Diseño De Pavimento Flexible Sobre Suelos Expansivos Estabilizados Usando Ceniza Volante Y Polvo De Ladrillo

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1 Diseño De Pavimento Flexible Sobre Suelos Expansivos Estabilizados Usando Ceniza Volante Y Polvo De Ladrillo Christian David Zamora Quiguanás 1 & Andrés Mauricio Jiménez Padilla 2 1 Pontifcia Universidad Javeriana Cali, Ingeniería Civil, chistianzamora@javerianacali.edu.co 2 Pontifcia Universidad Javeriana Cali, Ingeniería Civil, ajimenez49@javerianacali.edu.co Resumen En este artículo científico se busca abordar el tema de los suelos expansivos como problemática en una estructura de pavimento flexible, siendo la arcilla expansiva una de las causas principales de falla. Tomando en cuenta la problemática planteada se emplean materiales reciclados tales como la ceniza volante y el polvo de ladrillo propuestas como estabilizadoras para reducir el potencial expansivo y posiblemente mejorar las propiedades mecánicas del suelo sobre la cual se colocará la estructura del pavimento flexible. En general, se busca realizar el diseño de un pavimento flexible con propósito de parqueadero para las nuevas construcciones consideradas a futuro en la zona Norte de Cali, barrio la Flora. Empleando los materiales alternativos mencionados anteriormente como estabilizadores para que la estructura cimiente tranquilamente sobre el suelo sin riesgo de daño estructural debido a la expansión. El diseño se basó aplicando previos estudios sobre el tránsito de la ciudad realizado por la Pontificia Universidad Javeriana de Cali, para explicar el crecimiento poblacional, residencial y el volumen vehicular del año base y a futuro. Además, empleando la metodología AASHTO se logra determinar las variables y situaciones que guían hacia un buen diseño de pavimento flexible. Se encontró que los suelos expansivos mezclados con polvo de ladrillo fue la mejor alternativa para la estabilización con un 60% y posterior diseño del pavimento flexible, debido a que las propiedades físicas y mecánicas de los suelos mezclados con este material, no se ven afectados respectivamente. Por otra parte, el uso del 50% de ceniza volante como agente estabilizador reduce la resistencia a la compresión hasta casi un 33% de la resistencia inicial del suelo. Esto muestra, las ventajas de utilizar el polvo de ladrillo como material estabilizante y alternativa de soporte para las estructuras de pavimento flexible no comprometiendo la durabilidad de la estructura y promoviendo el uso de materiales alternativos. Palabras clave: Diseño de Pavimento flexible, Volumen vehicular, crecimiento poblacional, suelos expansivos, propiedades mecánicas y estabilización. Introducción La incidencia del comportamiento de los materiales expansivos en los daños experimentados por las estructuras no fue identificada por los especialistas en el estudio de los suelos y fundaciones, como una de las causas fundamentales de esos daños. Hoy en día se comprende la incidencia de los suelos expansivos sobre las estructuras debido al gran impacto que estos le generan. Por eso se recomienda que los proyectos y diseños de construcción deben agregar este fenómeno seriamente para disminuir el riesgo y aumentar la durabilidad de la estructura.

2 Con base a este desafortunado evento, la ingeniería civil se ha encaminado en dirección a una solución más factible y a su vez económica. Como alternativa de solución, se propone emplear la ceniza volante o polvo de ladrillo como estabilizador, con el objetivo de reducir el índice de expansión y posiblemente mejorar la resistencia mecánica. Adicionalmente otro factor importante es el impacto ambiental, puesto que la disposición inadecuada de escombros y residuos industriales, no es regulada por la ley. Objetivo general: Realizar el diseño de un pavimento flexible sobre un suelo contracto expansivo estabilizado con ceniza volante o polvo de ladrillo. Objetivos Específicos: Extraer muestras de suelos expansivos por medio de un apique. Determinar las propiedades físicas y mecánicas de las muestras mediante ensayos de laboratorio Determinar el potencial expansivo del material. Definir los porcentajes de ceniza volante y polvo de ladrillo a utilizar y medir el potencial expansivo de la mezcla. Determinar las propiedades mecánicas del suelo estabilizado. Diseñar un suelo estable para la colocación de un pavimento flexible Realizar el diseño de la estructura de un pavimento flexible con propósito parqueadero, empleando la norma AASHTO y la herramienta informática WinDepav 2.5. Fundamentación teórica: Los mecanismos de los suelos expansivos son complejos e influenciados por variación de factores. La expansión es el resultado de un cambio en el contenido de agua del suelo que perturba el equilibrio de esfuerzos internos. Las partículas de arcilla generalmente son plaquetas de cargas eléctricas negativas sobre su superficie y carga positivas sobre los bordes. Las cargas negativas son balanceadas por cationes en el agua del suelo, al estar adjunto a la superficie de las plaquetas por fuerzas eléctricas. Las fuerzas electroquímicas internas pueden estar en equilibrio con los esfuerzos externamente aplicados y la tensión capilar del agua (Nelson & Miller, 1992). Otra causa es el origen geológico del suelo y más específicamente de la arcilla es su composición, donde está comúnmente constituida por tres grupos de minerales arcillosos; las montmorillonitas, las caolinitas e ilitas de las cuales las montmorillonitas son las causantes de la expansión en la arcilla, las caolinitas son estables y las ilitas son colapsables. Por tanto, si se desea estabilizar la arcilla es necesario reducir primero la expansión aportada por las montmorillonitas (Mohamed, 2000) Antes de 1920s el diseño del pavimento se basaba básicamente en el espesor del pavimento y de las capas de materiales que lo constituían. Se esperaba que el diseño de un buen pavimento fuera realizado por ingenieros con gran experiencia, que traían consigo conocimiento sobre las posibles fallas y errores estudiados de los eventos pasados. Este criterio era más empírico que científico en su momento. Sin embargo, era de esperarse que al no prevenir eventos como los esfuerzos cortantes del suelo expansivo o la variación del nivel de freático, terminaría la estructura fallando antes del tiempo previsto. Ahora gracias a la ayuda de la tecnología e innumerables estudios, la ingeniería se ha reforzado más los principios sobre el diseño de pavimentos flexibles teniendo en cuenta todas las variables posibles que pudiesen presentarse en un evento futuro, inclusive la variación y el cambio del volumen vehicular proyectados.

3 La AASHTO (American Association of State Highway Transportation Officials), se ha dedicado a realizar estudios sobre el comportamiento de pavimentos flexibles durante varios años. La entidad quien ahora es la Norma máxima americana para el diseño de pavimentos flexibles, ha estudiado el diseño del pavimento teniendo en cuenta variables como el clima, el volumen vehicular, el tipo y clasificación de los suelos e inclusive sus parámetros de resistencia. La AASHTO por consiguiente se ha encargado de plantear el comportamiento de los pavimentos mediante gráficos y ecuaciones que son resultados empíricos del comportamiento de un pavimento flexible bajo varios eventos que pudiesen fallar la estructura. En Colombia es posible utilizar esta información debido al detalle de los estudios y el tiempo de investigación, además la inversión de estos estudios es relativamente alta, lo que genera aún más confiabilidad en sus datos y ecuaciones planteadas. El módulo de Young es un parámetro cuya finalidad en el proyecto, es sustentar las propiedades mecánicas de la sub rasante al momento de colocar una estructura de pavimento. Para emplear el método AASHTO se sugiere, encontrar el valor correspondiente al módulo de Young o módulo de elasticidad de la sub rasante para así emplear las ecuaciones correspondientes que buscarán relacionar, el módulo de la sub rasante con las capas restantes, tales como son la base y la sub base mediante la siguiente ecuación: Esb = Esr (5.35log hsb log Esr 1.56log hsb log Esr 1.13) donde Esb = Módulo de elasticidad de la Subbase (kg/cm 2 ) Hsb = Espesor de la capa de la subbase (cm) Esr = Módulo de Elasticidad de la subrasante (kg/cm 2 ) (1) Luego de conocer el Módulo de elasticidad de la sub base se procede a hallar el módulo de elasticidad de la base, empleando las ecuaciones sugeridas por la AASHTO: Eb = Esb(8.05log hb log Esb 2.10 log hb log Esb 2.21) Donde, Eb = Módulo de elasticidad de la Base (kg/cm 2 ) hb = Altura de la capa de la Base (kg/cm 2 ) (2) Resultados: La muestra obtenida en el apique realizado en la zona norte de Santiago de Cali, barrio La Flora, resultó ser efectivamente un suelo con gran capacidad de expansión, tal y como lo mencionaba el mapa de microzonificación sísmica de Cali. Así mismo, su índice de expansión fue muy alto comparado con los valores esperados, correspondiente a la medición del índice de expansión de los suelos sin el estabilizador, y a su vez, con este. Los valores obtenidos del índice de expansión del suelo sin estabilizador fueron de y , mayores a 130. Esto se debe al compuesto mineralógico del material arcilloso o de la muestra, que, puede ser en su gran mayoría montmorillonitas con muy baja permeabilidad.

4 La resistencia a la compresión inconfinada de los suelos está relacionada con el tipo de material y la composición estructural de este. Por lo tanto, es conveniente mantener la resistencia mecánica de los suelos así este se halla mezclado con diferentes componentes. El resultado nota que la resistencia a la compresión inconfinada se ve afectada en suelos mezclados con ceniza volante al 50%, ya que disminuye casi un 33% de la resistencia comparado con la resistencia a la compresión inconfinada del suelo natural. Por otra parte, el suelo mezclado al 60% con el polvo de ladrillo presenta solo 3,5% de reducción a la resistencia comparada con la del suelo en condiciones naturales, lo cual es un componente altamente elegible para el diseño. Dicho esto, el uso de ceniza volante sobre suelos expansivos resulta una opción para reducir su potencial expansivo, pero no es recomendable para cimentar una estructura sobre este suelo. En el ensayo triaxial no consolidado no drenado, se hallaron los valores de la cohesión y el ángulo de fricción interna para el suelo en condiciones naturales y para el suelo mezclado con polvo de ladrillo. El valor de la cohesión y ángulo de fricción del suelo mezclado con polvo de ladrillo fueron de 22 kpa y 27. Sin embargo, para el suelo en condiciones naturales estos valores de la cohesión y ángulo de fricción fueron de 75 kpa y 20. En el calculó el módulo de elasticidad de los suelos obtienen un módulo de elasticidad de 27 MPa, según los resultados del ensayo. Los suelos mezclados con ceniza volante y polvo de ladrillo obtienen un módulo de elasticidad de 23 y 21 MPa respectivamente. La variación entre estos dos valores puede no considerarse tan significativa, pero seleccionando el mayor de estos valores puede verse que los suelos mezclados con ceniza volante presentan un mayor módulo de elasticidad a comparación de los suelos mezclados con polvo de ladrillo. Sin embargo, por efectos de la resistencia a la compresión inconfinada el suelo mezclado con polvo de ladrillo seguirá siendo el resultado más confiable para utilizar el diseño del pavimento flexible. Las isletas del proyecto se diseñan para los vehículos pesados, debido, a que estos vehículos tienen restringido el paso al parqueadero interno de los residentes, donde, estos tendrán que depositar todos sus residuos o materiales fuera del recinto por medio del personal encargado del aseo. De acuerdo a los resultados obtenidos del suelo estabilizado y con la herramienta informática WinDepav 2.5. se obtuvo el siguiente diseño de pavimento flexible para las isletas. La estructura de pavimento flexible suele diseñarse, con los vehículos cuyo peso sea considerablemente alto en comparación con los vehículos livianos, tales como carros, motos y

5 entre otros. Para el diseño de isletas en pavimento flexible que se mostró anteriormente, el factor de daño correspondiente realizado por INVIAS para diferentes tipos de camión era diferente de 0. Mientras que el factor de daño para vehículos livianos como autos es igual a 0, lo que no compromete a la estructura a fallar por fatiga. En resumen, no es posible hacer un diseño del pavimento para el parqueadero de visitantes, utilizando la herramienta WinDepav 2.5, debido a que los ejes equivalentes no están siendo considerados en los cálculos, lo que significa, que el diseño puede hacerse considerando las especificaciones de la norma INVIAS, en donde menciona que, para el diseño de pavimentos flexibles, se debe tener un espesor mínimo de 150 mm de base. De acuerdo con lo anterior el diseño de la estructura de pavimento es el siguiente: Conclusiones: La estabilización del suelo con alto contenido de arcillas expansivas se cumplió gracias a la propiedad de los materiales alternativos seleccionados para reducir el potencial expansivo. Las proporciones utilizadas para cumplir este objetivo fueron del 60% para polvo de ladrillo y 50% de ceniza volante mezcladas independientemente, logrando una clasificación de expansión muy baja para propósitos de este trabajo. La resistencia mecánica de los suelos mezclados con los estabilizadores no se vio afectada respectivamente, por el contrario, esta conserva aún algunas condiciones iniciales. Sin embargo, el suelo con el polvo de ladrillo resulto ser el mejor candidato para el diseño del pavimento flexible, debido a sus propiedades físicas y mecánicas. El polvo de ladrillo utilizado como suelo de soporte para la estructura de pavimento flexible resulto ser apto para realizar el diseño. El módulo de elasticidad empleado en el diseño mediante el programa WinDepav 2.5 no resulto variar mucho en comparación al módulo de elasticidad del suelo con problemas de expansión. Lo que garantiza una mayor durabilidad de la estructura y seguridad de los usuarios. Adicionalmente, el uso de materiales reciclados permite integrar soluciones para mitigar el impacto ambiental y la explotación de recursos ambientales. Por lo anterior el polvo de ladrillo resultante de la demolición y desperdicios en la construcción, representa una solución alterna amigable con el medio ambiente.