85

4.1.- ESTABILIZACION DE SUELOS.

4.1.1.- Consideraciones Generales.-

Los suelos, mezcla de arena y arcilla, cualquiera que sea la proporcin de sus

elementos, cuando tienen una cantidad adecuada de humedad, son estables y pueden

resistir perfectamente un trafico relativamente intensos sobre la arena, material

incoherente.

Sin embargo el terreno natural tiene graves inconvenientes; solamente en momentos

determinados es un firme estable; se convierte en polvo o barro en cuanto la proporcin

de humedad vara de la que exige, en cada caso, su naturaleza.

La observacin de los hechos indicados y el estudio cientfico de las propiedades de los

suelos, ha creado una tcnica de gran inters, para su estabilizacin, con un doble fin:

construir caminos de costo reducido, perfectamente aceptables para ciertos limites de

trafico, y cimientos capaces de soportar con la debida permanencia de sus

caractersticas, las cargas que transmiten las capas de rodadura de alta calidad. Por

ambos conceptos la trascendencia de esta tcnica es grande.

La economa moderna obliga a llegar hasta los ms recnditos lugares para poder

utilizar los recursos del pas. La red de caminos rurales necesita extenderse cada da mas

y mas; el trafico en mucho de ellos es reducido, pero deben ser transitables en todo

momento; no seria posible, dentro del problema econmico en conjunto, dotar a estos

caminos de firmes de calidad, de costo elevado; los de bajo precio, utilizando los

materiales existentes al pie de la obra, son, en muchos casos, una solucin excelente.

Por otra parte, mantener la calidad del suelo sobre el que se asientan las capas del

pavimento con unas caractersticas aceptables en todo tiempo, es fundamental para el

resultado del firme; por ello , en los ltimos aos se ha dedicado una preferente atencin al estudio de la estabilizacin del suelo, cimiento de pavimento de alta calidad;

su empleo permite llegar en muchos casos a espesores mucho mas reducido de las capas

del firme con completa garanta; el conjunto del pavimento resulta mucho mas

econmico.

86

TABLA N 11: TIPO DE ESTABILIZACIN PARA CADA SUELO. TIPO DE SUELO

TIPO DE ESTABILIZACION

Materia Orgnica

Estabilizacin mecnica. Los dems mtodos no son efectivos.

Arenoso

Mecnica, cuando la granulometra es uniforme. Las arenas limpias pueden mejorar sus caractersticas con cemento o asfalto.

Limoso con algo de arcilla

En general, el nico tratamiento al que son susceptibles es a la compactacin.

Limosos poca o ninguna arcilla

No existen tratamientos econmicos. Debe evitarse su uso en superficies expuestas por el polvo cuando secan.

Arcillosos plsticos

Responden a la estabilizacin con cal.

Arcillosos de textura abierta

Responden muy bien a la compactacin.

Arcillas suaves

Susceptibles a la estabilizacin con cal.

Caoln

Estabilizacin mecnica con arena, cemento o cal.

Montmorillonita

Con cal.

Illita

Con cemento o cal.

4.1.2.- Conceptos Fundamentales de la Estabilizacin.-

El suelo se deforma bajo la accin de las 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 los que exigen las cargas que ha de

soportar. Es sabido que, especialmente en ciertos tipos de suelo, su resistencia vara

ampliamente al cambiar la proporcin del agua que contiene. Con la estabilizacin se

pretende, en primer trmino lograr, que dentro de unas condiciones normales, el agua

que el suelo pueda contener solamente vari entre lmites muy pequeos; Se tendr as una resistencia conocida y estable. Para ello se aaden y mezclan con el suelo diferentes productos hidrfobos, que transmiten esta propiedad al suelo, estabilizando sus

caractersticas. As sucede con los suelos predominantemente arcillosos y con los

limosos, capaces de absorber y retener por absorcin proporciones elevadas de agua;

cuando estn secos se disgregan y presentan una apreciable resistencia; pero cuando

87

tienen una cierta cantidad de agua se hacen plsticos y deformables llegando incluso a

fluidificarse; el cemento, los productos bituminosos y las diferentes clases de resinas y

plsticos que se emplean en la estabilizacin, limitan la cantidad de agua que el suelo

pueda contener , estabilizndolo.

Los suelos cohesivos y suelos del tipo granular, que solamente tienen resistencia con un

acierta cantidad de agua, que vara entre lmites muy prximos, presentan cohesin

aparente; si se quiere que tengan una cierta resistencia cuando estn secos, hay que

mezclarlos con productos capaces de aglomerarlos, funcin que pueden cumplir los

productos cohesivos; el material estabilizador tiene una doble funcin, dar al conjunto

una determinada rigidez y mantener esta caracterstica evitando que la posible absorcin

de agua exceda los lmites convenientes; pero si la composicin granulomtrica del

suelo granular no es adecuada, la proporcin precisa del producto estabilizado resulta

muy alta y puede resultar antieconmica; por ello, en muchos casos es corriente corregir

el suelo, aadiendo al material granular, si econmicamente es posible, el suelo

cohesivo necesario y al conjunto, el producto preciso para cumplir la misin de darle la

debida resistencia y mantener la debida proporcin de humedad. Anlogamente un suelo

excesivamente plstico puede ser econmicamente conveniente corregirlo aadindole

una determinada proporcin de material granular, previamente al empleo del producto

estabilizador. La estabilizacin exige el cumplimiento de un aserie de condiciones

comunes, que son las siguientes:

1. El suelo estabilizado deber 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 trfico, cuando constituya la capa de rodadura, esta

resistencia mnima habr de lograrse en las condiciones extremas, de humedad y

accin del hielo, que se han de prever, segn las caractersticas meteorolgicas y de

drenaje.

2. El cumplimiento del la condicin anterior obligar a corregir el suelo natural, bien

por la aportacin de otros apropiados o por la adicin de cemento, betn o diferentes

productos qumicos. La conveniencia del empleo de uno u otros, es cuestin

econmica.

88

4.1.3.- Tipos de Estabilizacin.-

Existen diversos tipos de estabilizacin y mejoramientos de suelos para carreteras, en

donde es importante tener conocimiento de conceptos tericos, prcticos y

experimentales sobre caractersticas y propiedades de los suelos en especial el

comportamiento de los suelos finos, con la finalidad de obtener el mtodo apropiado de

estabilizacin que puede ser mecnica o qumica, para un tipo de suelo en especial

teniendo en cuenta consideraciones climatolgicas, regionales, criterios tcnicos de

resistencia-durabilidad y aspectos econmicos.

A. Mtodo Granulomtrico o de mezclas.- Para estabilizar un suelo grueso o fino debemos tener en cuenta la distribucin en

tamao de sus partculas, forma, textura, peso volumtrico, friccin interna y cohesin.

Los suelos utilizables para la construccin de carreteras comnmente son:

Suelos que proceden de bancos naturales; como depsitos de arena del mar como

arenas uniformes, o depsitos de ros como gravas, arenas, limos y arcillas.

Suelos procesados; Son aquellos suelos que se requiere procesarlos, ya que los suelos

procedentes de bancos naturales son indeseables para la construccin de carreteras, por

lo tanto necesitamos procesarlos de tal manera de mejorar su granulometra,

proporcionar una alta densidad, buena distribucin de tamaos de partculas, forma,

textura para una buena separacin de tamaos de partculas y redosificacin, con el

objetivo de conseguir buenas compacidades y un mejor efecto de consistencia.

Suelos que proceden de bancos de prstamos; Son suelos utilizables y adecuados para

construccin de carreteras, se extraen de excavaciones cercanas de la obra vial.

Suelos del tipo especial; Son suelos que han sido modificados en sus propiedades

fsicas, qumicas para obtener resultados adecuados y utilizables para carreteras, por

ejemplo las escorias de altos hornos, cuando ocurre la fundicin del fierro.

La resistencia es una caracterstica importante que deben tener los suelos para poder

seleccionarlos, y est influenciada en proporciones de materiales que contengan finos o

agregados gruesos.

Los suelos que contengan pocos finos o sin finos y una buena distribucin de tamaos

presentan una importante estabilidad, permeabilidad y no son susceptibles a la accin de

las heladas.

El suelo que contiene suficiente cantidad de finos para llenar todos los vacos entre

partculas, incrementara su resistencia producto del contacto entre las partculas, donde

la presencia de los finos permitir una mejor distribucin de los esfuerzos que en el

89

caso de suelos que no presenten finos, se obtendr alto peso volumtrico, baja

permeabilidad y puede ser susceptible a la accin de heladas, este tipo de material

presenta problemas de compactacin, pero desde el punto de vista de la estabilidad se

tiene un esfuerzo cortante importante, ya sea para material sin confinar, as como

material confinado.

El suelo que contiene gran cantidad de finos, no tendr trasmisin de esfuerzos, ya que

no efectuar contacto entre las partculas gruesas, por la que flotaran en el suelo fino,

teniendo como comportamiento un bajo peso volumtrico, es impermeable, disminucin

de resistencia y es susceptible a la accin de las heladas.

Estabilizacin granulomtrica con Escoria; La reutilizacin de residuos en la

ingeniera civil presenta ventajas como la disminucin del impacto ambiental del

residuo, los ahorros energticos como de materias primas as como beneficios

econmicos. Por ejemplo las escorias derivadas de las fundiciones, un residuo industrial

que aparece en la refinacin de minerales en hornos de alta temperatura. Hasta hace

poco se consideraba un residuo cuyo destino era el vertedero, pero la tendencia actual es

su utilizacin en las obras civiles y en la construccin.

DEFINICION; La estabilizacin con escoria es la mezcla homognea en este caso de

ridos, escoria granulada de alto horno, cal y agua que, convenientemente compactada

se mejora sus parmetros de resistencia y uno de sus mayores usos es en la construccin

de bases y sub. Bases de carreteras.

Condiciones generales; Los ridos procedern del machaqueo y trituracin de piedra de

cantera o grava natural. Sern limpios, slidos y resistentes, de uniformidad razonable,

exentos de polvo, suciedad, arcilla u otros materiales extraos.

Composicin granulomtrica; La curva granulomtrica estar comprendida, en general, dentro de los lmites indicados en la tabla N 12. Cabe resaltar que las medidas

de mallas mencionadas en este cuadro estn regidos por las Normas Espaolas.

90

TABLA N 12: COMPOSICIN GRANULOMTRICA.

TAMICES UNE (mm.)

ACUMULADO QUE PASA (%) GEG 1 GEG 2

25 100 100 20 85-100 85-100 10 40-70 35-65 5 22-46 18-42

2,5 12-32 10-30 1,25 8-24 7-22 0,40 2-13 2-13 0,16 0-8 0-8 0,080 0-4 0-4

Los usos GEG 1 y GEG 2 se utilizarn con porcentajes de escoria granulada, respecto al

peso total de los materiales secos, del quince por ciento (15 %) y del veinte por ciento

(20 %) respectivamente.

Caras de fractura; Los ridos a emplear en grava-escoria, para bases de trfico pesado o medio, debern contener al menos un cincuenta por ciento (50 %) en peso, de la

fraccin retenida por el tamiz 5 mm, de elementos machacados que presenten dos (2)

caras o ms de fractura.

Calidad; El coeficiente de desgaste, medido por el ensayo de Los ngeles, ser inferior

a treinta (30%) en ridos para bases de trfico pesado o medio, e inferior a treinta y

cinco (35%) en los restantes casos.

Plasticidad; Los ridos sern no plsticos y su equivalente de arena ser superior a

treinta (30%).

Contenido de materia orgnica y otras materias perjudiciales; No se utilizarn aquellos

materiales que presenten una proporcin de materia orgnica, expresada en cido tnico,

superior al cinco por diez mil (0,05 %), de acuerdo con la Norma UNE 7082.( Una

Norma Espaola)

La proporcin de terrones de arcilla no exceder del dos por ciento (2 %) en peso, segn

la Norma UNE (Una Norma Espaola) 7133.

91

Escoria granulada

Definicin; Se define como escoria granulada el producto obtenido por enfriamiento

brusco y controlado de la escoria de horno alto, a la salida del mismo.

Procedencia; El Pliego de Prescripciones Tcnicas Particulares o, en su defecto, el

supervisor de las obras, fijar la procedencia de la escoria granulada, proscribindose el

empleo de escorias que procedan de acopios siderrgicos.

Reactividad; El coeficiente de reactividad a, definido por la expresin = (sf)/1000

deber ser superior a veinte (20%), siendo: s, la superficie especifica Blaine, y f, el tanto

por ciento (%) en peso de los elementos que pasan por el tamiz 0,080 UNE, obtenidos

en molienda normalizada de la escoria.

Contenido de agua; Los valores mximos del contenido de agua h, respecto al peso seco

de la escoria, en funcin del correspondiente coeficiente de la escoria sern:

20 < < 40 h < 15 %

40 < < 60 h < 20 %

60 < h < 25 %

Granulometra; La curva granulomtrica estar comprendida. En general dentro de los

lmites indicados en la Tabla N 13. Cabe resaltar que las medidas de mallas

mencionadas en este cuadro estn regidos por las Normas Espaolas.

TABLA N 13: ESTABILIZACIN GRANULOMTRICA.

TAMIZ UNE (mm.) CERNIDO PONDERAL ACUMULADO (%)

5 95-100 2,5 75-100 1,25 40-85 0,40 13-35 0,16 3-14 0,080 1-10

92

Cal; "Cal area", para el tipo I, deber reunir las caractersticas que se indican a

continuacin:

Cal apagada; La finura Blaine del material que pasa por el tamiz 0.080 UNE ser

superior a siete mil centmetros cuadrados por gramo (7.000 cm2/g), segn la Norma

UNE 7144.

El porcentaje de cal libre ser superior al cincuenta por ciento (50 %).

Cal viva; Slo podr utilizarse en casos excepcionales, con la aprobacin del Supervisor

y siempre que se adopten las medidas de seguridad necesarias.

El porcentaje de cal libre deber ser superior al setenta por ciento (70 %).

Agua; Cumplir lo especificado en las normas que regulan la calidad de agua para obras

de ingeniera civil.

Tipo y Composicin de la Mezcla

El tipo y composicin de la mezcla sern los definidos en el Pliego de Prescripciones

Tcnicas Particulares.

En general, el porcentaje de escoria granulada ser del veinte por ciento (20 %) en peso

de la mezcla total seca. Este porcentaje se reducir al quince por ciento (15 %) cuando

se empleen ridos calizos de machaqueo.

Cuando el porcentaje de escorias sea del quince por ciento (15 %) la granulometra de

los ridos estar comprendida en el huso GEG 1. Si el porcentaje de escorias es del

veinte por ciento (20 %) la curva granulomtrica del rido estar comprendida en el

huso GEG 2.

El contenido de cal ser del uno por ciento (1 %) en peso de la mezcla total seca.

El Pliego de Prescripciones Tcnicas Particulares podr especificar la resistencia

mnima a compresin a los siete das (7 d) de las probetas de grava-escoria, precisando

el mtodo de fabricacin y curado de las mismas.

93

Aplicaciones en Ejecucin de las Obras

Estudio de la mezcla y obtencin de la frmula de trabajo; La ejecucin de la mezcla

no deber iniciarse hasta que no se haya estudiado y aprobado su correspondiente

frmula de trabajo.

Dicha frmula sealar:

Las granulometras de los ridos y de la escoria por los tamices 25, 20, 10, 5,

2.5, 1.25, 0,4, 0.16 y 0.080 UNE (Una Norma Espaola).

La proporcin de escoria granulada.

La proporcin de cal.

El contenido de agua.

El valor mnimo de la densidad a obtener.

Las tolerancias admisibles respecto a la frmula de trabajo sern las siguientes:

Cernido por tamices superiores al 2,5 UNE: 6%

Cernido por tamices comprendidos entre el 2,5 y 0,16 UNE: 3%

Cernido por el tamiz 0,080 UNE: 1,5 %

Escoria granulada: 1%

Cal: 0,2 %

Estos porcentajes se refieren al peso total de la mezcla seca.

Durante el transcurso de la obra el Supervisor podr corregir la frmula de trabajo con

objeto de mejorar la calidad de la grava-escoria, justificndolo debidamente mediante

un nuevo estudio y los ensayos oportunos.

94

B. Estabilizacin con Cemento.-

El suelo cemento es una mezcla de suelo pulverizado, con cemento Prtland y

contenido de agua, que compactado a una humedad ptima y densidad mxima, produce

luego de la hidratacin del cemento un material resistente, durable y de bajo costo.

Tiene aplicaciones de gran importancia en el diseo de pavimentos, las cuales podemos

mencionar:

a) Como capa de base para:

Caminos y calles de trnsito liviano.

Superficie de trnsito secundario en aeropuertos.

Playas de estacionamiento.

b) Como capa de sub-base para:

Pavimentos de concreto.

Pavimentos suelo cemento.

Pavimentos flexibles.

c) Como sub rasante tratada.

La estabilizacin suelo cemento es recomendable para suelos medianamente plsticos,

por permitir lograr mas resistencia.

La estabilizacin de suelos predominantemente finos con cemento no puede resistir

tensiones horizontales por falta de friccin interna, por lo tanto no es recomendable para

este tipo de suelos.

Este mtodo de Estabilizacin Suelo-Cemento, es un proceso qumico que se utiliza

estabilizar y mejorar suelos, consiste en aadirle al suelo, cemento en seco y para

proporciones de agua, con la finalidad de dar un buen fraguado y una compactacin

adecuada esto nos ayuda sobre todo a tener una buena disgregacin de suelos finos,

como son los suelos arcillosos fundamentalmente.

Como cada tipo de suelo requiere una cantidad adecuada de cemento para su

estabilizacin, por lo tanto es importante tener en consideracin las caractersticas, el

comportamiento, as como las condiciones del terreno. Para suelos arenosos, se requiere

una cantidad del 7 al 10% en volumen de cemento, mientras que, para suelos arcillosos,

se requiere una cantidad de cemento en proporciones del 12 al 16% y an mas en

algunos casos, los suelos arcillosos requieren mucho mas cemento, que en los suelos

95

arenosos, por lo tanto estabilizar con cemento a un suelo muy arcilloso, es bastante

costoso, sobre todo cuando el material de prstamo se encuentre en distancias muy

grandes del lugar de la obra.

Con respecto a las proporciones de agua, se necesita la cantidad suficiente para hidratar

al cemento y para lograr la compactacin adecuada, como cierta parte del agua agregada

al suelo se evapora y se pierde durante las operaciones de mezclado, es necesario

incorporar al suelo una cantidad adicional de alrededor del 3% de agua, para que

durante su compactacin se encuentre con el ptimo contenido de humedad. El

cemento, al hidratarse obtiene una mezcla muy dura y de mayor resistencia que la de un

material sin estabilizar. Si en estas condiciones, le aadimos proporciones del 2% al 3%

de cemento, probablemente modifiquen sus propiedades ndices del suelo, pero s las

proporciones fuesen del 5% al 8%, pueden alterar con mayor facilidad sus propiedades.

El cemento al estar en contacto con el agua, produce el hidrato de calcio, donde se libera

los iones de calcio muy vidos de agua que estn pegados a las laminas arcillosas, y

como resultado de este proceso es la disminucin de la porosidad, y de la plasticidad,

por lo tanto se origina el aumento de la resistencia y de su durabilidad.

La accin del cemento en los suelos arcillosos resulta complicada, pues produce dos

efectos, en principio ocurre un efecto primario, donde la hidratacin del cemento

produce silicatos y aluminatos de calcio hidratados, hidrxido de calcio e iones de

calcio que elevan la concentracin de electrolitos del agua intersticial. Luego en

segundo termino, se produce el efecto secundario, el cul se divide en dos fases. La

primera fase, se produce un intercambio inico entre los iones de calcio y otros que son

absorbidos por los minerales de la arcilla, proceso que tiende a flocular a la propia

arcilla. En la segunda fase, se da lugar a las reacciones qumicas puzolnicas entre la cal

y los elementos que componen los cristales de la arcilla. Los elementos compuestos por

materiales silicosos y alumnicos reaccionan con los compuestos clcicos para

conformar elementos resistentes y durables. En esta misma segunda fase, el hidrxido

de calcio que se va consumiendo puede reponerse por la cal que se libera durante el

proceso primario de hidratacin del cemento.

96

Es importante tener conocimiento de las partculas mineralgicas que contiene un tipo

de suelo arcilloso, porque poseen modificaciones en sus caractersticas y propiedades

propias, tal es el caso de los minerales arcillosos que van del orden de la

montmorillonita, a la caolinita y la ilita.

La estabilizacin de suelos arcillosos, mediante la adicin de cemento presenta

dificultad para estabilizarse por lo que son difciles de pulverizar, puesto que en estado

seco son bastantes duros, y cuando se presenta excesos de humedad se hacen ms

pegajosos, de aqu que estos materiales deben humedecerse o dejarse secar para que

posean el grado de humedad que facilite su pulverizacin, es por ello que muchas veces

se ha pensado en aadirle proporciones del 2% de cal, para dar un mejor fraguado a la

mezcla, trabajabilidad y reduccin de los componentes cohesivos de la arcilla cuando se

encuentre en estado seco. Para suelos arcillosos de alto contenido de humedad, es

necesario que contengan un gran porcentaje de cemento para lograr el mejoramiento

deseado del suelo, porque caso contrario, provocara problemas de pulverizacin y de

mezclado.

En base, al estudio de montmorillonitas, caolinitas e ilitas, se encontr que en periodo

de curados de hasta siete das, se desarrollan resistencias ms altas utilizando cemento

Prtland tipo 1 que las obtenidas utilizando cemento tipo II, debido probablemente al

mayor contenido en aluminato triclcico en el Cemento tipo 1. Para la estabilizacin de

los suelos arenosos, segn anlisis realizado y obtenido, se ha encontrado que el

cemento tipo III, es el ms recomendable ya que generan mayores resistencias al

intempersmo y a la compresin simple.

En suelos no plsticos o de baja plasticidad, la estabilizacin con cemento es un mtodo

muy eficaz, porque su rpido fraguado, trabajabilidad y su buena compactacin,

incrementa su resistencia y durabilidad a lo largo del tiempo.

En suelos inertes, no habra inconvenientes, en cuanto a tener que estabilizarlos con

adicin de cemento, pero tendramos que tener en cuenta ciertas limitaciones, que

pueden generar problemas de agrietamiento, tal es el caso de las rocas trituradas o

gravas graduadas, es por ello que estabilizarlo con cemento sera innecesario.

97

La Estabilizacin con Cemento, para suelos orgnicos o con presencia de sales como los

sulfatos, es desfavorable, porque estos tipos de suelos retardan y hasta evitan la

hidratacin del suelo con el cemento, esto se debe a que estos tipos de suelos como

sulfatos llegan a absorber iones de calcio, es por ello que se le aade cloruro de calcio o

sal hidratada, con el propsito de satisfacer la necesidad de iones de calcio, y de esta

manera se puede mejorar sus caractersticas; este punto lo analizaremos con mas

profundidad y detalle en el acpite del Mtodo de Estabilizacin con Sales.

Un caso poco comn es la presencia de sulfatos de calcio o de magnesio en los suelos,

pero se han encontrado en estos tipos de suelo que al adicionar cemento, se obtiene un

material poco durable y con alto contenido de humedad despus del mezclado, esto se

debe a las reacciones de materiales arcillosos del suelo, a la presencia de iones sulfatos

en la cal y exceso de agua, por lo tanto no es el mtodo adecuado de estabilizar con

cemento a los suelos con presencia de sulfatos de calcio o de magnesio, en consecuencia

es importante saber que al estabilizar un suelo con cemento, se debe tener conocimiento

que el suelo de la presencia o ausencia de sulfatos en el suelo, para no tener dificultades

en el momento de la estabilizacin.

Es importante que a un suelo que se va a estabilizar con cemento se determine

previamente la presencia o ausencia de sulfatos, mediante procedimientos qumicos.

Debido a que el efecto de los sulfatos se debe a la presencia de sulfato y arcilla en el

suelo, bajo la adicin de iones de calcio y agua en exceso, resulta poco valor el empleo

de cemento Prtland tipo V o sea los resistentes al ataque de los sulfatos.

Las estabilizaciones de los suelos con cemento tienen como caracterstica aumentar la

resistencia con el tiempo del mezclado, efectos de curado, homogeneidad en la mezcla,

etc., por lo tanto es muy importante tener criterios y fundamentos en la elaboracin ideal

de las proporciones del mezclado y de su compactacin, con el propsito de obtener

xito y calidad en la estabilizacin.

En la Tabla N 14, se aprecia la resistencia a la compresin a los 7 y 28 das para

diversos tipos de suelos estabilizados con cemento.

98

TABLA NO 14: AUMENTO EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESION

PARA VARIOS TIPOS DE SUELOS

Tipo de suelo Resistencia a la Compresin (kg/cm2)

7 Das 28 Das

Suelos Arenosos y Gravosos

Grupos A-1, A-2, A-3 (AASHTO) 21 - 42 28 - 70

Suelos Limosos

Grupos a-4, A-5 17 - 35 21 - 63

Suelos Arcillosos

Grupos A-6 y A-7 14 - 28 18 - 42

La construccin del suelo cemento para bases de carreteras puede hacerse mediante

varios mtodos obteniendo resultados similares. Las diversas operaciones y su

secuencia son las mismas y la diferencia est en el equipo que se utiliza. El proceso para

construir una base o sub-base de suelo cemento por medio de este equipo puede

resumirse en las siguientes operaciones:

Preparacin inicial del suelo que se va a estabilizar, pulverizacin, aplicacin del

cemento, mezclado en seco del cemento y el suelo, aplicacin del agua y continuacin

del mezclado con humedad, compactacin, perfilado segn los planos, escarificacin

superficial, alisado con rodillos lisos de hierro.

Las limitaciones que existen para estabilizar un suelo con adicin de cemento:

a) Razones tcnicas, tales como dificultades para la pulverizacin, mezclado y

compactacin.

b) Por factores de construccin, como la durabilidad y resistencia que pueden obtenerse

c) Consideraciones econmicas, tales como costos de extraccin, mezclado,

compactacin, transporte, contenido de cemento requerido, costo de aditivos, etc.

99

C. Estabilizacin con Cal.- Consiste en mezclar el suelo con cal en un porcentaje de peso, es recomendable su

aplicacin a suelos finos arcillosos por reaccionar mejor con este material debido a la

reduccin de sus propiedades plsticas.

Las arcillas frecuentemente requieren estabilizacin con el objeto de incrementar su

resistencia y disminuir su sensibilidad a cambios volumtricos a consecuencia de

cambios en el contenido de agua.

Mediante el tratamiento de suelos arcillosos con cal se logra cambios en las propiedades

Del suelo, obtenindose as efectos como:

Reducir el ndice plstico en forma considerable, esto es debido a un pequeo incremento en el lmite plstico y una considerable reduccin en el lmite

lquido.

El agua y la cal colaboran para acelerar la disgregacin de los granos de arcilla

durante la operacin de pulverizado, lo cual facilita la trabajabilidad.

Se reduce los efectos aglomerantes. En lugares donde el suelo tiene un alto contenido de humedad, la aplicacin de

la cal facilita el disgregado del suelo del suelo, lo que a su vez propicia el secado

ms rpido.

Las contracciones debido al cambio de humedad se reduce considerablemente. La resistencia del suelo a la compresin se incrementa, as mismo el valor

relativo de soporte.

La capa estabilizada proporciona una excelente plataforma de trabajo para la construccin de las capas superiores de la seccin estructural de un camino.

La forma ms usual de la cal empleada en las estabilizaciones es la hidratada, xidos o

hidrxidos de calcio. El efecto bsico de la cal es la constitucin de silicatos de calcio

que se forman por accin qumica de la cal sobre los minerales de arcilla, para formar

compuestos cementadores.

La cal se prepara generalmente calentando carbonatos de calcio, muchas veces bajo

formas de calizas naturales, hasta que pierden su bixido de carbono y deriven en

xidos de calcio; el resultante es la cal viva, muy inestable y vida de agua, lo que hace

difcil su manejo y almacenamiento, por lo que suele de hidratarse de inmediato.

Para formar la cal estabilizante no es preciso partir de calizas puras, sino que pueden

tolerarse algunas impurezas.

100

La cal tiene poco efecto en suelos muy orgnicos o en suelos sin arcillas. Tiene su

mximo efecto en gravas arcillosas, en las que puede producir mezclas inclusive ms

resistentes que las que se obtendran con cemento. Ha obtenido su utilizacin mas

frecuente en arcillas plsticas, a las que hace mas trabajables y fciles de compactar

razn por la cual se usa frecuentemente como pre-tratamiento a una estabilizacin con

cemento, adems de los muchos casos que se utiliza como estabilizante definitivo.

D. Estabilizacin Bituminosa.- Es aplicable en los suelos medianamente plsticos, consiste en incorporar materiales

bituminosos en suelo o mezcla granular para formar bases flexibles, las cuales pueden

soportar cargas de trnsito bajo condiciones normales de humedad y de circulacin.

El bitumen es incorporado a los suelos como agente repulsivo al agua, a fin de mantener

un bajo contenido de humedad y un adecuado valor de soporte en dichos suelos.

Los materiales bituminosos son adicionados en suelos granulares para actuar como

medio ligante o cementante, adems de darle cohesin, permite desarrollar la friccin

interna para resistir la accin de desplazamiento lateral por las cargas de trnsito.

101

4.2.- COMBINACIN DE LAS ESCORIA CON FINOS.

En la presente tesis se plate como objetivo de la investigacin de las propiedades

fsicas y mecnicas de las escorias del proceso de la elaboracin de acero de la planta

de Aceros Arequipa en Pisco, as como el mejoramiento de dichas propiedades

mediante su combinacin con polvo de Baghouse subproducto tambin de la

elaboracin del Acero de la planta en mencin.

Para lograr tan fin se procedi a analizar muestras de Escorias determinando las

caractersticas de dicho materia en su estado original y luego con porcentajes de

polvo de Baghouse en proporciones de 10%, 15%, y 20% tratando de mejorar

algunas de sus propiedades a fin de emplearlas en el uso de pavimentos como base o

subbase o con fines de cimentacin de estructuras. Asiendo ensayos de Proctor,

CBR, Granulometras, Limites de Attemberg, Corte Directo entre otros que nos

pueda dar a conocer el comportamiento de este material para los fines antes

mencionados.

En los siguientes acpites presentaremos los resultados de los ensayos realizados

indicando las combinaciones antes mencionadas y adems el estado original de las

Escorias (0%)

4.2.1.- Lmites de Consistencia.-

En los siguientes cuadros y grficos se muestran los porcentajes de escoria utilizados

y sus respectivos valores de Lmite Lquido, Lmite Plstico e ndice de Plasticidad.

TABLA N 15:

% de Escoria LL LP IP

10.00% 14.25% 13.91% 0.34%

15.00% 15.30% 13.91% 1.39%

20.00% 15.51% 13.60% 1.91%

102

GRFICO N 3: LMITE LQUIDO VS % DE POLVO.

Limite Liquido Vs % de Polvo

14.0%

14.3%

14.5%

14.8%

15.0%

15.3%

15.5%

15.8%

9.5% 11.5% 13.5% 15.5% 17.5% 19.5% 21.5%% de Polvo

Lim

ite L

iqui

do

GRFICO N 4: LMITE PLSTICO VS % DE POLVO.

Limite Plstico Vs % de Polvo

13.5%

13.6%

13.7%

13.8%

13.9%

14.0%

8.5% 10.5% 12.5% 14.5% 16.5% 18.5% 20.5% % de Polvo

Lim

ite P

lst

ico

103

GRFICO N 5: NDICE DE PLASTICIDAD VS % DE POLVO.

Cabe mencionar que en su estado original las Escorias no presentan limites de

consistencia, adems podemos observar que la combinacin de escorias y

polvo de baghouse va ganando plasticidad a medida que aumenta el

porcentaje de polvo en la mezcla

4.2.2.- Granulometra.-

En los siguientes cuadros y grficos se muestran las diferentes granulometras de la

Escoria, polvo de Baghouse con las diferentes combinaciones de 10%, 15%, 20%

ndice de Plasticidad Vs % de Polvo

14.0%

14.3%

14.5%

14.8%

15.0%

15.3%

15.5%

15.8%

9.0% 11.0% 13.0% 15.0% 17.0% 19.0% 21.0%% de Polvo

ndi

ce d

e Pl

astic

idad

104

GRFICO N 6: GRANULOMTRIA DE LOS PORCENTAJES QUE PASAN, ESCORIA POLVO DE BAGHOUSE Y COMBINACIONES

TAMIZES % Que Pasa ASTM (mm) Escoria Polvo Baghouse Combinacin 10% Combinacin 15% Combinacin 20%

6" 152.4 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00

4" 101.6 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00

3" 76.20 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00

2" 50.80 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00

1 1/2" 38.10 98.77 100.00 99.14 99.24 99.32

1" 25.40 92.33 100.00 93.35 94.07 94.74

3/4" 19.05 84.78 100.00 86.76 88.19 89.54

1/2" 12.70 71.06 100.00 76.01 78.60 81.04

3/8" 9.50 62.61 100.00 69.29 72.60 75.73

1/4" 6.35 49.26 100.00 59.04 63.47 67.64

Nro, 4 4.76 43.99 100.00 54.47 59.38 64.02

Nro, 8 2.38 33.86 99.99 42.54 46.78 50.89

Nro, 10 2.000 30.84 99.98 39.01 43.05 47.00

Nro, 20 0.850 20.07 99.90 26.22 29.53 32.90

Nro, 30 0.590 16.55 99.80 22.02 25.09 28.27

Nro, 40 0.425 14.44 99.64 19.50 22.42 25.48

Nro, 50 0.270 11.55 99.05 16.14 18.85 21.76

Nro, 60 0.250 10.57 98.73 14.90 17.54 20.38

Nro 80 0.180 8.50 97.93 12.66 15.15 17.88

Nro, 100 0.145 7.83 97.60 11.84 14.29 16.97

Nro, 200 0.074 4.83 94.23 8.28 10.46 12.91

105

Escoria con Polvo de Baghouse

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.01 0.10 1.00 10.00 100.00Diametro de las Particulas (mm)

% A

cum

ulad

o Q

ue P

asa

0% P o lv o B g

10 % P o lv o B g

15 % P o lv o B g

20% P o lvo B g

TABLA N 16: %s EN PESO DEL ESCORIA EN FORMA ORIGINAL Y DE

COMBINACIN CON POLVO.

% de Combinacin

0% Polvo Bg 10% 15% 20%

% de Ag. Fino 43.99 100.00 54.47 59.38 64.02

% de Ag. Grueso

56.01 0.00 45.53 40.62 35.98

% Fraccin 4.83 94.23 8.28 10.46 12.91 Fina

% Fraccin 95.17 5.77 91.72 89.54 87.09 Gruesa

4.2.3.- Clasificacin de suelos.-

En los cuadros y grficos siguientes observamos que tipo de clasificacin AASHTO

y SUCS obtenidos de las diferentes combinaciones analizadas con porcentajes de

polvo de Baghouse en la escoria de 10%, 15%, 20% Tambin se hizo la clasificacin

para el material sin combinar. Es decir la Escoria y el polvo de Baghouse en sus

estados originales.

106

TABLA N 17: CLASIFICACIN AASHTO.

% Polvo de Baghouse

Clasificacin AASHTO

Comportamiento General como Subrasante

Tipo de Materiales Constituyentes

0% A - 1a Excelente a Bueno Fragmentos de piedras, gravas y arenas

10% A - 1a Excelente a Bueno Fragmentos de piedras, gravas y arenas

15% A - 1a Excelente a Bueno Fragmentos de piedras, gravas y arenas

20% A - 1a Excelente a Bueno Fragmentos de piedras, gravas y arenas

Polvo de Baghouse A - 4 Malo

Observamos del grfico anterior que para todos los porcentajes de

combinacin nos dan una ptima clasificacin ASSTHO.

TABLA N 18: CLASIFICACIN SUCS.

% Polvo de Baghouse

Clasificacin SUCS Tipo de Materiales Constituyentes

0% GW Gravas y arenas bien gradadas

10% GW Gravas y arenas pobremente gradadas con presencia de limos

15% GW Gravas y arenas pobremente gradadas con presencia de limos

20% GW Gravas y arenas pobremente gradadas con presencia de limos

Polvo de Baghouse ML Limos de Baja Plasticidad

Observamos del grfico anterior que los diferentes tipos de combinacin de

Polvo y Escoria nos dan ptimos resultados de clasificacin SUCS.

107

4.2.4.- Peso Especfico relativo de slidos (Ss).-

Para la realizacin de ste ensayo utilizamos material que pasa la malla N 4

(agregado fino). En el siguiente numeral mostramos los cuadros y grficos de los

porcentajes de combinacin de polvo de Baghouse con escoria y los valores de Ss

que cada una de estas combinaciones arroja, para cada una de las canteras.

TABLA N 19: VALORES DE Gs QUE ARROJA CADA % DE COMBINACIN CON POLVO

Porcentaje de Combinacin 10% 15% 20% 0% N de Frasco N 1 2 3 4

W frasco w gr. 659.56 352.1 673.14 352.1

W frasco sw gr. 741.49 406.6 731.49 414.87

N Recipiente 118 17 230 238

W Recipiente gr. 185.19 179.93 176.77 174.86

W Recipiente seco gr. 299.96 255.63 256.85 277.91

Ws: 7 - 6 gr. 114.77 75.70 80.08 103.05

Gs : 8 / (3-4+8) 3.49 3.57 3.69 2.56

GRFICO N 7: Gs VS % DE POLVO.

Gravedad Especifica Vs % Polvo

2.50

2.70

2.90

3.10

3.30

3.50

3.70

3.90

0% 5% 10% 15% 20% 25%% de Polvo

Gra

veda

d Es

peci

fica

108

Del grfico anterior observamos que el peso especfico relativo de slidos va aumentando a medida que aumentamos los porcentajes de polvo de Baghouse

en las escorias.

4.2.5.- Ensayo de Equivalente de Arena.-

De la misma manera que en el ensayo anterior utilizamos material que pasa la malla

N 4 para la realizacin del siguiente ensayo, en los siguientes cuadros y grficos

mostramos los valores de Equivalente de Arena que arroja las diferentes

combinaciones de escorias y polvo de baghouse

TABLA N 20: VALORES DE E.A. QUE ARROJA CADA COMBINACIN

% Polvo Equivalente 0.00% 69.00%

10.00% 25.00%

15.00% 18.00%

20.00% 16.00%

GRFICO N 8: E.A. VS POLVO.

Del grfico anterior observamos que al combinar las escorias con polvo de

baghouse los valores del equivalente de arena disminuyen a tal punto que ya

Equivalente de Arena Vs % de Polvo

14%

24%

34%

44%

54%

64%

0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22%% de Polvo

Equi

vale

nte

de A

rena

109

no cumplen con los valores mnimos requeridos para base y subbase segn las

normas del MTC

Tambin observamos que los valores limites de el Equivalente de Arena se dan con una combinacin del 20% de polvo en la escoria aproximadamente

4.2.6.- Ensayo de Proctor Modificado y CBR.- En las tablas y grficos siguientes mostramos los porcentajes de escoria utilizados y

los valores de Mxima Densidad seca y O.C.H. (ptimo contenido de humedad) que

arroja cada uno de stos porcentajes, adems de los valores de CBR para una

penetracin de 1 y con densidades al 95%, 98% y 100% de la Mxima Densidad

Seca.

De acuerdo a las normas ASTM determinamos por la granulometra del suelo que el

ensayo de Proctor modificado es de tipo C, para las respectivas combinaciones de

escoria y polvo

TABLA N 21

% Polvo CBR al 100% CBR al 98% CBR al 95% OCH Densidad 0% 88.6 85.12 80.56 5.64 2.17

10% 344.00 312.00 259.00 6.80 2.545

15% 199.00 170.00 122.00 7.40 2.633

20% 205.00 183.00 142.00 7.10 2.595

GRFICO N 9: CBR AL 100% VS % DE POLVO.

CBR al 100% Vs % Polvo

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

400

9% 11% 13% 15% 17% 19% 21%% de Polvo

CB

R a

l 100

%

110

GRFICO N 10: CBR AL 98% VS % DE POLVO

CBR al 98% Vs % Polvo

150

170

190

210

230

250

270

290

310

330

350

9% 11% 13% 15% 17% 19% 21%% de Polvo

CBR

al 9

8%

GRFICO N 10: CBR AL 95% VS % DE POLVO

Del Grfico anterior observamos que a medida que aumentamos porcentajes de polvo de baghouse en la escoria en suelo presenta valores de CBR cada

vez menores, pero siendo incluso estos valores aceptables para ser usados en

bases o subbases.

CBR al 95% Vs % Polvo

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

9% 11% 13% 15% 17% 19% 21% % de Polvo

CB

R a

l 95%

111

GRFICO N 11: OCH VS % DE POLVO

OCH Vs % Polvo

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

6.8

7.0

7.2

7.4

0% 5% 10% 15% 20%% de Polvo

OC

H

GRFICO N 12: MXIMA DENSIDAD SECA VS % DE POLVO

Densidad Seca Vs % Polvo

2.15

2.20

2.25

2.30

2.35

2.40

2.45

2.50

2.55

2.60

2.65

0% 5% 10% 15% 20%% de Polvo

Dens

idad

gr/c

m3

Del Grfico anterior observamos que a medida que aumentamos porcentajes

de polvo de baghouse en la escoria aumentan los OCH, y Densidades secas de

las combinaciones hasta un porcentaje aproximado de 17% de polvo de

112

baghouse. Valores que coinciden con los puntos mas bajos en la curva CBR

vs. % de Polvo en Escoria

GRFICO N 13: MXIMA DENSIDAD SECA VS OCH

Densidad Seca Vs %OCH

2.15

2.20

2.25

2.30

2.35

2.40

2.45

2.50

2.55

2.60

2.65

5.50 5.75 6.00 6.25 6.50 6.75 7.00 7.25 7.50OCH

Dens

idad

gr/

cm3

Del Grfico anterior observamos que en la medida que aumentan los ptimos

contenidos de humedad en cada combinacin, aumenta la mxima densidad

seca.

4.2.7.- Ensayo de Corte Directo.-

Los suelos normalmente consolidados se encuentran a una densidad de 80% a 85%

de la mxima densidad seca del proctor modificado. En nuestro caso tomamos

conservadoramente el valor de 80%.

Mostramos a continuacin en las tablas y grficos los porcentajes de combinacin

con escoria con polvo de baghouse y los valores de friccin, cohesin que arroja

cada uno de estos porcentajes.

113

TABLA N 22

Parmetro de Resistencia Parmetro Residuales

% de Polvo C (kg/cm2) C (kg/cm2) 0% 0.20 38.92 0.20 38.44 10% 0.20 39.78 0.20 38.44 15% 0.18 38.83 0.18 38.62 20% 0.17 39.95 0.17 40.20

GRFICO N 14: FRICCIN VS % DE POLVO.

Verificamos del grfico del grfico que la friccin tienen valores semejantes

tanto en las diferentes combinaciones por lo que para este tipo de material

podramos tomar una friccin promedio de 39.5.

Friccin Vs % Polvo

38.50

38.75

39.00

39.25

39.50

39.75

40.00

40.25

40.50

40.75

41.00

0% 5% 10% 15% 20%% de Escoria

Fric

cin

114

GRFICO N 15: COHESIN VS % POLVO.

Del grfico observamos una cada en la cohesin a medida que aumenta el

contenido de polvo de baghouse en la combinacin por lo que podramos

deducir que el aporte del polvo no aumenta la cohesin del material Siendo el aporte del polvo de baghouse en negativo en cohesin y

despreciable en friccin podemos concluir que para fines de cimentacin

seria conveniente trabajar solo con las escoriasen su estado original

4.2.8.- Capacidad Portante de Los suelos.-

Los parmetros de corte (friccin y cohesin), se aplican para determinar la

capacidad portante de los suelos.

Como aplicacin se tomar el mtodo de Terzaghi para falla localizada donde los

parmetros de resistencia del suelo c y se reducen a c y , donde: c = 2/3 *c y

= Arctg (2/3 tg ), de una cimentacin corrida. Para los clculos de qd utilizamos

la siguiente frmula:

qd = C*Nc + *Z*Nq +0.5* *B*N Donde:

qd = Capacidad de carga lmite o ltima en ton/m2.

C= Cohesin admisible de los suelos en ton/m2 en Kg./m2.

= Densidad natural del suelo en ton/m3 en Kg./m3.

Z= Profundidad de desplante de la cimentacin en metros.

B= Ancho de la cimentacin.

Cohesion Vs % Polvo

0.165 0.170 0.175 0.180 0.185 0.190 0.195 0.200 0.205 0.210 0.215

0% 5% 10% 15% 20% % de Escoria

C

ohes

ion

kg/c

m2

115

Nc, Nq, N = Factores de carga.

qa = qd/3 Donde:

qa= Carga admisible o de diseo de la cimentacin en Kg/cm2 .

Este mtodo se aplic en cada una de las canteras, para el material al estado natural

y para el material con su ptima combinacin de escoria. Con la finalidad de hacer

una comparacin con los resultados obtenidos se tomaron los datos siguientes: ancho

de cimentacin B= 1.20 cm, con una profundidad de desplante de la cimentacin

Z=1.50m.

TABLA N 23: PARAMETROS DE RESISTENCIA EN LAS DIFERENTES

COMBINACIONES DE % DE POLVO Y ESCORIA

Parmetro de Resistencia Parmetro Residuales % de Polvo C (kg/cm2) C (kg/cm2)

0% 0.20 38.92 0.20 38.44 10% 0.20 39.78 0.20 38.44 15% 0.18 38.83 0.18 38.62 20% 0.17 39.95 0.17 40.20

TABLA N 24.1: CARGA ADMISIBLE PARA DIFERENTES

COMBINACIONES DE ESCORIA Y POLVO

Escorias

100% Escorias

90% Escorias

85% Escorias

80% Unidades

C 0.20 0.20 0.18 0.17 kg/cm2 38.92 39.78 38.83 39.95 C' 0.13 0.13 0.12 0.11 kg/cm2 ' 28.30 29.03 28.22 29.18 Z 1.50 1.50 1.50 1.50 m B 1.20 1.20 1.20 1.20 m Nc 26.39 27.93 26.24 28.25 Nq 15.21 16.50 15.08 16.77 N 17.45 19.42 17.26 19.84 Sc 1.30 1.30 1.30 1.30 S 0.80 0.80 0.80 0.80 1 2.67 2.67 2.67 2.67 ton/m3 2 2.67 2.67 2.67 2.67 ton/m3 qd 129.01 139.38 123.46 134.21 ton/m

2 F.S. 3.00 3.00 3.00 3.00 qadm 43.00 46.46 41.15 44.74 ton/m

2 A zapata 1.44 1.44 1.44 1.44 ton/m

2 P 61.92 66.90 59.26 64.42 ton

116

GRFICO N 16: ESFUERZO ADMISIBLE VS % ESCORIA

Esfuerzo Admisible Vs % de Escoria

4.00

4.25

4.50

4.75

5.00

5.25

78% 80% 82% 84% 86% 88% 90% 92% 94% 96% 98% 100% 102%% de Escoria

Esf

uerz

o A

dmis

ible

TABLA N 24.2: VALORES PERMISIBLES Y EXISTENTES DE

CLORUROS Y SULFATOS EN ESCORIAS

Existente Permisible

Cloruros 0.13% 0.10% No Cumple Sulfatos 0.10% 0.06% No Cumple

De la tabla N 24.1 deducimos que al combinar las escorias con 10% de polvo de Baghouse mejoramos las propiedades de las escorias en lo que se

refiere a la capacidad portante para fines de cimentacin elevando esta

capacidad en 8% respecto de las escorias en su estado original

Cabe mencionar tambin que los valores aceptables de partculas por milln tanto de cloruros como de sulfato son excedidos en las escorias por lo que no

seria recomendable su utilizacin como material de relleno para

cimentaciones.