estabilización de arcillas mediante escorias de

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estabilización de arcillas mediante escorias de
EXPERIENCIAS DE ESTABILIZACIÓN DE ARCILLAS
EN UN FRACCIONAMIENTO DE LA CIUDAD
DE LOS MOCHIS, SINALOA”
J.J. Armenta-Bojórquez. e-mail [email protected],
M. Zayas- Esquer e mail magdazayas25 @gmail.com
Universidad Autónoma de Sinaloa. Fuente de Poseidón y Prol. A. Flores S/N Fracc. Las
Fuentes. C.P. 81223, Los Mochis, Sin., México.
RESUMEN
La construcción de pavimentos se ha venido realizando con materiales convencionales y en el
caso particular de las calles en las zonas urbanas, la rasante por lo general no puede elevarse,
provocando cortes en la mayoría de los casos y desechando el material excavado por no cumplir
con las especificaciones, provocando el acarreo de la misma cantidad con material apto para la
capa por construir. En este trabajo se da a conocer las experiencias y resultados exitosos
obtenidos al estabilizar suelos arcillosos con cal para ser empleadas en las capas del pavimento y
plataformas en un fraccionamiento de la ciudad de Los Mochis, Sinaloa.
Palabras claves: estabilización, arcillas, cal hidratada.
Summary
The pavement construction has been carried out with conventional materials and in the particular
case of the streets in urban areas, the ground usually can not rise, causing cuts in most cases and
discarding the excavated material for not meeting specifications, causing hauling the same
amount with grade material to build layer. In this paper discloses the experiences and successful
results obtained by stabilizing clay soils with lime to be used in the pavement layers and
platforms
in
a
subdivision
of
the
city
of
Los
Mochis,
Sinaloa.
Keywords: stabilization, clays, hydrated lime.
INTRODUCCIÓN
Es la empresas ICA(ingenieros civiles asociados) quién dentro de sus procedimientos
constructivos decide evitar los acarreos de material y emplear los que se obtienen a partir de los
cortes que se realizan para conformar los cajones de apoyo a las vialidades por medio de la
estabilización de los suelos mediante un proceso químico incorporando cal y solicita los trabajos
de supervisión al departamento de laboratorios de la facultad de ingeniería Mochis, los cuales
consistirían en el control horizontal y vertical de las vialidades y la obtención adecuada del
material a emplear en la construcción de las capas de soporte de los pavimentos y plataformas de
un fraccionamiento denominado “Centro Plaza” ubicado al norte y enfrente del cerro de la
memoria de la ciudad de Los Mochis, Sinaloa.
Se estudiaron las características de los suelos por estabilizar y los procedimientos de obtención
del material estabilizado determinando los porcentajes óptimos de cal, el tipo y características de
la cal a emplear, procedimientos constructivos, el tipo de equipo más apropiado para la
construcción, el control de calidad del material estabilizado colocado en sitio.
Se presentan las características del suelo estabilizado, procedimientos de obtención del contenido
óptimo del porcentaje de cal hidratada que hay que agregar, el equipo apropiado para la
estabilización, procedimientos de control de calidad, resultados obtenidos (extracto), las
conclusiones y recomendaciones para seguir utilizando esta metodología.
ANTECEDENTES
Después de que se le hizo llegar la cotización de los trabajos a realizar a un representante de la
empresa ICA establecido temporalmente en la ciudad y haber aceptado la misma, se procedió a
establecer las fianzas correspondiente y a preparar al personal que se haría cargo de la
supervisión (alumnos que recientemente habían egresado y que realizaban su servicio social en el
laboratorio), se construyo por parte del contratista un espacio que sería ocupado por el laboratorio
de campo donde se llevarían a cabo los trabajos de control de terracerías, concreto hidráulico y
del material estabilizado.
Se nos hizo llegar un estudio de mecánica de suelos del área en estudio donde estaban las
propiedades y características del suelo, pero por decisión del gerente de la empresa se ordeno que
se volviera a realizar el mismo, llegando a obtener resultados similares.
Se nos menciono que el proceso de estabilización de suelos que se proponía era un procedimiento
constructivo que modifica “permanentemente los suelos arcillosos para ser empleados en subbase
o como bases de pavimentos incrementando su resistencia y capacidad de carga, eliminando a su
vez los cambios de volumen al reducir la sensibilidad de los suelos ante la humedad.
La estabilización con cal es un proceso físico-químico. La cal al disolverse en el agua a
temperatura ambiente eleva el PH a más de 12, rango en que los minerales sílice y alúmina
contenidos en los suelos finos son solubles, viéndose favorecidas las reacciones químicas entre
los minerales del suelo (2).
Las principales reacciones son:
a) Reacciones química inmediata. Consistente en intercambio catiónico de base. Los
cationes metálicos incluidos en la estructura molecular de sílice y alúmina de las arcillas,
son sustituidos por cationes de calcio. Los nuevos minerales forman flóculos, grumos y
paquetes estables, de características mecánicas superiores al material original. El
resultado del intercambio catiónico y la floculación –aglomeración de las partículas son:
1) Reducción muy importante del espesor de la capa de agua de adsorción y su
estabilización, 2) Incremento de la fricción interna y de la resistencia al cortante entre los
grumos, 3) Mayor trabajabilidad por el cambio de textura.
b) Reacción puzolánica. Los hidratos silico cálcico y aluminico cálcicos formados por la
suficiente presencia de cal y agua en suelos arcillosos dan lugar a la reacción puzolánica,
al formarse compuestos cementantes estables y permanentes que con el tiempo adquieren
mayor resistencia. (2)
CARACTERISTÍCAS DEL SUELO POR ESTABILIZAR.
Los resultados obtenidos del estudio de mecánica de suelos realizados tanto por Solum filial de
ICA, y el efectuado por nosotros en cuanto a las propiedades del suelo por estabilizar fueron:
Límite líquido entre 55% a 66%, límite plástico 21% a 30% e índice plástico 34% a 36%, tipo de
suelos según la clasificación del sistema unificado de clasificación de suelos SUCS como una
“CH” lo cual indica que es un suelo arcilloso de alta plasticidad, adicionalmente se tiene que el
Peso volumétrico seco máximo variaba de 1480 kg/m3 a d 1500 kg/m3, humedad óptima de 24%
a 28%, valor relativo de soporte de 2.5% a 4.2%, expansión de 2.5% a 3.10%, % de arenas 7.4%
a 11.6% y de finos 92.6% a 88%, contracción lineal de 10% a 16%. Estos datos fueron
obtenidos en promedio de muestras alteradas extraídas a las profundidades que variaban de 0.20
m. a 1.40 m. el nivel de aguas freáticas se localiza a la profundidad de 1.70 m. aunque es posible
que el suelo a partir de la profundidad de 0.50 m. se encuentre saturado por capilaridad.
Las profundidades de estudio son las que se consideraron debido a que a las mismas es posible se
pudiera abrir caja para alojar las capas de material estabilizado.
El proyecto de pavimentos establecía capas de material estabilizado según fuera el tipo de
vialidad, como el caso de las calles terciarias y secundarias cuyos espesores fueron de 20 cm. y
12 cm de espesor de concreto y calles primarias o principales de 30 cm. de espesor de capa de
material estabilizado y 15 cm. de espesor de losa de concreto hidráulico, cuyo f´c fue de 300
kg/cm2.
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ÓPTIMO DE CAL.
Para obtener el porcentaje óptimo de cal hidratada a utilizar y colocar sobre le suelo arcilloso se
tienen dos procedimientos (1):
1) PROCEDIMIENTO DE EADES Y GRIM
Que consiste en los siguientes pasos:
a) Preparar ocho muestras representativas del suelo por estabilizar, material secado por
aireación y pasado por la malla Núm. 40, de 20 g. cada una.
b) Colocar cada una de las ocho muestras dentro de frascos transparentes de vidrio o plástico
previamente identificadas con etiquetas adheridas que digan 1, 2, 3,..y 8%
respectivamente con capacidad de 150 ml mínimo cada uno y que puedan taparse
herméticamente con su tapón.
c) Pesar ocho porciones de cal hidratada que correspondan a los porcentajes señalados en el
inciso anterior del peso seco de las muestras de suelo.
d) Añadir cada una de las porciones de cal al correspondiente frasco.
e) Agitar los frascos para que se mezclen el suelo y la cal.
f) Incorporar 100 ml. de agua destilada libre de CO2 a cada frasco.
g) Agitar los frascos conteniendo suelo-cal-agua, hasta que no haya evidencia de material
seco. Mínimo 30 segundos.
h) Agitar los frascos durante 30 segundos cada 10 minutos durante una hora.
i) Pasada la hora, poner una muestra del producto en una capsula y medir el PH.
j) Previamente el medidor PH deberá ser estandarizado con una solución estabilizadora
(Buffer) con PH 12
k) Registrar el PH de cada mezcla.
l) La mezcla que a menor porcentaje de cal alcance un PH de 12.4, es el porcentaje
necesario de cal para estabilizar el suelo.
2) METODO DE PRUEBA DEL ESTADO DE VIRGINIA VTM-11
a) Elaborar especímenes Proctor estándar (T-99) con 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8% de cal hidratada
respecto al peso seco del suelo a la humedad óptima y máximo peso volumétrico seco.
Tomar como base para el peso volumétrico seco máximo el obtenido con el 6% de cal
hidratada. Lubricar los moldes interiormente para facilitar la extracción de probetas.
b) Extraer las probetas teniendo cuidado de no afectar su estructura, poniéndola dentro de
recipientes metálicos tapados y sellados.
c) Curar los especímenes dentro de sus contenedores durante 72 hrs. a 50º C.
d) Pasado dicho tiempo se dejan que se enfríen los especímenes para poder trabajar con
ellos.
e) Probarlos a la compresión axial sin confinar aplicando una carga de 1.3 kg/cm2/minuto.
f) La probeta que con el menor porcentaje de cal hidratada de 10.5 kg/cm2 a la ruptura,
determina el óptimo de cal.
EQUIPO DE CONSTRUCCIÓN EMPLEADO EN EL SITIO
El equipo para la mezcla de suelo-cal en el sitio consistió en el uso de tractores agrícolas o de
oruga con arados y rastras de disco o moto cultivadora, estabilizadora y recicladoras,
posteriormente se empleo la moto conformadora.
PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO
Con el fin de garantizar el éxito en la estabilización del suelo arcilloso con cal seguimos los
siguientes pasos:
1) Abrir caja hasta el nivel considerado en el proyecto de espesores del pavimento dando la
pendiente transversal y longitudinal desde el inicio, compactando al 90% de la prueba
Proctor estándar, el material extraído se coloca a un lado de la zanja, colocando
únicamente la cantidad de material que es necesario para dar el espesor apropiado de la
capa de apoyo misma que será estabilizada con cal hidratada.
2) Se extiende la capa por medio del tractor o moto conformadora y se procede a colocar los
sacos de cal según sea el porcentaje obtenido previamente medido en seco.
3) Se procede a abrir los sacos y a verterlo sobre el suelo, en esta etapa deberá de tenerse la
suficiente precaución por parte de los operadores para protegerse de inhalar el polvo de la
cal.
4) Se pasa la pipa para dar un riego sobre la cal esparcida para con ello evitar que se vuele en
polvo parte de la cal y posteriormente se procede al mezclado suelo-cal por medio de el
tractor con la rastra de disco dando las vueltas que sean necesarias hasta que se logre la
pulverización completa de la arcilla, en este paso es necesario tener presente de que para
que se de completa la estabilización es necesario estar agregando agua constantemente
(tener humedades por encima de la humedad óptima).
5) Con el fin de comprobar de que el suelo arcilloso ya se estabilizo se comprueba por medio
de una prueba de granulometría, en la cual el 100% debe de pasar por la malla de 1” y al
menos el 60% por la malla Número 4.
6) Verificándose el criterio granulométrico se procede a extender el material para
compactarlo por medio de rodillo pata de cabra o rodillos lisos, comprobando que la
compactación de la capa cumpla con el 95% como mínimo.
7) Con la finalidad de comprobar que el espesor de la capa fue la adecuada, se procede a
realizar una excavación de la misma en diferentes puntos y verter sobre el sondeo una
sustancia llamada fenolftaleína la cual reacciona con la presencia de cal, presentando un
color rojizo-violeta, lo cual es un indicativo de que el material si se estabilizo, en caso
contrario se deberá de tomar las medidas correspondientes. Se realizan adicionalmente
calas para determinar el grado de compactación alcanzado.
8) Se prepara el material que hace falta para completar el espesor total de la capa de apoyo
siguiendo los mismos pasos anteriores.
9) Terminada la capa se deja en reposo durante 36 hrs. como mínimo dando riegos
constantes para que se logre en totalidad la estabilización, aquí pudimos constatar de que
la clave de una buena estabilización es no escatimar en agua ya que de no hacerlo no se
logra el objetivo buscado, mientras esta capa se encuentra en reposo se puede trabajar en
otros frentes.
10) Posteriormente se procede a colocar un riego de impregnación por medio de una emulsión
asfáltica a razón de 1.5 lts/m2 ó colocar hule negro antes de proceder a construir las
guarniciones y losas de concreto hidráulico.
RESULTADOS OBTENIDOS DE LA ESTABILIZACIÓN DE ARCILLA CON CAL
HIDRATADA EN EL SITIO.
A continuación se muestran algunos resultados obtenidos al estabilizar suelos arcillosos con cal
en un lugar de la ciudad de Los Mochis, los cuales se harán por medio de figuras, explicando en
cada una de ellas la finalidad de la misma.
Fig. 1 Se muestra el sitio donde se desarrollo el procedimiento de estabilización de suelos
Fig. 2 El perfil del terreno del sitio en estudio, la capa superficial hasta la profundidad de 1.40 m. es una
arcilla de alta compresibilidad identificada por el SUCS como un “CH”.
Fig. 3 Se muestran los resultados obtenidos de una prueba de determinación del porcentaje óptimo de cal
por medio de la prueba de Eades y Grim, prueba realizada en el campo con el material a emplear en el
sitio.
28
26
Resistencia a la compresión
(kg/cm2)
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
0
1
2
3
4
5
6
Fig. 4 Se observa la variación de la resistencia a %
la de
compresión
simple de acuerdo a los porcentajes de cal
cal
utilizados
Fig. 5 Se hace notar la diferencia de valores de la resistencia a la compresión simple sin cabecear los
especímenes y cabeceándolos con azufre.
Fig. 6 Variación de la Resistencia a la compresión simple con la edad con diferentes porcentajes de cal
comparándolo con especímenes sin cal.
Fig. 7 Se muestra una tabla resumen de resultados obtenidos de tres lugares de vialidades del
fraccionamiento. Relacionando el porcentaje de cal con peso volumétrico seco y humedad óptima,
resistencia a la compresión simple, límites de plasticidad (límite líquido, límite plástico, índice plástico),
granulometría y valor relativo de soporte.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Este trabajo concluye de que todas las bondades que se menciona en la literatura existente en
cuanto a la estabilización de arcillas con cal hidratada es válida (mejoramiento de la resistencia,
incremento en el valor relativo de soporte, decremento en las propiedades de plasticidad del
suelo, cambio de manera benéfica en la granulometría, transformando el suelo en un material
apto para emplearlo como apoyo de vialidades y de viviendas, decremento en los valores de
cambios volumétricos, incremento de resistencia con la edad, etc.), menores costos ya que el
material no requiere acarreo, contribuyendo con el medio ambiente y se recomienda de que si es
posible estabilizar el suelo arcilloso de la ciudad incorporando apropiadamente la cantidad de cal
adecuada a las condiciones y propiedades específicas del suelo, pero sobre todo siguiendo un
estricto control de calidad de colocación de materiales apegados a las normas existentes.
REFERENCIAS:
1. “Lime Stabilization” Transportation Research Board, State of the Art Report 5, Washington,
D.C. 1987.
2. FERNÁNDEZ LOAIZA, CARLOS “MEJORAMIENTO Y ESTABILIZACIÓN DE
SUELOS” Editorial LIMUSA, S. A. México, 1991.
3. DALLAS LITTLE HANDBOOK FOR STABILIZATION OF PAVIMENT SUBGRADES
AND BASE COURSES WITH LIME
Editorial Kendall/Hunt publishing Company
4. Archivos de resultados de laboratorio del Departamento de Laboratorios de la Facultad de
Ingeniería Mochis, UAS.

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