membrete nanotek sa

Transcripción

membrete nanotek sa

nano + estabilización de suelo
NANOTECNOLOGIA Y VIALIDAD
Nota: Este documento ha sido generado en el seno de NANOTEK S.A , siendo su contenido producto de
más de dos años de investigaciones y ensayos con diferentes suelos seleccionados de Argentina,
Chile, Perú y Bolivia.
Agradecimientos:
• Por su invalorable aporte y respaldo técnico, agradecemos infinitamente a la empresa L&F
Ingeniería Vial, por haber creido en nuestro proyecto, apoyándonos en cada momento y brindando
sus conocimientos durante los cientos de ensayos realizados.
• A los laboratorios de la Dirección de Vialidad de la Provincia de Buenos Aires, Argentina, por su
aporte durante los ensayos con suelos arcillosos.
• A los laboratorios de ensayos vialiales correspondientes al Ministerio de Obras Públicas de la
República de Chile y al Servicio Prefectural de Caminos de Santa Cruz de la Sierra, Estado
Plurinacional de Bolivia.
A todos y cada uno de ellos, nuestro más sincero reconocimiento, y valoración por los
enriquecedores aportes técnicos, que hicieron posible este desarrollo nanotecnológico.
Autores:
NANOTEK S.A
Ing. Qco. Gerardo Daniel López
[email protected]
Lic. Horacio Guillermo Tobías.
[email protected]
L&F INGENIERIA S.R.L
Ing. Ana María Lujan Leanza.
[email protected]
Ing. Atilio Raúl Firpo.
[email protected]
NANOTEK S.A.. Roque Sáenz Peña 308 - Piso 7º – B1642DAH – San Isidro - Buenos Aires – LABORATORIOS: Av. Güemes 3878 – S3002FQM – Santa Fe – Santa Fe – Argentina.
Phone/Fax: +54 11 4743 5566 CONTACTO:
[email protected] WEB: www.nanoteksa.com
Introducción:
Se define a la nanotecnología como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de
materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, así como la
exploración de fenómenos y propiedades de la materia a nivel de átomos y moléculas.
Nano: prefijo griego que indica una medida (10-9= 0,000 000 001).
Un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro (10-9 m), es decir, se trata de una
estructura a nivel y tamaño molecular.
De manera comparativa e ilustrativa se cita que:
Un cabello: 100.000 nm
Una bacteria: 150 nm
Una nanopartícula: 3 a 100 nm
ADN: 2 nm
Tecnología: conjunto de conocimientos técnicos ordenados científicamente que permiten diseñar y crear
cosas de acuerdo a las necesidades o deseos de las personas.
La potencialidad de esta tecnología se sustenta en las observaciones y demostraciones realizadas sobre
los nanomateriales, los que interactuando en estos tamaños, sufren fenómenos que responden a leyes
de la química cuántica, lo cual les permite adquirir características y capacidades muy diferentes a las que
se presentan a nivel macro.
Fenómenos a escala nanométrica (“la nanoescala”)
Cuando se manipula la materia a la escala de átomos y moléculas, ésta se comporta de manera distinta
presentando propiedades totalmente nuevas.
El ingreso a desarrollos que responden a la física y/o química cuántica, nos hace trabajar con elementos
de mediación no convencionales. En estos tamaños, el elemento de medición ya no es mas la regla ni la
balanza, ni el amperímetro, etc, sino: los niveles de energía que los electrones de los átomos desarrollan,
en cada momento de su viaje orbital alrededor de su núcleo.
Los números cuánticos atómicos están relacionados con la cantidad de electrones que cada átomo
posee, pero el nivel de energía de cada átomo varía con cada posición de sus electrones respecto al
núcleo, durante sus viajes orbitales (N° cuántico principal); al momento angular de cada electrón en cada
nivel o subnivel de sus órbitas (N° cuántico azimutal); al momento espacial de cada nivel o subnivel de
energía (N° cuántico magnético) y por el sentido de giro y el campo magnético individual que cada
electrón genera (N° cuántico de spin).
Todas estas variables conjugadas generan la posibilidad de desarrollar un mundo de nuevos productos y
procesos donde se puedan aprovechar las característica sobresalientes de estos materiales, en "la
nanoescala".
En la nanoescala, la conductividad eléctrica y térmica, el magnetismo, la resistencia, la elasticidad y la
reactividad cambian; permitiendo crear materiales, aparatos y sistemas con propiedades únicas,
fundamentalmente explotadas gracias a la gran superficie específica de estas partículas, su reactividad y
su disponibilidad química y biológica, propias de su tamaño que permiten interactuar con infinitos
compuestos naturales o artificiales de iguales dimensiones.
La nanotecnología promete una nueva revolución industrial de la que la construcción vial no será ajena.
En este marco, la incorporación de nanomateriales en productos de uso vial, abre las puertas a nuevos
desafíos en el sector.
Aumentar la resistencia a la compresión, alcanzar mayores módulos de resistencia a la flexión, son
algunas de las posibilidades que pueden pensarse, y que ocurren gracias a la interacción de los
nanocompuestos en las mezclas aditivadas.
Antecedentes
El cemento es considerado un material nanoestructurado natural.
El gel de tobermorita (C-S-H), es una nanopartícula con un diámetro aproximado de 10 nm dependiendo
de esta fase mineral, en buena medida, el desempeño del hormigón.
Se espera que con un mejor entendimiento de las propiedades del hormigón a escala nanométrica se
puedan fabricar hormigones más resistentes, flexibles y durables.
Es por esto que los investigadores han empezado a trabajar teniendo como meta encontrar
combinaciones con el cemento Pórtland que permitan conseguir un material de alto desempeño.
Existen trabajos científicos donde se ensayan y comparan mezclas de cemento portland con el aditivado
de nanosílice, nanoalúmina, nanoóxido de hierro, nanotitanio, cenizas de magnetita, nanotubos de
carbono y cenizas volantes ultrafinas, procurando evaluar fundamentalmente su desempeño químico y
físico-mecánico, versus compuestos tradicionales con agregados de humo de sílice, escorias de alto
horno y las cenizas volantes (adiciones micrométricas).
Si bien se ha avanzado bastante en el tema, aún existen ciertos vacíos de conocimiento como:
•
definición de los mecanismos de interacción de las nanopartículas con el cemento Pórtland
durante el proceso de hidratación
•
porcentaje óptimo de adición de nanopartículas y su real aporte a las resistencias mecánicas.
Para el caso de las resistencias a la compresión y a la flexión, se encontró que se ven incrementadas
por las adiciones de nanopartículas (nanosilice y nanohierro), pero existen máximos, aún no bien
determinados, que provocan un efecto contrario al buscado.
Algunos investigadores expresan como importante resaltar que los incrementos de resistencia con 3% de
nanohierro son iguales a los obtenidos con 10% de nanosílice, lo que estaría sugiriendo una mayor
efectividad del primero.
Este porcentaje (3% de nanohierro) arrojó un incremento del 26% en la resistencia a 28 días, mientras
que con la adición del 10% de nanosílice se obtuvo un incremento de apenas un 3,7% para el mismo
período, lo que indica como más aconsejable utilizar menor cantidad de nanohierro para lograr mayores
resistencias con la consiguiente reducción de costos.
Se observó que las nanopartículas rellenan los vacios entre los granos del cemento densificando la
matriz y disminuyendo la porosidad y permeabilidad de pastas y morteros, lo que resulta en un
incremento de la resistencia a la compresión.
La mayoría de los investigadores aceptan que con la incorporación de nanopartículas en un cemento
Pórtland, se obtiene una mejoría sustancial en el desarrollo de resistencias a la compresión, sólo que no
han podido fijar las variables tiempo y porcentaje de adición recomendada, aunque se inclinan hacia el
uso de bajos porcentajes de nanopartículas.
Como complemento a los trabajos realizados, en muchos de los casos se han incorporado nanopartículas
a compuestos poliméricos tratando de atender varios aspectos simultáneos que modifiquen el proceso de
fraguado, el sellado de espacios intersticiales reduciendo la permeabilidad en el producto terminado,
incrementando la resistencia mecánica, la flexibilidad y la resistencia al envejecimiento.
Qué es el Nanohierro?
El nanohierro cero-valente (valencia cero), es un material inestable de altísima pureza, gran capacidad
reactiva y enorme superficie específica (450 m2/gr).
Fotografía Nº1: Vista de nanohierro por microscopía electrónica (TEM 200.000 aumentos)
Fotografía Nº2: Vista ocular del nanohierro
Gráfico Nº1: Rel.Tamaño / Sup. Específica
En este estado (cero-valente), el hierro está ávido de formar enlaces químicos para encontrar un
equilibrio que lo lleve a alcanzar una nueva forma como ferroso o férrico. Este juego de traspaso de
electrones es utilizado en la nanotecnología para provocar reacciones y obtener sorprendentes
resultados.
Estabilizante nanotecnológico
El producto empleado en estas experiencia es
nanotecnológica argentina: Nanotek S.A.
, desarrollado y fabricado por la empresa
Este estabilizante químico está compuesto por un polímero (desarrollado ad-hoc) al que se le ha
incorporado nanohierro cero-valente.
La incorporación del producto, al mortero suelo-cemento, produce modificaciones en las características
fisico-mecánicas y químicas del suelo estabilizado.
Los distintos componentes del estabilizante actúan en el mortero suelo-cemento de la siguiente forma:
Estructura del suelo:
La incorporación del nanohierro y las cadenas poliméricas proporcionan a la estructura del suelo
nuevos componentes “secundarios”.
Los suelos están integrados por coloides y compuestos calcáreos que conforman el componente
cementicio para la cohesión de la macroestructura..
La presencia de componentes secundarios produce comportamientos diferentes a partir del
relleno de los espacios intersticiales, modificando la microestructura.
Para lograr una buena estructura, es imprescindible la generación del más alto contenido de
coloides, su posterior floculación y sus cargas iónicas.
Esta actividad permite una mayor saturación ante la presencia de cationes de alto potencial
iónico, principalmente del calcio, presente en los ligantes hidráulicos, y el nanohierro aditivado en
el producto.
El nanohierro comienza con su proceso de oxidación promoviendo la mayor capacidad de
floculación de los coloides electronegativos, gracias al aporte de más cargas positivas por sobre
las aportadas por el calcio nativo.
Este parámetro juega un rol fundamental en lo que hace a la estabilidad, la infiltración del agua
(menor permeabilidad) y la resistencia mecánica, a nivel macroestructura.
Todo el proceso de fraguado se realiza en presencia de cadenas poliméricas que reducen y
regulan la energía liberada durante la reacción exotérmica del cemento portland, moderando el
calor desprendido.
Esto redunda en mayores valores de resistencia a la compresión y a la flexotracción, minimizando
la posibilidad de formación de microfisuras en la estructura alcanzada.
Química del suelo:
Si bien la composición química de los suelos depende pura y fundamentalmente de la
composición de la roca madre, es importante entender la movilidad relativa de los distintos
compuestos.
El óxido de silicio ó silicato (SiO2), es un componente muy abundante en el suelo, y también en los
ligantes hidráulicos, pero a su vez es el más inactivo químicamente.
Surge un actor silencioso pero de máxima importancia: “la capacidad de desarrollar uniones”,
fundamentalmente atada a las uniones electroquímicas entre las partículas que integran la
microestructura, y que darán lugar al proceso cementicio natural del suelo.
En el caso de las arcillas, la deshidratación permite el acercamiento de las partículas
manteniéndolas más unidas debido a las fuerzas de cohesión entre sólidos (coherencia),
originadas por puentes de hidrógeno (atracción entre dos posiciones de hidrógeno) y fuerzas de
Van der Waals (atracciones eléctricas entre masas).
La magnitud de este proceso crece cuando existen más componentes finos y por lo tanto con
mayor superficie específica.
El nanohierro interactúa en el mismo orden de magnitud estabilizando la materia humificada del
suelo nativo, formando estados muy estables que junto a las fuerzas de las arcillas conforman un
complejo que perdurará por tiempo prolongado, apoyado por el accionar del polímero
submicrónico que dificultará la rehidratación posterior, controlando la expansividad de las arcillas y
generando una masa más estable.
La participación de las largas cadenas poliméricas, otorgan flexibilidad y cohesión al mortero,
generando grupos funcionales que forman puentes de hidrógeno o atracciones polares, con los
materiales del suelo.
Toda esta actividad electroquímica, fuente generadora de uniones, repercute en la cohesión del
suelo tratado, provocando un aumento en la resistencia al corte (aumenta las fuerzas internas que
dificultan el deslizamiento de suelo sobre suelo, a nivel molecular), efecto que se ve beneficiado
por el aumento de energía que le otorga el proceso de compactación mecánica.
ESTABILIZANTE
Como ya se ha descripto, consiste en un estabilizante químico, compuesto por un polímero y
nanohierro, de alta pureza, gran capacidad reactiva y elevada superficie específica.
Estas características lo hacen propicio para formar uniones por intercambio iónico permitiendo obtener
resultados muy satisfactorios, a menores costos que los métodos tradicionales, mayor vida útil y mínimos
costos de mantenimiento.
En esta primera etapa de ensayos se han encarado los siguientes estudios:
 Análisis de las Resistencias a Compresión de suelos estabilizados con ligantes hidráulicos
 Análisis de Valor Soporte Relativo e Hinchamiento
Análisis de las Resistencias a Compresión de suelos estabilizados con ligantes
hidráulicos
Introducción:
Teniendo en cuenta que el cemento es un material nanoestructurado natural, los primeros análisis
realizados fueron orientados al estudio de la variación de la Resistencia a la Compresión en diversos
tipos de suelos, estabilizados con dicho ligante.
Las primeras pruebas se enfocaron en determinar la cantidad de estabilizante apropiada, así como la
concentración de nanohierro.
La mayoría de investigadores aceptan que incorporar nanopartículas en un cemento Portland se obtiene
una mejoría sustancial en el desarrollo de resistencias a la compresión.
La discusión está planteada en:
 Tiempo en que se producen y finalizan las reacciones,
De acuerdo al efecto de las condiciones hidrometeorológicas, los períodos han oscilado entre 3 y
56 días.
 Porcentaje de adición recomendado.
Se acordó iniciar con bajos porcentajes de nanohierro, siguiendo las experiencias de los
científicos chinos y suecos.
Teniendo en cuenta lo expresado, se realizaron pruebas con bajos contenidos de
variables para determinar la óptima.
en proporciones
La premisa además ha sido “emplear una cantidad de cemento no muy elevada, en la medida de lo
posible entre 2% y 5%, como máximo, de manera de evitar las fisuras de contracción de fragüe y
presentar una alternativa de estabilización iónica aceptable y competitiva económicamente.
El polímero también sufrió transformaciones en su estructura hasta lograr uno que combinara resistencia
y flexibilidad.
En esta etapa se han ensayado en mayor cantidad suelos A-4; A-2-4.
Suelos A – 4 :
Los suelos analizados han sido de distintos orígenes.
Se trabajó acorde a las Normas de Vialidad Nacional de la República Argentina.
Se compararon resultados en ensayos usando suelo solo y suelo+SOILTEK ES.
Pruebas de Distintas combinaciones de polímero y nano hierro:
Se presenta un cuadro resumen de las experiencias encaradas con el enfoque descripto.
Las siglas empleadas se detallan a continuación:
s/a = suelo sin aditivo
S1 = Soiltek con polímero tipo S1
S2 = Soiltek con polímero tipo S2
Nfe = incorporación del nanohierro sin polímero
S1 con mas Nfe = Soiltek con polímero tipo S1 y mayor concentración de nanopartículas
(en este caso se vuelcan los resultados obtenidos de concentración de nano hierro adoptada,
previos análisis sobre este aspecto)
Con estos resultados, reiterados con varios tipos de suelo A-4, se determinó que el aumento de
concentración de partículas de nanohierro resultaba conveniente, respecto a la dosificación
inicial.
Sin embargo duplicar la cantidad base resultaba contraproducente ya que arrojaba valores menores de
resistencias.
Formas de Curado:
Se ensayaron probetas curadas en cámara húmeda y al aire para analizar el efecto de la humedad de
hidratación.
Los resultados obtenidos para distintas edades, inicialmente se determinaron para tres y siete días de
curado, en condiciones de cámara húmeda (c/ch) y al aire (s/ch).
En ambos casos considerando la inclusión de mayor cantidad de nanohierro según los valores obtenidos
anteriormente.
Resistencias a compresión
Con-Sin Cámara Húmeda (3 dias)
14,0
12,0
10,0
8,0
2
c(kg/m
R
6,0
4,0
2,0
0,0
s/a
Nfe
S1 con mas Nfe
72 hs con cam.hum.
4,2
6,1
6,1
72 hs sin cam.hum.
10,7
12,4
12,6
Resumiendo algunos valores logrados se informa:
72 hs = 3 dias
168 horas = 7 dias
Alternativas
c/cam.hum.
s/cam.hum.
c/cam.hum.
s/cam.hum.
s/aditivo
4,2
10,7
4,2
10,7
Nfe
6,1
12,4
6,2
12,4
S1 con Nfe = SOILTEK ES
6,1
12,6
6,3
12,6
Se lograron mayores módulos de resistencia, aún con curado al aire., gracias a la incorporación de
nanopartículas de hierro en el mortero de suelo-cemento.
Esto se explica por el proceso de oxidación nanométrica que permite mayor floculación de los coloides
que redundan en mayor estabilidad, menor infiltración de agua y en consecuencia mayor resistencia
mecánica.
El suelo obtiene además mayor impermeabilidad y cohesión molecular, gracias al soporte polimérico que
actúa simultáneamente como aglomerante y sellador.
Los porcentajes de incremento logrados son:
Forma de Curado
c/ch
s/ch
Tiempo dias
3
Tiempo horas
72 hs
SOILTEK ES
c/ch
%
s/ch
7
c/ch
%
168 horas
s/ch
15
%
360 hs
Rc (kg/cm2)
increm.
Rc (kg/cm2)
increm.
Rc (kg/cm2)
6,1
107,8%
6,3
100,0%
10,1
12,6
12,6
13,4
increm.
32,7%
Resultados para distintos suelos A-4
Se detallan resultados para suelos A-4 de distintas zonas y distintos porcentajes de cemento:
2% cemento
Comparativa
SUELOS
pasa 200
IP
Vida hs
Dias
Rc
SOILTEK ES
% increm.
A-4 (Buenos Aires) s/ch
59,0
8,6
168
7
23,4
24,8
6,0%
3% cemento
Comparativa
SUELOS
A-4 (3) (Buenos Aires) - RP 27
s/ch
pasa 200
IP
Vida hs
Dias
Rc
SOILTEK ES
% increm.
48,8
10
72
3
10,7
12,9
20,6%
168
7
14,2
17,9
26,1%
240
10
10,7
15,6
45,8%
528
22
13,5
14,8
9,6%
A-4 (1) (Bs As) s/ch
46,1
6,4
168
7
20,0
25,1
25,3%
A-4 (0) (San Luis) s/ch
35,1
0
72
3
26,0
27,0
3,8%
240
10
22,3
35,4
58,7%
35,1
0
168
7
13,8
25,5
84,8%
A-4 (0) (Santiago del Estero)
c/ch
69,6
0
168
7
9,3
10,3
10,8%
Comparativa
5% cemento
SUELOS
pasa 200
IP
Vida hs
Dias
Rc
SOILTEK ES
% increm.
A-4 (Santiago del Estero) c/ch
69,6
0
168
7
15,0
16,6
10,7%
Para el mismo porcentaje de cemento y la misma cantidad de SOILTEK ES, para 7 dias de curado, se
aprecian distintos valores de Rc, a pesar que como tipo de suelo son los mismos.
3% cemento
Comparativa
SUELOS
pasa 200
IP
Rc
SOILTEK ES
% increm.
35,1
0
13,8
25,5
84,8%
46,1
6,4
20,0
25,1
25,3%
A-4 (3) (Buenos Aires) _ RP 27 s/ch
48,8
10,0
14,2
17,9
26,1%
A-4 (0) (Santiago del Estero) c/ch
69,6
0
9,3
10,3
10,8%
A mayor pasante 200 es mayor la necesidad de desarrollar uniones entre partículas que integran la
microestructura y originan la cementación del suelo.
No obstante siempre se manifiesta un incremento en la Resistencia con el aporte del SOILTEK ES.
Se ensayó también un suelo A-4 (8) de la Provincia de Buenos Aires, con la adición del liquido
estabilizante SOILTEK ES y 4% de cemento.
Los valores obtenidos son:
Ensayos
Suelo sólo
Suelo + 4% CPC +
SOILTEK ES
Densidad Máxima
1,525
1,532
Humedad Optima
23,7
25,2
Resistencia a 14 dias
22
El resultado obtenido es de 22 kg/cm 2, dicho valor resistente es bueno, teniendo en cuenta que un suelo
tipo A-4 necesitaría entre un 6% al 8 % de cemento portland para obtener una resistencia a la compresión
simple mayor a 25 kg/cm2, a los 14 días, valor mínimo exigido para una base de suelo cemento.
Suelo tipo A-4 de Santa Cruz de la Sierra:
El Servicio Prefectural de Caminos de Santa Cruz de la Sierra, Bolivia, realizó ensayos con suelos
nativos y SOILTEK ES.
El suelo ensayado fue un A-4 (3) de LL = 20,66; LP = 13,77 = IP = 6,89
Los ensayos encarados evaluaron el efecto de las distintas energías de compactación.
%
increm.
s/ suelo
sólo
Material
Densidad
(kg/dm3)
T-99
Edad
Rc
(kg/cm2)
T-99
A-4 (3) + 2%
cemento
1,918
7
8,86
1,900
7
10,83
22,2
1,898
15
18,07
103,95
1,909
7
10,83
22,2
1,916
15
19,46
119,64
A-4 (3) + 2%
cemento + 1%
SOILTEK ES
A-4 (3) + 3%
cemento + 1%
SOILTEK ES
%
increm.
por
edad
66,85
79,69
Densidad
(kg/dm3)
T-180
Rc
(kg/cm2)
T-180
2,062
10,54
2,023
10,51
2,057
27,96
2,058
18,84
2,056
35,44
%
increm.
s/suelo
sólo
%
increm.
por
edad
-0,28
166,03
78,75
88,11
Se indican los porcentajes de incremento en las Resistencias respecto al suelo cemento y entre distintos
porcentajes de cemento con SOILTEK ES.
Como es dable esperar se obtuvieron mayores porcentuales para mayor energía de compactación,
demostrando la ingerencia del uso de maquinaria con nuevas tecnologías, como son los compactadores
con función "vibro".
Resultados para distintos suelos A-2-4
Con suelos A-2-4 se realizaron ensayos de determinación de Resistencia a compresión en forma similar
que para los suelos A-4 para suelo sólo y combinaciones de SOILTEK ES.
Los suelos analizados presentaron las siguientes granulometrías:
Pasante tamiz Nro. 10 = 65,5
Suelo A-2-4 (0)
cemento
Rc sin
SOILTEK ES
Rc con
SOILTEK ES
% increm.
3%
9,2
11,3
22,8%
4%
13,3
49,7
273,7%
5%
16,9
51,1
202,4%
El porcentaje de incremento en la Resistencia a la compresión, es variable para los porcentajes de
cemento considerados, significativos para 4% y 5%.
En este caso se destaca que para el 4% de cemento y SOILTEK ES se logran mayores porcentajes de
incremento en las resistencias, ante una mayor presncia de geles de tobermorita y portlandita, capacs de
generar coloides y aglutinar, modificando la micro estructura del suelo tratado.
Para un punto de diferencia en el porcentaje de cemento entre 4% y 5% la diferencia de valores de Rc =
1,4 kg/cm2.
En este caso estamos economizando 1% de cemento con la incorporación de SOILTEK ES.
Suelo tipo A-2-4 de Chile:
Los ensayos encarados por el Laboratorio Nacional de Vialidad de Chile fueron realizados en un suelo de
curva media de bases granulares definido por especificaciones para analizar estabilizadores.
El suelo se cortó bajo la malla ¾”.
Se mezcló con dosis de cemento comprendida entre 0% y 3%.
Las dosis de SOILTEK ES fueron variadas entre 0% y 0,13%.
Las RC fueron evaluadas para una densidad correspondiente al 95% de la máxima del ensayo T-180.
Se aplicó curado en ambiente de sala por 7 dias.
%
Probeta
Resistencia
Deformacion
% Aditivo cemento
Nro.
kg/cm2
%
0,000
0
13
19,72
2,56
1
9
39,89
1,95
2
5
54,81
0,61
3
1
52,25
2,02
0,0325
0
14
16,77
2,13
1
10
29,19
2,26
2
6
57,26
1,10
3
2
53,50
3,12
0,065
0
15
20,21
1,55
1
11
21,71
2,20
2
7
59,14
3,04
3
3
56,72
0,98
0,13
0
16
23,33
2,04
1
12
34,66
2,78
2
8
48,76
2,45
3
4
69,24
0,73
El primer grupo de probetas se moldearon con 3% cemento sólo sin estabilizante.
El segundo grupo se moldeó con 3% cemento y 50% de la dosis propuesta como adecuada.
El tercer grupo con 3% de cemento y dosis recomendada.
El cuarto grupo se moldeó con 3% de cemento y el doble de la dosis de estabilizador recomendada.
Con la mitad de la dosis recomendada se aprecia una ganancia de resistencia con respecto del suelo
sólo a partir del 2% de cemento.
Para el doble de la dosis en general los valores se incrementan.
Respecto a las deformaciones a la rotura, se observa una ganancia apreciable en las dosis de 0,065 para
todos los porcentajes de cemento analizados respecto a la referencia sin estabilizante y mejores
comportamientos para 1% y 2% de cemento con el doble de dosis de estabilizante 0,13.
Esta mayor flexibilidad es un beneficio aportado por el polímero del estabilizante que hace más dúctil al
conjunto.
Análisis de Valor Soporte Relativo e Hinchamiento
Introducción:
Se analizó el comportamiento de suelos plásticos con incorporación de SOILTEK ES sólo y adición del
mismo con cal.
Las primeras pruebas se enfocaron para determinar la variación de Valor Soporte Relativo e
Hinchamiento.
Resultados para distintos suelos A-7
El primer suelo estudiado fue el A-7-5 (16).
Se lo evaluó sólo, con el agregado del estabilizante SOILTEK ES, con 1,5% de CUV y por ultimo con
los dos componentes juntos; se le realizaron ensayos de densidad y resistencia a la penetración,
cuyos resultados se informan:
Ensayos
Suelo
sólo
Suelo + SOILTEK ES
Suelo + 1,5 %
CUV
Suelo + 1,5 % CUV +
SOILTEK ES
Densidad Máxima
1,424
1,424
1,404
1,404
Humedad Optima
24,4
24,2
28,0
28,0
VSR sin embeber
12
12
14
14
VSR embebido
3
2
11
13
Hinchamiento
3,65
4,6
1,25
0,8
De dichos análisis se desprende que el suelo por si sólo, posee características físico mecánicas de baja
calidad, en los cuales se observan valores reducidos de VSR luego de 4 días de embebido y un alto
porcentaje de hinchamiento.
Con la adición del 1,5% de Cal Útil Vial (CUV) mejoran sus características como es de esperar.
Para los casos en que el suelo se lo corrigió con cal y cal con SOILTEK ES, los parámetros evaluados en
las peores condiciones (embebidos), mejoraron notablemente, obteniendo VSR de 13% en esta
condición.
Lo mismo sucede con el porcentaje de hinchamiento, con valores de 1,25 % para el suelo-cal y 0,80 %
para suelo-cal-SOILTEK ES.
Debe tenerse en cuenta que los valores máximos para que un material pueda ser usado como
subrasante, no debe superar el 1% de hinchamiento, ahorrándose de este modo el cambio de suelo,
sus costos y su logística.
Este último es un valor optimo para ser utilizado como subrasante y/o sub base inferior de caminos de
bajo tránsito
Se repitieron los ensayos para un suelo A-7-6 (33) de las siguientes características:
LL = 62,0; LP = 29,5 = IP = 32,5
Se lo trató con cal al 1,5% de CUV obteniéndose los siguientes valores:
LL = 42,3; LP = 32,5 = IP = 9,7 = la clasificación resultó: A – 5 (4)
Suelo sólo
Suelo – SOILTEK ES
Suelo – cal – SOILTEK ES
A-7-6 (33)
A-5 (4)
Proctor
1,328 kg/dm3
1,413 kg/dm3
34,1%
31,1%
VSR embebido= 9%
VSR embebido = 8%
VSR embebido = 14%
Hinchamiento 1%
Hinchamiento 0,6%
Hinchamiento 0,5%
Se reitera la mejora lograda para suelos arcillosos.
Resultados para suelos A-4
Se ensayó también un suelo A-4 (8), de características físico-mecánicas buenas.
Se lo estudió sólo y con estabilizante SOILTEK ES.
Ensayos
Suelo sólo
Suelo + SOILTEK ES
Densidad Máxima
1,525
1,530
Humedad Optima
23,7
23,1
VSR sin embeber
27,0
28,0
VSR embebido
20,0
23,0
Hinchamiento
0,45
0,45
Se observa un 15% de incremento en el Valor Soporte Relativo embebido.
Trabajos Ejecutados:
Calle Esteban de Luca – Malvinas Argentinas - Pcia. Bs.As.
Año 2009
La mejora consistió en dosificar un estabilizado granular reutilizando el material existente y adicionando
agregado pétreo virgen, arena de fundición, cemento y SOILTEK ES.
El trabajo desarrollado tuvo como objetivo rehabilitar la calle cuya estructura consistía en un suelo
mezclado con cascotes, piedras varias, situación muy común en los municipios de la provincia de Buenos
Aires y otras localidades de la República Argentina.
Situación previa a los trabajos
Al suelo fino encontrado se le hizo la granulometría y se le determinaron las constantes físicas para hacer
la clasificación HRB, tanto al material de la calle como de la subrasante.
Se detallan los valores:
GRANULOMETRIA Y PLASTICIDAD
PROGRESIVA
Calle Est. De Luca
MUESTRA
Calicata
PROFUNDIDAD
Subrasante Calle
GRAMOS
%
TAMICES
PESO
180,9
TOTAL
RETIENE
2,9
No.10
PASA
178,0
98,4
RETIENE
26,6
No.40
PASA
151,4
83,7
RETIENE
44,6
No.200
PASA
106,8
59,0
LIMITES
L.L.
L.P.
PESAFILTRO No.
12
303
PESAF.+ S.HUMEDO = A
39,24
26,67
PESAF.+ S.SECO = B
33,73
24,59
AGUA ( A - B ) = C
5,51
2,08
TARA PESAFILTRO F
16,65
15,97
S.SECO ( B - F ) = E
17,08
8,62
% HUMEDAD C / E * 100
32,3
24,1
No. DE GOLPES
28
FACTOR
0,985
LIMITES
32,8
24,1
INDICE DE PLASTICIDAD
8,6
CLASIFICACION H.R.B.
A-4 (3)
FECHA: JULIO 2009
Calle Est. De Luca
Calicata
Escombro Calle
GRAMOS
%
280,5
102,6
177,9
50,3
127,6
88,3
39,3
L.L.
16
48,90
43,95
4,95
15,51
28,44
17,4
28
0,985
17,7
63,4
45,5
14,0
L.P.
311
16,26
0,0
17,7
A-1-b (0)/A-2-6 (0)
Como se observa resultó un A- 4 con un IP menor a 10, material adecuado para estabilizar con cemento.
Se decidió emplear los gruesos es decir reciclar lo existente incorporando además arena de fundición y
agregado pétreo comercial. Se aglutinó con cemento y SOILTEK ES.
Materiales empleados:
En la realización de la calle de 110 metros de largo, 7 metros de ancho en 0,15 metros de espesor los
materiales empleados fueron:
Suelo escombro en una cantidad estimada de 115 metros cúbicos.
Estabilizado granular comercial de granulometria continua y tamaño máximo 19 milimetros en una
cantidad estimada de 25 metros cúbicos.
Arena de fundición de granulometria variable (dado su origen) en una cantidad estimada de 10 metros
cúbicos.
Cemento Pórtland Minetti compuesto con adición de escoria puzolana en 5,25 toneladas.
SOILTEK ES a razón de 88 litros.
De las cantidades mencionadas resultó la siguiente dosificación:
Suelo escombro = 72%
Estabilizado granular = 19%
Arena de fundición = 7%
Cemento Portland 2%
Esto redondea el 100% de los materiales pétreos mezclados.
Se adicionó
SOILTEK ES = 1kg/m3
Ensayos de Laboratorio:
Acompañando el trabajo de campo se desarrollaron en laboratorio los siguientes ensayos:
Ensayo de compactación para determinar la densidad seca máxima y la humedad óptima del producto
obtenido de la combinación de materiales descripta.
ENSAYO DE COMPACTACION
CALLE DE LUCA - LOS POLVORINES – Prov. Bs. As.
72%SE + 19%GR + 7% AF + 2% CEMENTO
MUESTRA: Base
Punto
% Aprox.
Peso
Peso
Peso
No.
agua
Total
Molde
Humedo
1
6
3767,6
1875,7
1891,9
2
8
3831,0
1875,7
1955,3
3
10
3888,2
1875,7
2012,5
4
12
3923,4
1875,7
2047,7
Punto
Bandeja
Bandeja +
Bandeja +
Tara
No.
No.
S.Humedo
S.Seco
Bandeja
1
6
889,5
861,6
388,4
2
28
895,7
853,2
317,8
3
11
808,0
767,7
324,2
4
41
762,1
714,8
323,3
Volumen
Molde
946,0
946,0
946,0
946,0
Agua
27,9
42,5
40,3
47,3
CAPAS
3
PISON
2.5 kg
FECHA: AGOSTO 2009
Densidad
Densidad
Humeda
Seca
2,000
1,889
2,067
1,915
2,127
1,950
2,165
1,931
Suelo
% de
Seco
Humedad
473,2
5,9
535,4
7,9
443,5
9,1
391,5
12,1
Densidad Seca Máxima = 1,975 kg/dm3
Humedad Optima = 10,5%
En el camino, la relación de densidades obtenida fue de 98%, , es decir, se logró una densidad de 1,936
kg/dm3.
Resistencia a la compresión:
Moldeo de probetas para determinar la resistencia a compresión del producto logrado con la
incorporación de cemento y SOILTEK ES.
Se moldearon tres probetas a distintas densidades de compactación con el 1% de SOILTEK ES.
El objetivo fue verificar la variación de resistencia con la densidad.
MATERIALES
FACTOR ARO: 13,998
DENSIDAD
LECTURA
CARGA
TIEMPO PROB. PROBETA
SUP.
REL.
DIAL
TOTAL
CURADO Nro.
d = Ps / Vol
Ct = Ld . Fa
Ld
cm2
h/φ
kg/dm3
kg
SUELO ESCOM.
72%
GRANULAR 20%
ARENA
FUNDICION 7%
7dias
CEMENTO 2%
FACTOR
ESBELTEZ
RESISTENCIA A
COMPRESION
SIMPLE
fe
Rc=Ct / Sup . fe
kg/cm2
1
1,916
108
1511,8
80,91
1,16
0,91
17,0
2
1,950
128
1791,7
80,91
1,16
0,91
20,2
3
1,971
144
2015,7
80,91
1,16
0,91
22,7
1,946
Rc promedio:
19,9
RESISTENCIA A COMPRESION SIMPLE
24,0
Resistencia a la compresión (kg/cm2)
23,0
22,0
21,0
20,0
RESISTENCIA A
COMPRESION SIMPLE
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
1,916
1,950
1,971
Densidades (kg/dm3)
Se observa que para la densidad en sitio lograda de 1,936 kg/dm3 , la resistencia a la compresión simple
(RCS) dio 19 kg/cm2.
PROCESO CONSTRUCTIVO:
Escarificado:
Se utilizó motoniveladora para extraer de la base existente: cascotes, piedras de tamaño mayor a 30
milimetros y algún tipo de basura.
Agregado y distribución de arena de fundición
Se pasó rodillo pata de cabra, para romper escombros y arena de fundición.
Incorporación y distribución del agregado pétreo comercial.
Mezcla de los agregados
Incorporación de cemento
Mezcla de los materiales y distribución homogénea
Distribución del aditivo SOILTEK ES
Mezclado en el agua de riego para hidratación de los materiales y desarrollo de las propiedades ligantes
del cemento y del estabilizador.
Compactación con rodillo pata de cabra
Vibrando las primeras pasadas para acomodar los agregados pétreos.
Compactación con rodillo liso
Para alisado de la superficie y compactación final.
Control de densidad lograda con el cono de arena
Riego de imprimación con emulsión bituminosa de corte medio.
A razón de 0,8 l/m2 a 1,0 l/m2 de riego total.
Terminación de la superficie y protección del riego.
Distribución de producto asfáltico recuperado (RAP)
Imágenes del estado de la calle Esteban de Luca con el trascurso del tiempo
Agosto 2008 (final de obra)
Octubre 2010 (14 meses)
Julio 2012 (47 meses)
Febrero de 2013 (54 meses)
Sin mantenimiento alguno, se observan las primeros signos de desgaste superficial
Tarea requerida: reforzar sólo riego superficial
Química Hewston – Santiago - Chile
Año 2010
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + A-2-4
Antes
Después
Mutun - Puerto Suarez – Bolivia
Año 2010
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + A-2- 4
Antes
Después
Codelco - Ventana - Chile
Año 2010
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + sales + molienda de ladrillos
refractarios + agregados de tamaño 20 mm redondeado
Final de obra
DODERO – General Pacheco - Argentina
Año 2012
Estabilizante SOILTEK ES + cemento + A-4
Antes
Después
Bibliografía:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Bolt,G.H and Bruggenwert (1978) – Soil Chemestry – Basic elements.
Brady, N.C. and Weil R.R. (1999) – The Nature and Properties of Soil – Cap. 8 y 9.
Figueroa, L.R. (1982) – Cárgas Eléctricas
Van Olphen, H. (1963) – An Introduction to Clay Colloid Chemestry.
Molina, N.C.; Guevara,D.A. y Fernandez, J (1989) - Fisico Química del Suelo.
Cátedra de Edafología de la Universidad Nacional de Tucumán.
Tófalo, R. – Edafología, Fisico-química del Suelo (www.gl.fcen.uba.ar)
Universidad Tecnológica de Pereira (2008).
Hofacker, S; Mager, M y Womelsdorf, H (Bayer Corp) – Zinc Oxide nanoestructured thin Films
www.nanosense.org
www.mrsec.psu.edu
PORTLAND CEMENT BLENDED WITH NANOPARTICLES
JORGE IVÁN TOBÓN
Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia. E-Mail: [email protected]. Grupo del
Cemento y Materiales de Construcción
OSCAR JAIME RESTREPO BAENA
Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia. E-Mail: [email protected].
Grupo del Cemento y Materiales de Construcción
JORGE JUAN PAYÁ BERNABEU
Profesor Titular, Universidad Politécnica de Valencia – España. E-Mail: [email protected].
GIQUIMA (Grupo de Investigación en Química de los Materiales de Construcción)

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