UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL REGIÓN XALAPA EVALUACIÓN DEL MEJORAMIENTO DE SUELOS ARCILLOSOS EMPLEANDO MATERIALES CEMENTANTES

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL REGIÓN XALAPA EVALUACIÓN DEL MEJORAMIENTO DE SUELOS ARCILLOSOS EMPLEANDO MATERIALES CEMENTANTES TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO CIVIL PRESENTA DIRECTORES DR. ERICK ÉDGAR MALDONADO BANDALA DR. MIGUEL ANGEL BALTAZAR ZAMORA Enríquez Veracruz Enero 2012

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3 La teoría es asesinada tarde o temprano por la experiencia Albert Einstein i

4 DEDICATORIAS A mi padre, que lo quiero con todo mi corazón por tener fe en mí en todo momento y por darme esa fuerza de voluntad con su ejemplo, de luchar siempre para lograr las metas. A mi madre, que a pesar de no estar con nosotros en lo terrenal, la tengo muy presente en lo espiritual, fue mi principal inspiración para realizar este logro y estoy seguro que la llenaría de felicidad si estuviera a mi lado. A mis hermanos y hermanas, porque con su comprensión, ayuda y cuidado llegué a tener las fuerzas para seguir adelante. ii

5 AGRADECIMIENTOS Al Dr. Erick Edgar Maldonado Bandala, por ser la guía en la realización de este trabajo y por su valiosa amistad. A todos los catedráticos que compartieron sus experiencias y transmitieron sus conocimientos durante mi formación profesional. A la Junta Estatal de Caminos y La Secretaria de Comunicaciones y Transportes por facilitarme el uso del laboratorio. Al Albergue Estudiantil Salvador Díaz Mirón A.C. por ser la instancia que me enseño el camino adecuado para lograr los propósitos. A todos mis amigos, por su invaluable amistad y apoyo moral en los tiempos difíciles. iii

6 Lo que sabemos es una gota de agua; lo que ignoramos es el océano Isaac Newton iv

7 INDICE GENERAL INTRODUCCIÓN. 1 OBJETIVOS. 2 HIPÓTESIS 2 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1 Antecedentes Pavimentos Pavimentos flexibles Características de los pavimentos flexibles Pavimentos rígidos Terreno natural Características de los pavimentos rígidos Fallas por deformación en pavimentos según el IMT Materiales de construcción Cuerpo de terraplén Capa sub-rasante Capas de pavimento Pruebas para los materiales de construcción Tratamiento de materiales Tipos de tratamientos 19 CAPÍTULO II ESTABILIZACIÓN DE SUELOS 2.1 Generalidades Estabilidad volumétrica Resistencia Permeabilidad Durabilidad Compresibilidad Métodos de estabilización de suelos Clasificación de suelos para fines de estabilización Método NORTHCOTE para la identificación de los minerales de un suelo.. 31 v

8 2.3 Físico-Química de las arcillas Caolinitas Montmorilonitas Ilitas Estabilización con cal Acción de la cal en arenas y limos Diseño de la estabilización con la adición de cal Estabilización mediante la adición de cemento portland Mecanismo de estabilización de suelos con cemento portland Diseño de la estabilización con cemento Proyecto de la estabilización Estabilización mediante otros materiales CAPÍTULO III METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 3.1 Generalidades Localización de la zona de estudio Características de los materiales a emplear como estabilizantes Cal Cemento Suelo en estudio Caracterización y clasificación del suelo Identificación de los minerales constituyentes de un suelo según el método NORTHCOTE Características del suelo Mejoramiento de suelos con cemento Límites de Atterberg prueba de compactación (M-MMP-1-09/06 COMPACTACIÓN AASHTO) Mejoramiento de suelos con cal Límites de Atterberg Prueba de compactación (M-MMP-1-09/06 COMPACTACIÓN AASHTO) CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES 4.1 Caracterización del suelo por estabilizar Inferencia del tipo de mineral Granulometría vi

9 4.1.3 Límites de Atterberg Peso volumétrico seco máximo VRS y Expansión Estabilización con cal Límites de plasticidad Compactación AASHTO Estabilización con cemento portland Límites de plasticidad Compactación AASHTO CONCLUSIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 108 vii

10 INDICE DE FIGURAS FIGURA 1.1 Estructura de un pavimento flexible. 07 FIGURA 1.2 Estructura de un pavimento rígido FIGURA 1.3 Comparación de un pavimento rígido y uno flexible FIGURA 1.4 Falla por rodera FIGURA 2.1 Esquema de la prueba de inmersión del grumo en agua. 37 FIGURA 2.2 Esquema de la estructura de la lámina silícica.. 42 FIGURA 2.3 Esquema de una unidad hexagonal de una lámina silícica FIGURA 2.4 Esquema de una unidad hexagonal de una lámina silícica. 44 FIGURA 2.5 Método de la PCA para el proyecto de mezclas de suelo con cemento FIGURA 3.1 Ubicación del Municipio de, Veracruz FIGURA 3.2 Localización de la zona en estudio FIGURA 3.3 Juego de Tamices para la prueba de Granulometría FIGURA 3.4 Estados de un suelo de acuerdo a la humedad FIGURA 3.5 Copa de Casagrande para la prueba de Límite Líquido FIGURA 3.6 Límite plástico.. 69 FIGURA 3.7 Molde y pisón de la prueba AASHTO Estándar FIGURA 3.8 Prueba de límites de Atterberg. 73 FIGURA 3.9 Mezclado de material con cemento para la prueba de compactación 75 FIGURA 3.10 Límites de consistencia FIGURA 3.11 a) Mezclado de suelo con cal b) Pesado de espécimen con suelo compacto.. 80 FIGURA 4.1 Comportamiento de grumo bajo inmersión. Dispersión total viii

11 INDICE DE TABLAS TABLA 2.1 Descripción del sistema Northcote TABLA 2.2 Principales tipos de minerales.. 33 TABLA 2.3 Inferencias de la observación de perfil de suelos 34 TABLA 2.4 Inferencias de la observación visual.. 36 TABLA 2.5 Propiedades ingenieriles de las componentes del suelo. 39 TABLA 2.6 Respuesta a la estabilización de los principales tipos de suelo. 40 TABLA 4.1 Inferencias de la observación visual.. 82 TABLA 4.2 Inferencias de la observación de perfil de suelos. 83 TABLA 4.3 Distribución de partículas.. 86 TABLA 4.4 Granulometría del suelo del lugar TABLA 4.5 Resistencia a la penetración (VRS). 93 TABLA 4.6 Expansión Bajo inmersión.. 94 TABLA 4.7 Listado de prácticas de laboratorio realizadas al suelo TABLA 4.8 Requisitos de calidad para sub-bases SCT ix

12 INDICE DE GRAFICAS GRAFICA 4.1 Curva Granulométrica del suelo del lugar 87 GRAFICA 4.2 Límites de granulometría para una Sub-base. 88 GRAFICA 4.3 Comparación del suelo con los límites para una Base que solo se tratara superficialmente GRAFICA 4.4 Comparación del suelo con los límites para una Base de un concreto hidráulico habiendo agregado al material cemento.. 89 GRAFICA 4.5 Determinación del Límite Líquido. 90 GRAFICA 4.6 Ubicación dentro de la carta de plasticidad.. 91 GRAFICA 4.7 Obtención de PVSM.. 92 GRAFICA 4.8 Valor Relativo de Soporte.. 94 GRAFICA 4.9 Comportamiento de límite líquido con la adición de cal.. 96 GRAFICA 4.10 Comportamiento de Límite Plástico con la adición de cal.. 97 GRAFICA 4.11Comportamiento de Índice Plástico con la adición de cal.. 97 GRAFICA 4.12 Localización de las mezclas con Cal. 98 GRAFICA 4.13 Variación de la Compactación y b) Variación de la humedad óptima GRAFICA 4.14 Curvas de fluidez de las mezclas con cal. 99 GRAFICA 4.15 Comportamiento del Límite Líquido con la adición de Cemento GRAFICA 4.16 Comportamiento del Límite Plástico con la adición de cemento GRAFICA 4.17 Comportamiento del Índice Plástico con la adición de cemento GRAFICA 4.18 Ubicación de las mezclas con cemento en la carta de Plasticidad. 102 GRAFICA 4.19 a) Variación de la Compactación y b) Humedad optima GRAFICA 4.20 Curvas de fluidez en mezclas de cemento. 103 GRAFICA 4.21 Comportamiento del límite líquido con la especificación 103 GRAFICA 4.22 Comportamiento del Índice Plástico con la norma para Sub-bases GRAFICA 4.23 Comportamiento del PVSM x

13 INTRODUCCIÓN Las vías terrestres son un factor fundamental dentro de la infraestructura física de un país, estas influyen directamente en el crecimiento del Producto Interno Bruto nacional, agilizan el mercado, comunican poblaciones, mejoran la calidad de los servicios públicos y la calidad de vida de sus beneficiarios. La buena planeación, construcción y supervisión de una vialidad tendrá por resultado una buena obra de calidad, pero no siempre una obra de calidad va de la mano con la economía de dicha obra. En ciertas ocasiones las obras se encarecen, pues no en todos los lugares se encuentran materiales útiles para la construcción, la mayoría de las ocasiones es necesario transportar materiales desde kilómetros ya que son los que reúnen los requisitos solicitados por la normatividad vigente. Además de hacer uso de materiales de banco, generalmente es necesario retirar gran parte del material del lugar de desplante de la vialidad. El funcionamiento a largo plazo de cualquier proyecto de construcción depende de la calidad de los suelos subyacentes. Los suelos inestables pueden crear problemas significativos en las estructuras y pavimentos, por tal motivo desde hace algunas décadas se ha tratado de realizar el mejoramiento de estos suelos empleando diversas técnicas de estabilización, utilizando diversos materiales, como cales, cementos, aditivos, emulsiones, enzimas, etc. Sin embargo, aun es necesario profundizar en el estudio de nuevos métodos de estabilización que otorguen resultados favorables, y que a su vez, se proyecten en beneficios económicos y tecnológicos dentro de la industria de la construcción. Algunos métodos de mejoramiento de suelos en pavimentación es la adición de materiales elevados en calcio, como el cemento y la cal hidratada; estos materiales mezclados en un porcentaje adecuado, con la humedad óptima y energía de compactación de acuerdo a la capa a construir han demostrado un comportamiento eficiente cuando se tiene un buen control de calidad. Presentan una buena 1

14 resistencia a los factores climáticos, adecuada absorción de los esfuerzos producidos por el tránsito, y disminuyen los costos de construcción. A pesar de que ya se han realizado algunas investigaciones [1-6], se ha observado que cada caso presenta resultados particulares inherentes al tipo de suelo de la región en estudio, es por esta razón el presente trabajo se enfoca al estudio de un camino existente, al sur de la ciudad de, en el fraccionamiento Lomas Verdes. El camino actual se encuentra revestido, sufriendo una erosión considerable de su revestimiento por la pendiente natural que presenta y porque el agua de lluvia acumulada en las calles del fraccionamiento escurren sobre esta. Se plantea el uso del suelo de este sitio mejorándolo con el empleo de materiales cementantes para construir una sub-base modificada y sobre esta tender una carpeta asfáltica. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Caracterizar y evaluar las propiedades físicas y mecánicas de la modificación del suelo de la zona norte de la ciudad de, empleando adiciones de cal y cemento en diferentes porcentajes. OBJETIVOS PARTICULARES. A) Con la adición de cal, reducir la compresibilidad de un suelo, obtenido mediante la prueba de límites de consistencia de los suelos. B) En la mezcla de suelo con el cemento, incrementar el PSVM, para obtener un suelo más resistente con respecto al suelo natural. HIPÓTESIS Mediante la adición de cal o cemento, mejorar las propiedades físicas y mecánicas de un suelo, para ser utilizado como capa sub-base en la estructura del pavimento. 2

15 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

16 1.1 ANTECEDENTES En economía, se dice que un país crece cuando aumenta su producción de bienes y servicios, la forma de medir este crecimiento es mediante el PRODUCTO INTERNO BRUTO (PIB) que se interpreta como la suma del valor en pesos de todos los bienes y servicios de consumo final que se producen en un año, es decir, que no se usan para producir algo más. Un país cuenta con tres tipos de recursos para producir: capital natural, todo aquello que está en la naturaleza y que no ha sido procesado por el ser humano; capital físico, maquinaria, herramientas, infraestructura y demás elementos que permiten a un trabajador producir más que si utilizara sus propias manos; finalmente, el capital humano; que se refiere a las personas que trabajan y sus habilidades y conocimientos para hacerlo [7]. La infraestructura determina el éxito de las actividades manufactureras y agrícolas. Las inversiones en agua, saneamiento, energía, vivienda y transporte también mejoran la calidad de vida y ayudan a reducir la pobreza. Además, las nuevas tecnologías de la información y las comunicaciones promueven el crecimiento, mejoran la prestación de servicios de salud y otros, amplían el alcance de la educación y apoyan los avances sociales y culturales. Estos datos se recopilan de fuentes como la Federación Internacional de Carreteras, la Organización de Aviación Civil Internacional, la Asociación Internacional de Energía y la Unión Internacional de Telecomunicaciones [8]. Los caminos, generalmente, se construyen mediante dos metodologías diferentes, ya sea con una losa de concreto hidráulico o mediante una capa de mezcla asfáltica, denominándose, pavimento rígido y pavimento flexible respectivamente. De un total de 366 mil 341 kilómetros de carreteras en servicio, 132 mil 973 están pavimentados, 151 mil 288 corresponden a carreteras revestidas, 8 mil 938 son de 4

17 terracerías y 73 mil 142 son brechas. Entre los caminos pavimentados, una longitud de 9 mil kilómetros (9.2 por ciento del total) tiene cuatro o más carriles [9]. Ya en el siglo XX se lograron avances en la producción de conglomerantes y en el desarrollo de equipos de construcción y técnicas de ejecución. Con el tiempo, se crearon las condiciones óptimas para la realización de muchos experimentos en mezclas de suelo y cemento que mostraron las posibilidades de aprovechamiento de los suelos existentes, modificados en mayor o menor grado por la mezcla de los mismos con cemento Portland y agua y su posterior compactación. La aplicación del suelo-cemento empezó a estudiarse metódicamente entre 1910 y En Inglaterra, en 1917, Brooke Bradley empleó con éxito una mezcla de cemento con suelos arcillosos en la construcción de carreteras. Sin embargo, a pesar de los excelentes resultados, la técnica no fue usada posteriormente. En los Estados Unidos, el uso del suelo - cemento se incrementó a partir de la patente de Joseph Hay Amies en 1917, de una mezcla de suelo con cemento llamada Soilamies. El esfuerzo conjunto de la Portland Cement Association (PCA), el Bureau of Public Roads y el Highway Department del estado de Carolina del Sur contribuyó al desarrollo tecnológico de la estabilización de suelos con cemento, realizando diversos tramos experimentales de carreteras entre 1930 y Después de la Segunda Guerra Mundial se inician en España y Latinoamérica las primeras experiencias con suelo-cemento aplicado en carreteras, siendo Argentina, Colombia y El Salvador ejemplos de países con más de 50 años de experiencia en la construcción de caminos de este tipo. [10]. A pesar de que ya se han hecho estudios en varios estados de la república, cada estado presenta muy variados tipos de suelo en su territorio, que se tendrán que estudiar individualmente, para poder realizar un proyecto de estabilización y mejoramiento de suelos mediante la adición de cemento y cal, se tendrán que estudiar el comportamiento que tendrán al reaccionar con los componentes químicos y físicos de los estabilizadores, y poder determinar cuáles serán las características mecánicas que serán afectados por esas reacciones. 5

18 Se hace necesario el estudio en laboratorio con la realización de algunas prácticas que nos permitan conocer el suelo natural y el suelo modificado. Para así determinar su comportamiento mecánico y evaluar si es aceptable para su uso en las vialidades. 1.2 PAVIMENTOS Se define como pavimento al conjunto de capas de materiales seleccionados que reciben en forma directa las cargas de tránsito y las transmiten adecuadamente distribuidas a las capas inferiores, proporcionan la superficie de rodamiento en donde se debe tener una operación rápida y cómoda [10]. La calidad de los materiales que conforman la capas pueden ir disminuyendo a medida que están localizadas a mayor profundidad, dichas capas deben estar conformadas tal que, puedan resistir los esfuerzos que le serán transmitidos por el tránsito, pero también, deberán ser capaces de transmitir hacia las capas inferiores PAVIMENTOS FLEXIBLES Un pavimento flexible se define como al conjunto de capas compactadas y construidas con material seleccionado que forman una estructura capaz de soportar cargas a las que están sometidos los caminos. La capa superior de este conjunto se le llama carpeta asfáltica y se construye con una mezcla de material bituminoso, resultado de la destilación del petróleo crudo, y material pétreo; es la encargada de transmitir las cargas hacia las capas inferiores, también debe de dar seguridad y confort al usuario de la vialidad con una buena textura. El pavimento flexible se desplanta sobre el cuerpo de terraplén, para TDPA mayores a 5000 vehículos se desplanta sobre una capa intermedia llamada SUBYACENTE [14]. Las capas principales con las que está constituido un pavimento flexible se muestran en la fig. 1.1 y a continuación se hace la explicación de cada una de ellas: 6

19 CARPETA ASFALTICA BASE ASFALTICA CUERPO DE TERRAPLEN TERRENO NATURAL Figura 1.1 Estructura de un pavimento flexible Carpeta Asfáltica Tiene la función de transmitir las cargas hacia la base hidráulica. A pesar de que, es la que recibe directamente las cargas de tránsito, es lo suficientemente flexible para transmitirlas directamente hacia las capas que se encuentran debajo de ella. Debe resistir los efectos del intemperismo, como son: la lluvia, el sol, el viento y las heladas, también deberá de servir como cubierta de todo el pavimento, pues de esta depende si existen filtraciones dentro de las capas inferiores, debe tener resistencia a la abrasión y al desgaste Base asfáltica o hidráulica. Esta parte del pavimento es la que se encuentra inmediatamente debajo de la capa de rodadura, se considera la parte principal del pavimento pues la que debe recibir y absorber los esfuerzos transmitidos al pavimento, y transmitirlas en menor magnitud a la capa sub-base. Deberá estar constituido con material producto de trituración total, cumpliendo estrictas especificaciones de calidad, y compactado al 100%. Debe tener una excelente capacidad de carga, debe ser resistente a la abrasión. 7

20 Los materiales que se empleen en esta capa del pavimento deberán ser de muy buena calidad. Pues es responsabilidad directa de esta capa las fallas posteriores que puedan aparecer en la superficie de rodadura del pavimento Sub-base Su función es de recibir y absorber en buena medida los esfuerzos que le transmite la capa superior inmediata, también de disipar y transmitir en menor magnitud a la sub-rasante y cuerpo de terraplén. Esta capa es de menor calidad que la base de un pavimento, pero deberá cumplir con la normativa vigente para la utilización de materiales en la capa sub-base. La base y la sub-base cumplen una función estructural Sub-rasante. Esta última capa es la transición directa entre el pavimento y las terracerías, debe ser resistente y es la que define los movimientos de tierra que se tengan que realizar para cumplir con el alineamiento vertical del eje de proyecto CARACTERÍSTICAS DE LOS PAVIMENTOS FLEXIBLES Un pavimento flexible consiste en la formación de una serie de capas constituidas con material que aumenta su calidad y resistencia conforme se va acercando a la superficie de rodamiento. Un pavimento flexible puede llegar a ser tan resistente como lo es un pavimento rígido, lo anterior se cumple cuando se utilizan materiales estabilizados en cualquiera de los componentes del pavimento o si, por ejemplo, se utilizan capas de pavimento asfaltico con espesores relativamente gruesos. Este hecho modifica la definición de pavimentos flexibles, pues se adquiere cierta rigidez en la estructura del pavimento. La capacidad de carga de un pavimento flexible se rige dependiendo principalmente de las características de los materiales que conforman el sistema de capas con las 8

21 que está constituido, así la resistencia es el resultado de la construcción de capas y en consecuencia la transmisión de cargas a la capa sub-rasante Ventajas de los pavimentos flexibles. Una de las principales ventajas de los pavimentos de concreto asfaltico, es su costo inicial, se pueden lograr más kilómetros de longitud con un presupuesto determinado. Mediante un mantenimiento adecuado logra satisfacer la demanda de tránsito en su periodo de vida útil. Otras de las ventajas principales, es que cuando sufre algún daño en las capas superficiales, solamente se reparan las capas afectadas sin alterar toda la estructura del pavimento. Además se podrá ir aumentando el número de capas de toda la estructura o, ir incrementando el espesor de ellas de acuerdo al incremento del tránsito, incrementando así mismo la resistencia del pavimento PAVIMENTOS RÍGIDOS Un pavimento rígido se define como una estructura formada por una losa de concreto hidráulico como superficie de rodadura, una sub-base y una sub-rasante. Este tipo de pavimento presenta gran rigidez y una gran resistencia a las cargas de tránsito. Trabaja principalmente por flexión. En la fig. 1.2 se presenta la estructura principal de un pavimento de concreto hidráulico. Las diferentes capas que constituyen un pavimento de concreto hidráulico se explican a continuación: Losa de concreto. Sirve de superficie de rodadura y es la que absorbe los esfuerzos transmitidos por las cargas de tránsito, el concreto es una roca artificial que está compuesto de una mezcla de material pétreo, agua y un material cementante (generalmente cemento), estos al entrar en contacto con el oxigeno forman una reacción química, en donde se 9

22 desprende calor, y la mezcla empieza a endurecer (fraguar), dando lugar a un material sólido que toma la forma del recipiente que lo contiene. CUERPO DE TERRAPLEN TERRENO NATURAL Figura 1.2 Estructura de un pavimento rígido. El concreto ya endurecido debe de presentar una resistencia dada de proyecto. Esta capa por estar en contacto directo con los neumáticos de los vehículos que transitaran por él, deberá tener una superficie rugosa, esto se logra mediante un rastreado después del fraguado inicial. Esta capa es la más importante pues cumple con las dos funciones tanto funcionales como estructurales, y es la principal encargada del desempeño de todo el pavimento. Esta losa de concreto va reforzada con acero, el armado y tipo de acero está en función de las cargas de tránsito que recibirá. Además lleva una serie de juntas transversales y longitudinales para mejorar el desempeño de los tableros que se forman Sub-base. Esta capa se encuentra justo debajo de la losa de concreto y cumple una función de absorber las cargas de tránsito en menor cantidad, debe ser de material traído de banco que cumpla las especificaciones dadas por las normas de la SCT para materiales de base. Esta capa cumple con una función estructural, deberá de tener buena capacidad de carga, resistencia a la abrasión y una buena estabilidad. Además también deberá ser impermeable y sin contenido de material fino y plástico. 10

23 Sub-rasante. Esta capa inferior situada arriba del cuerpo de terraplén y debajo de la sub-base, tiene la finalidad de dar alineamiento vertical del camino, recibiendo en menor cantidad los esfuerzos transmitidos al pavimento por el tránsito. Su función es estructural. Y tiene espesores que van de los 30 hasta los 50 cm. para vialidades Cuerpo de terraplén Esta capa forma parte de las terracerías, es la encargada de dar cuerpo geométrico a la vialidad y alcanzar las cotas de proyecto, se construye generalmente con material producto de excavaciones o material de préstamo lateral, aunque no exige muchas normas se deberán de respetar las que apliquen en cuanto a calidad se refiere en las normas de la SCT, como por ejemplo expansión máxima, resistencia mínima a la abrasión TERRENO NATURAL. Es el terreno en el cual se desplantara la estructura de una vialidad incluyendo las terracerías y el pavimento. Se le deberán de realizar los estudios de prospección de suelos y mecánica de suelos. Se le deberá de realizar la preparación necesaria antes de iniciar a desplantar un pavimento, como por ejemplo despalme y compactación CARACTERÍSTICAS DE LOS PAVIMENTOS RÍGIDOS El factor principal en el diseño de pavimentos de concreto hidráulico, es su resistencia estructural, debido a la rigidez que presenta y al alto modulo de elasticidad, tiende a distribuir las cargas sobre una superficie de suelo relativamente amplia, así la mayor parte de la resistencia de la estructura es proporcionada por la losa de concreto Ventajas de los pavimentos de concreto hidráulico. Al incrementar el espesor del pavimento de concreto en 2.5 cm, incrementamos al doble la capacidad de carga del pavimento. 11

24 Un pavimento de 30,5 cm de espesor puede soportar 400% más que un pavimento de 25,5 cm y cuesta solamente 20% más [12]. Fig Comparación de un pavimento rígido y uno flexible En la fig. 1.3 publicada por el IMCYC se puede observar un pavimento flexible y uno rígido, podemos notar que el rígido con tan solo dos capas, losa y sub-base es capaz de soportar la misma cantidad de vehículos que un pavimento flexible con tres capas de mayor grosor, y además con esa estructura y condiciones de tránsito tiene una vida útil al doble de lo que tendría el pavimento asfaltico. PRINCIPALES VENTAJAS. [12] Deterioro mínimo durante su Vida útil Duración de 20 a 30 años Mantenimiento mínimo Deformación mínima de su superficie Índice de servicio alto durante su vida útil Mayor velocidad de construcción Disminución de Costos de Operación Mejor drenaje superficial 12

25 Mayor reflexión de la luz Requiere menor estructura de soporte. Solamente hay que darle mantenimiento de sellado de grietas y sustitución de juntas normalmente cada 5 años FALLAS POR DEFORMACIÓN EN PAVIMENTOS SEGÚN EL INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE. La deformación permanente se caracteriza por una sección de superficie cruzada que ya no se encuentra en su posición original. Se le llama permanente porque representa una acumulación de pequeñas cantidades de deformación irrecuperable que ocurre cada vez que se le aplica la carga. Existen dos principales tipos de roderas: roderas por fallas en la sub-rasante y roderas por fallas en la capa de asfalto [17] Roderas o canalizaciones. DEFINICIÓN: Asentamiento o deformación permanente de la carpeta asfáltica en el sentido longitudinal debajo de las huellas o rodadas de los vehículos. En la Figura 1.4 se observa una falla por rodera. CAUSAS PROBABLES: a) Baja estabilidad de la carpeta. b) Carpeta mal compactada. c) Consolidación de una o varias capas subyacentes. Fig Falla por rodera 13

26 Protuberancias. DEFINICIÓN: Desplazamiento de parte del cuerpo de la carpeta asfáltica hacia la superficie, formando un montículo de considerables dimensiones. CAUSAS PROBABLES: a) Acción del tránsito intenso. b) Estabilidad inadecuada c) Liga deficiente entre capas. d) Compactación inadecuada. e) Deformaciones plásticas de los materiales. f) Acción de las heladas Asentamiento transversal. DEFINICIÓN: Áreas de pavimento localizadas en elevaciones mas bajas que las áreas adyacentes o elevaciones de diseño, en el sentido transversal al eje del camino. CAUSAS PROBABLES: a) Deformación diferencial vertical del suelo de cimentación o de las capas que forman la estructura del pavimento. b) Peso propio de la sección del pavimento. c) Suelos o cimentaciones resilentes d) Cargas excesivas o superiores a las del diseño. e) Cambios volumétricos del cuerpo del terraplén. f) Compactación inadecuada. g) Asentamientos diferenciales transversales. h) Procedimientos de construcción inadecuados. i) Drenaje y sub-drenaje deficientes. j) Contaminación de capas inferiores. k) Desplome de cavidades subterráneas. 14

27 Asentamientos longitudinales DEFINICIÓN: Áreas de pavimento localizadas en elevaciones más bajas que las áreas adyacentes o elevaciones de diseño, en el sentido longitudinal al eje del camino, en especial en los extremos laterales de la superficie de rodamiento. CAUSAS PROBABLES: a) Deformación diferencial vertical del suelo de cimentación o de las capas que forman la estructura del pavimento. b) Peso propio de la sección del pavimento. c) Suelos o cimentaciones resilentes d) Cargas excesivas o superiores a las del diseño. e) Cambios volumétricos del cuerpo del terraplén. f) Compactación inadecuada. g) Asentamientos diferenciales longitudinales. h) Procedimientos de construcción inadecuados. i) Drenaje y sub-drenaje deficientes. j) Contaminación de capas inferiores. k) Desplome de cavidades subterráneas. l) Canalización de transito Desplazamiento transversal de la sección del pavimento DEFINICIÓN: Protuberancias prolongadas de magnitudes considerables en la dirección del tránsito, al borde de la carretera, causando destrucción total en corto plazo. CAUSAS PROBABLES: a) Fuertes asentamientos longitudinales. b) Falta de capacidad estructural del conjunto de capas del pavimento. c) Sobrecargas intensas d) Nula estabilidad de la carpeta. 15

28 e) Nulo soporte lateral o confinamiento. f) Insuficiente valor relativo de soporte de las capas. g) Nula compactación Grietas de reflexión. DEFINICIÓN: Grietas longitudinales y transversales que reflejan exactamente el patrón de agrietamiento o de juntas de un pavimento existente, cuando es reencarpetado con concreto asfáltico. CAUSAS PROBABLES: a) Movimiento del pavimento subyacente. b) Liga inadecuada entre capas. c) Posibles contracciones de capa subyacente. 1.3 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. En la estructuración de la sección transversal de una vía terrestre, se utilizan materiales pétreos, térreos, asfálticos e industriales, los cuales para aprovecharse deben cumplir los requisitos marcados en las normas de calidad CUERPO DE TERRAPLÉN. Para la construcción del cuerpo de terraplén de una obra vial, dependiendo del tipo de terreno en que se construya, se utilizan materiales provenientes de los cortes o de préstamos. Si el terreno es plano, en general, la construcción se realiza utilizando materiales de préstamos; si estos se localizan dentro de una distancia no mayor de 100 m del centro de la línea se denominan prestamos laterales y cuando la distancia es mayor se consideran prestamos de banco. Si el terreno es de lomerío, los terraplenes se construyen con materiales provenientes de los cortes, para fijar los movimientos de terracerías en este último caso, se hace un estudio detallado de la curva masa, para lo cual, es fundamental que se proyecte la rasante económica. Por 16

29 último, en terreno montañoso, en general, no se construyen terraplenes sino al contrario, por el exceso de cortes se tiene un volumen fuerte de desperdicio; en caso de presentarse algunos terraplenes (pedraplenes), estos se proyectan como se indico para lomeríos CAPA SUBRASANTE. Para la construcción de la sub-rasante se utilizan materiales de banco que tengan las características adecuadas para las funciones que vayan a tener la estructura vial. Si el material que se extraiga de los cortes cumple con estas características, pueden utilizarlo tanto en ellos (escarificando, conformando y compactando), como en los terraplenes contiguos para construir la capa sub-rasante CAPAS DE PAVIMENTO. Los materiales para la construcción de las capas del pavimento siempre provienen de banco, pudiéndose utilizar aglomerados de arroyos y depósitos, o conglomerados suaves o duros y rocas que puedan ser fisuradas o sanas, en general; requieren de uno o más tratamientos (cribado, triturado, compactado, etc.). Los materiales de tipo industrial como Cemento Portland, cal, acero, asfalto, se adquieren en las empresas estatales o particulares que los producen y deben cumplir los requerimientos necesarios de acuerdo al uso que van a tener PRUEBAS PARA LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. Para conocer las características de los materiales, se realizan pruebas que son mediciones de diferentes clases, que se hacen a especímenes elaborados siguiendo procedimientos estandarizados. Las pruebas que se realizan a los materiales de construcción pueden dividirse en: pruebas de clasificación, de control y de proyecto. Las pruebas de clasificación son aquellas que nos permiten identificar a los materiales y decidir si pueden utilizarse o no en algunas de las capas estructurales. 17

30 Las pruebas de control son las que permiten verificar si la obra cumple con los requisitos de proyecto. Por último las pruebas de proyecto que son las que permiten realizar la estructuración racional de la sección transversal de una vía terrestre. En México, estas pruebas se indican con todo detalle en las normas de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), y en los procedimientos que dejo la extinta Secretaria de Recursos Hidráulicos. Para fines de este trabajo solamente se realizara una descripción general de las pruebas más importantes y se explicaran su significado Pruebas de clasificación para materiales pétreos y suelos. Las principales pruebas de clasificación que se realizan a los materiales pétreos y suelos que se utilizan en una vía terrestre son: granulometría, plasticidad, resistencia, expansión, valor cementante, densidad, adherencia con el asfalto, dureza y forma de partícula Pruebas de control. Las pruebas de control como ya se indico, son las que permiten verificar la calidad de las obras y de esta manera, las que se utilizan para clasificación, también se usan para el control; es decir, en base a las pruebas de clasificación se realizan los proyectos y se formulan los procedimientos de construcción y para asegurar que se cumpla con las condiciones marcadas, se vuelven a utilizar las mismas pruebas, sin embargo, se tienen pruebas especificas de control que son las que se utilizan para conocer el grado de compactación que se alcanza en las diferentes capas de una estructura vial; para ello se debe conocer el Peso Volumétrico de Campo y los pesos volumétricos de laboratorio Pruebas de proyecto. Para dimensionar las diferentes partes que constituyen las secciones de una vía terrestre, desde el punto de vista de cargas del tránsito, se utilizan diferentes pruebas 18

31 de resistencia cuyos resultados se correlacionan con el comportamiento real de las estructuras para obtener los nomogramas de proyecto. Debido a que la geometría de la sección, como ya se dijo se basa en las especificaciones geométricas de cada tipo de obra, en general con las pruebas de resistencia se dimensionan la capas superiores y únicamente se revisan las inferiores, y en su caso se hacen las correcciones necesarias. [14]. 1.4 TRATAMIENTO DE MATERIALES TIPOS DE TRATAMIENTOS. A menudo, se tiene que los materiales cercanos a las obras no cumplen con los requisitos necesarios para ser utilizados en alguna capa de la sección transversal de una obra, entonces se precisa realizar uno o varios tratamientos para mejorar sus características, que resulten más económicos que el tener grandes distancias de acarreo. Los principales tratamientos que se utilizan en las vías terrestres son: disgregado, cribado, compactación y estabilización. Los tres primeros tratamientos tienen como finalidad que las partículas sean de tamaños menores al máximo requerido; aunque también se puede controlar en ellos la granulometría. En este primer capítulo nos enfocaremos a mencionar los dos primeros, pues para fines de este trabajo, la compactación se considera una estabilización física Disgregado. Se utiliza el disgregado en materiales finos agrumados, en materiales granulares poco o medianamente cementados o en rocas alteradas. Para realizar este tratamiento se utilizan rodillos lisos metálicos que pasan sobre el material, hasta que se tenga que el desperdicio, o sea la cantidad de partículas con tamaño mayor al necesario, sea menos del 10 %. Más tarde, en forma manual se retiraran parte de estas partículas, de tal manera que al final se tenga un desperdicio menor del 5 %. 19

32 Cuando el costo de este tratamiento es alto, ya sea por el número grande de pasadas necesarias del equipo o por que el desperdicio al final del tratamiento es mayor al 10 % se puede recurrir a algunos de los siguientes tratamientos Cribado. Si el material que se va a utilizar es granular y tiene un desperdicio mayor al 10 %, entonces se procede a cribarlo. Para este fin, se usan mallas o tamices, con una abertura un poco mayor al tamaño máximo permisible. Este trabajo se puede realizar utilizando una planta con tamices de diferentes tamaños para control de granulometrías y una serie de bandas para el transporte de los materiales a las mallas o a los almacenamientos, los materiales que en forma habitual requieren de cribado son las gravas-arena de playones de arroyos y ríos o minas Trituración. Cuando el desperdicio del cribado es mayor al 25 %, lo más conveniente es la trituración, o sea, quebrar las partículas que sean mayores al tamaño máximo requerido, este tratamiento puede ser parcial o total. El triturado parcial se ejecuta cuando el desperdicio es del orden del 25 % y consiste en cribar inicialmente el material y solo triturar el desperdicio; cuando este es mayor a 50 % se realiza el triturado total, o sea, que todo el material se pasa a través de la maquina sin que se cribe previamente. Una planta de trituración consta de trituradoras, cribas y bandas. Las trituradoras pueden ser de acuerdo a los tamaños que admite: primarias, secundarias o terciarias. Las trituradoras primarias admiten fragmentos de roca hasta de 75 cm y producen fragmentos con tamaño máximo de 15 cm, estas trituradoras por lo general son de quijadas, y cuentan con dos placas de acero: una móvil y la otra fija, que cuando se separa admiten el material y cuando se juntan lo fracturan. 20

33 Las trituradoras de tipo secundario trabajan con material hasta de 25 cm en la admisión, reduciéndolo a tamaño máximo de 5 cm. de este tipo hay trituradoras de quijada, de rodillo y de cono o campana. Para producir grava chica, arena y polvos se usan trituradoras de tipo terciario, que admiten partículas menores a 5 cm, entre estas se tienen las trituradoras de cono, de rodillos, de bolsas o barras, de martillos o de molinos. Por medio de las trituradoras, cribas y bandas con que cuenta una planta, se pueden producir las granulometrías que sean necesarias. Las características de las trituradas para este fin, se deciden a través de un estudio económico. Cuando un material tiene granulometría aceptable, pero la superficie de las partículas es lisa, y se requiere que sean más friccionantes, se puede pasar el material por una trituradora a fin de mejorar esta condición. 21

34 CAPÍTULO II ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

35 2.1 GENERALIDADES. Se le llama estabilización de suelos al proceso que se somete a los materiales naturales con la finalidad de mejorar sus cualidades y propiedades mecánicas para tener un mejor aprovechamiento y lograr que tenga buen desempeño en su vida útil. Para los ingenieros dedicados a las vías terrestres es de común saber la variabilidad y complejidad de los suelos. A pesar de ello, y debido a sus diversos usos, el especialista en suelos tiene grandes posibilidades de desarrollar sus habilidades, al utilizar a los suelos como un material ingenieril. Desafortunadamente en el País existe multivariedad de suelos que en su estado natural no son adecuados para su uso en la construcción por no reunir los requisitos especificados en las normas. En estos casos el ingeniero tiene 3 opciones para tomar una decisión: - Aceptar el material tal como se le presenta y efectuar el diseño acorde con las restricciones impuestas por la calidad del material. - Remover y desechar el suelo del lugar y sustituirlo por un suelo de características adecuadas. - Alterar o cambiar las propiedades del material existente de tal manera que se obtenga un material que reúna en mejor forma los requisitos impuestos, o cuando menos que la calidad obtenida sea la adecuada. La finalidad de este trabajo es solamente con respecto a la última opción, a lo que se conoce como Estabilización de Suelos. Varias de las propiedades que tiene un suelo se pueden modificar o alterar de muchas formas como puede ser: por medios mecánicos, drenaje, medios eléctricos, cambios de temperatura o adición de agentes estabilizantes. Debe tenerse muy presente que debido a la gran variabilidad de suelos que podemos encontrarnos en campo, cada método resulta aplicable solamente a un número limitado de ellos. 23

36 Desafortunadamente, en unos cuantos metros podemos tener variabilidad en los suelos, de tal manera que si optamos por aplicar un tipo de estabilización, esta no puede ser tan efectiva para todos los suelos encontrados. La elección del tipo de estabilización está regida por el número y tipo, así como la extensión de los suelos en los que el tipo de estabilización sea efectivo. También es indispensable reconocer que la estabilización no es una herramienta mágica, que nos ayude a mejorar todas las propiedades de un suelo. Por consiguiente, se debe tener una clara apreciación de las propiedades que se desee mejorar, pues este requisito específico es un elemento muy importante para tomar la decisión correcta, acerca de la conveniencia de la estabilización. Entre las principales propiedades de un suelo para construcción que pueden interesar a un ingeniero podemos contar con las siguientes: 1.- Estabilidad volumétrica. 2.- Resistencia Mecánica. 3.- Permeabilidad. 4.- Durabilidad. 5.- Compresibilidad. Existen tratamientos mediante las cuales se pueden mejorar varias de estas propiedades en forma simultánea. Por otro lado, no debe de pensarse en el uso de la estabilización solamente como una medida correctiva sino también como una medida preventiva o de seguridad contra condiciones adversas que se desarrollen durante la construcción o durante la vida útil de la estructura. 24

37 2.1.1 ESTABILIDAD VOLUMÉTRICA. Muchos suelos se expanden y se contraen ocasionado por los cambios de humedad, los cuales se pueden presentar en forma rápida o acompañando a variaciones estacionales. Ahora bien, si las presiones de expansión que se desarrollen debido a un incremento en la humedad no se controlan de alguna manera, estas presiones pueden levantar pavimentos, inclinar postes, fracturar muros, romper tubos de drenaje, etc. por lo cual es de vital importancia detectar a los suelos expansivos, su composición y tratamiento más adecuado para evitar lo anterior. Actualmente, las soluciones para evitar cambios volumétricos en suelos expansivos consiste en introducir humedad al suelo en forma periódica, aplicar cargas que equilibren la presión expansiva interna, utilizar membranas impermeables y apoyar la estructura a profundidades tales que no se registre variación estacional en la humedad. Un medio más podría consistir en modificar la arcilla expansiva transformándola en una masa rígida o granular, esto puede lograrse por medios químicos o térmicos. Por último, algunas veces se puede aumentar la impermeabilidad de un suelo y por ende reducir la velocidad de los cambios volumétricos en suelos expansivos, compactándolos a pesos volumétricos altos, pero debe tenerse en cuenta que la humedad de compactación juega un papel también muy importante en el fenómeno de los cambios volumétricos RESISTENCIA Es del dominio común, que la resistencia de los suelos, salvo algunas excepciones, es en general más baja cuando estos se encuentran húmedos. Los suelos arcillosos al secarse alcanzan grandes resistencias teniéndose inclusive la condición más alta de resistencia cuando se calientan a temperaturas muy elevadas como sucede en la fabricación de ladrillos y tabiques. 25

38 Al estudiar los efectos de una estabilización, debe tenerse presente el fin que se busca, que si el suelo estabilizado permanecerá húmeda en las condiciones de trabajo entonces la determinación de la resistencia bajo estas circunstancias seria la adecuada, por el contrario, si el suelo permanecerá seco y agrietado, probablemente sea más efectivo efectuar pruebas, con cargas repetidas para estudiar efectos de disgregación y pulverización. Para suelos de textura abierta y mal graduados seria más importante determinar su susceptibilidad a re-compactarse provocando con ello deformaciones en las estructuras sobre las cuales se apoyen. Algunas veces resulta muy difícil tratar de incrementar la resistencia de un suelo mediante la adición de agentes estabilizantes, tal es el caso de los suelos con alto contenido de humedad, del orden de 10 %, ya que esta acción inhibe la acción de tales agentes. El incremento en el peso volumétrico, de un suelo orgánico mediante la compactación, se ha considerado, en general, como un incremento en la resistencia. Se ha visto que en suelos finos tiene una importancia decisiva la forma de aplicación de la energía de compactación, sobre todo cuando se emplean humedades más altas que la óptima. Algunos de los procedimientos utilizados para incrementar el peso volumétrico de un suelo son: 1.- Compactación mediante amasado, vibración o impactos. 2.- Vibroflotación. 3.- Precarga. 4.- Drenaje. 5.- Adición de agentes que reduzcan la fricción y cohesión entre las partículas. Resulta un tanto evidente que los procedimientos que sirvan para mantener a un suelo sin que se produzcan cambios volumétricos, son también adecuados para 26

39 mantener la resistencia en el suelo como lo es la adición de agentes que transformen a un suelo fino en una masa rígida o granular PERMEABILIDAD En los suelos la permeabilidad de plantea en dos problemas básicos, como lo es el relacionado con la disipación de las presiones de poro y el relacionado con el flujo del agua a través de los suelos. El tener presiones de poro excesivas puede originar deslizamientos en terracerías y el flujo de agua puede generar tubificaciones y arrastres. Si se compacta un suelo con humedades muy bajas o prácticamente en seco, se obtendrá finalmente una alta permeabilidad en el suelo debido a los grumos que no se disgregan resistiendo al esfuerzo cortante de compactación y permitiendo que se forme con ello una gran cantidad de vacios intersticiales. Mientras más alta sea la humedad de compactación se producirán menores permeabilidades en el suelo compactado, ya que este tiene mayores oportunidades de deformarse, eliminándose así grandes vacios. Se puede reducir la permeabilidad de un suelo mediante la inyección de lechadas, sin embargo estos al no sellar perfectamente los poros, solamente se logra disminuir el gasto y el flujo sin lograr una impermeabilidad adecuada. Algunos defloculantes como el polifosfato pueden sellar perfectamente los poros de un suelo. Los métodos de estabilización para modificar la permeabilidad de un suelo, no necesariamente mejoran su estabilidad volumétrica o resistencia mecánica y en algunos casos inclusive puede resultar contraproducente a estos aspectos DURABILIDAD. Una condición muy deseable en los suelos estabilizados, al igual que en todos los materiales de construcción, es la durabilidad, definida como la resistencia a los procesos de intemperización, erosión y abrasión. 27

40 La durabilidad de caminos está relacionada con las capas superficiales, sin embargo se presentan erosiones profundas internas en los terraplenes o cortes debido no solo a una baja durabilidad sino también a una alta permeabilidad. En los suelos estabilizados la durabilidad baja se debe generalmente a un diseño deficiente que puede tener su origen en una mala elección de un estabilizante, o también puede deberse a una cantidad insuficiente de estabilizante. Una deficiencia importante en los estudios de estabilizaciones es la carencia de pruebas adecuadas para estudiar la durabilidad. La durabilidad es pues uno de los factores más difíciles de cuantificar y la reacción común ha sido la de sobre-diseñar la cual a veces no puede ser lo correcto COMPRESIBILIDAD. Los cambios en volumen o compresibilidad, tienen una importante influencia en las propiedades ingenieriles de los suelos, pues se modifica la permeabilidad, se alteran las fuerzas existentes entre las partículas tanto en magnitud como en sentido, lo que tienen una importancia decisiva en la modificación de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y se provocan deslizamientos. La compresibilidad de un suelo puede presentar variaciones importantes dependiendo de algunos factores tales como la relación de la carga aplicada respecto a la que el suelo soportaba anteriormente, tiempo de aplicación de la carga una vez que se ha disipado la presión de poro en exceso de la hidrostática, naturaleza química del liquido intersticial. En el diseño de la estabilización de un suelo se deben tener muy presentes las variaciones que se espera lograr en lo que respecta a la estabilidad volumétrica, resistencia mecánica, permeabilidad, durabilidad y compresibilidad, ya que se puede presentar el caso de que el mejoramiento de alguna de las propiedades del suelo mediante la estabilización, provoque que otras características resulten en 28

41 condiciones desfavorables, esto es especialmente cierto en el caso de la estabilización mediante la compactación. El diseño de la estabilización se suelos con agentes estabilizantes, consiste en primer término en llevar a cabo una adecuada clasificación del suelo con base en la cual se determina el tipo y cantidad de estabilizante así como el procedimiento para efectuar la estabilización. La elección del método de estabilización deberá quedar a cargo del Ingeniero de Suelos, pues él será el único que determine la viabilidad de la estabilización con base en sus conocimientos teóricos y prácticos y no se deberá de basar únicamente en la publicidad, dada a tal o cual producto, no sin antes haber llevado a cabo un estudio racional y detallado de la variación de las características del suelo con la aplicación de la estabilización propuesta MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Son varios los procedimientos para modificar un suelo natural, y someterlo a tratamiento, una forma de clasificarlos es de la siguiente manera [16]. A) Procedimientos mecánicos (compactación): 1) Amasado (rodillos pata de cabra). 2) Impactos de Carga (pisones). 3) Presión estática (rodillos lisos y neumáticos). 4) Vibración (rodillos vibratorios). 5) Métodos Mixtos (combinación de los métodos anteriores). B) Procedimientos físicos: 1) Mezcla (suelo con suelo). 2) Confinamiento (suelos friccionantes). 3) Consolidación previa (suelos finos arcillosos). 4) Vibroflotación. C) Procedimientos químicos (estabilizaciones). 1) Cal. 29