Estabilizacion de Bases

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ESTABILIZACION DE BASES 1.- DEFINICIÓN Es el procedimiento de mejoramiento del suelo con la finalidad de hacerlo apto para su uso en bases y sub - bases de pavimento. Este proceso consiste en aumentar la densidad de un suelo, para ello se le compacta mecánicamente.

2.- RAZONES POR LA CUAL ESTABILIZACIÓN DE BASES

SE

REALIZA

LA

1. Cuando el suelo de subrasante es desfavorable, o muy arenoso o muy arcilloso. 2. En el caso que se tenga materiales para base o subbase en el límite de especificaciones. 3. Si las condiciones de humedad son desfavorables. 4. En mejoramiento de pavimentación, aprovechando los materiales existentes.

3.- ENSAYOS PREVIOS AL ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

la

estabilización

se

TRATAMIENTO

justifica

DE

Previamente al tratamiento de un suelo en lo que respecta a su estabilización, se deben realizar los siguientes análisis:

 Gradación Granulometría Grado de mezcla de los distintos tamaños de material sedimentario. Una buena gradación implica una distribución más o menos uniforme de grueso a fino una

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gradación mediocre implica uniformidad de tamaño o ausencia de continuidad en la gradación. El tamaño de los granos de un suelo se refiere a los diámetros de las partículas que lo forman, cuando es indivisible bajo la acción de una fuerza moderada. Las partículas mayores son las que se pueden mover con las manos, mientras que las más finas por ser tan pequeñas no pueden ser observadas con un microscopio. De igual forma constituye uno de los fundamentos teóricos en los que se basan los diferentes sistemas de clasificación de los suelos, como H.R.B. y el S.U.C.S.

 Límites de Atterberg Los límites de Atterberg, o límites de consistencia, sirven para cuantificar la plasticidad de un suelo. Estos límites, establecidos por Atterberg en 1911, miden la plasticidad del suelo a través de las humedades que separan los tres estados (sólido, plástico y viscoso), o lo que es lo mismo, las humedades necesarias para que un suelo alcance los estados límite sólido y viscoso. Estas humedades son el Límite líquido, definido como la humedad con la que una cierta huella en el suelo se cierra con una energía determina, y el Límite plástico, definido como la humedad con la que al intentar moldear unos cilindros delgados de suelo, estos se agrietan. Estos límites son los límites líquido, plástico y de contracción. Límite líquido.- Es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo se comporta como un material plástico. A este nivel de contenido de humedad el suelo está en el vértice de cambiar su comportamiento al de un fluido viscoso. Materiales que se utilizan para este ensayo: FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

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-Taras respectivamente pesadas -Espátula convencional para pulir y homogenizar la superficie de la muestra en la copa de Casagrande. -Balanza -Copa de Casagrande -Horno -Ranurador

Límite plástico.- Es el contenido de humedad por debajo del cual se puede considerar el suelo como material no plástico.

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Límite de contracción.- Es el contenido de humedad por debajo del cual no se produce reducción adicional de volumen o contracción en el suelo.

 Contenido de humedad

Este ensayo tiene por finalidad, determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. El contenido de humedad de una masa de suelo, está formado por la suma de sus aguas libre, capilar e higroscópica.

 CBR FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

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El CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2” de penetración, expresada en por ciento en su respectivo valor estándar. También se dice que mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte, que no es constante para un suelo dado sino que se aplica solo al estado en el cual se encontraba el suelo durante el ensayo.

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Que factores inciden en la selección de un proceso de estabilización:  Bajo costo  Resistencia  Durabilidad

4.- TIPOS DE ESTABILIZACION DE LOS SUELOS

A. B. C. D.

Estabilización Físico – mecánica Estabilización Físico – química Estabilización Térmica – eléctrica Estabilización Electroquímica

A continuación se explica dichos tipos de estabilización:

A. Estabilización Físico – mecánica Se logra mediante un cambio real o aparente en la granulometría que consiste simplemente en el mejoramiento de un suelo mediante la adición de otro suelo proveniente de sitio seleccionado.

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B. Estabilización Físico – química a) Estabilización Suelo - asfalto Su uso está limitado a suelos granulares o de partículas gruesas. Tiene los fines: 1.- Reducir la absorción de agua del material. 2.- Incrementar la resistencia de un material Fórmula para la determinación del asfalto: P = 0.015 A + 0.02 B + 0.03 C + 0.09 D

Donde: P = % de asfalto. A = % de material retenido en el tamiz Nº 10 B = % de material que pasa el tamiz Nº 10 y se retiene en el Nº 40 C = % de material que pasa el tamiz Nº 40 y es retenido en el Nº 200 D = % de material que pasa el tamiz Nº 200 A) REQUISITOS DEL ASFALTO: Dosificación entre 2 y 10% en peso. Utilización económica y sencilla en caminos de bajo tránsito El objetivo del estabilizado de caminos es presentar una técnica constructiva de bajo costo y con buenas condiciones de servicio para mejorar la red vial en caminos y calles no pavimentadas y con ello una sustancial mejora en la calidad de vida de los habitantes de la zona tanto en sus aspectos sociales como en los económicos. Parte importante del bajo costo de esta técnica es que se utiliza el suelo del lugar. Es decir no es necesario proveerse de suelos seleccionados (ahorro en transporte). La técnica descripta más abajo es posible efectuarle con el equipamiento presente en la mayoría de los municipios del país. Además, no se necesita personal altamente especializado con lo cual se transforma una importante fuente de trabajo en la zona de la obra. FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

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Los productos utilizados en la estabilización de suelos son variados tanto asfálticos como no asfálticos. Hay varios factores a favor del uso de las emulsiones asfálticas, frente a otros productos asfálticos: Es un producto apto desde el punto de vista ecológico ya que lo único que libera al medio es agua. Dado que las emulsiones se trabajan a temperatura ambiente, no requieren calentamiento para su manipulación ni para su empleo en obra disminuyendo así los riesgos de quemaduras en los operarios. Además, como el medio dispersante es agua las emulsiones no son inflamables ni emanan vapores de hidrocarburo hacia la atmósfera. El objetivo del estabilizado es otorgarle al suelo resistencia mecánica y que ésta resistencia permanezca con el tiempo. El estabilizado del suelo con emulsión asfáltica se puede realizar con o sin el agregado de otros materiales. Por ejemplo, en algunos casos se agrega arena constituyéndose en un estabilizado llamado Suelo-Arena-Emulsión. BAJO COSTO INICIAL DE LA ESTRUCTURA TRANSITABILIDAD BAJO CUALQUIER CONDICION CLIMÁTICA CONSERVACIÓN SIMPLE Y DE BAJO COSTO El hecho de aplicar esta técnica en caminos de bajo tránsito implica cambiar la metodología de trabajo pero no disminuir las exigencias de calidad de los materiales ni del proceso constructivo y del mantenimiento posterior. Diseño de un estabilizado con emulsión asfáltica

En un estabilizado suelo-arena-emulsión cada componente cumple una determinada función. El suelo aporta cohesión a la mezcla, por eso es importante controlar los valores de plasticidad. La arena aporta sus propiedades friccionales carantes en el suelo. De aquí surge que la proporción optima entre arena y suelo se logra cuando el suelo llena los espacios vacíos dejados por la arena. El asfalto, proveniente de la emulsión asfáltica, es el que hace la mezcla insensible al agua. Mediante ensayos sencillos no solo es posible dosificar correctamente un estabilizado de suelos sino también predecir sus características una vez realizado.

Procedimientos constructivos FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

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El procedimiento constructivo depende principalmente del equipamiento disponible. A continuación se describe un procedimiento constructivo simple, con equipos disponibles en la mayoría de los municipios o comunas.

Mezcla La mezcla de suelo con arenas naturales o escorias, de ser necesaria, se realiza en el camino. Se escarifica el suelo usando motoniveladoras con escarificadores y rastras de disco de uso agrícola. Este paso es fundamental para tener un material uniforme en el cual se agregará la emulsión. Luego de la incorporación de emulsión es necesario asegurarse el mezclado efectivo antes de que se produzca su rotura. Esto se logra con un contenido de humedad total superior a la de compactación. Este adicional de humedad requerido es menor cuanto mayor sea la energía de mezclado empleada. Por ello es aconsejable la utilización de mezcladores ambulo-operantes. Compactación Preferentemente se debe realizar con rodillos neumáticos (NO usar rodillo metálico) a fin de sellar y alisar la superficie. Si no se dispone de estos se puede efectuar la compactación mediante pasadas sucesivas de camiones cargados.

Curado En los estabilizados con emulsión asfáltica, debe evaporarse parte del agua de la mezcla. Esto da como resultado un aumento de la resistencia mecánica de la capa, debido al incremento de cohesión aportada por la fracción arcillosa del suelo. Si bien el tiempo necesario para lograr la mayor resistencia mecánica puede prolongarse por varios meses, la habilitación al tránsito se realiza una vez finalizado el proceso de compactación. Construcciones en etapas El procedimiento descrito no sólo mejora el tránsito de las calles y caminos sino que elimina una gran molestia como es la formación de polvo provocada por los vehículos que circulan en zonas no pavimentadas. Además, si se desea, permite realizar en una segunda etapa una mejora de la superficie del camino. Esta consiste en efectuar, posteriormente al curado del estabilizado, un sellado con arena o una nueva superficie de rodadura. En el caso de la nueva superficie de rodadura las posibilidades son el tratamiento superficial, ya sea simple o múltiple, o la lechada asfáltica.

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b) Estabilización Suelo – cemento Al mezclar un suelo con cemento se produce un nuevo material duro, con mejores características que el usado como agregado. Se obtiene un material de mayor resistencia. Esta estabilización es menos sensible a la humedad que la de suelo-asfalto. Puede usarse todos los suelos para efectuarla, excepto los altamente orgánicos, aunque los más convenientes son los granulares, de fácil disgregado. A) REQUISITOS DEL CEMENTO:  La cantidad aproximada de cemento debe estar comprendida entre un 3% mínimo a un 8% máximo en peso, respecto al del material a estabilizar. B) MATERIALES  Los materiales bien gradados contendrán entre un 55 a 65% de agregado grueso retenido en el tamiz No 4.  El aglutinante para la mezcla estará constituido por cemento Portland tipo I o tipo II.

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 El agua para la hidratación de la mezcla debe cumplir con las siguientes exigencias: Sustancias nocivas del agua

C) ENSAYOS Y TOLERANCIAS  La granulometría de la mezcla debe ser comprobada (AASHTO T 11 y T 27).  La densidad de campo no debe ser menor al 100% de la densidad máxima seca establecida en laboratorio, (AASHTO T 180).  El contenido de cemento en la mezcla (AASHTO T 211), y se debe efectuar ensayos de compresión simple para comprobar que la resistencia no sea inferior a 25 Kg /cm2. Tiene aplicaciones de gran importancia en el diseño de pavimentos, las cuales podemos mencionar: a.1) Como capa de base para: Caminos y calles de tránsito liviano. Superficie de tránsito secundario en aeropuertos. Playas de estacionamiento. b.1) Como capa de sub-base para: Pavimentos de concreto. Pavimentos suelo cemento. Pavimentos flexibles. c.1) Como sub rasante tratada.

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La estabilización suelo cemento es recomendable para suelos medianamente plásticos, por permitir lograr mas resistencia. La estabilización de suelos predominantemente finos con cemento no puede resistir tensiones horizontales por falta de fricción interna, por lo tanto no es recomendable para este tipo de suelos. Este método de Estabilización Suelo-Cemento, es un proceso químico que se utiliza estabilizar y mejorar suelos, consiste en añadirle al suelo, cemento en seco y para proporciones de agua, con la finalidad de dar un buen fraguado y una compactación adecuada esto nos ayuda sobre todo a tener una buena disgregación de suelos finos, como son los suelos arcillosos fundamentalmente. Como cada tipo de suelo requiere una cantidad adecuada de cemento para su estabilización, por lo tanto es importante tener en consideración las características, el comportamiento, así como las condiciones del terreno. Para suelos arenosos, se requiere una cantidad del 7 al 10% en volumen de cemento, mientras que, para suelos arcillosos, se requiere una cantidad de cemento en proporciones del 12 al 16% y aún mas en algunos casos, los suelos arcillosos requieren mucho mas cemento, que en los suelos arenosos, por lo tanto estabilizar con cemento a un suelo muy arcilloso, es bastante costoso, sobre todo cuando el material de préstamo se encuentre en distancias muy grandes del lugar de la obra.

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c) Estabilización Suelo - cal Su uso está limitado a suelos que contengan minerales arcillosos, con los cuales hacer la “acción puzolánica” que lentamente va cementando las partículas del suelo. Se utiliza en casos que no se necesite pronta resistencia. Este aglomerante es muy adecuado para bajar la plasticidad de los suelos arcillosos para contrarrestar el alto contenido de humedad en terracerías o en bases y subbases, siempre que éstas no sean muy arenosas. Consiste en mezclar el suelo con cal en un porcentaje de peso, es recomendable su aplicación a suelos finos arcillosos por reaccionar mejor con este material debido a la reducción de sus propiedades plásticas. Las arcillas frecuentemente requieren estabilización con el objeto de incrementar su resistencia y disminuir su sensibilidad a cambios volumétricos a consecuencia de cambios en el contenido de agua. Mediante el tratamiento de suelos arcillosos con cal se logra cambios en las propiedades Del suelo, obteniéndose así efectos como:  Reducir el índice plástico en forma considerable, esto es debido a un pequeño incremento en el límite plástico y una considerable reducción en el límite líquido.  El agua y la cal colaboran para acelerar la disgregación de los granos de arcilla durante la operación de pulverizado, lo cual facilita la trabajabilidad.  Se reduce los efectos aglomerantes.  En lugares donde el suelo tiene un alto contenido de humedad, la aplicación de la cal facilita el disgregado del suelo del suelo, lo que a su vez propicia el secado más rápido.

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 Las contracciones debido al cambio de humedad se reduce considerablemente.  La resistencia del suelo a la compresión se incrementa, así mismo el valor relativo de soporte.  La capa estabilizada proporciona una excelente plataforma de trabajo para la construcción de las capas superiores de la sección estructural de un camino. La forma más usual de la cal empleada en las estabilizaciones es la hidratada, óxidos o hidróxidos de calcio. El efecto básico de la cal es la constitución de silicatos de calcio que se forman por acción química de la cal sobre los minerales de arcilla, para formar compuestos cementadores. La cal se prepara generalmente calentando carbonatos de calcio, muchas veces bajo formas de calizas naturales, hasta que pierden su bióxido de carbono y deriven en óxidos de calcio; el resultante es la cal viva, muy inestable y ávida de agua, lo que hace difícil su manejo y almacenamiento, por lo que suele de hidratarse de inmediato. Para formar la cal estabilizante no es preciso partir de calizas puras, sino que pueden tolerarse algunas impurezas. A) REQUISITOS DE LA CAL: Las cantidades de cal pueden variar entre el 2 y 6% en peso, del material estabilizado. B) MATERIALES  Los suelos que se utilicen no deben tener partículas de tamaño superior a 80 mm.  La cal debe estar seca al momento de su incorporación al suelo, para que fluya, debe estar protegida de la humedad hasta su utilización.  El agua que se utilice para el mezclado y el curado de la mezcla deberá estar en óptimas condiciones. C) ENSAYOS Y TOLERANCIAS  Para controlar el contenido de cal en la mezcla y su homogeneidad se debe realizar el ensayo para determinar el PH, cuyo valor mínimo será de 11.

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 La granulometría se debe realizar para comprobar que el 100% de la mezcla pasa el tamiz de 1 in (25.4 mm) y no menos del 60% pasa el tamiz No 4 (4.75 mm).  El espesor de la capa no puede variar en más de 2 cm del espesor estipulado en el contrato. D) COMPACTACION  Para la compactación se deberá usar rodillos pata de cabra, y luego rodillos lisos de tres ruedas de acero o rodillos neumáticos. El espesor de cada capa compactada no deberá ser mayor a 15 cm.  La compactación se iniciará a los costados de la vía e irá progresando hacia el centro hasta lograr un 95% de la densidad máxima obtenida en el laboratorio, (AASHTO T- 147). E) CURADO  La capa mezclada y compactada debe ser curada por un lapso de 3 a 7 días.  El curado de todas las capas estabilizadas podrá efectuarse mediante riegos ligeros de agua, que mantengan la superficie húmeda mientras se rodilla con compactadores neumáticos hasta su curado completo.

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C. Estabilización Térmica – eléctrica Se han realizado trabajos en los Estados Unidos para estudiar los tratamientos térmicos para arcillas expansivas. Calentando las arcillas aproximadamente a 200 ºC puede reducir significativamente el potencial de variación de volumen. Este método no ha sido desarrollado por ser poco económico. Éstas no precisan la adición de productos, sino que simplemente se hacen por medio de tratamientos térmicos, eléctricos, etc.

D. Estabilización Electroquímica

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El aceite sulfonado es un producto derivado de la fracción naftaleno del petróleo, sulfonado; ácido de acción moderada que tiene fuertes material corrosivos en materiales orgánicos muertos y suaves en los vivos. Es un líquido espeso de color negro con una gravedad específica de 1.15, el PH es alrededor de 1.25; su viscosidad es ligeramente menor a la del agua y de alta conductividad en soluciones acuosas, soluble en agua, a la cual se ioniza con extrema rapidez. El aceite sulfonado ioniza el agua de compactación la cual intercambia vigorosamente sus cargas eléctricas con las partículas del suelo, haciendo que el agua pelicular se desprenda convirtiéndose en agua libre, y las partículas se aglomeran por atracción electroquímica y precipitan sellando así la estructura porosa capilar del suelo, aumentando su densidad, resistencia y capacidad portante. EFECTOS Y CONSECUENCIAS:      

Reduce la porosidad y capilaridad al mínimo. Elimina masas saturadas (bombas). Aumenta la densidad y la capacidad portante. Disminuye la energía y el tiempo de compactación. Reduce el espesor de la sub-base, base y carpeta asfáltica. Disminuye el mantenimiento

El aceite sulfonado trabaja en suelos con clasificación de A-4 hasta A-7 (suelos limosos – suelos arcillosos). En mezclas de grava y finos que contengan, en volumen por lo menos 20 % del material fino que pasa el tamiz N° 200 y en mezclas de arena y finos. No trabaja en suelos de pura arena o de materiales granulares lavados. PARA CARRETERAS DE BAJA FRECUENCIA DE TRÁNSITO PUEDEN SEGUIRSE LAS SIGUIENTES INDICACIONES:    

Inyección. Terraplenes Construidos Terraplenes en construcción Riego Superficial

INYECCION: Se realiza para incrementar la capacidad portante del terraplén hasta un metro de profundidad, reducir su capilaridad, destruir los materiales orgánicos que puedan estar en la masa de suelo y eliminar bombas, mediante el drenaje que produce el agua pelicular y la saturación. El rápido drenaje de las

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aguas desplazadas por la acción electroquímica, se logra por las perforaciones en el terraplén, que actúan como ductos de ventilación.

TERRAPLENES CONSTRUIDOS: Para carreteras se perforan cada 4 metros, en tres bolillos, a ambos lados del eje de la vía. Para áreas extensas que están confinadas deberán colocarse sub-drenes para permitir la salida del agua que se desprende de la masa de finos por efecto de la inyección. Las perforaciones se hacen de 15 centímetros (6”) de diámetro y 80 centímetros (30”) de profundidad. Para eliminar bombas en las carreteras, las perforaciones se harán cada 2 metros en 3 ejes, a ambos lados y en el centro de la vía; en áreas extensas la retícula se hará de 2 metros. DOSIS: 0.1 litro de aceite sulfonado por inyección. DILUCION: 1 litro de aceite sulfonado en 300 litros de agua.

TERRAPLENES EN CONSTRUCCIÓN: En terraplenes que se vayan a construir puede sustituirse la inyección por el riego de las primeras capas del mismo, lo cual FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

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será más eficiente que la propia inyección, para ello se colocará el químico como aditivo del agua de compactación. Como consecuencia de la reacción electroquímica debida al aceite sulfonado, ocurrirá un ahorro en la energía de compactación total y los resultados esperados se lograran más rápido. DOSIS: 0.015 litros de aceite sulfonado por M2 de superficie de cada capa de 30 centímetros. (Aplicar a las capas en – 60 cms y – 30 cms.). DILUCION: 1 litro de aceite sulfonado en 400 litros de agua.

RIEGO SUPERFICIAL: Se aplica en la última capa del terraplén, construido o en construcción, para estabilizar hasta un espesor de 30 centímetros. DOSIS: 0.03 litros de aceite sulfonado por M2. DILUCION: La dilución del producto en agua depende del grado de humedad del suelo en relación a su humedad óptima.

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