Estabilización de suelos arcillosos con el sistema Rocamix para subrasante de carreteras

Resumen

Como parte de las investigaciones que se realizan en Cuba con el empleo del sistema Rocamix para la estabilización de los suelos de subrasante de carretera, se muestran los resultados del producto aplicado al suelo arcilla de formación Capdevila, el cual en su estado natural no puede ser utilizado como subrasante de carreteras debido a su alta plasticidad y la baja resistencia de CBR, al estabilizar el suelo con el sistema Rocamix su practicidad disminuye, la resistencia de CBR aumenta lo que permite ser utilizado como subrasante de carreteras.

Introducción

El suelo es el material más antiguo de la construcción y ha sido el de mayor uso y proporción por el hombre en las obras de infraestructura, lo cual se puede observar ya en algunas tan antiguas y distantes, como los caminos y puentes romanos, por ejemplo, hasta en la Gran Muralla China. El suelo para el ingeniero civil representa la base sobre la cual se cimentan las estructuras (carreteras, puentes, edificios, puertos, aeropuertos), debido a lo cual este debe conocer bien todas sus características en aras de saber si sus propiedades son adecuadas para resistir las cargas debidas a las estructuras y al tráfico. En muchos casos las propiedades del suelo existente no son las más adecuadas, y para solucionar esta situación existen dos opciones: la primera es remover el suelo, desecharlo del lugar y sustituirlo por otro que tenga las características necesarias; la segunda consiste en estabilizar el suelo existente de modo que se obtenga un suelo que satisfaga las necesidades requeridas.

La primera solución es poco favorable, debido al notable agotamiento de canteras en todo el mundo. Además es una solución antieconómica y tiene efectos negativos en materia de medio ambiente, ya que las canteras representan fuentes principales de contaminación. La segunda solución resulta más factible, donde solamente se necesita mejorar las propiedades del suelo donde se realizará la obra a través del proceso de estabilización, logrando de esta forma mejores propiedades del suelo con menos recursos y conservando el medioambiente.

Existen diferentes tipos de estabilización de suelos dentro de estos métodos, la estabilización con aditivos químicos, a partir de exitosos trabajos ejecutados con ventajosa relación coste-efectividad, ha ido ganando adeptos en muchos países, resultando una fiable solución, merito conquistado a partir de una gran cantidad de kilómetros de vías que han sido construidos con estos procedimientos, con resultados satisfactorios. Se le denomina estabilizador químico de suelo a un compuesto químico al ser agregado a los suelos, lo altera, mejorando sus propiedades ingenieriles.

El presente trabajo forma una parte de un proyecto de investigación, que pretende llamar atención sobre resultados que se han logrado en el mejoramiento de suelos, con el uso de un aditivo químico como Rocamix.

Desarrollo

Para esta investigación se utiliza un suelo cuyo nombre es arcilla de formación Capdevila el cual está compuesto por una serie de Lutitas Calcáreas y Areniscas finas de color achocolatado que aflora en varias localidades de la Provincia de la Habana, su aspecto litológico es muy típico y fácil de distinguir.

Esta formación se encuentra principalmente en las Provincias cercanas a la Ciudad de la Habana y generalmente están intercaladas con otras formaciones que datan de la misma edad de la Capdevila. Este suelo se carecteriza por su alta plasticidad que limita su uso para subrasante de carreteras y debido a la gran area que ocupa el material y la necesidad de construcción de carreteras en esta area que abarca la formacion del suelo ha obligado a los investigadores a buscar soluciones para mejorar sus carecteristicas fisico-mecanicas para ser usado como material de subrasante.

El sistema Rocamix.

El producto Rocamix® es una solución acuosa de aceites sulfonados que incorporándose al mismo suelo del lugar produce en él cambios fundamentales, químicos-físicos de estructura, condicionándolo para alcanzar elevados índices CBR y compactaciones superiores al 100% del Proctor, aumentando la capacidad portante y la resistencia al esfuerzo cortante.

Técnica del Rocamix.

La estabilización iónica de suelos es un proceso mediante el cual se logra mejorar su comportamiento al adicionarles un producto químico que actúa en una fracción de tamaño menor a dos micrones y que es principalmente la arcilla.

El principio básico de la acción del agente estabilizador es un fuerte intercambio iónico con las partículas de arcilla mineral, desplazando el agua de absorción y ocupando el espacio iónico vacante. El resultado es una compactación y estabilización permanente, logradas con el mínimo esfuerzo mecánico, produciendo un material en el que las partículas son "petrificadas" simplemente por contacto directo. Y eso aumenta la capacidad de carga por mayor fricción entre partículas y mayor densidad.

Estabilización de suelos con el Rocamix.

Para estabilizar los suelos con el sistema Rocamix lo primero que se hace es la caracterización del suelo para determinar sus características fisico-mecanicas y para medir la mejoría que se alcanza al estabilizar el suelo.

Para la caracterización de la arcilla se realizarán los siguientes ensayos.

• Granulometría.

• Límites de consistencia.

• Determinar el peso específico

• Ensayo de compactación Proctor modificado.

• Ensayo del CBR.

Ensayo de granulometría para la arcilla.

Se define granulometría a la distribución de los diferentes tamaños de las partículas de un suelo, expresado como un porcentaje en relación con el peso total de la muestra seca. La granulometría se utiliza como un instrumento en la clasificación de los suelos.

La granulometría se determina por dos métodos:

Análisis por cribado

El análisis se realiza para tamaños de partículas mayores de 0,074mm y consiste en sacudir la muestra del suelo a través de un conjunto de tamices que tienen aberturas progresivamente más pequeña

Análisis por hidrométrico

Este análisis se realiza para tamaños de partículas menores de 0,074mm (Tamiz #200) de diámetro, el ensayo se basa en el principio de la sedimentación de los granos de suelo en agua. Cuando un espécimen de suelo se dispersa en aguas sus partículas se asientan a diferentes velocidades, dependiendo de su forma, tamaño y peso.

Este ensayo se realizó de acuerdo a la norma cubana NC20.1999 ´´Geotecnia. Determinación de la granulometría de los suelos. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 1 en Anexo 1.

Ensayos de límites de consistencia de la arcilla.

Los límites de consistencia o de Atterberg se basan en el concepto
de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes
estados, dependiendo de su propia naturaleza y la cantidad de agua que contengan.
Así, un suelo se puede encontrar en un estado sólido, semisólido,
plástico, y líquido.

El contenido de agua con que se produce el cambio entre estados varía
de un suelo a otro y en mecánica de suelos el interés es fundamentalmente
conocer el rango de humedades para el cual el suelo presenta un comportamiento
plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad).
Se trata de la propiedad que presentan los suelos hasta cierto límite.

Límite líquido.

Es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo se comporta como
un material plástico.

Límite plástico.

Es el límite inferior de la etapa plástica o sea el contenido
de humedad a considerar el suelo como material no plástico.

Este ensayo se realizó según lo que establece la norma
cubana NC 58:2000 Geotecnia. Determinación del límite líquido,
limite plástico e índice de plasticidad de los suelos, los resultados
obtenidos se muestran en la tabla 2 en Anexo 1.

Clasificación de la arcilla de formación de Capdevila

Para la clasificación se siguieron las orientaciones de la norma cubana NC 59: 2000 correspondiente a: Geotecnia. Clasificación geotécnica de los suelos.

En la tabla 3 Anexo 2 se muestran los valores promedios obtenidos de los ensayos de granulometría y límites de consistencia de la arcilla utilizados para la clasificación del suelo.

• Método del sistema de unificado de clasificación de suelos (SUCS).

Este suelo se clasificó como un CH. Arcilla muy plástica.

• Método de la American Association of state Highway and Transportation officials (AASHTO).

Este suelo se clasificó por esta norma como un A-7-6 (18).

Ensayo de peso específico de la arcilla

Se define como peso específico al volumen real que ocupa la materia
solida del suelo.

Este ensayo se realizó de acuerdo a la norma cubana NC19.1999
Geotecnia. Determinación del peso específico de los suelos. Los
resultados se muestran en la tabla 4 Anexo 2.

Ensayo de compactación del suelo:

La compactación es el proceso realizado generalmente por medios mecánicos por el cual se obliga a las partículas de suelo a ponerse más en contacto con otras, mediante la expulsión del aire de los poros, lo que implica una reducción más o menos rápida de los vacíos, lo que produce en el suelo cambios de volumen

Este ensayo se realizó según la norma cubana NC XX: 2006.Geotecnia. Método de ensayo para la determinación de las características de compactación del suelo en el laboratorio, los resultados se muestran en la tabla 5, Anexo 2.

El índice de CBR no es más que la relación de carga unitaria para lograr una profundidad de penetración en un espécimen de suelo compactado. El material se encuentra preparado bajo condiciones determinadas de humedad y densidad dadas con respecto a los valores obtenidos de los ensayos Proctor modificado.

Este método de ensayo se aplica principalmente a la evaluación de la resistencia de los materiales con tamaño máximo de las partículas menores de 3/4"". Este índice también se utiliza para evaluar la capacidad de soporte de los suelos de explanaciones, aunque es también aplicable a capas de base y subbase de pavimentos

Este ensayo se realizó según la norma cubana NC XX: 2000 Geotecnia. Determinación del CBR de los suelos en el laboratorio, Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 6 de Anexo 3.

Conclusiones Parciales

• 1. Al realizar la caracterización del suelo se determinó que es un suelo de alta plasticidad, y su índice de CBR es de 1.8% con estos resultados se puede concluir que el suelo no es apto para ser usado como subrasante de carreteras ya que no cumple con los requisitos establecidos por las normas cubanas ya que el mínimo de CBR de 5%. Y debido a esta situación se hace necesario estabilizar el suelo con el nuevo sistema ROCAMIX.

• 2. Al caracterizar el suelo Formación Capdevila, el cual tenía limitantes en cuanto a sus propiedades mecánicas para la utilización de ella en subrasante y debido a esto el suelo será estabilizado con el nuevo sistema Rocamix para elevar el valor del CBR Y mejorar sus propiedades.

• 3. Conocida la clasificación del suelo por la AASHTO se tomó la dosificación que brinda el fabricante del ROCAMIX

Dosificación ROCAMIX

Para incorporar o agregar el producto al suelo que se requiere estabilizar se debe clasificar el mismo para darle la dosis para su estabilización. (Ver Anexo 4)

Para la preparación del suelo se mezcló en agua 1L de Rocamix concentrado por cada metro cubico de suelo y se dejó reposar por un periodo de 48h dentro del laboratorio sin tapar; por ejemplo, para esta dosificación se tiene que: a 5kg de suelo se le aplica de forma uniforme 3.57ml de Rocamix concentrado disueltos en aproximadamente la cantidad de agua correspondiente al valor de la humedad óptima del ensayo Próctor Modificado.

Se prepararon con esta dosificación todo el suelo necesario para llevar a cabo los ensayos Próctor y CBR, minimizando así el error de dosificación.

La cantidad de cemento utilizada responde a la dosificación siguiente: 25kg de cemento por cada metro cubico de suelo. En los ensayos de compactación se le agrego el cemento al suelo e inmediatamente se comenzó el proceso de compactación. Un ejemplo de esta dosificación es que a 5kg de suelo se le aplica 89.29g de cemento lo más homogéneamente posible.

Al suelo estabilizado con el nuevo sistema Rocamix se le realizan los ensayos de límite de consistencia, proctor modificado, CBR. (Ver Tablas 7,8, 9 y 10 en el Anexo 5)

Conclusiones

El sistemas de estabilización aplicado al suelo de la Formación Capdevila, realizó aportes significativos a las características mecánicas del suelo; convirtiéndolo de un suelo casi marginal a uno que cumple los requisito necesarios estipulados en la norma cubana de carreteras, para ser utilizado en subrasantes.

La estabilización química con el aditivo Rocamix, ha demostrado ser efectiva en los suelos arcillosos.

Referencias bibliográficas

Braja, M. Das. Principles of Geotechnical Engineering. Sixth Edition. Thomson canada Ltd, 2006.

Sowers G. B. and Sowers G.F. Introducción a la mecánica de suelos y Cimentaciones. Mexico D.f.Limusa, 1978

Guzman, C. A. V. (2008). Estudio comparativo de estabilización de suelos arcilloso altamente expansivo utilizando co-polimero multienematico, universidad michocana de san nicolas de hidalgo.

Norma cubana 20.1999 Geotecnia. Determinación de la granulometría de los suelos

Norma cubana 58.2000 Determinación del límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de los suelos.

Norma cubana 59.2000 Geotecnia. Clasificación geotécnica de los suelos

Norma cubana 19:1999 Geotecnia. Determinación del peso específico de los suelos

Anexo

ANEXO 1

Tabla 1. Resultados de la granulometría

Figura 1. Granulometría de la arcilla

Tabla 2. Limite líquido, limite plástico e índice de plasticidad de la arcilla de formación Capdevila.

ANEXO 2

Tabla 3. Valores promedios de la granulometría y límites de consistencia de la arcilla

Tabla 4. Resultados del ensayo del peso específico de la arcilla

Tabla 5. Resultados del ensayo Proctor modificado de la arcilla de formación Capdevila.

Figura 2.Curva de compactación del Proctor modificado de la arcilla

ANEXO 3

Tabla 6. Resultados del proctor modificado de la arcilla Capdevila

Figura 3. Fuerza vs penetracion

ANEXO 4

ANEXO 5

Tabla 7. Ensayo límite de consistencia

Tabla 8. Ensayo de proctor modificado

Tabla 9. Resultados del CBR de la arcilla con el Rocamix

Tabla 10. Comparación entre el suelo natural y el suelo estabilizado con el sistema Rocamix.

Autor:

Ing. Aiman, Ali Mohammed.

Maestrante en Vías de Comunicación Terrestres.

Universidad Central ?Marta Abreu? de Las Villas. Cuba.