Frecuentemente el suelo sobre el que se desea construir es húmedo, débil y/o expansivo para ser usado como base confiable del proyecto constructivo.

Transcripción

1 Estabilización de suelos Óxido de Calcio

2 Definición de Suelo El suelo se describe como una mezcla de minerales y materia orgánica que se encuentra en la superficie de la tierra y sirve como soporte a las obras que ha construido el hombre a los largo de la historia de la civilización. Frecuentemente el suelo sobre el que se desea construir es húmedo, débil y/o expansivo para ser usado como base confiable del proyecto constructivo. Es una práctica común el reemplazar este suelo por un material con mejores características mecánicas y asegurar la durabilidad de la obra. A partir de 1940 se inició la aplicación de cal en suelos expansivos comprobándose su efectividad para mejorar sus características mecánicas y comportamiento a la compactación.

3 Estabilización de suelos con óxido de calcio Qué lograr con el tratamiento del suelo? Tratamiento de suelo: es un término general que se aplica cuando se quiere modificar un suelo para un propósito en específico. Qué propósito? Secar. Modificar. Estabilizar.

4 Efectos del óxido de calcio sobre el suelo tratado 1. Secado El tratamiento con óxido de calcio permite el secado de suelos con alto contenido de humedad, mejorando su desempeño durante el proyecto constructivo. El óxido de calcio se hidrata tomando humedad del suelo, generando grandes cantidades de calor que provocan la evaporación de más agua del suelo. La cantidad total de agua eliminada del suelo por efecto del óxido de calcio es igual al doble del agua que se requiere para hidratarlo. El tratamiento con óxido de calcio transforma las características y el desempeño de suelos arcillosos. En estas imágenes se muestra el mismo suelo antes (arriba) y después (abajo) de haberlo tratado con cal viva. *Para hidratar una 1 ton de óxido de calcio se requiere de 320 L de agua.

5 Efectos de óxido de calcio sobre el suelo tratado 2. Modificación La modificación ocurre cuando el óxido de calcio reacciona con los materiales arcillosos presentes en el suelo realizándose un intercambio iónico entre las partículas de óxido de calcio y de suelo. Gracias a este intercambio iónico, el suelo arcilloso modifica su carga superficial lo que resulta en: Reducción de la plasticidad del suelo Mejoramiento de la trabajabilidad Mejoramiento de las características para la compactación Aplicación de óxido de calcio sobre suelo arcilloso para reducir su plasticidad e incrementar los valores de resistencia a la compresión finales.

6 Efectos de óxido de calcio sobre el suelo tratado 3. Estabilización Proceso que ocurre progresivamente durante varios meses e incluye la reacción de óxido de calcio con el sílice y la alúmina presentes en el suelo. El ph de la mezcla suelo+ óxido de calcio se incrementa siendo favorable para la formación de silicatos y aluminatos de calcio. Inicialmente estos compuestos toman la forma de un gel que recubre las partículas del suelo y que posteriormente se cristalizan para formar hidratos cálcicos de sílice y alúmina. Como resultado se obtiene una ganancia progresiva de resistencia a la compresión. (VRS).

7 Efectos de óxido de calcio sobre el suelo tratado 3. Estabilización Reduce la plasticidad, la expansión y le da resistencia entre las partículas de arcilla.

8 Mecanismo de reacción Las denominadas arcillas están compuestas por una multitud de pequeños láminas que posee una gran área superficial (150 a 400 m2/gr). Estas arcillas posee una carga superficial negativa y para alcanzar neutralidad atraen partículas de sodio (+) y de agua (bipolares). H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Na Na Na Na H 2 O H 2 O H 2 O Entre mayor sea el área superficial de una arcilla, mayor será su capacidad para atraer agua y mayor también será su comportamiento expansivo. A menos que se modifique la superficie de las arcillas, éstas se expandirán y contraerán de acuerdo a los cambios climáticos causando daños.

9 Mecanismo de reacción (cont ) Cuando se agrega óxido de calcio a un suelo arcilloso, el calcio (++) reemplaza al sodio y las partículas de arcilla se transforman en hidratos cálcicos de sílice y alúmina. Este intercambio iónico expulsa también las partículas de cal que se hallaban acumuladas en la superficie de la arcilla. Los hidratos cálcicos de sílice y alúmina forman una estructura permanente y fuerte con características cementantes que gana resistencia a la compresión progresivamente. OH Ca Na Na OH OH OH Na Ca Ca Ca Ca OH Ca Na Ca OH Ca

10 Mecanismo de reacción (cont ) Reacciones inmediatas (horas) Reducción en contenido de agua Floculación (la textura cambia, decrece el índice de plasticidad y se propicia la trabajabilidad del material tratado). Reacciones de mediano y largo plazo (semanas, meses, años) Reacción puzolánica entre las párticulas de cal con la arcilla. Recarbonatación de la cal. OH Ca Na Na OH OH OH Na Ca Ca Ca Ca OH Ca Na Ca OH Ca

11 El diseño del tratamiento más adecuado se desprende de un análisis del suelo, para conocer la cantidad de óxido de calcio adicionada para lograr un ph de Cuándo aplicar un tratamiento con óxido de calcio? El tratamiento con óxido de calcio mejora la textura y la resistencia a la compresión del suelo haciéndolo fácil de manejar durante la compactación. El beneficio obtenido por el tratamiento es mayor cuanto mayor es el contenido de arcilla del suelo. Los tratamiento de estabilización pueden ser aplicados sobre una amplia variedad de suelos. La efectividad del tratamiento dependerá del nivel de arcilla presente (mínimo 7%) y de su capacidad para reaccionar.

12 Cuándo aplicar un tratamiento con óxido de calcio? Los suelos con menos del 7% de arcilla pueden ser tratados adicionando materiales cementantes como el fly ash (ceniza volante) La dosificación conveniente es generalmente de una a tres partes de fly ash contra una parte de cal 1-3:1 El fly ash es un subproducto de la combustión del carbón que contiene grandes cantidades de sílice y alúmina que pueden reacciónar con la cal.

13 Pruebas para la Estabilización de Suelos Preparación de las muestras Seleccione el contenido de óxido de calcio como porcentaje del peso volumétrico seco suelto del suelo. ( Prueba de Eades-Grim ASTM D 6276) Obtener una muestra del suelo a tratar. Secar la muestra en horno. Obtener una muestra de 350 grs. del suelo que pase la malla No. 40 (0.425 milímetros). Mezclar el suelo seco con óxido de calcio, en frascos de plástico en una cantidad de 25 grs. de suelo y dosificar la cal en peso para un rango de 1% al 10%. Cada porcentaje tendrá su propia muestra, por lo tanto se necesitarán 10 frascos, para 10 contenidos de cal. Agregar 100 ml. de agua destilada por muestra.

14 Pruebas para la Estabilización de Suelos Preparación de las muestras Mezclar las muestras de suelo+óxido de calcio +agua durante 30 segundos, cada 10 minutos durante una hora. Con un potenciómetro, obtener los valores de PH de la mezcla suelo+óxido de calcio+agua. Cuando el valor de PH de la mezcla suelo+óxido de calcio+agua se aproxime a 12.4, esta nos indica la cantidad de óxido de calcio necesaria para estabilizar el suelo a tratar.

15 Cal en la Estabilización de Suelos Resumen proceso aplicación 1.- Escarificación 2.- Suministro y aplicación de óxido de calcio

16 Cal en la Estabilización de Suelos Resumen proceso aplicación 3.- Incorporación de Humedad. 4.- Mezclado, pulverización. Curado de preferencia durante la noche ( mínimo un 3% arriba en contenido óptimo de humedad del suelo tratado).

17 Cal en la Estabilización de Suelos Resumen proceso aplicación 5.- Compactación al 95 % tan pronto sea posible después de haber ocurrido el mezlcado. Recordar: el peso volumétrico del suelo tratado será más bajo que el del suelo sin tratar y la humedad óptima del suelo tratado será mayor que la del suelo original. 6.- Sellado con emulsión para que se cure la capa tratada, si va a recibir pavimento o sello.

18 Cal en la Estabilización de Suelos Control de Calidad Contenido óptimo de Cal. (Eades & Grim) Dosificación en campo. (Peso del envío/ área a aplicar) Profundidad del suelo a tratar. (No exceder la de proyecto) Pulverización del suelo. (Contacto entre arcilla y cal) Mezclado eficiente. (Homogenización) Humedad Optima. ( mínimo un 3 % arriba del suelo sin tratar) (Antes y Después)

19 Cal en la Estabilización de Suelos Control de Calidad Se puede llevar a cabo una prueba de campo que nos indique de manera rápida el ph del suelo tratado, esto se lograría utilizando un indicador químico, ya que se lograría tener una prueba de la reacción de manera rápida que posteriormente se puede confirmar con la prueba de VRS. Se tienen diversas opciones de indicadores, los más usuales para tal serían fenolftaleína y amarillo de alizarina.

20 Cal en la Estabilización de Suelos Control de Calidad Además es una prueba de bajo costo y de fácil aplicación, ya que el costo de 250 ml del indicador es de $650 - $700, y se utiliza en una solución al 0.1% lo cual nos da un rendimiento de 250 litros de solución indicadora. Su aplicación es sencilla ya que se puede rociar con un atomizador o tomar una muestra y mezclarla con un pequeño volumen de indicador en un vaso de precipitado. Esta prueba es instantánea por lo que nos ayudaría a detectar deficiencias en el contenido de cal y así poder evitar problemas posteriores, por lo que puede ser parte del servicio de calidad que se ofrece en la obra.

21 Cal en la Estabilización de Suelos Ventajas y desventajas de usar cal en sus diferentes presentaciones para la estabilización de suelos. CAL VIVA Ventajas: - Es más económico su traslado en un 25 % por la cantidad disponible de Ca O. - La densidad es igual a la unidad por lo tanto su almacenamiento requiere menor volumén para silos. - Reacción más rápida de secado. - Extiende las temporadas de construcción (exceso de humedad o lluvia, por temporadas). Desventajas: - La hidratación en campo requiere un cuidado especial. - Problemas de seguridad en su aplicación.

22 Cal en la Estabilización de Suelos Ventajas y desventajas de usar cal en sus diferentes presentaciones para la estabilización de suelos. LECHADA DE CAL Ventajas: - No tenemos problemas de polvo en la aplicación. - Se distribuye uniformemente el producto en el suelo. - Reduce costos para su hidratación y mezclado por el manejo de pipas y equipo de mezclado para su distribución en la forma seca. - Ayuda a la humectación pronta de los suelos en periodo del verano. Desventajas: - La velocidad de aplicación es lenta y necesitas camiones pipas con gran capacidad para aplicar la lechada. - El costo de equipo de aplicación es más alto que el adicional. - No es práctico para suelos húmedos.

23 Cal en la Estabilización de Suelos Ventajas y desventajas de usar cal en sus diferentes presentaciones para la estabilización de suelos. CAL HIDRATADA Ventajas: - Se aplica dos o tres veces más rápido que la lechada. - Muy efectivo en suelos que no tienen mucha humedad. - La hidratación de la cal esta total y correctamente terminada. Desventajas: - El polvo que se genera en su aplicación. - Su peso volumétrico la hace que sea mas costoso su traslado contra el producto seco. - La dosificación se pierde en lugares con mucho viento. - El proceso de hidratación en planta es más caro que hacerlo en el lugar de aplicación.

24 Caso práctico Contepec, Mich. Parque Industrial Estudio para diseño de pavimentos Método Tradicional SN= 3.65, AASHTO Método Estabilización con Cal = SN= 3.67, AASHTO Carpeta Asfáltica 10 cm Impregnación y Liga Base Hidráulica 20 cm 8 cm Carpeta Asfáltica Impregnación y Liga Subrasante de banco 35 cm 18 cm Base Hidráulica Compactación T.N. 15 cm 20 cm Arcilla y arena fina limosa estabilizados con óxido de Calcio al 6 % en peso seco suelto del material

25 Caso práctico (1) Cd. Guadalupe N.L. Cliente: Grupo Ruba Fecha: Agosto/Septiembre 2005 Estabilización calle Río Tigris, Fracc. Privada San Carlos Características del estrato natural y modificado Característica Estrato (Virgen) Estrato (Con cal al 5%) Pasa malla No.200 (%) Límite líquido (%) Índice plástico (%) 36 9 Contracción lineal (%) 14 3 VRS Estándar Saturado (%) Expansión (%) Observaciones Arcilla altamente plástica (CH) Tierra de cultivo

26 Caso práctico (1) Cd. Guadalupe N.L. Cliente: Grupo Ruba Fecha: Agosto/Septiembre 2005 Estabilización calle Río Tigris, Fracc. Privada San Carlos Ahorro en Plataformas para viviendas y vialidades Concepto Tratamiento Tradicional P.U. $/MT3 Tratamiento con cal al 5% P.U. $/MT3 Corte, carga, acarreo y regalías de material arcilloso en la obra. Corte, carga, acarreo, regalías, tendido y compactado de material de banco puesto en la obra al 90% de compactación. Suministro de material para la estabilización de suelo arcilloso con cal viva al 5% en peso con Ca O disponible de 85%. Maquila para el mezclado, pulverización, humectado, tendido y compactado de suelo. (Proceso de Estabilización) Total= Ahorro con el proceso de estabilización 34 % Además se pudo trabajar en presencia de agua, durante el periodo de prueba.

27 Caso práctico (2) Carretera Monterrey- Cd. Mier Cliente: SCT Fecha: Noviembre/2005 Cadenamiento Ampliación de cuerpo desplante de terraplen Características del estrato natural y modificado Característica Estrato (Virgen) Estrato (Con cal al 4%) Límite líquido (%) Índice plástico (%) Contracción lineal (%) 9 0 VRS Estándar Saturado (%) 7 99 Expansión (%) 3 0 Observaciones Arcilla plástica café obscuro

28 Caso práctico (3) San Fernando Tamaulipas Cliente: CNA Fecha: Junio/2006 Brecha Este 107 entre sur 22 y sur 29 Características del estrato natural y modificado Característica Estrato (Virgen) Estrato (Con cal al 3%) Límite líquido (%) Índice plástico (%) 10 5 Contracción lineal (%) VRS Estándar Saturado (%) Expansión (%) 1 0 Observaciones Arcilla plástica en combinación con arenas y gravas

29 Conclusiones Construyendo el futuro sobre bases sólidas. Los suelos estabilizados mejoran de manera dramática sus propiedades mecánicas y se vuelven impermeables. Este tratamiento produce cambios inmediatos en las características del suelo, así como una ganancia de la resistencia a la compresión progresiva. Se logran importantes ahorros al evitar costos en carga, acarreo y regalías (de material de banco y el existente en la obra), al hacer manejables y resistentes los suelos tratados con cal en el lugar de construcción de las obras y lograr un mejor control de calidad sobre estos contra el material de banco. Es una alternativa eficiente, de menor costo y amable con el medio ambiente.

30 Cal en mezclas asfálticas Cal hidratada

31 Cal Hidratada en mezclas asfálticas El uso de cal hidratada en las mezclas asfálticas nos ayuda a: 1.- Prevenir los procesos de envejecimiento del asfalto en la mezcla. (Antioxidante) 2.- Reducir los efectos de roderas 3.- Mitigar los efectos de ruptura por bajas temperaturas sobre los pavimentos. Existen entre otros, los siguientes métodos para la integración de la cal hidratada con la mezcla asfáltica. - Agregar la cal hidratada directo al tambor mezclador de la planta asfáltica. - Agregando la cal hidratada a los agregados pétreos que conforman la mezcla asfáltica en un mezclador mecánico que después pasa al tambor mezclador de la planta asfáltica. - Incorporando la cal hidratada directamente al almacén de agregados (proceso de marinado). - Incorporando lechada de cal directamente a los agregados pétreos en el almacén con o sin marinado.

32 Cal Hidratada en mezclas asfálticas Doble tambor mezclador y dos silos, uno para cal hidratada y el otro para fly ash.

33 Cal Hidratada en mezclas asfálticas 1 (1) 2 3 Dosificador ó báscula (1) envía la cal hidratada através del alimentador rotatorio hasta cargar el depósito (2) y este inyecta dentro del tambor mezclador de doble pared la cal hidratada. (3).

34 Cal Hidratada en mezclas asfálticas La cal hidratada es incorporada a los agregados y mezclada dentro de un mezclador en contacto directo con los pétreos.

35 Cal Hidratada en mezclas asfálticas La cal hidratada es incorporada a los agregados y apilada sobre estos para su periodo de marinado. El periodo de marinado es de al menos 48 hrs para su uso en los siguientes 45 días.

36 Cal Hidratada en mezclas asfálticas Para adicionar a la mezcla asfáltica la lechada de cal debes de contar con un silo de almacenamiento mínimo de 80 tons.

37 Cal Hidratada en mezclas asfálticas La cal hidratada es dosificada con un alimentador vibratorio (1) y este lo envía a un separador espiral (2) para después inyectar el agua durante el movimiento de la cal hidratada hacia el mezclador formándose la lechada (3).

38 Cal Hidratada en mezclas asfálticas La lechada de cal es formada en el tanque mezclador (1), que después pasa a reunirse con los agregados pétreos en un mezclador (2), el producto de la mezcla se carga a una banda para entrar en el horno mezclador de la planta de asfalto (3).

39 Cal Hidratada en mezclas asfálticas Estado Método para agregar cal hidratada en las mezclas asfálticas En Tambor 1 Cal hidratada con agregados en seco Cal hidratada con agregados en húmedo Lechada en los agregados Requiere de marinado o no la cal con el agregado? Arizona x No California x Si Colorado x x Opcional Georgia x x No Mississippi x No Nevada x Si Oregon x Opcional Carolina del Sur x x No Texas x x x No Utah x Opcional x x Cal Hidratada y agregados húmedos en mezclador mecánico Cal Hidratada agregada de esta forma para plantas por bacha o tambor. 3

40 Ing. Pablo F. Anaya Gómez Tel: (81) Monterrey, Nuevo León