• Author / Uploaded
• flor yajaira

• Categories
• Cemento
• Suelo
• Calcio
• Arcilla
• Agua

Citation preview

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

INTRODUCCION La estabilización de un suelo es el proceso mediante el cual, se someten los suelos naturales a cierta manipulación o tratamiento de modo que podemos aprovechar sus mejores cualidades, obteniéndose una capa de asiento del firme estable y durable, capaz de soportar los efectos del tránsito y las condiciones climáticas más severas y por ende asegure geotécnicamente el comportamiento de la explanada. La estabilización del suelo también es la corrección de una deficiencia para darle una mayor resistencia al terreno o bien disminuir su índice de plasticidad. Las tres formas de lograrlo son: estabilización física, estabilización química, estabilización mecánica. Para el proceso de estabilización del suelo existen dos opciones de ejecución, mezcla en central o plantas móviles in situ. Se define un suelo estabilizado “IN SITU” a la mezcla homogénea y uniforme de un suelo con cal o con cemento, y eventualmente agua, en la propia traza de la carretera, la cual convenientemente compactada tiene por objeto disminuir la susceptibilidad al agua del suelo o aumentar su resistencia, para su uso en la formación de explanadas.

ING. GEOLOGIA

1

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

OBJETIVOS OBJETIVOS PRINCIPALES 

Conceptualizar la estabilización de suelos.

OBJETIVOS SECUNDARIOS  

Definir los métodos de estabilización, agente estabilizador. Definir los procedimientos de estabilización, Inyecciones, Subrasantes y pavimentos.

ING. GEOLOGIA

2

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS El suelo se describe como una mezcla de minerales y materia orgánica que se encuentra en la superficie de la tierra y sirve como soporte a las obras que ha construido el hombre a lo largo de la historia. ESTABILIZACIÓN: el suelo se deforma bajo la acción de cargas directas, o a las transmitidas por las capas del firme de alta calidad, si no tiene la debida resistencia; esta debe tener valores que no desciendan en ninguna circunstancia de lo que exigen las cargas que ha de soportar. Es sabido que, especialmente en ciertos tipos de suelo, su resistencia varia ampliamente al cambiar la proporción del agua que contiene. Con la estabilización se pretende, en primer término, lograr que dentro de una de las condiciones normales, el agua que el suelo pueda contener solamente varíe entre limites muy pequeños. El cemento, los productos bituminosos y las diferentes clases de resina y plásticos que se emplean en la estabilización, limitan la cantidad de agua que el suelo puede contener, estabilizándolo. Análogamente un suelo excesivamente plástico puede ser económicamente conveniente corregirlo añadiéndole una determinada proporción de material granular, previamente al empleo del producto estabilizador. LA ESTABILIZACION EXIGE EL CUMPLIMIENTO DE UNA SERIE DE CONDICIONES COMUNES QUE SON LAS SIGUIENTES: 



 

El suelo estabilizado deberá tener la resistencia precisa para soportar las cargas a que ha de estar sometido, bien sean transmitidas por las capas superiores del pavimento, olas directas del tráfico, edificaciones, etc. cuando constituya la capa de rodadura, esta resistencia mínima habrá de lograrse en las condiciones extremas, de humedad y acción del hielo, que se han de prever, según las características meteorológicas y de drenaje. El cumplimiento de la condición anterior obligara a corregir el suelo natural, bien por la aportación de otros apropiados o por la adición de cemento, betún o diferentes productos químicos. La conveniencia del empleo de uno u otro es cuestión económica. Ser asequible en grandes cantidades y en cantidad normal. No presentar problemas de transporte, ni ser toxico.

ING. GEOLOGIA

3

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

I.

TIPOS DE ESTABILIZACION

ING. GEOLOGIA

4

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

1. ESTABILIZACION DE SUELOS MEDIANTE METODOS FISICOS Las estabilizaciones fisicas se realizan con el adecuado equipo mecanico. 1.1.

ESTABILIZACION POR COMPACTACION

El proceso de estabilizacion por compactacion, se debe emplear en todas aquellas obras donde la materia prima es el suelo. Resultado del proceso de compactacion mecanico debe producir:   

Aumentar la resistencia al corte para mejorar la estabilidad del suelo. Disminuir la compresibilidad para reducir los asentamientos. Disminuir la relacion de vacios para reducir la permeabilidad y asi mismo el potencial de expansion, contraccion o exposicion por congelamiento.

En todo momento se tendra en cuentala prueba de compactacion Proctor estandar o modificado con energia de compactacion, de laboratorio, con la siguiente formula: 𝐸=

(𝑁. 𝑛. 𝑃. ℎ) 𝑉

Donde: 𝐸 → energia de compactacion 𝑁 → numero de golpes por capa 𝑛 → numero de capas de suelo 𝑃 → peso del pisón ℎ → altura de caida libre del pisón 𝑉 → volumen del suelo compactado

ING. GEOLOGIA

5

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

PRUEBA DE PROCTOR Se refiere a la determinacion del peso por unidad de volumende un suelo que ha sido compactado por un procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad, esta prueva tiene por objetivo: a- Determinar el peso vulometrico seco maximo que puede alcanzar un material, asi como la humedad optima a que deberahacerse la compactacion. b- Determinar el grado de compactacion alcanzado por el material durante la construccion o cuando ya se encuentran construidos los caminos, aeropuertos y calles, relacionado el peso vulometrico obtenido en el lugar con el peso volumetrico maximo proctor. En primera instancia se llevan a cabo ensayos Próctor sobre muestras de suelo o del material de la base, en el laboratorio, para determinar la máxima densidad que se puede alcanzar, con éstos, y su contenido de humedad óptimo correspondiente, puesto que ambos factores influyen en la compactación. Posteriormente, los resultados de laboratorio se comparan con los ensayos de densidad realizados en el sito de la obra. PRUEBA ESTANDAR PORCTOR Ensayo Próctor Estándar - El ensayo Próctor estándar se realiza en un laboratorio de ensayo de suelos, tomando una muestra de suelo del sitio y compactándola, en un recipiente de 1/30 ft3 (0.00094 m3) de capacidad, en tres capas. Se deja caer un pisón de 5 1/2 lb (2.5 kg) de peso, con una superficie de impacto de 3.1 in2 (2,000 mm2), desde una altura de 12 in. (300 mm), 25 veces sobre cada una de las tres capas, de igual espesor, con que se va llenando el recipiente. Luego se pesa el conjunto, se le resta el peso del recipiente, y se registra el peso como peso húmedo/ft3 (peso húmedo/m3). El material se seca en un horno durante 12 horas y se determina el contenido de agua. Este metodo de compactacion demora menos que el modificado por se necesita 3 capas y se utiliza una maquina de menos peso; lo q conlleva q tenga mas contenido de humedad. PRUEBA PRÓCTOR MODIFICADO Ensayo Próctor Modificado - El ensayo Próctor modificado se hace, fundamentalmente, de la misma manera que el estándar, pero se usa un pisón de 10 lb (4.54 kg) que se deja caer, 25 veces, desde una altura de 18 in. (457 mm). El material se ensaya en un recipiente de 1/30 de ft3 (0.00094 m3), llenado en cinco capas iguales. El esfuerzo de compactación producido en el Próctor modificado es 56,000 lbf (75,926 N), mientras que en el Próctor estándar es 12,400 lbf (16,812 N). El ensayo modificado se usa, normalmente, para ensayar materiales de suelo y base, para una resistencia al corte mayor, que soporten cargas más altas como las encontradas en calles y pavimentos industriales.

ING. GEOLOGIA

6

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

En términos prácticos, para obtener la densidad Próctor modificada, es necesario más tiempo de compactación en el campo o usar equipo más pesado. El resultado es una fundación sustancialmente más fuerte y un pavimento con una vida potencialmente más larga.

2. ESTABILIZACION DE SUELOS POR METODO QUIMICO Se aplican métodos químicos en la estabilización de suelos, en casos como:   

Cuando no se cumpla con los requisitos mínimos de resistencia o de formación, para sustentar obras de ingeniería civil. Cuando no se pueda ser empleado en condiciones naturales. Cuando no pueda ser eliminado o remplazando por otro.

Las siguientes estabilizaciones se realizan mediante un estudio técnico el cual el suelo alcanza una estabilidad volumétrica, adecuada a resistencia permeabilidad, comprensibilidad y durabilidad. 2.1.

ESTABILIZACION CON CAL

GENERALIDADES SOBRE LA CAL. La cal es el producto de la calcinación de rocas calizas a temperaturas entre 880 y 9000C, constituido principalmente por oxido de calcio (CaO) y otros componentes. La adicción de cal en los materiales arcillosos para terracerías, revestimientos, sub-base y bases, por sus diferentes reacciones, en mayor y menor grado, produce aumento en su límite líquido y mayor incremento en su límite plástico para generar así una disminución en su índice plástico; aumentando la estabilidad volumétrica de los materiales cohesivos y la resistencia a la compresión simple y el CBR. El tratamiento de terrenos arcillosos con cal permite su utilización, evitando los mayores costes y afecciones ambientales que supondría su retirada y posterior reemplazamiento por otros suelos de mejores características geotécnicas y mecánicas.

ING. GEOLOGIA

7

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Parámetros para la estabilización con cal -

-

Se agrega de 2% a 8% de cal por peso seco de suelo. Estimar el porcentaje de cal en función del PH. Elaborar espécimen para el ensayo de comprensión no confinado a la humedad optima y máxima densidad seca. Determinar el incremento de la resistencia del suelo estabilizado con cal. Si el incremento de resistencia con el porcentaje de cal elegido, es mayor a 3,5 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 , determinar la variación en la resistencia para especímenes elaborados con más de 2% de cal. Determinar el contenido de cal para el cual la resistencia no aumenta en forma importante. Elaborar una gráfica de resistencia vs % de cal.

Recomendaciones para la estabilización de cal -

Por ningún motivo se debe emplear más del 8% de cal en el suelo, ya que se aumenta la resistencia pero también la plasticidad. Los suelos que usen para la construcción de suelo/cal debe de estar limpios y no deben de tener más del 3% de su peso de materia orgánica. La fracción del suelo que pasa la malla n°40 debe tener un índice de plasticidad comprendido entre 10 y 50.

Para el tratamiento de suelos se puede utilizar:  CAL VIVA (óxido de calcio – CaO), cal hidratada (hidróxido de calcio – Ca [OH]2) o una lechada de cal (es una suspensión de cal hidratada en agua, que puede elaborarse a partir de cal hidratada o de cal viva).  LA CAL VIVA; se produce de la transformación química del carbonato de calcio (piedra caliza – CaCO3) en óxido de calcio. Este tipo cal constituidas además del óxido de calcio (CaO), también lo constituye el Oxido de magnesio (MgO), producidos por la calcinación de caliza.  LA CAL HIDRATADA; se obtiene cuando la cal viva reacciona químicamente con el agua. La cal hidratada (hidróxido de calcio) es la que reacciona con las partículas arcillosas y las transforma permanentemente en una fuerte matriz cementante.  LA LECHADA DE CAL; es la suspensión de la cal hidratada en agua. Su empleo en tratamiento de suelo permite por un lado, evitar el polvo producido durante el extendido de cal y por otro, controla mejor la humedad de los suelos secos. El uso vial más importante de la cal es el de estabilizar suelos, para estos fines se emplea la cal hidratada en polvo, que viene envasada en bolsas de papel facilitando de esta manera su manipuleo y transporte.

ING. GEOLOGIA

8

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

 En la construcción de carreteras, el aprovechamiento de los suelos naturales de la traza puede presentar dificultades debido a: · El alto contenido de agua. · La presencia de arcilla en los mismos. · A la combinación de ambos elementos. La importancia del contenido de agua es conocida por todos ya que, si es demasiado elevado, hace que la circulación de máquinas en obra sea difícil cuando no imposible y si es demasiado bajo la compactación resulta una operación difícil. Los materiales que tienen arcillas en su composición, son conocidos por sus pocas propiedades geotécnicas que, además, varían según las condiciones climáticas. ACCION DE LA CAL SOBRE LOS SUELOS ARCILLOSOS. Los efectos de la cal sobre los suelos arcillosos pueden ser divididos en dos grupos principales: a) Debido a reacciones rápidas (minutos/horas); es una estabilización por modificación. b) Provenientes de reacciones a largo plazo (semanas/meses); es una estabilización por cementación.

Como consecuencia de los anteriores efectos, la acción de la cal produce un notable incremento de la resistencia y rigidez del suelo que pierde plasticidad. La permeabilidad del suelo, que inmediatamente después del tratamiento podría ser considerado como un árido maleable que va cementando progresivamente con el tiempo, aumenta considerablemente a corto plazo, pero progresivamente decrece a medida que van teniendo lugar las reacciones de cementación y, por tanto, se reduce la susceptibilidad al agua en gran manera, lo que es puesto en evidencia por la disminución Índice de Plasticidad y de la retracción e hinchamiento del suelo.

ING. GEOLOGIA

9

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

La mezcla de cal con el suelo provoca reacciones rápidas que originan cambios físico-químicos producidos por cambios iónicos, neutralización y floculación. Las finas partículas de arcilla se aglomeran en elementos más gruesos y friables. Estas reacciones se producen siempre que el suelo tenga un cierto porcentaje de finos. Para conseguir estas modificaciones, la dosificación necesaria de Cal oscila entre el 1 y el 3 %. Estabilización La estabilización propiamente dicha consiste en una mejora a largo plazo (meses/años) por cementación, en función de la temperatura ambiente y de la naturaleza de la arcilla, aumentando la capacidad portante del suelo con el fin de poder emplearlo en capas más solicitadas. De esta forma pueden obtenerse explanadas y sub-bases con buenas. Al elevar la cal el pH del suelo estabilizado hasta valores de 12,4, se libera sílice y alúmina de la arcilla que reaccionan con los iones calcio procedentes de la cal, formando silicatos y aluminatos cálcicos hidratados que, como en el caso de los cementos portland, incrementan la resistencia mecánica. Esta reacción de tipo puzolánico es progresiva con el tiempo y aumenta la impermeabilidad, la resistencia mecánica y la resistencia a las heladas del suelo tratado.

o FACTORES POTENCIALMENTE ADVERSOS Dos son los aspectos que más negativamente pueden influir en la estabilización de suelos con cal: su contenido en sulfatos solubles y en materia orgánica. Tratamientos de suelos con cal. -

-

Con respecto al contenido de materia orgánica, esta puede inhibir las reacciones puzolánicas, retardando los efectos de la cal sobre el suelo. Pero, por otro lado, la mezcla del suelo con la cal permite eliminar esta materia orgánica. Por lo tanto, en el caso de suelos con porcentajes excesivos de esta, conviene sobredosificar la cal necesaria para eliminar la materia orgánica presente. El contenido de sulfatos solubles, bien por su existencia en el propio terreno, o bien por ser aportados por las aguas subterráneas existentes, puede afectar la estabilización mediante la reacción de los sulfatos solubilizados en el agua con los aluminatos cálcicos hidratados, producidos por la reacción puzolánica entre el suelo y la cal, formando Etringita (trisulfoaluminato cálcico), muy expansiva, que puede llegar a romper las capas ya extendidas y compactadas.

VENTAJAS DE LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL. El tratamiento de suelos arcillosos con cal viva o hidratada en cualquier obra de movimiento de tierras: laderas, terraplenes, explanadas, firmes, plataformas,

ING. GEOLOGIA

10

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

etc., correspondiente a cualquier tipo de infraestructura: viales, aeropuertos, ferrocarriles, etc., permite obtener una serie de ventajas técnicas y económicas que citaremos a continuación: • Posibilidad de reutilización de los suelos disponibles en la traza, disminuyendo la necesidad de préstamos y vertederos. Este aspecto, además de disminuir las afecciones medioambientales, disminuye los costes del movimiento de tierras, incidiendo especialmente en el transporte de materiales y en el tiempo de ejecución. • La reducción del plazo de ejecución viene determinada también por la rapidez de las reacciones suelo-cal y el efecto secante producido. El Índice de Plasticidad disminuye notablemente y el suelo se vuelve más friable, aumentando inmediatamente su trabajabilidad. Además, el empleo de cal viva ayuda a secar rápidamente los suelos húmedos, facilitando su compactación. • El empleo de cal incrementa la capacidad portante de los suelos aumentando su índice C.B.R. También aumenta las resistencias a tracción y a flexión. Por lo tanto, la mejora producida en las capas y explanadas estabilizadas permite reducir espesores y las posibilidades de fallo durante su vida útil. • Otra ventaja muy importante de la estabilización con cal frente al empleo de otros conglomerantes, es que no presenta un fraguado rápido, lo cual permite una gran flexibilidad en la organización de las distintas fases de ejecución: mezcla, extendido, compactación, etc. No obstante, para evitar la re carbonatación previa de la cal, debe realizarse el mezclado con el suelo antes de 8 horas, desde el momento del extendido. Además, con el fin de evitar la re carbonatación de la cal y su arrastre por el viento, conviene mezclar lo antes posible la cal extendida. La estabilización de cualquier capa soporte, haciéndola insensible al agua y aumentando su resistencia frente a los tráficos que soportará durante su vida útil, reduce los costes de construcción, conservación y explotación de la infraestructura. 2.2.

ESTABILIZACIÓN DEL SUELO CON CEMENTO.

La estabilización de suelo con cemento, es la más utilizada en el mundo. Es muy sencilla de realizar y no se necesita equipo especial de construcción. El suelocemento consiste en mezclar suelo con cemento, y compactarlo en su contenido óptimo de humedad. La función del cemento es aglutinar el material y convertirlo en una masa endurecida de carácter estable. El agua hidrata el cemento y ayuda a obtener la máxima densidad lubricando los granos y partículas de suelo. Una vez que el suelo y el cemento han sido mezclados y compactado, inicia la acción del cemento la cual provoca el endurecimiento de la masa. Al mezclar un suelo con cemento, se produce un nuevo material, duro, con mejores características que el usado como agregado. Esta estabilización no es tan sensible a la humedad como la hecha con asfalto. Pueden usarse todos los suelos

ING. GEOLOGIA

11

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

para efectuarla, excepto los altamente orgánicos, aunque los más convenientes son los granulares, de fácil disgregado. Los limos, las arenas limosas y arcillas, todas las gravas y las arenas, son agregados adecuados para producir la mezcla suelo-cemento, que tienen excelentes cualidades, que respecto a la de los suelos granulares son: a) Tiene mayor módulo de elasticidad. b) Es más impermeable. c) Es muy resistente a la erosión del agua. d) En presencia de la humedad, en lugar de perder resistencia, la aumenta. e) Su resistencia aumenta con el tiempo. La cantidad de cemento necesaria varía con el tipo de suelo, siendo menor si el suelo es poco arcilloso. El criterio de diseño de las mezclas suelo-cemento es para obtener un material de mayor resistencia. No sólo se debe pensar en disminuir plasticidad. La resistencia a la compresión, es uno de los parámetros primordial de análisis en la estructura de un pavimento, el cual se determina mediante la realización de probetas cilíndricas elaboradas con una energía de compactación determinada según sea la especificada y su respectiva humedad óptima. El procedimiento de construcción consta de las fases siguientes: a) Mezclado de cemento y suelo a estabilizar. b) Colocación de agua, hasta llegar a obtener la humedad optima dentro de la mezcla suelo-cemento. c) Compactación d) Curado de unos 7 días. La gama de suelos que se pueden estabilizar con cemento es muy amplia. Aunque son los suelos granulares los que presentan una mejor y más rápida mejora de resultados ante una reducida aportación de cemento, no se debe a priori eliminar otros tipos, pues se dan casos de suelos de elevada plasticidad cuyo comportamiento es mejor al ser mezclados con cemento que con cal. Con suelos muy finos y arcillosos suele resultar más adecuado realizar un tratamiento mixto cal-cemento: la aplicación de la cal logra reducir la plasticidad y consigue agrupar los finos en granos de mayor diámetro sobre los que sí puede actuar el cemento, lográndose obtener una resistencia apreciable. Análogamente se puede emplear este doble tratamiento en suelos muy húmedos, donde la cal actúa secando. En la estabilización mixta, antes de la aplicación del cemento, conviene dejar un período de actuación de la cal de al menos 5 o 6 horas (plazo que se debe definir en los ensayos previos). En los suelos estabilizados con cemento, el tipo de conglomerante tiene una importancia menor en comparación con la dotación del mismo o la densidad ING. GEOLOGIA

12

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

mínima alcanzada en la compactación. Los cementos más recomendables para estabilizar suelos son aquellos con alto contenido de adiciones activas se trata de cementos con inicio y final de fraguado suficientemente largos (mayor plazo de trabajabilidad), moderado calor de hidratación (limitada fisuración por retracción) y desarrollo inicial de resistencias lento, que se recuperan (salvo en los cementos que las resistencias a 28 días son las mismas que las de otros tipos de cementos) o mejoran a largo plazo. Con ello se limita el efecto de la retracción. En general deben procurar emplearse cementos de resistencia media o baja reservando las categorías superiores para situaciones especiales como la ejecución en tiempo frío. Si la capa estabilizada se tiene que disponer sobre terrenos yesíferos o que contengan sulfatos, es conveniente aislarla y, en cualquier caso, utilizar cementos resistentes a los sulfatos. En los suelos estabilizados con cemento, las dotaciones de cemento varían ampliamente según el tipo de suelo que se utilice. Como se ha comentado, para evitar elevados contenidos de conglomerante, se suele restringir la estabilización con cemento a los suelos que cumplen las siguientes condiciones: -

Índice de plasticidad IP < 15 Límite liquido LL < 40 Pase por el tamiz UNE 2 mm < 20 % Pase por el tamiz UNE 0,063 mm < 35 %

Parámetros para la estabilización con cementos -

-

-

Se pueden utilizar todos los tipos de cementos, pero en general se recomienda lo de fraguado normales. En casos de contrarrestar los efectos de la materia orgánica, se empleara cementos de alta resistencia. En zonas con bajas temperaturas los suelos se mesclan con cementos de fraguados rápidos o con cloruro de calcio como aditivo. La capa estabilizada con cemento debe tener un espesor mínimo de 10cm pudiendo recibir capa de cobertura (tratamiento superficial asfaltico) de poco espesor (1,5cm) para un tránsito ligero a medio o podrá servir de apoyo a un pavimento regido o flexible de alta calidad. El suelo se deberá controlar con ensayos de granulometría verificando que el límite líquido sea menor del 50% y el índice de plasticidad menor del 25%, también mediante ensayos de compactación, durabilidad y comprensión simple.

Recomendaciones para la estabilización con cemento -

-

Para obtener una estabilización tipo flexible, el porcentaje de cemento debe variar entre 1 y 4%, permitiendo disminuir la plasticidad e incrementar levemente la resistencia. Para obtener una estabilización tipo rígido, el porcentaje de cemento debe variar entre el 6 y 14%, logrando mejorar el comportamiento de las bases,

ING. GEOLOGIA

13

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

reflejado en el incremento de su módulo de elasticidad evitando fracturas de la capa de la superficie. - El agua debe ser limpia y estar libre de materia orgánica, álcalis y otras sustancias deletéreas.  ETAPAS DE UNA ESTABILIZACION CON CEMENTO La estabilización de un suelo para obtener una explanada de calidad requiere realizar previamente los estudios de laboratorio oportunos para cada caso en particular. Las características del suelo (tipo, clasificación, grado de humedad, u otros) y la maquinaria disponible son dos parámetros básicos que definen la forma de estabilizar y la cantidad de conglomerante más apropiada para conseguir las óptimas condiciones técnicas y económicas. Así, se pueden diferenciar las siguientes fases en una estabilización: Etapas previas a la ejecución: 

Clasificación del suelo

El primer paso, consiste en realizar los ensayos previos para caracterizar correctamente el suelo. Para ello, se toman muestras suficientemente representativas del suelo (se excava en las zonas de desmonte hasta la cota de explanada y se cogen muestras válidas de los materiales de aportación de los terraplenes) y se llevan a cabo los ensayos de identificación. Al menos se debe definir la granulometría, la plasticidad (límites de Atterberg), el hinchamiento, la humedad natural, el contenido de materia orgánica y el de otros componentes perjudiciales, tales como sulfuros (piritas), sulfatos (yesos) o cloruros (sal gema) que puedan perturbar o incluso impedir el fraguado del cemento.



Elección y dosificación del conglomerante

De acuerdo con las características del suelo se selecciona el tipo de conglomerante más apropiado para conseguir la capacidad de soporte o la resistencia solicitada. En la figura se incluye un gráfico orientativo sobre cuando usar cal o cemento, pues aunque esta posibilidad puede quedar determinada en la normativa (tabla 2) donde se fijan unos límites, hay casos de obras en los que, aun habiéndolos rebasado ligeramente, se han obtenido resultados correctos.

ING. GEOLOGIA

14

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Otra opción que no hay que descartar, es la estabilización mixta con cal y cemento, bien porque el suelo tenga mucha humedad y requiera previamente un secado, o bien porque contenga finos muy plásticos sobre los que no se consigue obtener resistencias con la acción del cemento. Con un 1-2% de cal se reduce la plasticidad, aumentando la humedad optima de compactación y disminuyendo la densidad máxima del suelo, y tras un período de maduración, con un 3-4% de cemento se pueden lograr las resistencias especificadas para obtener una explanada de calidad. 

Ensayos previos:

Definido el conglomerante, se realizan los ensayos de dosificación necesarios para conocer la cantidad del mismo a aportar. Para ello se realiza para cada contenido de cemento (o para un porcentaje medio) el ensayo Proctor Modificado siguiendo la norma técnicas y se determina la humedad óptima y la densidad máxima de compactación. Posteriormente se obtiene el valor del índice CBR o, en el caso del S-EST3, en el que se exige una resistencia de 1,5 MPa a la edad de 7 días, se confeccionan probetas para ensayar a compresión a dicha edad. La fórmula de trabajo debe indicar al menos: - La granulometría del suelo, los límites de Atterberg y las demás características definidas anteriormente. - La humedad óptima del material en el momento del mezclado. - La densidad a obtener, que no debe ser inferior al 97% de la máxima Proctor modificado paralos S-EST 1 y S-EST 2, ni al 98% para el S-EST 3. 

El tipo y dotación de cemento a utilizar:

Dada la variabilidad de las características de los suelos que pueden encontrarse en un firme, es aconsejable para asegurar una homogeneización correcta que la dotación de cemento no sea inferior al 3% (aunque algunas normas limitan al mínimo del 2,5% los S-EST 1) a fin de asegurar la obtención de la capacidad de soporte o la resistencia especificada a lo largo de toda la obra y evitar problemas posteriores, en general muy costosos de solucionar. La dosificación óptima de cemento se determina ensayando varias series de probetas con distintas dotaciones de cemento. Dichas probetas se fabrican con la humedad óptima y la densidad mínima exigida en obra. Se debe adoptar un cierto margen de seguridad para tener en cuenta la variabilidad de la obra. Una vez definido el contenido de cemento conviene realizar un análisis de sensibilidad sobre probetas compactadas a diferentes densidades. De esta forma se puede determinar la dotación de conglomerante a añadir al suelo que garantice suficientemente la obtención de las prescripciones exigidas (CBR o resistencia) con las densidades alcanzadas en obra.

ING. GEOLOGIA

15

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

 ETAPAS DE LA EJECUCIÓN La estabilización de un suelo puede realizarse in situ o en central. Este último proceso es similar al de otras unidades de obra como el suelo-cemento, pero es poco frecuente. Las operaciones a realizar en la estabilización in situ son en general las siguientes: -

-

-

-

-

-

Preparación del suelo al menos en tres aspectos básicos: granulometría (escarificado, disgregación y retirada de gruesos), humedad (humectación o secado) y nivelación. Distribución del conglomerante: según como se realice, se diferencia entre estabilizado por vía seca (el cemento se extiende en polvo sobre la superficie de la capa a estabilizar) o por vía húmeda (se incorpora como lechada al suelo dentro de la estabilizadora). Mezclado: un adecuado proceso de mezclado, con la humedad apropiada para asegurar una buena homogeneidad del suelo estabilizado en todo el espesor requerido, es muy importante para lograr un aprovechamiento óptimo de esta unidad. Compactación inicial: tras el mezclado se realizan varios ciclos de compactación con el rodillo vibrando a su máxima amplitud para compactar bien el fondo de la capa. Refino o nivelación: posteriormente se lleva a cabo un refino con la motoniveladora para obtener la rasante. Compactación final: se realiza con un rodillo liso, que a veces se combina con un rodillo de neumáticos para cerrar la superficie, hasta obtener como mínimo la densidad especificada. Tanto en esta etapa como en la compactación inicial es importante mentalizar al maquinista de la importancia de su trabajo por lo monótono que resulta y controlar a menudo que el proceso se realiza correctamente. Curado y/o protección superficial: El curado se puede realizar manteniendo la superficie húmeda mediante un riego con agua pulverizada, o bien extendiendo una emulsión bituminosa de rotura rápida y baja viscosidad con una dotación mayor de 300 gr/m2 de betún residual. Para poder soportar el paso inmediato de los vehículos sin que se produzcan deformaciones importantes que puedan perjudicar su comportamiento posterior, el suelo estabilizado con cemento debe tener un esqueleto mineral con estabilidad suficiente. Para la estimación de la misma, se emplea el índice de capacidad de soporte inmediata (norma UNE-EN 13286-47), que debe ser como mínimo igual a 50 para poder permitir la apertura a la circulación. En este caso se debe proteger el riego de curado con una gravilla 3-6, aplicada con una dotación 2-4 l/m2.

ING. GEOLOGIA

16

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

LIMITACIONES PARA LA EJECUCION 

Ejecución en época calurosa

En épocas calurosas, las altas temperaturas pueden dar lugar a una desecación del material que altera desfavorablemente las relaciones de hidratación del cemento. Algunas de las medidas que se pueden emplear para reducir estos problemas cuando se extiende a temperaturas superiores a 35 ºC son: -



Empleo de cementos con alto contenido en adiciones (Tipo IV, V o ESP VI) y resistencia 32,5 N, que tienen un menor calor de hidratación, lo que se traduce en una fisuración más reducida. Empleo de un retardador de fraguado para incrementar el plazo de trabajabilidad, que en estos casos disminuye. Mezclado con agua fría, incrementando el volumen de agua para prever la evaporación que se producirá durante el proceso. Pulverización de agua durante la compactación. Extensión del riego de curado inmediatamente. Ejecución en época fría

No se debe extender el material cuando la temperatura ambiente descienda por debajo de 5ºC y exista fundado temor de heladas, ya que la ganancia de resistencia es muy débil y prácticamente inexistente por debajo de dicha temperatura. En caso de que la temperatura tienda a aumentar, se puede fijar este límite en 2ºC. En este caso se deberán emplear cementos con un contenido reducido de adicciones (tipo II) y categoría resistente 42,5 N y obtener altas resistencias. Por otra parte, en caso de ser factibles recomendable realizar la mezcla con agua caliente. 

Ejecución en tiempo lluvioso

En caso de lluvia la ejecución de la estabilización debe suspenderse, tanto por la gran dificultad para compactar el material al incrementarse considerablemente la humedad por encima de la óptima, como por el peligro de que se produzca un lavado de la superficie. No obstante, se puede trabajar cuando haya una lluvia fina y ligera, que tienda a desaparecer. 

Ejecución con viento fuerte

En caso de dosificarse el cemento en polvo, no se debe extender cuando haya viento fuerte (velocidad por encima de 35 km/h). Si el cemento se incorpora como lechada, hay que tener en cuenta que, incluso aunque se esté en un ambiente marítimo con un alto porcentaje de humedad, la capacidad del viento para desecar rápidamente la superficie del material es muy alta, por lo que se deberán tomar las precauciones adecuadas.

ING. GEOLOGIA

17

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

2.3.

ESTABILIZACION DEL SUELO CON ASFALTO

En algunos casos conviene estabilizar un material usando algún producto asfáltico para elaborar capas base o sub base. A estas bases asfálticas también se los conoce como base negras. El uso de algunos productos asfálticos (asfaltos rebajados, emulsiones asfálticas y cemento asfálticos) está limitado a suelos granulares o de partículas gruesas. Es muy difícil estabilizar un material arcilloso, por los grumos de esos suelos. La estabilización con asfalto puede tener dos fines: a) Reducir la absorción de agua del material, usando poca cantidad de asfalto b) Incrementar la resistencia de un material usando mayor cantidad de asfalto, como en las bases asfálticas. Se empleara un asfalto o bitumen, para lograr propiedades impermeabilizantes, adhesivas y de preservación, en el suelo. En suelos friccionantes puede considerarse, además de la química, la estabilización mecánica. La estabilización de cada suelo, debe ser investigada en forma independiente, a partir de la granulometría, plasticidad, densidad y otras propiedades del sueño. Para un peso específico del material igual a 1,64 gr/cm3, le debe corresponder 10% de asfalto y para 1,75 gr/cm3, no es necesaria su aplicación, tal como lo muestra a continuación el siguiente cuadro: CONTENIDO DE ASFALTO PARA ESTABILIZAR Contenido de asfalto (%) 0 Peso específico del material 1,75 (gr/cm3)

2 1,71

4 1,68

6 1,66

8 1,64

10 1,64

Cuando los materiales bituminosos se emplean como agentes estabilizantes de los suelos, tienden a producir distintos efectos según el tipo de suelo que deba estabilizarse. En líneas generales, los efectos se dividen en tres grupos principales: a)- Suministrar resistencia cohesiva a suelos sin cohesión propia, tales como arenas limpias, donde el asfalto actúa como agente ligante de las partículas. Este tipo de estabilización es generalmente llamada "arena-asfalto". b)- Estabilizar el contenido de humedad de los suelos finos cohesivos. Este tipo de estabilización se denomina "suelo-asfalto". c)- Suministrar resistencia cohesiva e impermeabilizar suelos granulares que poseen altos valores de resistencia friccional. Cuando en este tipo de estabilización se utilizan gravas de yacimiento, se la conoce con el nombre de "grava-arena-asfalto". Los asfaltos son también usados en caminos de tierra o grava a los efectos de lograr una superficie libre de polvo, impermeable al agua y resistente a la abrasión ING. GEOLOGIA

18

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

del tránsito Este tratamiento se utiliza para suelos gruesos o finos con plasticidad donde sólo se desea un tipo inferior de camino. 2.4.

ESTABILIZACION DE SUELOS CON CENIZA

Las cenizas volantes son procedentes de la combustión en las centrales termoeléctricas. La composición de cada una de las clases de ceniza y el porcentaje de carbón encontrado en estas depende del proceso que se realice en cada una de las plantas de la termoeléctrica. Las cenizas son granos finos compuestos básicamente por silicatos, aluminios, cal libre y algunos óxidos que permiten una reacción puzolánica con el suelo que al igual que otras sustancias reduce el índice de expansión. Una concentración del 25% de cenizas en el suelo puede resultar muy beneficiosa, afectando la granulometría, floculando los porcentajes de arcillas del suelo y reduciendo el límite líquido y el índice plástico del suelo. Las reacciones puzolánicas permiten incrementar la capacidad de soporte de la subrasante y con ello mejor las estructuras viales. La ceniza volante es expulsada junto con los gases de combustión, para ser atrapada en los filtros del sistema de recolección, desde donde se transporta al silo de almacenamiento. En dicho silo se mezclan ambos tipos de ceniza (ceniza compuesta o FBA) y se hidratan, para posteriormente ser transportadas hasta un acopio o relleno ubicado al interior de la planta (ceniza compuesta hidratada o FBAh). De acuerdo al proceso de producción, se pueden obtener cuatro tipos de cenizas FBC: - FAd (ceniza volante seca). Se obtiene de los sistemas de recolección de polvo de la caldera. - BAd (ceniza de fondo seca). Esta ceniza precipita al fondo de la caldera. Este tipo de ceniza está formada por partículas visibles de color café, negro y blanco. - FBAd (ceniza compuesta seca). Esta mezcla se produce en el silo de almacenamiento. - FBAh (ceniza compuesta hidratada). Mezcla de cenizas hidratada depositada en el acopio. 2.5.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS

La estabilización de un suelo es el proceso por el cual se mejoran las propiedades del mismo. Entre los aditivos usados en la estabilización de los suelos se encuentran los siguientes (Sowers, 1994): -

Aditivos que retienen humedad: sales comunes y cloruro de calcio. Aditivos resistentes a la humedad: agentes impermeabilizantes resinosos e hidrófugos, materiales bituminosos y asfaltos rebajados. Mezcla de suelo-cemento, en la mayoría de los casos se hace con cementos Portland. ING. GEOLOGIA

19

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

-

Cal y cemento: reacciona con el suelo químicamente permitiendo reacciones puzolánicas. Agentes dispersante: entre los cuales se encuentran el silicato de sodio y poli fosfato de sodio que reducen el límite líquido, el índice plástico y la permeabilidad.

A continuación se presenta una descripción de las sustancias utilizadas como aditivos en esta investigación, así como el efecto que producen sobre los materiales expansivos. ESTABILIZACIÓN CON CAL ESTABILIZACIÓN CON CENIZAS VOLANTES Las cenizas volantes son procedentes de la combustión en las centrales termoeléctricas. La composición de cada una de las clases de ceniza y el porcentaje de carbón encontrado en estas depende del proceso que se realice en cada una de las plantas de la termoeléctrica. Las cenizas son granos finos compuestos básicamente por silicatos, aluminios, cal libre y algunos óxidos que permiten una reacción puzolánicas con el suelo que al igual que otras sustancias reduce el índice de expansión. 2.6. ESTABILIZACION CON GEOSINTETICOS 2.6.1. ESTABILIZACIÓN CON GEOSINTÉTICOS En muchas ocasiones es usual encontrar suelos poco competentes para soportar cargas debido al tráfico, el refuerzo con geosintéticos permite mejorar el desempeño de un pavimento disminuyendo los esfuerzos aplicados sobre la subrasante. Como resultado, se tiene una sección reforzada que permite una mayor aplicación de cargas y menores deformaciones que una sección sin refuerzo. Geosintéticos como geomallas biaxiales coextruidas, geotextiles tejidos y Neoweb han sido empleados como herramientas de refuerzo para incrementar la Resistencia de vías. Para lograr la estabilización de una subrasante se debe determinar correctamente un espesor de material granular apropiado que en conjunto con un geosintético de refuerzo permitan brindar una plataforma de trabajo estable logrando la estabilización mecánica de la subrasante. La estabilización mecánica de subrasantes con geosintéticos permite reemplazar alternativas tradicionales como el uso de empalizadas, rajón (Sobre tamaños), etc.

ING. GEOLOGIA

20

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

2.6.2. ESTABILIZACIÓN CON GEOTEXTILES La función de refuerzo de los geotextiles consiste en el complemento y por ende en el mejoramiento de las propiedades mecánicas del suelo. Los geotextiles son materiales con alta resistencia a la tensión y son un buen complemento de aquellos materiales con alta resistencia a la compresión pero con poca resistencia a la tensión, como ocurre generalmente en los suelos finos y granulares. El refuerzo con geotextiles soporta la fuerza de tensión del suelo, disminuyendo la fuerza de corte y aumentando la resistencia al corte del suelo, con el incremento del esfuerzo normal que actúa en las potenciales superficies de corte. En efecto, cuando el suelo se deforma a lo largo de una superficie de ruptura (en cortante), se generan deformaciones a compresión y tracción. El refuerzo comienza a actuar en forma eficiente cuando su inclinación iguala la dirección en la que se haya desarrollado la deformación a tracción en el suelo deformado, entonces la deformación por corte del suelo causa una fuerza de tensión en el geotextil de refuerzo. El refuerzo con geotextiles permite además soportar mayores aplicaciones de carga en el suelo y mejorar su capacidad portante, mediante otro mecanismo diferente, que se aplica cuando el refuerzo se ha deformado lo suficiente para actuar como una membrana a tensión. Cuando se aplica una carga en la superficie de la estructura, una parte de los esfuerzos normales de la fibra inferior de esa capa (parte cóncava) son soportados por la fuerza de tensión de la membrana de geotextil, reduciendo así los esfuerzos aplicados en el suelo que se encuentra bajo el geotextil (parte convexa del geotextil). Este mecanismo tipo membrana se desarrolla cuando se aplican cargas localizadas y se presentan deformaciones considerables. En el caso particular de las vías, la acción de membrana es muy importante para controlar el ahuellamiento en las vías y para prevenir el colapso de un relleno en un hueco o cavidad que se presente en el suelo de fundación. Con el uso de un geotextil de refuerzo y un espesor adecuado de material granular es posible estabilizar mecánicamente una subrasante, generando una plataforma de trabajo estable que permita el desarrollo propio de la construcción de un pavimento. Esta alternativa permite el remplazo de soluciones tradicionales como como el uso de empalizadas, rajón, remplazos de suelo, estabilización química, etc. Adicionalmente se logra el efecto de separación evitando la contaminación y/o mezcla de suelos. 2.6.3. ESTABILIZACIÓN CON GEOMALLAS Con el uso de una geomalla biaxial coextruida y un espesor adecuado de material granular es posible estabilizar mecánicamente una subrasante, generando una plataforma de trabajo estable que permita el desarrollo propio de la construcción de un pavimento. Esta alternativa permite el remplazo de soluciones tradicionales como como el uso de empalizadas, rajón, remplazos de suelo, estabilización química, etc.

ING. GEOLOGIA

21

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

En esta aplicación toma vital importancia le eficiencia en los nudos o juntas de la geomalla (En general se recomienda que sea >90%) ya que de estos depende la transferencia de cargas y el adecuado confinamiento del material granular. En la mayoría de los casos es necesario acompañar la geomalla por un geotextil de separación por debajo de esta.

2.6.4. ESTABILIZACION CON GEODRENES El agua siendo un elemento fundamental para la existencia de la vida, es también la principal causa de los problemas en la Ingeniería Geotécnica y una de las causas más relevantes del deterioro prematuro de las obras civiles. Es por eso que es necesaria la construcción de obras de drenaje adecuadas para cada caso. Un correcto manejo de los fluidos debe involucrar procesos de captación, conducción y evacuación, los cuales son de igual importancia. Cuanto más rápido se capte el agua en las obras civiles, se garantiza una mayor durabilidad de éstas. Esto debido a que el exceso de agua en los suelos afecta sus propiedades geomecánicas, los mecanismos de transferencia de carga, incrementos de presiones de poros, subpresiones de flujo, presiones hidrostáticas y afecta la susceptibilidad a los cambios volumétricos. Un sistema de subdrenaje eficiente y estable debe estar compuesto por un medio filtrante y otro drenante. En el Geodrén, la función de filtración (retener el suelo permitiendo el paso del agua) la desempeña el Geotextil no tejido punzonado por agujas, el medio drenante es el encargado de captar y conducir el agua que pasa a través del filtro, función realizada por un elemento sintético que se conoce con el nombre de Geored y la tubería perforada es la encargada de conducir el agua a un sistema de evacuación. La utilización del geodrén vial es una excelente alternativa para el manejo de los fluidos, porque permite captarlos y conducirlos de una manera rápida y eficiente, disminuyendo notablemente el tiempo de construcción de los subdrenes por su facilidad de instalación, dando como resultado una disminución de costos frente a otras alternativas convencionales, disminuyendo el fuerte impacto ambiental.

ING. GEOLOGIA

22

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS ARCILLOSOS CON CENIZAS DE CARBÓN PARA SU USO COMO SUBRASANTE MEJORADA Y/O SUB BASE DE PAVIMENTOS CARRETERA VILLARICA – PUERTO BERMUDEZ I.

ANTECEDENTES

El estudio de las cenizas volantes, en países desarrollados alcanza en los últimos años un gran auge debido al crecimiento registrado en la producción de energía eléctrica vía carbón. La generación de residuos, tales como la ceniza volante se ha convertido en un problema ambiental, motivando un especial interés de estudiar su aprovechamiento en la ingeniería civil, minimizando el impacto que genera su producción. La planta termoeléctrica Ilo 21, ubicada en la provincia de Ilo, utiliza el carbón como fuente de calor, produciendo cenizas y escorias en su proceso industrial. Estos residuos generan un problema ambiental, al ser dispuestos en rellenos sanitarios acondicionados, demandando espacio y generando costos, sin contemplar aplicación alguna que equilibre el excedente de ceniza con técnicas innovadoras. II.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Algunos suelos arcillosos no cumplen con los requerimientos necesarios para un proyecto de pavimentación, por su baja capacidad de soporte y mala calidad debido a su naturaleza. Para solucionar este problema se emplean alternativas de estabilización para el mejoramiento de las características mecánicas del material evitando elevados costos de obra por los grandes espesores de pavimento a ser proyectados. La vida útil de los pavimentos, que descansan sobre suelos blandos es menor que el promedio de la mayoría, pues se producen hundimientos o asentamientos que deterioran rápidamente la vía. La zona de selva se caracteriza porque no existen canteras de material granular adecuado que puedan emplearse en las diversas capas de la estructura del pavimento.

ING. GEOLOGIA

23

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

III.

ALCANCES DE LA INVESTIGACION

La investigación se orienta a evaluar las características mecánicas de los suelos estabilizados con cenizas de carbón para su empleo como subrasante o de sub base en pavimentos. Se evaluarán las características físicas, químicas y mecánicas del suelo a estabilizar, de las cenizas de carbón como material estabilizante y del producto de la mezcla suelo- ceniza, mediante ensayos de laboratorio. Finalmente se realiza el dimensionamiento de una estructura típica de pavimento con fines de comparación del desempeño de los materiales estudiados. IV.

JUSTIFICACION

La zona de selva se caracteriza porque no existen canteras de material granular adecuado que puedan ser usados en las diversas capas de la estructura del pavimento, debiéndose encontrar alternativas como la estabilización, que permita mejorar la capacidad de soporte de los suelos. Una de las alternativas corresponde al empleo de materiales como la ceniza volante. En diversos países, se han empleado cenizas de carbón, como material de pavimentación. Existiendo referencia de su buen desempeño en investigaciones realizadas, en Estados Unidos, Europa y Brasil, concluyendo que la ceniza volante estabiliza el suelo mejorando sus propiedades mecánicas para su utilización en pavimentación. V.

DESARROLLO DE LA INVESTIGACION

Los materiales utilizados en el presente trabajo son: suelo natural (arcilla), cenizas volantes y cemento, así como la combinación de los mismos en diferentes proporciones. El suelo arcilloso natural se obtuvo en el talud del km. 132, lado derecho de la carretera Villarica - Puerto Bermúdez, correspondiente a zona de selva central, ubicada en la provincia de Oxapampa y departamento de Pasco, ver Figura 4.01 y 4.02. Mientras que la ceniza volante se trajo de la Central Termoeléctrica de Ilo 21, ubicada en Moquegua.

ING. GEOLOGIA

24

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Figura 4.01 Ubicación de la Zona en Estudio

Figura4.02 Vista del Lugar de Obtención de Arcilla en Villarica y Producto Final Pasante la Malla N°4

4.1.1 Ceniza Volante La recolección de la muestra se realizó en la central termoeléctrica Ilo 21, ubicada en la Región Moquegua, ciudad de Ilo, a 1240.5 Km al sur de Lima. En la Figura 4.03 Vista de la Planta y Zona de Obtención de Ceniza Volante y Figura 4.04 Ceniza Volante. Es la única planta en el Perú que opera con carbón y que genera un total de 141.83 MW de potencia efectiva. Las operaciones se inician con la llegada de buques de hasta 70,000 toneladas, que atracan en la plataforma del muelle propio de más de 1 km. Una faja transportadora agiliza las labores y las canchas de carbón acopian 200,000 toneladas. (Fuente :www.enersur.com.pe y elaboración propia). ING. GEOLOGIA

25

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Figura 4.3: Vista de la Planta y Zona de Obtención de Ceniza Volante

Figura 4.4: Ceniza Volante

Entre las tecnologías limpias de carbón para la combustión de carbón pulverizado que reducen emisiones de nitrógeno, se encuentran los quemadores y las técnicas de requemado. Estas modifican el proceso de combustión para reducir emisiones hasta el 50% y están siendo ampliamente adoptadas, por cuanto ellas pueden ser instaladas en plantas existentes. El método de reducción catalítica selectiva es una tecnología de post- combustión que puede lograr reducciones del 80-90%. Quiroz (2005). Los carbones más utilizados en la Central Termoeléctrica se encuentran en la Tabla 4.01. Tabla 4.01.- Carbones Utilizados en la C.T. ILO21

ING. GEOLOGIA

26

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

compañía

Adaro*

Carbones del

Glencore**

Carbocol**

Mina

Tutupan

El Cerrejon

Carbon

Envirocal

Paso Diablo Singleton Guasare** P. D. Premium Singleton

Puerto de

Banjarmasin

Bulkwayuu

Newcastle

P. Bolivar

Pais Cargade Origen Indonesia US$/t 44.38

Venezuela

Australia

Colombia

47.13

43.08

48.0

US$/GJ

1.96

1.60

1.50

1.780

Embarque

1

2

3

4

D

*El carbón ADARO es el carbón de diseño y según las condiciones contractuales utilizado para el cálculo del consumo especifico de calor y cálculo del rendimiento de la unidad. ** Carbones utilizados en la operación de la central, que si bien el costo por unidad másica es mayor que el ADARO, el costo por unidad de energía es menor, que explica el uso de combustibles. 4.1.2 Cemento Portland El cemento utilizado, Andino (Portland Tipo I), está destinado al uso común y corriente en construcciones de concreto y trabajos de albañilería. Su uso está recomendado en todas aquellas obras en las cuales requieren características que cumplen la Norma.

4.1.3 Mezcla de Suelo Arcilloso y Ceniza Volante El suelo arcilloso y las cenizas volantes se secaron en horno a 60°C y luego se almacenaron en bolsas plásticas. Las mezclas de suelo, ceniza volante y cemento se midieron en peso respectivamente de acuerdo a las proporciones indicadas en Tabla 4.02 Proporción de mezcla y Símbolos Referentes a cada Material.

Tabla 4.02 – Proporción de Mezcla y Símbolos Referentes a cada Material.

ING. GEOLOGIA

27

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

% de Suelo % de Ceniza Material/Mezcl a Suelo 100 arcilloso Ceniza Volante 0

% de Cemento Símbolo 0 Volante 100

0

S

0

CV

Mezcla 1

80

20

0

S80/CV20

Mezcla 2

60

40

0

S60/CV40

Mezcla 3

90

7

3

S90/CV7/C3

Mezcla 4

80

17

3

S80/CV17/C3

60

27

3

S60/CV27/C3

Mezcla 5+ 7 días

de curado 4.1.4 Mezcla de Suelo Arcilloso y Cemento La estabilización con cemento se puede dividir en las categorías siguientes Medina, (1987): • Suelo-cemento: una es endurecida por curado una mezcla íntima con el suelo compactado mecánicamente pulverizado, cemento portland y agua, y este endurecimiento evaluado por criterios de resistencia y durabilidad a la compresión de probetas de ensayo. Se utiliza normalmente como una base o subbase; Solo algunas modificaciones o mejoras: un material que no es templado o semi-endurecido que se juzga por el cambio de los índices físicos y / o capacidad de carga del suelo. Se utiliza un bajo contenido de cemento no debe ser mayor que 5%. Puede ser utilizado como la sub-base o sub-base; • Suelo-cemento plástico: se utiliza para una mayor cantidad de agua durante la mezcla para producir una consistencia de mortero en el momento de colocación. Se utiliza para el revestimiento de acequias, canales y terraplenes. 4.2. Ensayos de Laboratorio a Realizar Las muestras representativas de arcilla, ceniza volante y la mezcla adicionando cemento fueron sometidas a los ensayos siguientes: Características Físicas: •

Análisis Granulométrico por Tamizado

•

Humedad Natural

•

Límites de Atterberg

(MTC E 107-ASTM D422 )

(MTC E 108-ASTM D2216)

ING. GEOLOGIA

28

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

-

Límite Líquido

(MTC E 110–ASTM D4318)

-

Límite Plástico

(MTC E 111-ASTM D4318)

-

Índice de Plasticidad

(MTC E 111-ASTM D4318)

•

Clasificación de Suelos método SUCS

(ASTM D2487)

•

Clasificación de Suelos método AASHTO

(ASTM D3282

Características Mecánicas:

•

Próctor Modificado

(MTC E 115-ASTMD1557)

•

California Bearing Ratio

(MTC E 132–ASTM D1883)

Los ensayos de laboratorio fueron realizados en el Laboratorio N°2 Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería, de acuerdo a Normas ASTM. Los resultados de estos ensayos se presentan en el Anexo I. Los análisis químicos de materia orgánica en el Laboratorio ¨LASA¨ Ingenieros y el Análisis Mineralógico de Difracción de Rayos ¨X¨ en el Laboratorio de INGEMMET. 4.2.1 Ensayos Físicos y Mecánicos El análisis granulométrico de un suelo tiene por finalidad determinar la proporción de sus diferentes elementos constituyentes, clasificados en función de su tamaño. Ver Figura 4.06 Ensayo granulométrico por tamizado. De acuerdo al tamaño de las partículas de suelo, se definen los siguientes términos en la Tabla 4.03: Tabla 4.03: Tipo y Tamaño de Partículas

Tipo de Material

Tamaño de las partículas

Grava

75 mm – 2 mm Arena gruesa: 2 mm - 0.2 mm

ING. GEOLOGIA

29

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Arena

Arena fina: 0.2 mm - 0.05 mm

Limo

0.05 mm – 0.005 mm

Arcilla

Menor a 0.005 mm

El análisis de tamaño de partículas se realizó de acuerdo con la norma ASTM D 422. El suelo en cuestión está compuesto de una fracción gruesa y fina, por lo que se llevó a cabo esta prueba usando el material retenido en la malla N°200 y para el material que pasa se realizó la prueba de sedimentación. Para la fase correspondiente a los ensayos de sedimentación se utilizó la solución dispersante de hexametafosfato de sodio.

Figura 4.06 : Ensayo de Análisis Granulométrico por Tamizado Los llamados límites de Atterberg, son: el límite líquido (LL) determinación según norma ASTM D 4318 ó MTC E 110, el límite plástico (LP) determinación según norma MTC E 111. Ver Figura 4.07 Ensayo de Limite Liquido con la copa de Casagrande.

Figura 4.07: Ensayo de Limite Liquido con la Copa de Casagrande El índice de plasticidad permite clasificar bastante bien un suelo. Un IP alto corresponde a un suelo de alta plasticidad. Por el contrario, un IP bajo es

ING. GEOLOGIA

30

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

característico de un suelo de baja a nula plasticidad. Sobre todo esto se puede dar en la clasificación siguiente de la Tabla 4.04 Índice de Plasticidad y Característica de los Materiales. Tabla 4.04: Índice de Plasticidad y Característica de los Materiales INDICE DE

CARACTERISTICA

PLASTICIDAD IP> 20

Suelos muy arcillosos

20> IP > 10

Suelos arcillosos

10> IP > 4

Suelos poco arcillosos

IP = 0

Suelos exentos de arcilla

Para determinar la gravedad específica de la prueba de suelo se realizó de acuerdo a la norma ASTM D854. Ver Figura 4.08, Bomba de Vacios para el Ensayo de Gravedad Especifica.

Figura 4.08: Bomba de Vacios para el Ensayo de Gravedad Específica

Se realizó el ensayo de Próctor Modificado método A y CBR según norma ASTM D 1883. Ver Figuras 4.09 y 4.10 de equipo de CBR y ensayos en ejecución.

Figura 4.10: Proceso de Saturación y Medición de Expansión en CBR

ING. GEOLOGIA

31

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

4.3

Ensayos de Caracterización Química

Debido a que se trabaja con las cenizas volantes que son provenientes de residuos del carbón de una central termoeléctrica, es importante realizar las pruebas para la determinación de compuestos químicos, peligrosos o no. Así que para asegurar la viabilidad de utilizar este tipo de residuos en la mezcla con el suelo arcilloso y que no presente agresividad se ha realizado la caracterización mineralógica y el ensayo de materia orgánica del suelo y de la ceniza volante. 4.3.2 Análisis de Materia Orgánica El ensayo se realizó por el método Walkley y Black. La materia orgánica es una mezcla heterogénea de sustancias de origen vegetal, animal y microbiana que, dentro del suelo, influyen sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas. El método se basa en la oxidación por medio del Dicromato de Potasio que reacciona en un volumen con dos de Acido Sulfúrico concentrado. El exceso de Dicromato de Potasio se determina valorando con solución de Sulfato Ferroso Amoniacal en presencia como indicador Difenilamina Sulfúrica. Previamente a la determinación de materia orgánica debemos estar seguros que no existen sales de cloro ya que pueden ser la fuente de error, en caso que existan se deben eliminar las sales solubles antes de la determinación. En la Tabla 4.05 se muestra los Niveles de Materia Orgánica. Tabla 4.05 Niveles de Materia Orgánica Niveles de Contenido

Porcentaje de materia orgánica

Bajo

0-2

Medio

2–4

Alto

Más de 4

PRESENTACION Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Se presenta e interpreta los resultados de ensayos de laboratorio realizados a las muestras de arcilla proveniente de la Selva Central, ceniza volante proveniente de la Central Termoeléctrica de Ilo y mezclas de las mismas adicionando cemento Portland Tipo I.

ING. GEOLOGIA

32

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

5.1 Ensayos de Caracterización Física Los análisis granulométricos se realizaron según norma ASTM D422.

La Tabla 5.01 presenta los resultados, en porcentajes del ensayo de análisis granulométrico para un suelo, ceniza volante y mezclas, obtenidos en el presente estudio.

ING. GEOLOGIA

33

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Tabla 5.01 Resultados de Ensayos de Análisis Granulométricos ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR Gravas Arenas SEDIMENTACIÓN

Limos

Arcillas y

S80/CV20

0.0 (%) 0.0

6.3 (%) 4.9

47.4 (%) 55.8

46.3 Coloides (%) 39.3

S60/CV40

0.0

4.6

68.5

26.8

CV

0.0

5.4

82.2

12.4

MUESTRA S

En la Tabla 5.02 se presentan los resultados de los ensayos granulométricos de la arcilla, ceniza volante y cemento.

5.1.2 Límites de Atterberg Los ensayos para determinar el Límite Líquido (LL) y el Límite Plástico (LP), fueron realizados conforme a Norma ASTM D4318. Los resultados se pueden observar que la ceniza volante no presenta plasticidad y que la arcilla es de alta plasticidad. A medida que se adiciona la ceniza volante en el suelo arcilloso la mezcla baja la plasticidad a la arcilla. En las Tabla 5.03 y 5.04, se observan los resultados de Límite Líquido, Limite Plástico e Índice Plástico de la arcilla, ceniza volante y combinaciones.

ING. GEOLOGIA

34

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

En la Fig. 5.03 y Fig. 5.04, se observa la variación de los resultados de los límites de consistencia de la arcilla, ceniza volante y combinaciones con cemento. También se observa que a medida que se incrementa el contenido de ceniza volante disminuye la humedad de los valores de límites de consistencia e índice plástico.

ING. GEOLOGIA

35

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

ING. GEOLOGIA

36

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

En las Figuras .5.05 y 5.06 se observa la variación de los resultados de los límites de consistencia de la mezcla de arcilla, ceniza volante y combinaciones con cemento. También se observa que a medida que se incrementa el contenido de ceniza volante el límite liquido disminuye y el limite plástico se incrementa, la humedad de los valores de límites de consistencia e índice plástico. 5.1.4 Clasificación de Suelos La clasificación de la arcilla estudiada es un material tipo CH, se trata de un suelo tipo “Arcilla inorgánica de alta plasticidad”. En el caso de un material CL se denomina “Arcillas inorgánicas de compresibilidad baja” y para un material ML se trata de un material “Limo Inorgánico de baja compresibilidad”. En las Tablas N°5.07 y 5.08 sobre Clasificación SUCS y AASHTO de materiales, se observa el grupo al que pertenece cada muestra y la denominación del material encontrado. La clasificación AASHTO, se realizó mediante la norma ASTM D 3282. El material natural arcilloso (S) corresponde al grupo A-7-6 lo que corresponde a suelos arcillosos, que es deficiente para el caso de un terreno de fundación. En el caso de las combinaciones A-6, A-7-6 y A-7-5 resultan suelos arcillosos, deficientes para ser usados en carretera pero de mejores características que la arcilla y finalmente en el caso de la ceniza volante (CV) corresponde al grupo A4(0) de materiales limosos, que es regular para ser usado como fundación.

ING. GEOLOGIA

37

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

5.2 Ensayos de Caracterización Química 5.2.1 Composición Mineralógica de Materiales Investigados Los resultados de la composición química de las muestras de suelo están presentados en las Tablas 5.09 y 5.10 y 5.11, ensayos que fueron realizados en el Laboratorio de INGEMMET. En las Figuras 5.09, 5.10, 5.11 y 5.12 se muestran las salidas gráficas del ensayo a las muestras de arcilla y ceniza estudiadas. Los componentes principales del suelo arcilloso son SiO2 , Al2 O3 ,y Fe2 O3 , los cuales participan activamente en el proceso de estabilización (REZENDE, 1999).

ING. GEOLOGIA

38

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

5.2.2 Contenido de Materia Orgánica Los resultados de ensayos de materia orgánica se presentan en la Tabla 5.12 Niveles de Materia Orgánica, donde se observa que la presencia de materia orgánica en la arcilla es baja y mientras que en la ceniza volante el contenido de materia orgánica es medio.

5.3.2 Ensayo CBR Los valores de expansión del ensayo de CBR son presentados en las Tablas 5.15 y 5.16 en las que se muestran los materiales y/o mezclas realizadas. Se observa en la Tabla 5.16 que el material de ceniza volante en diversas proporciones al ser combinado con la arcilla, produce una disminución considerable de la expansión del material desde 5.7%, correspondiente a un suelo arcilloso (CH), y bajar a una expansión de 0.7% para una clasificación de suelo arcilloso (CL). En la Tabla 5.17 se aprecia en el caso de las combinaciones de arcilla, ceniza volante y donde se ha incluido cemento en un 3%, la combinación va con una expansión de 5.7%, bajando hasta llegar a 2.5%, teniendo una clasificación tipo limosa (ML). Por lo que el material puede ser utilizado en pavimentos. En la Figura 5.19 se muestran los porcentajes de expansión de los ensayos CBR y en la Figura 5.20 se muestra los porcentajes de expansión de las mezclas que contienen ceniza volante y cemento 3%.

ING. GEOLOGIA

39

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

ING. GEOLOGIA

40

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

En la Tabla 5.17, se presentan los resultados de ensayos de CBR al 100% de la MDS para cada tipo de material y/o mezcla; se observa que el valor de CBR se incrementa desde 7.7% correspondiente a un suelo arcilloso (CH) hasta un valor de CBR de 23.5% para una combinación de material arcilloso en un 60% y ceniza volante en un 40%. En la Tabla 5.18, se presentan los resultados de ensayos de CBR al 100% de la MDS para cada tipo de material y/o mezcla; se observa que el valor de CBR se incrementa notablemente desde 7.7% correspondiente a un suelo arcilloso (CH) hasta un valor de CBR de 51.0% para una combinación de material arcilloso en un 70%, ceniza volante en un 27% y cemento 3%. Por lo que puede ser usado en pavimentación.

En la Figura 5.21, se observa el incremento del valor de CBR para los diferentes contenidos de ceniza volante en la muestra de arcilla, llegando a 23.5% de CBR al 100% de la MDS. En la Figura 5.22, se observa el incremento del valor de CBR para los diferentes contenidos de ceniza volante y arcilla con 3% de cemento y se puede apreciar que el incremento es mucho mayor al considerado sin considerar cemento en la mezcla, llegando el valor máximo de CBR al 51% al 100% de la MDS.

ING. GEOLOGIA

41

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

ING. GEOLOGIA

42

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

5.4 Dimensionamiento de Pavimento Típico Para el diseño de la estructura del pavimento se ha considerado un tráfico ligero para vías rurales de 119,1821.66 EE, considerando solo una capa de afirmado en la superficie. Asimismo se ha utilizado el método NAASRA, ver Figura. 5.23 Grafico de Curvas para Determinar el Espesor de Capa de Revestimiento Granular, asimismo se ha considerado un período de diseño de 5 años. En las Figuras 5.24 y 5.25 se presentan como disminuyen los espesores de la capa de revestimiento granular en relación al contenido de ceniza volante y/o cemento. En las Tablas 5.19 y 5.20 se muestran los resultados de espesores de revestimiento de las capas granulares donde se observan que ha medida que se incrementa el contenido de ceniza volante el espesor de la capa de afirmado disminuye. Obteniéndose los siguientes resultados en el método NAASRA:

ING. GEOLOGIA

43

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

Se observa una sección típica del pavimento, formada por una capa de rodadura y subrasante o terreno natural:

ING. GEOLOGIA

44

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

ING. GEOLOGIA

45

GEOTECNIA I ESTABILIZACION DE SUELOS

CONCLUSIONES A partir de los resultados presentados y analizados anteriormente se obtienen las siguientes conclusiones: Las cenizas volantes funcionan como aditivo inhibidor de las propiedades expansivas del material, pero este requiere ser adicionado en porcentajes excesivos, al menos en el caso de una arcilla expansiva, en promedio mayor a 20%. La ceniza volante empleada como materia prima es una ceniza tipo F, ya que la suma de porcentaje de sus principales constituyentes (SiO2, Al2O3 y Fe2O3) es mayor a 70%. Los resultados permiten concluir que el suelo estudiado tipo CH/A-7-6 (14) es arcilla inorgánica de alta plasticidad, por lo que este material no es recomendable para el uso como subrasante en pavimentos. Las arcillas en combinación con cenizas volantes y cemento en un 3%, da buenos resultados mejorando la resistencia del suelo arcilloso desde 7.7% hasta 51% de CBR al 100% de la MDS del Próctor Modificado y obteniéndose menores costos en su construcción. Los valores de espesores de pavimento se reducen conforme se incrementa el valor de CBR. La adición de ceniza volante en la muestra de arcilla disminuye los efectos de expansión, disminuye la gravedad específica y la plasticidad y humedad de la arcilla.

ING. GEOLOGIA

46