuda a disminuir el límite líquido y a incrementar el índice plástico y la manejabilidad de los suelos arcillosos. Para suelos arcillosos, la estabilización con cemento es efectiva cuando el límite líquido es menor que 45 – 50 y el índice plástico es menor que aproximadamente 25. • Al igual que la cal, el cemento ayuda a incrementar la resistencia de los suelos y la resistencia decrece con el tiempo de curado.

• La alta resistencia a la compresión desarrollada en suelos de sub-rasantes y bases estabilizados con cemento generan altos valores de rigideces o módulos de resiliencia en las capas resultantes del pavimento. En muchos casos, las resistencias son tan altas y las rigideces tan grandes que la capa tratada con cemento debe ser considerada como una losa estructural.

 El cemento es el producto de la mezcla de diferentes materiales que se someten a un proceso de cocción y molido, para construir un material ligante al combinarse con agua y suelo.  Su utilización se considera cuando es necesario cambiar algunas características físicas y mejorar sus condiciones mecánicas.

REQUISISTOS DEL CEMENTO:  La cantidad aproximada de cemento debe estar comprendida entre un 3% mínimo a un 8% máximo en peso, respecto al del material a estabilizar. • MATERIALES:  Los materiales por emplear serán los especificados para bases clase 3 o clase 4 (Sección 404-01.2 / MOP – 001 – F - 2002), y deberán cumplir los requisitos de granulometría correspondientes.

REQUISISTOS DEL CEMENTO: • MATERIALES:  Los materiales bien gradados contendrán entre un 55 a 65% de agregado grueso retenido en el tamiz No 4.  El aglutinante para la mezcla estará constituido por cemento Portland tipo I o tipo II.  El agua para la hidratación de la mezcla debe cumplir con las siguientes exigencias:

• MATERIALES:  Sustancias nocivas del agua: Determinación

Limitación

PH Sustancias disueltas Sulfatos

Mayor ó igual a 5 Menor ó igual 15 gr/lt Menor ó igual 1 gr/lt

Sustancias orgánicas solubles en éter

Menor ó igual 15 gr/lt

Ión cloro

Menor ó igual 6 gr/lt

Hidratos de carbono

No debe contener

ENSAYOS Y TOLERANCIAS:  La granulometría de la mezcla comprobada (AASHTO T 11 y T 27).

debe

ser

 La densidad de campo no debe ser menor al 100% de la densidad máxima seca establecida en laboratorio, (AASHTO T 180).  El contenido de cemento en la mezcla (AASHTO T 211), y se debe efectuar ensayos de compresión simple para comprobar que la resistencia no sea inferior a 25 Kg /cm2.

3. CENIZA VOLANTE (FLY ASH) Pulverizado usualmente asociado con plantas generadoras de energía eléctrica. Es un polvo de grano fino, compuesto principalmente de silicio, aluminio y varios óxidos y álcalis. • Dependiendo del tipo de carbón, las cenizas volantes se clasifican dentro de dos categorías: cenizas con bajo contenido de calcio derivadas de carbón bituminoso y antracitas denominadas cenizas volantes “clase F” y cenizas volantes con alto contenido de calcio, las cuales se derivan de carbones ligníticos y sub-bituminosos y se denominan “clase C”.

• La ceniza volante ha sido utilizada principalmente en la estabilización de suelos como un suplemento o remplazo de la cal o cemento en suelos que muestran pobres propiedades puzolánicas con el fin de aumentar la reacción cal – sílice.

• La ceniza volante y los suelos estabilizados en bases y sub-rasantes con ceniza volante y cal desarrollan el mismo tipo de mejoras que los suelos estabilizados con cal y cemento. Estas mejoras incluyen cambios en las propiedades físicas, tales como la reducción en la plasticidad y potencial de hinchamiento.

4. ASFALTOS El mejoramiento de las propiedades de los suelos con el añadido de asfalto y productos asfálticos es una técnica socorrida y frecuentemente muy efectiva. Son tres los tipos de producto que se han usado para este fin. •

Productos bituminosos, que son sistemas anhídridos de hidrocarburos totalmente solubles en bisulfuro de carbono.

•

Productos asfálticos, procedentes de la destilación y refinamiento del petróleo o asfaltos naturales, más raramente.

•

Productos residuo de la destilación destructiva de materiales orgánicos, tales como el carbón, ciertos aceites, lignitos, turbas y madera (alquitranes).

5. ESTABILIZACION CON MATERIAL PETREO  La estabilización con material pétreo se realiza con el objeto de dar un reforzamiento a la obra básica a construirse.

ESTABILIZACIÓN CON MATERIAL PÉTREO • MATERIALES:  Deberán estar constituidos por material pétreo o pedazos de rocas de un tamaño de 10 a 30 cm, exento de materiales arcillosos, con un contenido no mayor de 20% de partículas que pase el tamiz de 2 in y el 5% que pasen por el tamiz No 4.

ESTABILIZACIÓN CON MATRIAL PÉTREO • COMPACTACIÓN:  La compactación se hace hasta obtener la suficiente consolidación, que se verificará por la ausencia de hundimientos y desplazamientos de los materiales al paso de los tractores.

FRECUENCIA DE LAS PRUEBAS DE CONTROL

SUBBASES Y BASES GRANULARES

MATERIALES PARA TERRAPLENES

ITEM

TIPO DE PRUEBA

FRECUENCIA DE LAS PRUEBAS

Granulometría, contenido de Tantas como sea necesarios para asegurarse que los humedad, compactación, materiales resultantes de las excavaciones sean adecuadas. índice de plasticidad y valor soporte california CBR. Mínimo una prueba por corte, ó una por cada ó por cada tipo de suelo. Densidad en el terreno

Una por cada relleno o terraplén colocado, o una por cada 100m lineales en cada capa colocada.

Determinación de la calidad de la fuente de materiales a emplear: ensayo de abrasión, índice de plasticidad, compactación, valor soporte california CBR y equivalente de arena.

Deben hacerse antes de comenzar la explotación y durante esta cuando se advierta variación de calidad de los materiales.

Granulometría.

Una prueba cada de material.

Densidad en el terreno.

Seis pruebas cada de material compactado.

Espesor de compactada.

la

El número de ensayos dependerá de la constitución geológica de la fuente y su magnitud.

capa Estos espesores serán medidos luego de la compactación final, cada 100 m de longitud en puntos alternados al eje y a los costados del camino tanto en bases como en subbases.

5. OTROS •

MEZCLAS DE CAL-PUZOLANAS PARA SUELOS CON CANTIDADES BAJAS DE ARCILLA

La cal por sí misma puede reaccionar con suelos que contienen tan poca arcilla como 7% e Índices de Plasticidad tan bajos como 10. •

ESTABILIZACIÓN CON SALES

Las sales se forman a partir de la neutralización de un ácido con una base. Las sales normales tales como el cloruro de sodio (NaCl), cloruro de calcio (CaCl2) o cloruro de potasio (KCl) son sales completamente neutralizadas, es decir que no contienen exceso de iones ácidos de hidrógeno (H+) ni básicos de hidróxilo (OH-). •

ESTABILIZACIÓN CON CLORURO DE CALCIO (CACL2)

El cloruro de calcio se obtiene como un subproducto en forma de salmuera en algunos procesos industriales, aunque también se puede obtener de algunos arroyos y pozos naturales siendo la fuente más común el obtenido en la elaboración de carbonato de sodio mediante procedimientos químicos.

•

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON SILICATO DE SODIO (NA2SIO3)

El silicato de sodio pertenece al grupo de compuestos químicos que poseen un amplio intervalo en sus propiedades físicas y químicas. Se le ha empleado como adhesivo, cementante, detergente, defloculante, catalizador, etc., en solución es incoloro e inodoro y actúa en términos generales, como un jabón fuerte, y causa serios daños a los ojos si se llega a introducir en ellos.

C) PROCEDIMIENTOS FÍSICOS • Mezcla (suelo con suelo) • Confinamiento (suelos friccionantes) • Consolidación previa (suelos finos arcillosos) • Vibro flotación

TÉCNICAS DE ESTABILIZACIÓN DE LA SUBRASANTE Es necesario: • No presencia de arcillas expansivas . • Aumentar la capacidad portante del material • Hacer el material menos sensible a la acción del agua.

• Nota: La técnica mas conocida es la de granulometría, debido a su simplicidad y utilidad.

TIPOS DE MEZCLA

Mezclas de 2 y 3 materiales. De dos materiales: se deben determinar proporciones que han de mezclarse para obtener un nuevo material. De tres materiales: en caso de que dos materiales no cumplan debe apelarse a un tercer material, para estabilizar la mezcla siempre y cuando sea económicamente factible.

III. ALGUNOS CRITERIOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS PARA PAVIMENTOS Dentro de los criterios para la estabilización de suelos se encuentran los usados por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos de Norte América para estabilizar suelos. De los factores que se consideran en la selección del estabilizante, el más importante es el tipo de suelo que se va a estabilizar. Para el cual hay más de un estabilizante que se puede aplicar con éxito, la Fuerza Aérea, utiliza guías o líneas basados sobre todo en la granulometría, plasticidad y textura del suelo. .

La selección de estabilizantes se hace usando la siguiente Figura y Tabla. El triángulo de la granulometría del suelo en la Figura está basada en las características de la granulometría de los suelos y en las características de pulverización. El proceso de selección del estabilizante se continúa con la Tabla como indica para cada área mostrada en la Figura.

TABLA.

Las restricciones se basan en la granulometría y en el índice de plasticidad, (IP) se usa la segunda columna de la Tabla, en ésta, se enlistan los símbolos para la clasificación de suelos que se aplica para cada área determinada por la Figura . Esto se hace para verificar que el área seleccionada es la apropiada. Debido a ello, la distribución granulométrica y los límites de Atterberg son usados para iniciar el proceso de selección. Los datos que se requieren para entrar a la Figura son: • Porcentaje de material que pasa la malla No. 200 • Porcentaje de material que pasa la malla No. 4 pero que se retiene en la No. 200. Al triángulo se entra con estos dos valores y en donde se intercepten esa es el área (1A, 2A, 3, etc.)

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DE REEMPLAZO EN FUNCIÓN AL VALOR SOPORTE O RESISTENCIA DEL SUELO Este procedimiento de cálculo para determinar en sectores localizados, el espesor de material a reemplazar se aplicará solo en casos de subrasantes pobres, con suelos de plasticidad media, no expansivos y con valores soporte entre CBR ≥ 3% y CBR < 6%

ESPESORES RECOMENDADOS PARA ESTABILIZACIÓN POR SUSTITUCIÓN DE SUELOS 3% ≤ CBR < 6%

LA RESISTENCIA DEL SUELO-CEMENTO AUMENTA CON EL CONTENIDO DE CEMENTO Y LA EDAD DE LA MEZCLA. AL AÑADIR CEMENTO A UN SUELO Y ANTES DE INICIARSE EL FRAGUADO, SU IP DISMINUYE, SU LL VARÍA LIGERAMENTE Y SU DENSIDAD MÁXIMA Y HUMEDAD-ÓPTIMA AUMENTA O DISMINUYEN LIGERAMENTE, SEGÚN EL TIPO DE SUELO

CONCLUSIONES • Los materiales disponibles en procedimientos químicos para carreteras pueden ser procesados mediante estabilización y entonces ser utilizados en la construcción de caminos de bajos costos. • La estabilización de suelos con cemento para mejorar sus características y permitir su aprovechamiento es una técnica moderna, económica y sostenible. • La cal utilizada como estabilizante mejora significativamente el comportamiento de los suelos, convirtiéndose en una alternativa económica para la construcción de pavimentos en el país. • Una estructura de pavimento conformada por una base estabilizada con cal, posee mayor modulo resiliente que una estructura de pavimento de mayor espesor y sin estabilización de la base.