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VICEMINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE LA OBRA PÚBLICA San Salvador, El Salvador, C.A., Septiembre 2014.
CONSIDERACIONES SOBRE LA
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL
Elaborado por: José Eduardo Villalobos Zetino, Ing. Civil. Unidad Técnica, Subdirección de Auditoria de la Calidad. William Antonio Alachán García, Ing. Civil. Subdirector de Auditoria de la Calidad. Daniel Antonio Hernández Flores, Ing. Civil. Director de Investigación y Desarrollo de la Obra Pública. Editado por: Javier Fernando Rivera Palencia, Téc. en Ing. Civil. Unidad Técnica, Subdirección de Investigación y Desarrollo. Coordinador: Daniel Antonio Hernández Flores, Ing. Civil. Director de Investigación y Desarrollo de la Obra Pública. 1
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OBSERVACION
El Contenido de esta presentación refleja las opiniones de los autores, quienes son los responsables de los hechos y de la exactitud de la información presentada; la presentación ha sido elaborada con la finalidad de que pueda ser utilizada por personal técnico que posea las competencias necesarias, para evaluar el alcance y limitaciones inherentes a la misma. La presentación no refleja necesariamente las opiniones y/o políticas oficiales del Ministerio de Obras Públicas, Transporte y de Vivienda y Desarrollo Urbano de El Salvador (MOPTVDU), y no constituye una norma, especificación o regulación. 2
y Desarrollo de la Obra Pública Contenido.
1. Introducción.
2. Generalidades.
3. Estabilización de suelos con cal.
4. Diseño de mezclas suelo - cal.
5. Proceso constructivo de capas estabilizadas con cal.
6. Referencias bibliográficas.
7. Reflexiones.
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1. Introducción. La cal tiene múltiples aplicaciones en diversos tipos de industrias: metalúrgica, química, papelera, agricultura, tratamiento de agua, construcción, entre otras. En la industria de la construcción, la cal es generalmente usada en el área de carreteras, para la estabilización de suelos (principalmente arcillas) que en su estado natural no presentan propiedades ingenieriles favorables. La estabilización de suelos con cal requiere de un diseño apropiado de la mezcla para cada proyecto en particular y también del conocimiento de aquellos criterios recomendados por la buena práctica ingenieril, relacionados con materiales y procesos constructivos. Por su relevancia e incidencia en la obtención de un producto que satisfaga la calidad establecida en el diseño, dichos criterios serán abordados y desarrollados a lo largo de esta presentación. 5
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2. Generalidades. 2.1 Tratamiento de suelos con cal en carreteras. La cal puede ser usada para el tratamiento de suelos a diferentes niveles, en función de los requerimientos del proyecto y del objetivo que se persiga, según se indica a continuación:
Secado
Modificación
Estabilización
Secado. Tratamiento en el cual se usan pequeños porcentajes de cal (en el orden de 1%) para lograr una rápida disminución en el contenido de humedad del suelo y generar una plataforma de trabajo razonablemente estable durante la construcción, mediante la reacción puzolánica (o reacción química) entre el agua (presente en el suelo) y la cal (material seco). Modificación. Se refiere a la mejora de la trabajabilidad del suelo mediante la adición de pequeñas cantidades de cal (en el orden de 1% – 3%), pero dicha adición no conlleva a un incremento significativo en la resistencia a la compresión y durabilidad. Estos efectos pueden o no ser permanentes y ocurren generalmente dentro de un corto período de tiempo (típicamente de 1 a 48 horas), después de haber sido incorporada la cal y son más marcados en suelos con arcillas altamente plásticas. Estabilización. Se refiere a la mejora permanente o a largo plazo de ciertas propiedades del suelo, principalmente la resistencia a la compresión, mediante la adición de porcentajes aproximados de cal de 3% - 6%. Un suelo que es estabilizado con cal, a diferencia del secado y de la modificación, requiere de un diseño de mezcla. Los efectos de la estabilización con cal son típicamente medidos a los 28 días o a edades posteriores. Reacción puzolánica. Reacción entre el calcio de la cal, y la sílice y alúmina liberadas del suelo (principalmente de la arcilla) en el proceso de estabilización con cal. Suelo en estado natural (partículas de arcilla) Suelo con cal adicionada (después de la floculación / aglomeración) La cal altera la capacidad de la arcilla de retener agua en su superficie y reacciona con ésta para producir un material cementante que puede mejorar sustancialmente, entre otros, la resistencia a la compresión del suelo original. 7
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3. Estabilización de suelos con cal. ¿Para qué estabilizar suelos en carreteras? Para mejorar las propiedades ingenieriles de suelos usados como subrasantes, subbases y bases, lo cual se logra mediante el uso de agentes estabilizadores (aditivos) que son mezclados con el suelo para producir la mejora deseada. ¿Cuáles son los agentes estabilizadores más usados? Cemento Portland Bitumen Cal Ceniza volante Suelo natural 8
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3. Estabilización de suelos con cal. 3.2 Suelos adecuados para la estabilización con cal 3 . (^) En general la estabilización con cal debería ser considerada en suelos arcillosos que presenten Índices de Plasticidad de más de 10% (IP > 10) y con más del 25% de suelo pasando el tamiz No.200 (75μm).m). (^) En el caso de Índices de Plasticidad arriba del 30% (IP > 30), con más del 25% de suelo pasando el tamiz No.200, se recomienda el uso de cal como un pre-tratamiento para reducir el Índice de Plasticidad por debajo de 30%, seguido de una estabilización con cemento Portland. (^) La experiencia ha demostrado que la cal reaccionará con suelos clasificados por SUCS como CH, CL, MH, SC, SM, GC, SW-SC, SP-SC, SM-SC, GP- GC o GM-GC. (^3) Lime Association of Texas. Handbook for Stabilization of Pavement Subgrades and Base Courses with Lime. 12
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3. Estabilización de suelos con cal. 3.3 Factores que inciden negativamente en la estabilización. Los factores de mayor incidencia negativa en el desarrollo de las propiedades ingenieriles deseadas, son: (^) Contenido de materia orgánica: Como regla general, un contenido de materia orgánica mayor a 1% podría interferir con la reacción puzolánica e inhibir el proceso normal de ganancia de resistencia de la mezcla suelo-cal. El contenido de materia orgánica puede ser determinado mediante el ensayo ASTM D2974 Standard Test Methods for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat and Other Organic Soils. (^) Contenido de sulfatos: Los sulfatos solubles en concentraciones lo suficientemente altas (de 0.2% - 0.3%), podrían interferir con las reacciones puzolánicas y son perjudiciales para suelos estabilizados con cualquier agente a base de calcio. El contenido de sulfatos puede ser determinado mediante el ensayo ASTM C1580 Standard Test Method for Water Soluble Sulfate in Soil. 13
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3. Estabilización de suelos con cal. 3.4 Propiedades ingenieriles del suelo que se mejoran (Cont…). Plasticidad. Figura No.5. Reducción inmediata del Índice de Plasticidad (IP) en suelos arcillosos. Adaptado de: Lime Association of Texas. Handbook for Stabilization of Pavement Subgrades and Base Courses with Lime. Variaciones esperadas: (^) Reducción (temporal o permanente) en la plasticidad del suelo (IP). (^) Reducción (temporal o permanente) del potencial de hinchamiento. CAL HIDRATADA (%) ÍNDICE DE PLASTICIDAD (%) Rango de porcentajes aproximados de cal con los que se alcanza la estabilización. Rango de IP de suelos apropiados para ser estabilizados con cal. Límite líquido (LL): W% por encima del cual el suelo se comporta como un fluido viscoso. Límite plástico (LP): W% por encima del cual el suelo se deforma bajo carga. Límite de contracción (LC): W% máxima para la cual una pérdida de humedad no causa cambio de volumen. Contenido de agua, W Volumen, V Figura No.6. Cambios en el volumen y consistencia del suelo respecto al contenido de agua. (Figura modificada, a partir de original elaborado por la Subdirección de Suelos y Materiales de la DIDOP-VMOP). Fuente: Samtani, Naresh C. PE, PhD y Edward A. Nowatzki, PE, PhD. Soils and Foundations, Reference Manual. Publication No. FHWA NHI-06-088. Diciembre 2006. IP IP Estado Sólido Estado Semiplástico Estado Plástico Estado Líquido Viscoso Suspensión Líquida LC LP LL LP (^) LL Al adicionar Cal… Figura No.7. Cambio en el Índice de Plasticidad (IP) de un suelo al adicionarle cal. 15
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3. Estabilización de suelos con cal. 3.4 Propiedades ingenieriles del suelo que se mejoran (Cont…). Relación Densidad – Humedad. Figura No.8. Relación Peso Volumétrico Seco – Humedad de un suelo natural (0% Cal), y ese mismo suelo mezclado con 4% de Cal y sometido a un período de maduración de 24 horas. Fuente: Información procesada por personal de la DIDOP-VMOP. 28 30 32 34 36 38 40 42 44 1190 1210 1230 1250 1270 1290 1310 1330 Contenido de Humedad (%) P e s o v o l u m é tri c o s e c o (k g / m 3 ) PVSmáx = 1310 kg/m^3 Wópt = 34 % PVSmáx = 1260 kg/m^3 Wópt = 39 % Rango de variaciones generalmente esperado: (^) Disminución en el PVSmáx (48 - 80 kg/ m^3 ). (^) Aumento en el contenido de Wópt (2% - 4%). Δ Wópt = + 5% Δ PVSmáx = - 50 kg/m^3 (- 4%) 16 Suelo Natural (CH, IP = 34%) CH + 4% Cal (IP = 27%) El Wópt de la mezcla suelo – cal es la suma de la humedad requerida por el suelo natural, más la humedad necesaria para que en el período de curado continúe el proceso de hidratación de la cal incorporada.
y Desarrollo de la Obra Pública Resistencia a la compresión simple (RCS). (^) La ganancia de RCS depende de la cantidad de cal adicionada y del tipo de suelo. (^) Los suelos que reaccionan con la cal para producir un incremento en la RCS superior a 3.5 kg/cm 2 , (respecto a la RCS del suelo no estabilizado) después de un curado de 28 días a 22°C, son considerados reactivos , de lo contrario, son considerados no reactivos ( o modificados ).
3. Estabilización de suelos con cal. 3.4 Propiedades ingenieriles del suelo que se mejoran (Cont…). Fotografía No.2. Ensayo de Resistencia a Compresión no Confinada. Fuente: Fotografía tomada por personal de la DIDOP-VMOP. Figura No.10. Ganancia de Resistencia a la Compresión en suelos arcillosos estabilizados con cal. Adaptado de: Lime Association of Texas. Handbook for Stabilization of Pavement Subgrades and Base Courses with Lime. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (kg/cm2) CAL HIDRATADA (%) AASHTO T220 Standard Method of Test for Determination of the Strength of Soil-Lime Mixtures indica que generalmente una RCS de 7 kg/cm 2 es satisfactoria para capas base y que es deseable que los materiales que constituyen dichas capas contengan un mínimo de 50% de material pasante de la malla No.40 (425μm) previo al tratamiento. En dicho documento se indica también que la RCS mínima sugerida para capas subbase es de 3.5 kg/cm 2 . AASHTO T220 Standard Method of Test for Determination of the Strength of Soil-Lime Mixtures indica que generalmente una RCS de 7 kg/cm 2 es satisfactoria para capas base y que es deseable que los materiales que constituyen dichas capas contengan un mínimo de 50% de material pasante de la malla No.40 (425μm) previo al tratamiento. En dicho documento se indica también que la RCS mínima sugerida para capas subbase es de 3.5 kg/cm 2 . Rango de porcentajes aproximados de cal con los que se alcanza la estabilización. Valores de RCS satisfactorios para capas base y subbase. 18
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4. Diseño de mezclas suelo-cal. ¿Por qué se debe diseñar la mezcla suelo – cal? El objetivo principal del diseño de la mezcla es determinar el contenido óptimo de cal para estabilizar el suelo. Los objetivos deseados son obtener cambios permanentes en términos de plasticidad, relación densidad-humedad, resistencia a la compresión simple, otras. (^) Los requisitos de diseño estarán en función de los requerimientos establecidos por el Diseñador. (^) El material utilizado en el diseño deberá ser representativo del material que será incorporado al proyecto. 19
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4. Diseño de mezclas suelo-cal. 4.1 Determinación del contenido óptimo de cal. 4.1.1 AASHTO T220 Standard Method of Test for Determination of the Strength of Soil-Lime Mixtures****. Figura No.11. Cantidades recomendadas de cal para la estabilización de subrasantes y bases. Fuente: AASHTO T220. Standard Method of Test for Determination of the Strength of Soil-Lime Mixtures. 21
y Desarrollo de la Obra Pública 4.1.2 ASTMD D6276 Standard Test Method for Using pH to Estimate the Soil- Lime Proportion Requirement for Soil Stabilization****. Este método de ensayo es aplicado en materiales que pasan la malla No.40 ( μm). La proporción óptima de suelo-cal se determina mediante ensayos de características específicas del suelo estabilizado, tal como la Resistencia a la Compresión Simple (RCS) o el Índice de Plasticidad (IP). 4 La determinación del pH de la mezcla suelo-cal se realiza con el procedimiento de Eades & Grim, mediante el cual se le adiciona a un suelo la cantidad suficiente de cal para satisfacer todas las reacciones iniciales de corto plazo y proveer un pH lo suficientemente alto para mantener en la mezcla condiciones adecuadas para la ganancia de resistencia a la compresión.
4. Diseño de mezclas suelo-cal. 4.1 Determinación del contenido óptimo de cal (Cont…). (^4) Adaptado de: ASTM C6276 Standard Test Method for Using pH to Estimate the Soil-Lime Proportion Requirement for Soil Stabilization. Fotografía No.3. Instalaciones del Laboratorio de Suelos y Materiales de la DIDOP-VMOP. Determinación del porcentaje aproximado de cal para estabilizar el suelo. Fuente: Fotografía tomada por personal de la DIDOP-VMOP. Solución estabilizadora (agua + cal) Medidor electrónico de pH 2% cal 3% cal 4% cal 5% cal 6% cal Criterios a considerar para la determinación del contenido de cal. El porcentaje aproximado de cal para estabilizar el suelo, se obtiene al cumplirse uno de los siguientes criterios: (^) El porcentaje más bajo de cal con el cual se alcanza un pH = 12.4. (^) Si el pH > 12.4, se selecciona el porcentaje más bajo de cal con el cual se obtuvo el pH más alto en al menos dos muestras sucesivas. (^) Si el pH max ≤ 12.3, deben prepararse y ensayarse especímenes adicionales usando porcentajes de cal más altos; a partir de lo cual se verifica:
- Si el pHmax = 12.3 y fue obtenido en al menos dos especímenes sucesivos, el porcentaje más bajo de cal con el cual se obtuvo dicho valor, es el porcentaje de cal aproximado para estabilizar el suelo.
- Si el pHmax < 12.3, el ensayo es inválido. Deberá verificarse el equipo y/o repetirse el ensayo usando porcentajes de cal más altos. 22 Determinación del porcentaje aproximado de cal para estabilizar el suelo. Figura No.12. Determinación del porcentaje aproximado de cal, cuando pH = 12.4. (Gráfico elaborado por la Subdirección de Suelos y Materiales de la DIDOP-VMOP). Fuente: Información procesada por personal de la DIDOP-VMOP. Suelo Natural: CH.
