ISSN 0188-7297
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS
CON CLORURO DE SODIO PARA SU
USO EN LAS VÍAS TERRESTRES
Paul Garnica Anguas
Alfonso Pérez Salazar
José Antonio Gómez López
Edda Yhaarab
y
Obil Veiza
Publicación Técnica No.201
Sanfandila, Qro, 2002
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estabilizacion, Apuntes de Ingeniería de Edificación
Asignatura: aprendizaje, Profesor: diseño de reactores, Carrera: Ingeniería de la Edificación, Universidad: UPSA-M
Tipo: Apuntes
2016/2017
1 / 68
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ISSN 0188-
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS
CON CLORURO DE SODIO PARA SU
USO EN LAS VÍAS TERRESTRES
Paul Garnica Anguas
Alfonso Pérez Salazar
José Antonio Gómez López
Edda Yhaaraby Obil Veiza
Publicación Técnica No.
Sanfandila, Qro, 2002
SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES
INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE
Publicación Técnica No. 201 Sanfandila, Qro. 2002
Estabilización de suelos con cloruro
de sodio para su uso en las vías
terrestres
I
Índice
Resumen III
Abstract V
Resumen ejecutivo VII
1. Antecedentes 1
2. Estabilización de suelos 5
2.1 Clasificación de suelos con fines de estabilización 5 Parámetros esenciales en el reconocimiento de suelos, según el sistema Northcote 5 Identificación de los minerales de un suelo, según el sistema Northcote 6 2.2 Productos empleados en la estabilización de suelos 10 2.3 Estabilización con productos químicos 11 2.4 Estabilización con sales 11 2.5 Estabilización con cloruro de calcio (CaCl 2 ) 11 Estabilización de suelos con silicato de sodio (Na 2 Sio 3 ) 12 Estabilización con cloruro de sodio (NaCl) 13 2.6 algunos criterios para la estabilización de suelos para pavimentos 16 2.7 Comportamiento de suelos estabilizados con cloruro de sodio 22
3. Diseño del experimento 25
3.1 Características de los materiales estudiados 25 Características de los suelos 25 Características de la sal 26 Análisis granulométrico de la sal en grano 27 3.2 Ensayes de laboratorio 28 Equipo utilizado en la determinación del módulo de resiliencia y resistencia a la compresión simple 28 Expansión libre 30 3.3 Elaboración de especimenes 31 Tiempo de curado 31 Preparación de probetas para los ensayes 32
Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres
- Análisis de resultados II
- 4.1 Límites de Atterberg y pH
- Influencia de la sal en los límites de Atterberg
- 4.2 Resultados de los valores de pH
- 4.3 Características de compactación
- 4.4 Características de expansión
- 4.5 Módulo de resiliencia y resistencia a la compresión
- Recomendaciones y conclusiones
- Bibliografía
Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres
IV
V
Abstract
This work presents and discusses the results obtained from an experimental study that was realized to asses the stabilization with NaCl. The Soils were obtained from El Salitre and Jurica neighborhood. Both soils were high compressibility. It was determinate the effect of the salt on the physical and mechanical properties of the soils analyzed, with different salt contents in the soil.
VII
Resumen ejecutivo
La estabilización de los suelos en la ingeniería práctica, particularmente en las vías terrestres, ha sido una técnica ampliamente utilizada para mejorar el comportamiento esfuerzo deformación de los suelos.
El mejoramiento de los suelos ha atendido a diversos requerimientos, tales como la resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad o compresibilidad, la estabilidad volumétrica ante la presencia de agua, entre otros, buscando en todos los casos, un buen comportamiento esfuerzo deformación de los suelos y de la estructura que se coloque sobre ellos, a lo largo de su vida útil.
En los terrenos arcillosos, particularmente en climas áridos o semiáridos, es altamente probable encontrar problemas relacionados con inestabilidades volumétricas ante la ganancia o pérdida de agua. Existen en la práctica diversos métodos para estabilizar a tales suelos; cada método, utiliza diferentes agentes estabilizadores, entre los que se pueden encontrar:
La cal El cemento Pórtland Productos asfálticos Ácidos orgánicos Resinas y polímeros Sales, entre otros
Incluso se ha utilizado la combinación de diferentes productos estabilizadores, así como la mezcla de suelos con el fin de dar soluciones óptimas a problemas particulares.
En el presente trabajo se analiza el comportamiento de suelos arcillosos, potencialmente expansivos, mezclados con cloruro de sodio. Es importante destacar que las sales han sido estudiadas, con fines de estabilización, desde hace varias décadas, entre las que se pueden citar el cloruro de potasio, el cloruro de magnesio, cloruro de bario, nitrato de sodio, carbonato de sodio, cloruro de calcio, cloruro de sodio, entre otros, sin embargo, solo algunas de ellas, por razones económicas, han podido ser aplicadas a la estabilización de terracerías. Particularmente, el cloruro de sodio por su bajo costo, es de los que más se han empleado en carreteras, en algunos casos con mayor o menor éxito dependiendo de las condiciones particulares del caso que se trate.
Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres
VIII
Los suelos estudiados corresponden a los sitios de El Salitre y Jurica. Se analiza la variación de las propiedades físicas y mecánicas de dichos suelos con la adición de sal, para en diferentes porcentajes. Se aplicó la sal con dos métodos diferentes, uno con la sal diluida en salmuera y otro en grano.
La salmuera es una solución compuesta por una cierta cantidad de sal, en peso, por cantidad de agua destilada; y la sal en grano se dosifica, en peso, por unidad de peso seco del material por estabilizar.
El método tradicional de adición de sal al estabilizar terracerías, es en peso de sal por peso seco de suelo, en este trabajo se analiza la adición con salmuera con la finalidad de aplicarla por medio de pipas directamente al suelo en el agua de compactación.
Las propiedades físicas aquí analizadas son los límites de consistencia y por ende su clasificación dentro del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) y el Potencial de Hidrógeno (pH), así como las características de compactación de dichos suelos analizados con el ensaye Próctor. Las propiedades mecánicas evaluadas son la resistencia a la compresión y el módulo de resiliencia.
Lo anterior con el fin de tener un panorama general del comportamiento mecánico del suelo tratado con sal en cuanto a su comportamiento mecánico en capas de terracería en estructuras de pavimento.
Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres
Figura 1.1 Esquema de la estructura de la lámina silícica
Un esquema de una unidad hexagonal aparece en la Figura 1.2. Las unidades hexagonales repitiéndose indefinidamente, constituyen una retícula laminar.
Figura 1.2 Esquema de una unidad hexagonal de una lámina silícica
Las láminas alumínicas están formadas por retículas de octaedros dispuestos con un átomo de aluminio al centro y seis de oxígeno alrededor, tal como aparece en la Figura 1.3. También ahora es el oxígeno el nexo entre cada dos octaedros vecinos, para constituir la retícula.
De acuerdo con su estructura, los minerales de arcilla se clasifican en tres grupos: caolinitas, montmorilonitas e ilitas. Las caolinitas (Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O) están formadas por una lámina silícica y otra alumínica, que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las retículas es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas (adsorción). En consecuencia, las arcillas caoliníticas son relativamente estables en presencia de agua.
1 Antecedentes
Figura 1.3 Esquema de la estructura de la lámina alumínica
Las montmorilonitas ((OH) 4 Si 8 Al 4 O 20 .nH 2 O) están formadas por una lámina alumínica entre dos silícicas, superponiéndose indefinidamente. En este caso la unión entre las retículas del mineral es débil, por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad a causa de las fuerzas eléctricas generadas por su naturaleza dipolar. Lo anterior, produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce en expansión. Las arcillas montmoriloníticas, especialmente en presencia de agua, presentarán fuerte tendencia a la inestabilidad. Las bentonitas son arcillas del grupo montmorilonítico, originadas por la descomposición química de las cenizas volcánicas y presentan la expansividad típica del grupo en forma particularmente aguda, lo que las hace sumamente críticas en su comportamiento mecánico. Estas arcillas aparecen, con frecuencia en los trabajos de campo.
Las ilitas ((OH) 4 .K y (Si8- y .Al y ) (Al 4 .Fe 4 .Mg 4 .Mg 6 ) O 20 , con y , por lo general, igual a 1.5) están estructuradas análogamente que las montmorilonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen; por ello, su potencial de expansión es menor que el de las montmorilonitas y su comportamiento mecánico es más favorable para el ingeniero.
Para entender mejor la respuesta de los suelos finos a la estabilización es importante conocer los aspectos físico-químicos de estos. En general, se considera, que las partículas arcillosas tienen un tamaño del orden de 2 micras o menores y presentan una actividad eléctrica importante, que rige su comportamiento dada su gran superficie específica en relación con su volumen y aún su masa.
Una de las teorías más aceptadas, hasta ahora desarrolladas, para explicar la estructura interna de las arcillas es la que menciona que la superficie de cada partícula de suelo posee carga eléctrica negativa. La intensidad de la carga
2 Estabilización de suelos
2.1 Clasificación de suelos con fines de estabilización
Existen varios sistemas para clasificar a los suelos con fines de estabilización, uno de los más conocidos es el que se basa en el tamaño, forma y arreglo de las partículas y conocido como sistema Northcote, en donde se divide al suelo en los grupos fundamentales siguientes:
Descripción Símbolo
Suelos con perfil de textura uniforme U Suelos con perfil de textura gradual G Suelos con perfil de textura doble D Suelos orgánicos O
Entendiéndose el concepto de textura desde el punto de vista científico geotécnico, a la forma en que están agregadas las partículas de arena, limo y arcilla. Además la descripción de textura se compone de tres partes: forma, tamaño y grado de desarrollo.
Asimismo se subdivide a estos suelos en subgrupos de acuerdo con algunas características visibles tales como el color, presencia de concreciones, rellenos en las grietas o fisuras, etc., así como algunas características no detectables a simple vista como lo es la alcalinidad o acidez. Cabe mencionar que esta clasificación no ha sido aceptada en forma universal, aunque actualmente se están haciendo algunos esfuerzos para que sea aceptada.
Resulta razonable pensar que mientras mejor se conozcan las características físicas y químicas de un suelo mejor se puede emprender el estudio de la estabilización.
Parámetros esenciales en el reconocimiento de suelos, según el sistema Northcote
El primer paso para la determinación de la composición y propiedades esperadas en un suelo, es el reconocimiento visual y manual, el segundo paso importante es la determinación del tipo de minerales que contiene el suelo, pues de ellos depende en forma directa la estabilidad volumétrica, la cohesión y, en especial la
Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres
reactividad a la estabilización. La determinación del tipo de mineral, cuando de estabilizaciones se trata, es una herramienta de gran utilidad. Los tipos de minerales se pueden determinar con microscopios electrónicos, difracción de rayos x, espectrometría con rayos infrarrojos y análisis químicos. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos y para fines prácticos puede inferirse el tipo de minerales mediante observaciones de campo sencillas.
De los cientos de minerales que se han encontrado en los limos y arcillas contenidos en un suelo, basta para fines prácticos e ingenieriles, el reconocimiento de la existencia de menos de diez de ellos. Algunas características principales de estos se muestran en la Tabla 2.1. (Ingles O. G., Metcalf. 1972).
Tabla 2.1 Principales tipos de minerales
Grupo Minerales Tamaño promedio Características físicas principales
Arena muy fina Cuarzo > 1 μ Abrasiva, sin cohesión.
Mica Muscovita, biotita > μ Sin cohesión, se intemperiza fácilmente, compactable.
Carbonato Calcita, dolomita Variable Se pulveriza fácilmente.
Sulfato Yeso > 1 μ Ataca al cemento
Alófano Aluminosilicatos ≈ 1 μ Alta relación de vacíos, alta plasticidad. Amorfos, atapulgita, Alúmina y sílica hi- dratadas. Caolín Caolinita y haloysita. ≈ 1 μ No expansivo, baja plasticidad, baja cohesión. Ilita Ilita y micas par- ≈ 0.1 μ Expansiva, plasticidad media, baja cialmente degradadas. permeabilidad.
Montmorilonita Montmorilonita y ≤ 0.01 μ Altamente expansiva, muy plástica, Bentonita. permeabilidad extremadamente baja.
Clorita Clorita, vermiculita ≈ 0.1 μ Expansión baja, resistencia al cortante baja. Materia orgánica Presencia de ácido Variable Alta permeabilidad, difícilmente compactable, se puede degradar Rápidamente por oxidación.
Identificación de los minerales de un suelo, según el sistema Northcote
Se puede reconocer con cierto grado de aproximación a la mayoría de los grupos minerales con base en observaciones y pruebas sencillas de campo. El método Norcothe se basa en tres premisas que son las siguientes:
Estabilización de suelos con cloruro de sodio para su uso en las vías terrestres
Inmersión en agua destilada del grumo secado al aire
El grumo se afloja y se disgrega parcialmente El grumo no se afloja
Dispersión total Dispersión parcial No se presenta Se presenta No se presenta (Halos) * (Halos) * Dispersión expansión, expansión, montmorilonitas Ilitas salinas suelos orgánicos arcilla laterítica salinas, frecuen- temente también carbonatos
Se toman grumos Inalterados húmedos, se remoldean ligeramente y se sumergen en agua.
Se presenta dispersión Ilitas No se presenta dispersión
Ausencia de carbonatos y yeso, Presencia de carbonato y yeso** se agita vigorosamente Ilita ca/Mg,Montmorilonita ca/Mg.
Se presenta dispersión No se presenta dispersión Ilitas Caolinitas, Clorita
- La dispersión se detecta mediante la formación de halos, alrededor de cada grumo, fácilmente visibles contra un fondo oscuro, mientras más pronunciados sean los halos, más alta será la dispersión. El asentamiento del suelo en el líquido que permanece claro durante menos de 10 minutos será un signo de la ausencia de dispersión.
** Si no se reconoce fácilmente la presencia de carbonatos, esta se puede verificar mediante la efervescencia del suelo al colocar una gota de ácido en éste. El ácido de una batería puede ser suficiente.
Figura 2.1 Esquema de la prueba de inmersión del grumo en agua. Principales tipos de minerales
2 Estabilización de suelos
La finalidad de reconocer a los suelos tanto visual como manualmente es permitir tomar decisiones lógicas respecto al tipo de estabilización más adecuado así como las pruebas a efectuar. De esta manera se pueden lograr economías considerables sin riesgos para el proyectista de la estabilización. Para lograr que el reconocimiento de los suelos sea más efectivo debe complementarse con el conocimiento de las propiedades del suelo y de sus componentes. Con este fin, en la Tabla 2.2 se indican las propiedades ingenieriles de los diferentes componentes de un suelo, tomando en cuenta que estas tablas son generales y que pueden presentarse excepciones.
Tabla 2.2 Propiedades ingenieriles de los componentes de un suelo (Ingles O. G., Metcalf. 1972)
Componente
Propiedades ARENA LIMO MICA CARBONATOSULFATOCAOLINILITA MONTMORILONITACLORITAALOFANOMATERIAORGANICA
Permeabilidad Seco Húmedo
m
m m
m m
m
Estabilidad Volumétrica + +^ + +^ + +^ + +^ + +^ +^ -^ - -^ -^ m^ + Plasticidad Cohesión +^ -^ - -^ -^ -^ -^ m^ +^ + +^ M^ + +^ m Resistencia Seco Húmedo
m
m
m
m
m
m
Compactación Con la humedad óptima.
- m - - + + + - m - - m + + - -
Estabilidad al intemperismo + +^ +^ - -^ + +^ -^ +^ m^ +^ m^ -^ - - Abrasividad (^) + + m - - m - - - - - - - -
PROBLEMAS CUANDO
EL MATERIAL
ES UNIFORME LA BIOTITACAUSA
MÁS PROBLEMAS QUE LAMUSCOVITASOLUBLEEN ACIDOSATACA A
LOS CEMENTOSPORTLANDTOMAR ENCUENTA LASALINIDADTOMAR ENCUENTA LASALINIDADTOMAR ENCUENTA LASALINIDAD
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