Actualmente las limitantes más importantes en el diseño y ejecución de vías se deben a aspectos económicos y ambientales; las soluciones tienden a nuevas






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Introducción

Actualmente las limitantes más importantes en el diseño y ejecución de vías se deben a aspectos económicos y ambientales; las soluciones tienden a nuevas tecnologías y métodos que sean más eficaces y menos agresivos con el medio ambiente, siendo una de las mejores alternativas la estabilización de suelos y materiales que conforman la estructura de pavimento.
Los suelos inestables pueden crear problemas significativos en las estructuras y pavimentos. Para mejorar estos suelos se usa la estabilización que persigue como fin primordial aumentar la capacidad portante y hacer que esa capacidad se mantenga invariable, en función del tiempo y cualquier condición climática.
La estabilización del suelo consiste en adicionar un ligante al suelo para unir las partículas, mejorando sus propiedades mecánicas. Esta cambia considerablemente las características del mismo, produciendo resistencia y estabilidad a largo plazo, en forma permanente, en particular en lo que concierne a la acción del agua. Una estabilización podrá hacerse cuando existan condiciones altas de humedad, un suelo o material que no cumpla con las especificaciones requeridas así como también cuando se repavimente y deseamos mejorar materiales existentes.
Para que la cal reaccione convenientemente se necesita que el suelo tenga minerales arcillosos, o sea sílice y alúmina, y se pueda lograr la acción puzolánica, que aglomerará adecuadamente las partículas del suelo esto debe recordarlo el ingeniero de pavimentos.

En el tratamiento de suelos se puede utilizar cal viva (óxido de calcio – CaO), cal hidratada (hidróxido de calcio – Ca[OH]2 ) o una lechada de cal, que es una suspensión de cal hidrata con agua. La cal viva se produce de la transformación química del carbonato de calcio (piedra caliza – CaCO3) en óxido de calcio. La cal hidratada se obtiene cuando la cal viva reacciona químicamente con el agua. La cal hidratada (hidróxido de calcio) es la que reacciona con las partículas arcillosas y las transforma permanentemente en una fuerte matriz cementante.
Según la publicación de la nacional LIME association una mínima cantidad de cal para tratamiento se utiliza para secar y modificar temporalmente los suelos. Tal tratamiento produce una plataforma de trabajo para la construcción de caminos temporales. Un mayor grado de tratamiento – respaldado por las pruebas, diseño y las técnicas apropiadas de construcción – producen la estabilización estructural permanente del suelo.
El criterio para diseñar en el laboratorio las mezclas, suelo-cal, depende del papel que vaya a desempeñar la cal:


a) Modificador de plasticidad o humedad.


b) Proporcionador de resistencia.


Según Bauza los efectos de la aplicación de la cal son:
* Reducción de la humedad natural del suelo

* Modificación de la granulometría

* Aumento de la permeabilidad

* Mayor trabajabilidad

* Reducción del índice de plasticidad

* Reducción del potencial de cambios volumétricos

* Modificación de las características de compactación

* Aumento inmediato de la consistencia

* Mayor resistencia a medio y largo plazo
De entre todos los factores que afectan a la eficacia de un tratamiento con cal pueden ser extraídos los más relevantes, y agrupados según estén asociados a:
a) La composición del suelo:

* Su contenido en arcilla

* Las características mineralógicas de la arcilla

* El contenido en materia orgánica

* El contenido en sulfatos solubles

b) La plasticidad del suelo

c) El pH del medio en que se produce el tratamiento

d) El proceso de ejecución:

* La disgregación y homogeneidad de la mezcla

* La dificultad de compactación

* La humedad de compactación

e) La presencia de agua:

* Por su agresividad

* Por los fenómenos de lixiviado
5. Efecto de algunos aditivos en las mezclas de suelo-cal.
La cal por sí misma puede reaccionar con suelos que contienen tan poca arcilla como 7% e Índices de Plasticidad tan bajos como 10. Si el suelo no es suficientemente reactivo, la cal puede ser combinada con aditivos que son una fuente adicional de sílice y alúmina.
Aditivos



  • LKD

  • Productos Puzolánicos


LKD (por su siglas en ingles): El empleo de cenizas o polvo de de alto horno de cal (ASTM C 6 18 Clase C con un contenido de óxido de calcio de aproximadamente 15 a 30 %) es una alternativa cada vez más popular. El LKD es un residuo fino que resulta de la combustión del carbón en las centrales eléctricas y el tratamiento de caliza en un horno para procesar la piedra en cal y que se removió de los gases de escape del horno. El LKD por lo general contiene un cantidad significativa de cal, aluminio y silicio, es en esencia una mezcla de puzolana y cal, la cantidad cal, aluminio y silicio en el LKD varia, principalmente dependiendo de la caliza, el combustible y el tipo de operaciones del horno usados durante el proceso de fabricación de cal.
En estos aditivos de las puzolanas y escorias de alto horno, el sílice y alúmina adicional reacciona con la cal para formar la fuerte matriz cementante que caracteriza a una capa estabilizada con cal similares a aquellos formados en el cemento Pórtland. Donde las mezclas correctamente proporcionadas de cal y estos aditivos pueden modificar o estabilizar casi cualquier suelo, pero comúnmente se usan para suelos con plasticidad de baja a media.

La adición de cal produce un efecto inmediato en el suelo, disminuyendo el contenido de agua, pero hay un efecto a largo plazo que es producto de la acción puzolánica, la que causa la cementación entra partículas y garantiza un comportamiento adecuado ante las cargas de tráfico en los suelos estabilizados con cal.

La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del

Proceso de diseño y se estima por pruebas como la de Eades y Grim (ASTMD6276)
La reacción se ilustra de la siguiente manera:
Ca++ + OH- + sílica soluble Hidrato de silicato de calcio

Ca++ + OH- + alúmina soluble Hidrato de calcio aluminatado
La sílica y la alúmina son disponibles para valores elevados de pH.

Para que la estabilización con cal sea favorable deberá lograrse aumentos en la resistencia lo cual se consigue si hay suficiente, de manera que se logre:


  • Modificar inicialmente el suelo.

  • Mantener un pH suficiente para que se libere sílica y alúmina para la formación de silicatos

  • Aportar calcio libre, para conseguir la acción puzolánica


Según la publicación LIME, Cuando la cal y el agua se añaden a un suelo arcilloso, comienzan a ocurrir reacciones químicas casi inmediatamente.
Secado: Si se usa la cal viva, la misma se hidrata inmediatamente (i.e., químicamente se combina con el agua) y libera calor. Los suelos se secan, porque el agua presente en el suelo participa en esta reacción, y porque el calor generado puede evaporar la humedad adicional. La cal hidratada producida por estas reacciones iníciales, posteriormente reaccionará con las partículas de arcilla (como se discute posteriormente). Estas reacciones subsecuentes, lentamente producirán un secado adicional porque las mismas reducen la humedad, mejorando el soporte. Si se utilizan la cal hidratada o la lechada de cal hidratada, en lugar de la cal viva, el secado ocurre sólo por los cambios químicos del suelo, que reducen su capacidad para retener agua y aumentan su estabilidad.
Modificación: Después de la mezcla inicial, los iones de calcio (Ca++) de la cal hidratada emigran a la superficie de las partículas arcillosas y desplazan el agua y otros iones. El suelo se hace friable y granular, haciéndolo más fácil para trabajar y compactar (Figura 4). En esta etapa, el Índice de Plasticidad del suelo disminuye drásticamente, así como lo hace su tendencia a hincharse y contraerse. El proceso, llamado "floculación y aglomeración", generalmente ocurre en el transcurso de horas.
Estabilización: Cuando se añaden las cantidades adecuadas de cal y agua, el pH del suelo aumenta rápidamente arriba de 10.5, lo que permite romper las partículas de arcilla. La determinación de la cantidad de cal necesaria es parte del proceso de diseño y se estima por pruebas como la de Eades y Grim (ASTM D6276). Se liberan la sílice y la alúmina y reaccionan con el calcio de la cal para formar hidratos de calcio-silicatos (CSH) e hidratos de calcio-aluminatos (CAH). CSH y CAH que son productos cementantes similares a aquellos formados en el cemento de Portland. Ellos forman la matriz que contribuye a la resistencia de las capas de suelo estabilizadas con cal
Cuando se forma esta matriz, el suelo se transforma de un material arenoso granular, a una capa dura relativamente impermeable, con una capacidad de carga significativa. El proceso se inicia en unas horas y puede continuar durante años, en un sistema diseñado correctamente. La matriz formada es permanente, duradera, y significativamente impermeable, produciendo una capa estructural que es tan fuerte como flexible.
Respuesta a la estabilización de los principales tipos de suelos (Fernández L. C. 1982). Tomado de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No. 201, Sanfandila, Qro. 2002
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