Actividad Formativa 3.docx

MÉTODOS DE MEJORAMIENTO DE SUELOS: DRENES PARA MEJORAR PERMEABILIDAD DE SUELOS, ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL

LAURA INÉS SÁNCHEZ CÓD. 171771 LUIS ÁNGEL VALERO GUERRA CÓD. 172256 YAIR PÉREZ CÓD. 171825 CAROLINA CASTILLO CÓD. 171714

PROF. ING. ROMEL JESÚS GALLARDO AMAYA

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER OCAÑA FALCULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA CIVIL OCAÑA – NORTE DE SANTANDER

2017

Contenido MEJORAMIENTO DE SUELOS .............................................................................. 3 Marco teórico ....................................................................................................... 3 DRENES PARA MEJORAR PERMEABILIDAD DE SUELOS ................................. 5 Marco teórico ....................................................................................................... 5 Métodos para mejorar la permeabilidad de los suelos ..................................... 6 Drenes prefabricados ....................................................................................... 7 Drenaje por vacío ............................................................................................. 8 Normativa que rige el método .............................................................................. 9 Especificaciones técnicas generales del método ................................................. 9 DRENES DE MECHA .................................................................................... 15 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL ........................................................... 18 Marco teórico ..................................................................................................... 18 Normativa que rige el método ...............................Error! Bookmark not defined. Especificaciones técnicas generales del método ..Error! Bookmark not defined. Aplicabilidad del método .......................................Error! Bookmark not defined. Características que se mejoran del suelo .............Error! Bookmark not defined. Caso que aplique ..................................................Error! Bookmark not defined. Indicar rendimientos, dosificaciones y costos. ......Error! Bookmark not defined. REFERENCIAS ..................................................................................................... 18

MEJORAMIENTO DE SUELOS Marco teórico La mejora de los suelos son técnicas, métodos, procesos que se han llevado a cabo desde mucho tiempo atrás, viendo la necesidad de complementar las propiedades físicas y mecánicas del suelo destinado a la construcción de cualquier tipo de estructura. El mejoramiento de suelo son técnicas que permiten modificar las características de un suelo para mejorar su resistencia a la compresión y al corte [1]. Cuando las condiciones del terreno no son suficientes para soportas las cargas a las que estará sometido se utilizan diferentes métodos o técnicas como lo son la compactación dinámica y columnas de balasto, precarga, drenes verticales, vibro flotación, columnas balastadas, Inclusiones de materiales que aumentan la resistencia del suelo [2]. Dichas técnicas utilizan acciones físicas como las vibraciones o por la inclusión en el suelo de una mezcla con material más resistente, con el fin de:   

Aumentar la capacidad y/o la resistencia al corte. Disminuir los asentamientos, tanto absolutos como diferenciales, y acelerarlos cuando sucedan. Disminuir o eliminar el riesgo de licuefacción en caso de terremoto o de vibraciones importantes. [2]

Antes de realizar cualquier tipo de modificación o mejoramiento al terreno hay que tener en cuenta cuáles son las condiciones iniciales de este, para ello es importante la realización de los diferentes estudios geotécnicos. Puesto que la aplicación de las distintas técnicas depende principalmente de la naturaleza y granulometría del suelo a mejorar, y de esta manera utilizar el método más conveniente para el tipo de suelo con el fin de mejorar sus propiedades resistentes o de rigidez para que sirva de cimentación. Se deben tener en cuenta ciertos factores para elegir el proceso más conveniente para reforzar el terreno, tales como: -

Espesor y propiedades del suelo. Presiones intersticiales en los diferentes estratos. Naturaleza, tamaño y posición de la estructura que se apoyará en el terreno. Prever los daños en la estructura. Los efectos en el entorno. La disgregación de los materiales a largo plazo. [3]

En el campo de los cimientos, existen algunos casos en los que la solución más adecuada técnica y económicamente consiste en la actuación previa sobre el terreno, mejorando su capacidad portante, reduciendo su deformabilidad, o consiguiendo simultáneamente ambas cosas. [4]

Pueden citarse como ejemplos los siguientes: • Cimientos profundos con pilotes de longitud superior a 25 m; esta solución puede resultar aún más costosa si las cargas a soportar son pequeñas, debido a que se origina un aprovechamiento deficiente de la capacidad portante del pilote, con el consiguiente incremento del coste de la tonelada soportada. [4] • Cargas de gran entidad en soleras de grandes almacenes o naves industriales, que exigirían cimentar la solera sobre pilotes, o construir una losa armada en sustitución de aquella, con un aumento considerable del coste. [4] • Construcciones ligeras en las que un cimiento profundo puede alcanzar, en ocasiones, un coste superior al del resto de la construcción. [4] Cuando se habla de mejoramiento de suelos, también caben los términos compactación y consolidación. Por compactación se entiende el proceso mecánico que reduce el volumen del suelo o aumento de la densidad a través de maquinaria especializada. Y cuando se habla de consolidación se refiere al proceso natural que ocurre como consecuencia de la aplicación de una carga durante el tiempo que esta permanece soportando dicha carga. Imagen N°1: diferentes métodos para mejoramiento de suelos.

Fuente: http://equiposyterratest.com, http://www.cimentacionesgbc.com.mx, http://www.cdt.cl

DRENES PARA MEJORAR PERMEABILIDAD DE SUELOS Marco teórico Concepto de permeabilidad Definimos permeabilidad como la capacidad de un suelo para permitir el paso de agua sin que dicho tránsito altere la estructura interna del cuerpo. Esta propiedad se determina mediante la imposición de un gradiente hidráulico en una sección del suelo, y a lo largo de una trayectoria determinada. Son diversos los factores que determinan la permeabilidad del suelo, entre los cuales, los más significativos son los siguientes: Granulometría (tamaño de grano y distribución granulométrica.) Y composición química del material (naturaleza mineralógica). [5] Como regla general podemos considerar que a menor tamaño de grano, menor permeabilidad, y para una granulometría semejante (arenas, por ejemplo) a mejor gradación, mayor permeabilidad. Para el caso de arcillas y limos, la presencia de ciertos cationes (Sodio, Potasio) es un factor que disminuye la permeabilidad en relación a otros (Calcio, Magnesio). [5] Tabla 1. Permeabilidad de algunos suelos. Tipo de suelo permeable Semi-permeable Impermeable Arena o grava Grava Arena Arena fina, cieno, (suelos gruesos) continua continua loess, loam Arcillas (suelos Turba Estrato Arcilla finos) arcilloso expansiva Fuentes: autores, 2017. Referencias: Wikipedia.

Para mejorar las condiciones del terreno es necesario mejorar su permeabilidad ya que los suelos que poseer mayor permeabilidad son mejor para construir que los suelos impermeables como las arcillas expansivas. Cuando un suelo es más impermeable, tiende a admitir agua en sus planos de unión y dejarla concentrada allí, el agua no circula o no se escurre, como en el caso de las montmorillonitas, que luego de que toda el agua se evapora, se contrae perdiendo volumen, lo que a su vez es trasmitido a la estructura, ocasionando fracturas. En muchos casos, es necesario construir una estructura o un terraplén sobre suelos finos con pequeña resistencia al esfuerzo cortante. La resistencia inicial de los suelos puede ser demasiado baja para que soporte el peso de la estructura sin fallar. Sin embargo, si los suelos débiles pueden drenarse con la suficiente rapidez como para permitir la consolidación casi al mismo tiempo que se aplica la carga, la resistencia del material puede aumentar lo suficiente para permitir una construcción segura. [9]

Métodos para mejorar la permeabilidad de los suelos Las técnicas usadas para mejorar la permeabilidad de los suelos, destacan las siguientes: Drenes de arena Cuando se ha estudiado detalladamente el suelo fino que presenta poca resistencia al esfuerzo cortante, es necesario construir una estructura o un terraplén sobre este tipo de superficie. La resistencia que tiene por naturaleza los suelos puede ser demasiado baja para que soporte el peso de la estructura, sin que este se vea afectado. Sin embargo, se debe aclarar que si un suelo es débil, al mismo tiempo se drene y se le aplique la carga, se debe construir de manera segura, ya que el material ha aumentado su resistencia; Los drenes de arena constituyen una solución de alto interés cuando se necesita acelerar en especial, el proceso del mejoramiento del suelo por precarga, durante la consolidación de una masa compresible. En Estados Unidos, estos desagües son en su mayoría columnas de arena de 60cm de diámetro, colocados de forma cuadrada, triangular y hexagonal, pero la distribución más eficaz es la triangular o las 3 bolillo, que fue diseñada por Barro en 1948, y los puntos de instalación de los mismo se hace con separaciones entre 3-5 m. La zona del terreno que queda encima de los drenes se cubre con una capa de material permeable, y la estructura o terraplén se construye (solo aplica para suelos blandos) en la parte superior de esta capa (Ver imagen N°2). Al incrementar el peso, el agua del subsuelo sube hacia los drenes, por el material permeable, donde corre por la cunetas ya diseñadas. También se debe tener en cuenta que si se quiere aumentar o disminuir la velocidad de consolidación, solo bastara con separar más los drenes o modificar su diámetro. La creación de este tipo de drenes, puede alterar de manera considerable la estructura del suelo, ya que aumenta su compresibilidad, y al mismo tiempo disminuye su permeabilidad y resistencia. La variación es especialmente grande si los drenes se forman con un mandril (tipo especial de prensa) que haga desalojar el suelo; El no tener en cuenta o no disminuir estos efectos que van en contra de su propósito, ha dado como resultado malas instalaciones de los drenes. (civildocs, 2011)

Imagen N°2: sistema drenaje de arena.

Fuente: http://civildocs.blogspot.com.co

Drenes prefabricados Los drenes verticales se utilizan para el mejoramiento del suelo anegado (cubiertos de agua). La técnica consiste en hundir verticalmente en el suelo, según una malla regular, un dren prefabricado. Durante la puesta en carga del suelo, los drenes facilitan la evacuación del agua de los poros de la superficie, permitiendo una rápida consolidación de los suelos tratados. [2] Estos son drenes prefabricados que se colocan en el suelo con el equipo adecuado. Actualmente existen en el mercado diversos tipos de drenes prefabricados con características prácticamente idénticas. Sin embargo, antes de instalar un drene, es importante conocer las características de permeabilidad y resistencia de su filtro y la capacidad del drene de tolerar los movimientos del suelo. [8] Para hincar el dren se usan vibradores hidráulicos. El elemento que vibra se sitúa en la cabeza del tubo de hincado. En casos especiales, se puede utilizar un mandril de vibración y se pueden aplicar vibraciones en diversas profundidades del tubo. El hincado con vibración permite atravesar de manera rápida cualquier capa compactada por encima de la capa que se va a drenar. [8] La producción promedio puede ser de entre 200 y 500 metros lineales por hora; de hecho, de acuerdo con las características del suelo, se pueden obtener velocidades de hincado de hasta 1,5 m por segundo. Las longitudes promedio son aproximadamente de 25 m a 30 m, con la posibilidad de alcanzar profundidades de 40 m. [8] Entre los drenes verticales o aquellos que son prefabricados se encuentran los drenes de mecha, estos son prefabricados constituidos por un alma de plástico con acanaladuras, envuelta en papel resistente [1], Ventajas de este tipo de drenes: -

Más Económicos.

-

Instalación Rápida. Proceso mecanizado con supervisión elemental. Continuidad del dren asegurada. Alteración mínima del terreno. Fácil transporte y acopio del material. Limpieza del emplazamiento.

Esta mejora de terreno presenta grandes ventajas principalmente en Obras en las que se presentan los siguientes problemas: -

Suelos Blandos de estratos delgados o no muy profundos. Suelos Blandos con cargas Medias. Suelos Blandos con Cargas Superficiales. Obras Superficiales para disminuir asientos diferenciales. [1] Imagen N°3: drenaje de mecha.

Fuente: http://www.terratest.cl

Drenaje por vacío La consolidación por vacío fue introducida por primera vez por W. Kjellman, el inventor del drenaje vertical prefabricado. Combinado con un drenaje vertical, la Consolidación por Vacío utiliza la presión atmosférica para precargar rápidamente y consolidar el suelo. El sistema funciona creando en el suelo una presión mínima por medio de una bomba de vacío. Esta presión mínima relativa, que puede alcanzar hasta 80Kpa, simula una carga equivalente a una elevación de arena de 4m de grosor. [6] Se usa cuando el material tiene difícil acceso. La presión isotrópica permite tener una buena estabilidad del terreno y así evitar una ruptura circular. Este sistema reemplaza el peso del material de la precarga tradicional. [2]

Imagen N°4: sistema de drenaje por vacío.

Fuente: https://prezi.com/7ijmf2ecgnqs/mejoramiento-de-suelos-por-drenaje/

Normativa que rige el método Cada tipo de drene debe tener las especificaciones que la obra requiera. Como normas para drenes de arena, se encuentras las del manual del grupo EPM. -

NORMAS Y ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÓN, especificación 405, filtros de arena y cascajo. [15]

Para drenajes verticales se encuentra: Norma española, UNE-EN 15237 ejecución de trabajos geotécnicos especiales, drenajes verticales. [14]

Especificaciones técnicas generales del método DRENES DE ARENA Estos drenes implican la excavación de un pozo vertical relleno con arena apropiadamente gradada para que actúe como filtro (ver imagen N°). El material excavado llega a la superficie en suspensión por medio del flujo de agua creciente, que al mismo tiempo sirve para mantener el pozo abierto hasta que se lo llene con arena. [8] Para los drenes que se realizan con la técnica de barrena continua, el método consiste en introducir una barrena continua en el suelo hasta la profundidad deseada y luego colocar al mismo tiempo la arena en el eje hueco de la misma barrena mientras se retira la barrena con un movimiento rotativo. [8] Los diámetros promedio de los drenes de arena varían de 25 cm a 40 cm, y se pueden alcanzar profundidades de 40 m a 45 m. La producción promedio puede ser de 70 a 100 metros lineales por hora, de acuerdo con las características del suelo. [8]

Imagen N°5: hincado para drenes de arena.

Fuente: http://www.cyesmw.com

Generalidades y aplicaciones [15] Para el control y manejo de las aguas subterráneas, se utilizarán filtros de arena y cascajo (fragmentos de grava) con tuberías colectoras, que se construirán en los sitios indicados en los planos. La colocación de los materiales se hará por capas. Es necesario tener precauciones para mantener los sistemas de drenaje y filtros libres de obstrucciones, basuras y materiales extraños durante la construcción de las obras, hasta la entrega definitiva de las mismas. Las tuberías se colocarán cuidadosamente sobre la base de material granular, con alineamiento uniforme y con pendiente no inferior al 0,5 %. Dicha base servirá como un apoyo para la tubería. La pared de la estructura de descarga del filtro, deberá ser provista de orificios, de tal forma que permitan el drenaje total de la base granular y se evite el empozamiento de la zanja. (Esquema 2) Las campanas se instalarán en la parte superior de la pendiente, dejando las juntas entre las tuberías parcialmente abiertas y sin cementar, es decir a junta perdida. En los filtros sin Geo textil, las tuberías perforadas se colocarán sobre una base de concreto, cuando así se muestre en los diseños, o según el Esquema 1. La pendiente de esta base será igual a la de la tubería; además, tendrá una pendiente transversal ascendente desde la línea inferior de las perforaciones hacia las paredes de la excavación de los drenes del uno por ciento (1%). En estos casos, la unión de los tubos se pegará en su tercio inferior con mortero 1:2; la sección interior del tubo que queda por debajo de las perforaciones debe conformar una cañuela continua.

Después de instalar las tuberías, se hará un lleno alrededor del tubo con material filtrante colocado por métodos manuales, hasta obtener las dimensiones indicadas en los planos o en el Esquema 1. MATERIALES [15] Los materiales que se utilicen para la conformación de filtros, deben cumplir las especificaciones establecidas en los planos de cada proyecto, o lo definido en la tabla “Franjas Granulométricas para Material Filtrante” de la Norma NEGC 204-00. Además, deberán estar aprobados por EPM con anterioridad al inicio de su construcción. Cuando se requiera la utilización de concreto este tendrá una resistencia a la compresión de 14 MPa (140 Kg/cm2).



Arena

La arena que se use como material de filtro, estará compuesta por materiales durables, libres de partículas extrañas, o en proceso de meteorización, y con una gradación tal que esté comprendida dentro de los siguientes límites: Tabla 405-00.1. Gradación de Arena para Filtros



Tamiz US Standard No.

Porcentaje que Pasa Cada Tamiz

4

85 - 100

10

70 - 90

20

45 - 75

40

15 - 35

80

5 - 15

120

0 – 10

200

0–5

Grava

La grava, estará conformada por materiales durables, libres de partículas descompuestas, finas, y de material orgánico o extrañas, y con una granulometría que esté comprendida dentro de los siguientes límites de gradación para filtros sin geotextil:

Tabla 405-00.2. Gradación de Gravas para Filtros

Tamiz US Standard No 150 mm (6")

Porcentaje Cada Tamiz 100

100 mm (4")

90 - 100

75 mm (3")

80 - 100

50 mm (2")

70 - 95

25 mm (1")

60 - 80

13 mm (1/2")

40 - 70

4

10 - 20

10

0

que

Pasa

El material filtrante, cuando se utilice geotextil, deberá tener un tamaño entre 19 y 100 mm, las partículas pueden ser angulares o redondeadas y no requieren ninguna gradación en especial, aunque es ideal usar fragmentos de un solo tamaño. El material granular deberá cumplir con los requisitos siguientes: Tabla 405-00.3. Requisitos para el Material Granular

ENSAYO

VALOR (%)

Desgaste en la máquina de Los ≤ 40 Ángeles Pérdidas en el ensayo de solidez  

Sulfato de sodio Sulfato de magnesio

≤12 ≤18

Índice de desleimiento-durabilidad

≤2

Contenido de materia orgánica

Cero



Geo textil

En la construcción del filtro se utilizará geo textil, cuando lo indiquen los planos o lo ordene EPM. El material utilizado será del tipo no tejido NT 2000 o similar, con filamento continuo, espesor de 2,8 mm y peso de 200 gr/m2; cumplirá las normas NTC 1998, 1999, 2003 y 2250 en cuanto a resistencia a la tensión, peso-área, coeficiente de permeabilidad, resistencia al rasgado y espesor resistente. Para su colocación se deben seguir todas las instrucciones del fabricante. 

Tubería

La tubería perforada puede ser de concreto, PVC u otro material indicado en los planos de construcción o por EPM. Debe cumplir las normas respectivas, y tendrá los diámetros definidos en los planos de construcción. El material alrededor de las tuberías será grava, triturado de roca o una mezcla de ambos, limpios y con la gradación indicada anteriormente. Se utilizará tubería de cloruro de polivinilo (PVC), perforada para filtros con geotextil cuando se indique en los planos de construcción, su estructura física interna es lisa y la externa perfilada. Deberá cumplir con los requerimientos de la norma NTC 4764, y en sus orificios con los requisitos mínimos de la norma DIN 1187. Si en los planos de construcción se indica, se utilizará tubería de concreto perforada, la cual debe cumplir con la norma NTC 1944.

ESQUEMA 1 FILTRO CON TUBERÍA DE DIÁMETRO MENOR O IGUAL A 200 mm

ESQUEMA 2 DRENAJE PARA FONDO DE ZANJAS DE FILTROS

DRENES PREFABRICADOS  DE MECHA 1. Los drenes verticales prefabricados se hincan estáticamente en el suelo mediante un tubo metálico (casing). El tubo se coloca sobre un mástil sujetado al brazo de una excavadora. [16] 2. En la base del tubo, la mecha drenante es fijada a un anclaje de acero. Cuando se alcanza la profundidad requerida, se empieza la extracción del tubo y la base del dren queda colgada del suelo gracias a su anclaje. Cuando el tubo ha sido totalmente extraído del suelo, se corta el dren unos 20 cm por encima de la plataforma de trabajo. [16] 3. En el caso de un hincado estático simple, la resistencia de punta de las capas penetradas, incluyendo la plataforma de material granular, debe ser menor a 5 MPa. En el caso de suelos compactos, se puede utilizar un sistema de vibro-hincador o bien realizar perforaciones previas. [16]

Imagen N°6: Drenes de sección plana y cilíndrica con la placa de anclaje.

Fuente: http://menard.com.mx

USOS PRINCIPALES •

OBRAS VIALES: CARRETERAS Y FERROCARRILES

Las vías de comunicación importantes, se ven obligadas a cruzar zonas de terrenos muy compresibles. Las zonas de pantanos, zonas colindantes de los ríos o zonas con rellenos con gran importancia, exigen previamente a la ejecución de dichas rutas de acceso, a llevar afirmaciones del terreno, con el fin de evitar las inestabilidades de las estructuras y a su vez, la ruptura de los terraplenes. • DEPÓSITOS NATURALES: Terraplenes y Rellenos, vertederos urbanos, vertidos mineros e industriales. •

OBRAS HIDRÁULICAS: costas, puertos, presas.

• EXPLANACIONES: Extensas superficies, aeropuertos, campos deportivos, naves industriales y comerciales, Almacenes y depósitos. DRENAJE POR VACÍO El sistema consiste en instalar drenajes verticales prefabricados, cada uno estará conectado por debajo de la superficie, para aspirar los tubos que transportaran el agua. Estas tuberías se conectan por medio de una T, que son altamente desarrolladas y lo suficientemente herméticas, a un sistema de tubería instalada en el nivel de la superficie (ver imagen 7). Las pantallas de drenaje, es una fila de drenes de forma vertical, que se conectan en la parte superior a una línea horizontal, y se enchufan a una bomba de aire de vacío ajustada que se ha desarrollado en su interior (ver imagen 8). El procedimiento es utilizado desde los años 80, y se sugiere para aplicaciones de tipo: Centrales eléctricas, estaciones de depuración, terraplenes viarios, plataformas aeroportuarias, etc. La construcción de este método consiste es crear una presión de vacío (suministrada por un sistema de bombeo entre el agua y el aire) equivalente a 3.5 m de altura de sobrecarga. Por lo general, se establece un sistema de reconocimiento mientras se da el proceso de consolidación, con el fin de validar las

posibles etapas de subida de relleno complementarias, gracias a la verificación a tiempo real de la evolución de los parámetros geotécnicos del proyecto, como los son asentamientos, presiones intersticiales, desplazamientos horizontales, etc. (CETEAU) Imagen N°7: instalación de un sistema de drenaje por vacío.

Fuente: http://www.ceteau.com/vacuum.html Imagen N°8: representación de la instalación correcta del método y su perfecto funcionamiento.

Fuente: https://www.youtube.com

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL Marco teórico ¿Qué es la cal? Iniciaremos por indicar que para el tratamiento de suelos se puede utilizar cal viva (óxido de calcio – CaO), cal hidratada (hidróxido de calcio – Ca [OH]2) o una lechada de cal. [10] La cal viva se produce de la transformación química del carbonato de calcio (piedra caliza – CaCO3) en óxido de calcio. La cal hidratada se obtiene cuando la cal viva reacciona químicamente con el agua. La cal hidratada (hidróxido de calcio) es la que reacciona con las partículas arcillosas y las transforma permanentemente en una fuerte matriz cementante. [10] La cal más utilizada para el tratamiento de suelos es la cal alta en calcio, que contiene un máximo de 5% de óxido o hidróxido de magnesio. Sin embargo, en algunas ocasiones se utiliza cal dolomítica. La cal dolomítica contiene de 35 a 46% de óxido o hidróxido de magnesio. Con la cal dolomítica se puede lograr la estabilización, aunque la fracción de magnesio reacciona más lentamente que la fracción de calcio. [10] Algunas veces el término “cal” se utiliza para referirse a la cal agrícola que, por lo general, es piedra caliza finamente molida, un útil correctivo agrícola que no tiene la suficiente reactividad química para lograr la estabilización del suelo. [10] Otras veces el término “cal” es utilizado para referirse a los subproductos del proceso de fabricación de cal (como el polvo de horno de cal), que, aunque contienen alguna cal reactiva, generalmente sólo posee una fracción del óxido o el contenido de hidróxido del producto fabricado. En este manual, "cal" significa cal viva, cal hidratada, o la lechada de cal hidratada. [10]

La cal es el proceso de la obtención de la piedra caliza a la cual se tritura o explota para obtener unos diámetros considerables para verte en el horno la cual se cuecen a una temperatura de 1000°C perdiendo agua y dióxido de carbono produciendo cal viva y se es vertida en agua para producir la cal apagada, la cal tiene más 130 usos desde producir azúcar hasta para el tratamiento de agua residuales.

Estabilización de suelos con cal La estabilización del suelo cambia considerablemente las características del mismo, produciendo resistencia y estabilidad a largo plazo, en forma permanente, en particular en lo que concierne a la acción del agua (imagen 9). [10]

Imagen 9: La capa estabilizada con cal soporta la erosión, ilustrando la resistencia. [10]

La cal, sola o en combinación con otros materiales, puede ser utilizada para tratar una gama de tipos de suelos. Las propiedades mineralógicas de los suelos determinarán su grado de reactividad con la cal y la resistencia final que las capas estabilizadas desarrollarán. En general, los suelos arcillosos de grano fino (con un mínimo del 25 por ciento que pasa el tamiz 200 -75µm- y un Índice de Plasticidad mayor que 10) se consideran buenos candidatos para la estabilización. Los suelos que contienen cantidades significativas de material orgánico (mayor que 1 por ciento) o sulfatos (mayor que el 0.3 por ciento) pueden requerir cal adicional y/o procedimientos de construcción especiales. [10] Subrasante (o subbase): La cal puede estabilizar permanentemente el suelo fino empleado como una subrasante o subbase, para crear una capa con un valor estructural significativo en el sistema del pavimento. Los suelos tratados pueden ser del lugar (subrasante) o bien, de materiales de préstamo. La estabilización de la subrasante por lo general implica mezcla en el lugar y generalmente requiere la adición de cal de 3 a 6 por ciento en peso del suelo seco. [10] Bases: La cal puede estabilizar permanentemente materiales que no cumplen con las características mínimas para funcionar como una base (como la grava con arcilla, gravas "sucias", o bases contaminadas en general) que contienen al menos el 50 por ciento de material grueso retenido en la malla o tamiz No. 4. La estabilización de bases es utilizada para la construcción de caminos nuevos y para la reconstrucción de caminos deteriorados, y generalmente requiere la adición de 2 a 4 por ciento de cal respecto al peso del suelo seco. La mezcla en el lugar se usa comúnmente para la estabilización de bases, sin embargo, la mezcla en planta también puede ser utilizada. La cal también se usa para mejorar las características de las mezclas de suelo y agregados en "el reciclaje de espesor completo". [10]

La cal en sus diferentes formas y presentaciones es un producto que es muy empleado en la industria de la construcción, los beneficios que se obtiene de su uso son muy satisfactorios, dado que obtenemos muchas mejoras físicas y químicas de los materiales, estas mejoras se ven claras en lo que es la durabilidad. Los depósitos naturales de suelo que se encuentras en campo, generalmente disponibles para trabajos de construcción, pueden tener problemas de alta plasticidad o cambio de humedad, sin embargo, si se adiciona un porcentaje de cal viva para estabilizarlos, se pueden cambiar y mejorar sus propiedades como la granulometría, etc.

Modificación con cal y secado de suelos Existen otros dos tipos importantes de tratamiento con cal utilizado en operaciones de construcción: [10] Primero, debido a que la cal viva se combina químicamente con el agua, puede ser usada con eficacia para secar suelos mojados. El calor generado por esta reacción también contribuye a secar los suelos mojados. La reacción con el agua ocurre incluso si los suelos no contienen fracciones arcillosas significativas. Cuando las arcillas están presentes, la reacción química de la cal con las arcillas, seca aún más los suelos. El efecto neto es que el secado ocurre rápidamente, dentro de un lapso de horas, permitiendo al contratista compactar el suelo mucho más rápidamente que si esperara que el suelo se secara por la evaporación natural. [10] El secado del suelo húmedo en obras de construcción es uno de los usos más amplios de la cal para el tratamiento de suelos. La cal puede ser utilizada para uno o varios de los siguientes casos: ayudar a la compactación, secar las áreas húmedas; mejorar la capacidad soporte; proporcionar una plataforma de trabajo para la construcción subsiguiente; y acondicionar el suelo (hacerlo trabajable) para una posterior estabilización con cemento Portland o con asfalto. Generalmente, entre 1 y 4 por ciento de cal secará un sitio mojado suficientemente para permitir que procedan las actividades de construcción. [10] Segundo, el tratamiento con cal puede mejorar considerablemente la trabajabilidad y la resistencia a corto plazo del suelo, de tal forma que permite que los proyectos puedan ser ejecutados más fácilmente. Los ejemplos incluyen tratamiento de suelos finos o materiales de base granular para construir caminos temporales u otras plataformas de construcción. Típicamente se utiliza del 1 al 4 por ciento de cal en peso con respecto al suelo para la modificación, que es generalmente una menor cantidad que la utilizada para la estabilización permanente de suelos. Los cambios hechos al suelo modificado con cal pueden o no ser permanentes. La diferencia principal entre la modificación y la estabilización es que, con la modificación, generalmente no se le concede ningún crédito estructural a la capa modificada con

cal en el diseño de pavimento. La modificación con cal trabaja mejor en suelos arcillosos. [10]

Normativa que rige el método NTP 334.125:2002 Cal viva y cal hidratada para Estabilización de Suelos. [11] AASHTO M-216. [11]

Especificaciones técnicas generales del método. ESTABILIZACIÓN CON CAL La dosificación depende del tipo de arcilla. Se agregará de 2% a 8% de cal por peso seco de suelo. Este porcentaje debe determinarse en el laboratorio, siguiendo los pasos siguientes: [11]  Estimar el porcentaje de cal en función del pH. [11]  Elaborar especímenes para el ensayo de compresión no confinada a la humedad óptima y máxima densidad seca. [11]  Determinar el incremento de la resistencia del suelo estabilizado con cal. [11]  Si el incremento de resistencia, con el porcentaje de cal elegido, es mayor a 3.5 kg/cm2, determinar la variación en la resistencia para especímenes elaborados con + 2% de cal. [11]  Determinar el contenido de cal para el cual la resistencia no aumenta en forma importante. [11]  Elaborar una gráfica de resistencia y % de cal. [11] En todo documento técnico o análisis técnico, deberá adjuntarse los gráficos y sustento técnico que ilustren objetivamente las mejoras obtenidas con cal hidratada, indicando claramente los porcentajes de participación y valores alcanzados con ello. Además se debe reportar resultados de la capacidad de soporte según la metodología “California Bearing Ratio – CBR” (Relación de Soporte de California), para evidenciar las mejoras. [11] Por ningún motivo se debe emplear más del 8% de cal en el suelo, ya que se aumenta la resistencia pero también la plasticidad. [11] Los suelos que se usen para la construcción de Suelo-Cal deben estar limpios y no deben tener más de tres por ciento (3%) de su peso de materia orgánica. Además la fracción del suelo que pasa la Malla N° 40 debe tener un índice de Plasticidad comprendido entre 10 y 50. El tamaño máximo del agregado grueso que contenga

el suelo no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada de SueloCal. La cal que se use para la construcción de Suelo-Cal puede ser cal viva ó hidratada y debe satisfacer los requisitos establecidos en la Especificación AASHTO M-216 ó NTP Nº 334.125:2002 Cal viva y cal hidratada para Estabilización de Suelos. [11] El agua que se use para la construcción de Bases de Suelo - Cal debe estar limpia, no debe contener materia orgánica y debe estar libre de sales, aceites, ácidos y álcalis perjudiciales. Los ensayos para determinar el porcentaje de cal y los demás requisitos que debe satisfacer la mezcla de suelo-cal deben ser ejecutados con los materiales que se vayan a usar, incluyendo el agua de mezclado. La aplicación de la cal puede variar entre 2% y 8% en peso de los materiales. [11]

Aplicabilidad del método.

MATERIAL Grava

ESTABILIZACION CON CAL No es necesaria, salvo que los finos sean plásticos. Cantidad de 2 a 4%

Arena limpia

Inadecuada: no hay reacción.

Arena arcillosa Arcilla arenosa Arcilla

Es factible dependiendo del contenido de arcilla. 4 a 8% dependiendo del contenido de arcilla. Muy adecuada. Entre 4 y 8% dependiendo de la arcilla

[2]

Características que se mejoran del suelo. Secado: Si se usa la cal viva, la misma se hidrata inmediatamente (i.e., químicamente se combina con el agua) y libera calor. Los suelos se secan, porque el agua presente en el suelo participa en esta reacción, y porque el calor generado puede evaporar la humedad adicional. La cal hidratada producida por estas reacciones iniciales, posteriormente reaccionará con las partículas de arcilla (como se discute posteriormente). Estas reacciones subsecuentes, lentamente producirán un secado adicional porque las mismas reducen la humedad, mejorando el soporte. Si se utilizan la cal hidratada o la lechada de cal hidratada, en lugar de la cal viva, el secado ocurre sólo por los cambios químicos del suelo, que reducen su capacidad para retener agua y aumentan su estabilidad. [10]

Modificación: Después de la mezcla inicial, los iones de calcio (Ca++) de la cal hidratada emigran a la superficie de las partículas arcillosas y desplazan el agua y otros iones. El suelo se hace friable y granular, haciéndolo más fácil para trabajar y compactar (Imagen 10). En esta etapa, el Índice de Plasticidad del suelo disminuye drásticamente, así como lo hace su tendencia a hincharse y contraerse. El proceso, llamado "floculación y aglomeración", generalmente ocurre en el transcurso de horas. [10]

Imagen 10. Arcilla floculada con cal. [1]

Estabilización: Cuando se añaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rápidamente arriba de 10.5, lo que permite romper las partículas de arcilla. La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseño y se estima por pruebas como la de Eades y Grim (ASTM D6276). Se liberan la sílice y la alúmina y reaccionan con el calcio de la cal para formar hidratos de calcio-silicatos (CSH) e hidratos de calcio-aluminatos (CAH). CSH y CAH que son productos cementantes similares a aquellos formados en el cemento de Portland. [10]

Ellos forman la matriz que contribuye a la resistencia de las capas de suelo estabilizadas con cal Cuando se forma esta matriz, el suelo se transforma de un material arenoso granular, a una capa dura relativamente impermeable, con una capacidad de carga significativa. El proceso se inicia en unas horas y puede continuar durante años, en un sistema diseñado correctamente. La matriz formada es permanente, duradera, y significativamente impermeable, produciendo una capa estructural que es tan fuerte como flexible. [10]

Casos que apliquen: El tratamiento con óxido de calcio mejora la textura y la resistencia a la compresión del suelo, haciéndolo fácil de manejar durante la compactación. El beneficio obtenido por el tratamiento es mayor cuanto mayor es el contenido de arcilla del suelo. Los tratamientos de estabilización pueden ser aplicados sobre una amplia variedad de suelos. La efectividad del tratamiento dependerá del nivel de arcilla presente (mínimo 7%) y de su capacidad para reaccionar. El diseño del tratamiento más adecuado se desprende de un análisis del suelo, para conocer la cantidad de óxido de calcio adicionada para lograr un PH de 12.454. Por otra parte el tratamiento de cal se utiliza en un sinnúmero de aplicaciones tanto para la modificación como para la estabilización. Las aplicaciones no estructurales (modificación) se diseñan para secar el lodo y crear plataformas de trabajo en una variedad de construcciones. Los usos estructurales (estabilización) incluyen otros pavimentos tales como aeropuertos, estacionamientos, caminos secundarios, pistas de carreras; y otros usos como cimentaciones de edificios y estabilización de terraplenes. Las técnicas constructivas de tratamiento con cal se utilizan, esencialmente, de la misma forma descrita anteriormente para la estabilización y modificación con cal en la construcción de carreteras. [10] Aeropuertos La cal tiene una historia extensa como una opción de tratamiento de suelos para la construcción de aeropuertos. Los ejemplos incluyen el Aeropuerto Internacional de Denver, el Aeropuerto Dallas Ft. Worth y Newark. Muchos aeropuertos en los Estados Unidos se amplían alargando las pistas de aterrizaje y despegue, calles de taxeo y estacionamientos (Imagen 11). [10]

Imagen 11: Proyecto de estabilización en un aeropuerto. [10]

La mayor parte de aeropuertos construyen en propiedades existentes o compran propiedades adyacentes, y por lo tanto tienen poco control sobre el terreno y las condiciones del suelo. Si se encuentran suelos con condiciones marginales o pobres, el propietario puede decidir quitar y sustituir los suelos existentes o tratarlos. Las técnicas constructivas para el tratamiento de suelos con cal, en la construcción de aeropuertos son esencialmente las mismas que aquellas para carreteras. [10] Estabilización de suelos: La construcción de fundaciones bajo pistas de aterrizaje y despegue es crítica. La lechada de cal se ha convertido en la opción de tratamiento de cal más especificada debido a que la cal seca puede empolvar los aviones y el equipo mecánico. [10] Modificación y secado de suelo: La construcción de aeropuertos a menudo procede bajo limitaciones de tiempo. El empleo de cal para secar y modificar los suelos marginales y pobres puede ayudad en mantener los proyectos dentro de la programación durante la época lluviosa, proporcionando una plataforma de trabajo y permitiendo el retorno al trabajo de forma más rápida después de las lluvias. [10]

Comercial La construcción de tiendas grandes o centros comerciales con áreas de parqueo es una cada vez más común para la estabilización o modificación con cal. La localización de estas facilidades tiende a basarse en la accesibilidad del cliente, no en características de suelo. Los suelos inestables pueden estar presentes. Los sitios pueden estar en áreas bajas y húmedas. Raras vez, los sitios están nivelados o adecuados. El contratista debe cortar y llenar el sitio y compactar los suelos a las densidades especificadas. Las técnicas de estabilización/modificación son generalmente las mismas que aquellas descritos para la construcción de carreteras. [10]

Estabilización con cal: El material excavado para construir plataformas puede ser encalado y almacenado en pilas de reserva durante unas semanas. Estos suelos tratados deberán tener un contenido de agua de 1 a 3 por ciento por encima de la óptima para asegurar que la reacción con cal tenga suficiente agua para completarse. Esta práctica ahorra tiempo de construcción debido a que el fraguado ocurre en las pilas de reserva del material. El material tratado y fraguado puede ser compactado sin demoras al tiempo que se regresa al lugar de la construcción. [10] Las calles y las áreas de estacionamiento tienen que ser diseñadas para acomodar el tráfico de vehículos esperado. Ignorar la naturaleza de los suelos subyacentes crea el potencial para fallas del pavimento. La estabilización con cal puede proporcionar buenas fundaciones de pavimento y reducir el espesor de las capas que lo componen. [10]

Modificación con cal: El tiempo de terminación para proyectos comerciales es una restricción principal. Los proyectos tienden a enfocar las fechas de apertura que corresponden a compras estacionales, tales como días festivos y el verano. En muchas ocasiones, el contratista encuentra que tiene que trabajar durante la época lluviosa. La cal puede ser usada para secar el suelo demasiado húmedo, antes de la compactación. La modificación con cal puede utilizarse para mantener una plataforma de trabajo firme que elimine la humedad. Esto ayudará a mantener a los trabajadores, equipo y materiales, libres de lodo; reducir las demoras por mal clima y ayudará a mantener el proyecto dentro de la programación. [10] Urbanizaciones El desarrollo de las actividades inicia con el establecimiento de vías de acceso y facilidades relacionadas, seguidas de la construcción de aceras, calles y viviendas. La estabilización con cal puede utilizarse para construir fundaciones estructurales para edificaciones, aceras y calles. La modificación con cal ofrece una técnica de construcción conveniente para reducir al mínimo los efectos del clima y suelos de mala calidad. A menudo, la construcción de urbanizaciones continúa a lo largo de todas las estaciones, húmeda o seca, porque el capital necesario requiere de programas ajustados de ejecución. La capacidad de reducir los retrasos es una manera de aumentar las utilidades. Los procedimientos de tratamiento de suelos son similares a aquellos descritos anteriormente. [10] Construcción de calles: El contratista inicia trabajando calles y facilidades. En algunas urbanizaciones el trabajo inicial consiste en la excavación de zanjas para alcantarillas, agua, gas y electricidad. Al excavar estas zanjas se corre el riesgo que las mismas se conviertan en áreas con lodo y muchas veces impasables. Una forma de mitigar este problema es utilizar la cal en la fase inicial de la construcción para modificar el suelo y luego usar tratamientos adicionales para secar el material de los rellenos de las zanjas. Los suelos estabilizados también pueden ser utilizados como fundación para el pavimento final (Imagen 12). Los suelos bajo las aceras también pueden ser estabilizados para reducir al mínimo los hundimientos. [10]

Imagen 11: Compactación de suelo estabilizado con cal en una urbanización.

Casas individuales: El contratista puede usar la cal para modificar y estabilizar el área de acceso y la plataforma de la casa, lo que creará un área de trabajo libre de lodo, para recibir los materiales de construcción y colocar los equipos. Cuando la construcción se ha completado, la casa tendrá un acceso y fundación de mejor calidad, con menor probabilidad de asentamientos y grietas. [10] Estabilización de terraplenes A menudo, los materiales de préstamo muy húmedos son usados para construir terraplenes. El tratamiento con cal puede utilizarse para estabilizar estos suelos, cuando son utilizados por primera vez o como parte de la reparación de un terraplén que ha fallado. Por lo general, el suelo inestable se transporta a un área de mezcla, donde se puede utilizar el equipo de construcción para llevar a cabo las operaciones descritas anteriormente (imagen 12). Para suelos con un alto contenido de arcilla, se utiliza cal; mientras que para suelos con contenido bajo de arcilla, se utilizan mezclas de cal puzolanas (por ejemplo, ceniza volante). Estos suelos tratados, deberán tener un contenido de agua de 1 a 3 por ciento del óptimo, para asegurar que la reacción con la cal tiene suficiente agua para completarse. Después de la mezcla, la adición de agua y el fraguado, el material es devuelto al terraplén, afinado y compactado según las especificaciones (Imagen 13). A medida que el fraguado ocurres en las pilas de reservas de materiales, se ahorra tiempo de construcción. El material con cal se compacta sin demoras mientras se devuelve al terraplén. [10] Para terraplenes donde es prioritario el secado de los suelos, el suelo a menudo es tratado con la cal después de que es traído al terraplén. El suelo no tratado coloca en capas, típicamente 8 a 12 pulgadas de espesor. Cada capa se trata con cal y se mezcla, reduciendo el contenido de humedad del suelo. La capa se compacta y otra capa de suelo se coloca y el proceso se repite hasta que el completa el terraplén. De nuevo, es importante asegurar que existe una humedad adecuada, en particular si se utiliza cal viva. Si se usa cal viva, es esencial que todas las partículas hayan sido hidratadas. [10]

Imagen 12: Mezcla preliminar de cal y suelos de terraplén en el área de mezcla. [10]

Imagen 13: Devolución de suelos tratados del área de mezcla al terraplén. [10]

Por ejemplo, en vías terrestres, una de las ventajas del uso de los reductores de plasticidad, es que además de reducir el espesor de la subrasante, nos ayuda a integrar las estructura del pavimento, eso significa ahorro en materiales, uso de equipos, tiempo de ejecución del proyecto, ya que estamos aprovechando de las ventajas de utilizar el mismo suelo en donde se encuentra la construcción.

Indicar rendimientos, dosificaciones y costos. Dosificación de estabilizaciones con cal Establecer la fórmula de trabajo del material va a permitir optimizar el tratamiento de estabilización. La fórmula de trabajo depende del tipo de suelo, del material que se quiere conseguir después de la estabilización y de las especificaciones que se deban cumplir en cada situación. [12] Para la dosificación, bien sea para la obtención del porcentaje mínimo de cal o del porcentaje óptimo de esta, se necesitan ensayar probetas con distintos contenidos de cal, y la elaboración de estas probetas, así como la realización de los ensayos, se efectuará mediante una metodología establecida. Esta metodología está definida en las normas correspondientes. [12] La mezcla de la cal y el suelo para elaborar las probetas se debe realizar primero en seco, hasta la obtención de un material homogéneo, y a continuación añadir la humedad necesaria y volver a amasarlos. Tras la mezcla hay que dejar transcurrir un tiempo mínimo de una hora para que la cal actúe sobre el suelo y se puedan evaluar realmente sus efectos. [12]

Los resultados que se obtienen de los ensayos dependen del porcentaje de cal, la temperatura, el tiempo transcurrido y las condiciones de humedad durante dichos ensayos. Por lo que para garantizar las condiciones establecidas por las normas, se deben recubrir con plástico las probetas una vez fabricadas y conservarse en lugares con humedades y temperaturas controladas. [12] 

Porcentaje mínimo de cal. [12]

El porcentaje mínimo de cal será aquel que permita cumplir al suelo tratado con cal las exigencias necesarias para poder ser empleado en la capa de que se trate. Por lo que este porcentaje será función del tipo de capa que se esté diseñando y de los objetivos adicionales que se estén buscando. [12] Para capas que no sean de coronación, se analizarán muestras del suelo con distinto contenido de cal, con el objetivo de determinar la dotación que permita alcanzar los valores exigidos en cuanto a índice CBR, índice de plasticidad, hinchamiento, etc. [12] En el caso de que se trate de capas de coronación, el porcentaje necesario de cal viva o apagada vendrá dado por las exigencias del tipo de suelo estabilizado a conseguir. En el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3) se definen dos tipos de suelos estabilizados con cal en función de su índice CBR a 7 días: [12]

Tipo de suelo estabilizado S-EST1 S-EST2 Porcentaje mínimo de cal 2% 3% Índice CBR a 7 días ≥6 ≥ 12 A partir de estos valores mínimos, 2 y 3%, la dotación de cal necesaria será aquella que permita obtener la capacidad de soporte del suelo que viene fijada por el valor del índice CBR a 7 días establecidos anteriormente. [12] Es usual que estas dotaciones mínimas de cal especificadas permitan cumplir los requisitos en cuanto a capacidad de soporte casi inmediatamente. En estos casos puede ser de utilidad realizar ensayos a 1 día, para poder adoptar decisiones rápidas en obra en caso necesario. [12]



Porcentaje óptimo de cal. [12]

El porcentaje óptimo de cal es aquel que permite aprovechar al máximo los efectos de la cal sobre el suelo a tratar, con un sobre coste mínimo con respecto a las dotaciones mínimas. De esta forma, se logrará un material con unas propiedades geotécnicas y resistentes adecuadas, que no sólo cumpla con las especificaciones necesarias sino que, además, tenga unas prestaciones y durabilidad aún mayores. Este porcentaje será aquel que logre sobre el suelo original, de forma conjunta: [12] - Reducir, e incluso anular, su índice de plasticidad. [12] - Incrementar de forma apreciable el índice CBR del suelo, o cualquier otro que evalúe su capacidad de soporte. [12] Para evaluar estor tres parámetros, se elaboran gráficas con la evolución de los mismos para distintos porcentajes de cal, siendo el óptimo aquel a partir del cual dejan de apreciarse de forma notable los efectos de la misma. [12] Costos más bajos en la construcción. [13] Hace que los materiales del lugar sean usables y trabajables. [13] Elimina los costos de remover y acarrear materiales. [13] Elimina el costo asociado con materiales para rellenar. [13] Costos de vida más bajos. [13] Más bajos costos de mantenimiento a través de mejor resistencia contra el agua y a los efectos de heladas y deshielos. [13] Vida útil de largo tiempo. [13]

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