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Molero, Galvis, Baumgartner: Estudio comparativo del efecto de la incorporación de cal y áridos en la estabilización de suelos con cemento.

Estudio comparativo del efecto de la incorporación de cal y áridos en la estabilización de suelos con cemento.

Autor: Cris Molero

Profesora Universitaria IUPSM Ingeniero Consultor, Inversiones Resansil C.A.

[email protected] Teléfono: +58-414-666-0481

Ricardo Galvis

Ingeniero Civil, Especialista en Carreteras Gerente de Ingeniería de Aplicación, Inversiones Resansil C.A.


Manfred Baumgartner Director, Inversiones Resansil C.A.


Resumen

La reducción de zonas de préstamos debido a los impactos ambientales, así como el continuo aumento de los costos de transporte, obliga la búsqueda de nuevas metodologías que cumplan con los requerimientos específicos que demanden las obras. En tal sentido se llevo a cabo a través de Inversiones Resansil C.A., el estudio sobre la influencia de la cal hidratada, agregados y cemento en un material de préstamo seleccionado a ser empleado en la Rehabilitación de la Carretera La Luna – El Regalo del estado Barinas. Se presenta un análisis basado en un estudio geotécnico del material existente, luego se analizan los resultados obtenidos de la estabilización del suelo con cemento haciendo uso del pretratamiento del suelo con cal hidratada y áridos.

mailto:[email protected]




1. INTRODUCCIÓN

El mundo se encuentra en una etapa de transición de las operaciones dominadas por el factor económico, a las operaciones dominadas por el valor ecológico de los bienes producidos y consumidos. Esto se ve reflejado por la conciencia de la humanidad, en reducir el consumo de energía, tal como es demostrado en el tratado de Kioto.

Los altos costos ecológicos anuales en la búsqueda de materiales de préstamo, así como los costos para el mejoramiento de la vialidad, se incrementan principalmente por los altos costos del transporte; lo cual reta a los ingenieros viales en el desarrollo o implantación de técnicas exitosas que permitan la utilización más racional de los recursos naturales disponibles. Estos recursos naturales son escasos, por lo que la estabilización de suelos se hace ineludible para conseguir el desarrollo sostenible de nuestras naciones. En Venezuela la estabilización de suelos con cemento inicio en el año 1967, y aunque la técnica no tuvo un crecimiento sostenido, en la actualidad la misma ha vuelto a emplearse cada vez en mayor cantidad de proyectos; sin embargo existen materiales cuyo alto porcentaje de plasticidad obliga al uso de porcentajes de cemento por encima del 10%, lo que hace a la técnica poco viable, motivo que sirve de estimulo para la realización de este trabajo. En tal sentido el objetivo principal de este trabajo es el de estudiar la factibilidad de el pretratamiento de suelos con la incorporación de áridos y cal, y estudiar su beneficio desde el punto de vista de comportamiento geomecánico y en costos. El trabajo se llevo a cabo con materiales provenientes de los préstamos establecidos para la rehabilitación carretera La Luna – El Regalo, proyecto de PDVSA Asfalto, en la cual se evaluaron cuatro (04) sitios de préstamos para la ejecución de la estabilización de suelos con cemento de los cuales solo uno (1) puede ser utilizado. El documento inicia con la descripción de conceptos sobre la estabilización de suelos, seguido de una noción general del proyecto original que plantea dos estructuras equivalentes de pavimento como alternativas de diseño para la rehabilitación de la vía una haciendo uso de granzón natural y la otra mediante la estabilización con suelo cemento, luego se describe la caracterización de los materiales de préstamo, y se presenta los diseños de estabilizaciones haciendo uso de áridos y cales como pretratamiento. Luego se analizan los costos de las soluciones comparados con el costo de las alternativas de diseño original.


2. CONCEPTOS BÁSICOS

La estabilización de un suelo, es un proceso orientado hacia el mejoramiento integral de sus propiedades geomecánicas: el incremento de la resistencia al esfuerzo cortante y la disminución de su compresibilidad y su permeabilidad. (Escobar R., 1991). Las técnicas de estabilización deben mejorar una o más propiedades del suelo, pero se debe prever que el mejoramiento de una propiedad no signifique el deterioro de otra. La estabilidad de un suelo está asociada a su resistencia o capacidad portante y es una función directa a su contenido de humedad, siendo ésta la sumatoria del agua libre o intersticial que se reduce por gravedad y evaporación, el agua higroscópica debida a la humedad ambiental y el agua capilar por tensión superficial. La estabilización de suelos se divide en dos tipos:

Estabilización mecánica, es la que se realiza mediante la incorporación de un agregado grueso al suelo del sitio, el cual mediante su mezcla mejore las características geomecánicas del mismo.

Estabilización con agentes estabilizadores, este se realiza mediante la adición de un ligante hidráulico o bituminoso que modifique y mejore las características del suelo en sitio.

El agente estabilizador más comúnmente usado es el Cemento Portland, cuya técnica consiste en la producción de una mezcla íntima de material convenientemente pulverizado, con determinadas porciones de agua y cemento que se compacta y cura para obtener una mayor densidad (PCA). Su utilización mundial excede enormemente el uso de todos los otros agentes estabilizadores juntos. Una de las razones principales para esto es la disponibilidad; el cemento se fabrica en la mayoría de los países. Otra razón es su comprobado historial como material de construcción. Existe gran cantidad de estándares, métodos de ensayo y especificaciones disponibles, y además, las capas estabilizadas con cemento han superado las expectativas de desempeño en miles de kilómetros de pavimentación a lo largo de muchas décadas. Pese a esto, la estabilización con cemento requiere de un adecuado enfoque de diseño. La función primaria de la adición de cemento es aumentar la resistencia del material y la Resistencia de Compresión no Confinada (UCS, Unconfined Compressive Strength) la cual ha alcanzado una aceptación global como el principal criterio de diseño. La resistencia a la compresión y a la tracción alcanzada en un material estabilizado con cemento está determinada por la cantidad de cemento que se agrega, el tipo de material y la densidad de compactación.


La resistencia normalmente aumenta en una relación lineal con el contenido de cemento, pero a distintas tasas para distintos materiales y tipos de cemento. Los enlaces cristalinos comienzan a formarse entre las partículas tan pronto como el cemento entra en contacto con el agua en el proceso de mezclado. Algunos de estos enlaces son destruidos cuando el material es perturbado (principalmente durante la compactación), reduciendo así la resistencia final que se puede lograr. Por otra parte, tales enlaces tienen el efecto de reducir la máxima densidad posible de alcanzar. Es por esto que es muy importante que el proceso de colocación y compactación sea realizado adecuadamente, de manera de alcanzar la densidad máxima y también obtener las resistencias anticipadas del material compactado.


3. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO

El proyecto de Rehabilitación de la vialidad rural L002 (La Luna) – El Regalo del Municipio Sosa Estado Barinas, es producto del crecimiento vehicular que implica el desarrollo del Sector Puerto de Nutria y de la Región Nor-Este del Estado, con el propósito de brindar, seguridad y confort al transeúnte y desarrollo a las poblaciones cercanas en su mayoría pequeños y medianos productores agropecuarios, tiene como alcance que se realice la rehabilitación en una primera fase de 46 Km de la vía existentes la cual se encuentra apoyada sobre una estructura parcialmente pavimentada y maneja alto volumen de tráfico pesado con porcentaje de vehículos pesados superiores al 30% del promedio diario de tránsito (PDT). Las variables consideradas para la determinación de los espesores de pavimento en esta vía rural son las mismas utilizadas para la selección de espesores en carreteras troncales: tráfico (tipo, volumen, configuración de ejes y carga), suelo de fundación (capacidad de soporte, características granulométricas y de plasticidad), materiales para el pavimento (disponibilidad, capacidad de soporte, características granulométricas y de plasticidad), y condiciones ambientales que predominan en la unidad de diseño.

Figura o1. Vista vía rural Lo-02 (La Luna) – El Regalo. (Marrero,2008)

El alineamiento de la vía se adapta a la topografía del terreno, carece de un diseño geométrico y se interrumpe en 11 pasos de caños siendo el más crítico el Caño Morroncito ubicado al final del alineamiento en la entrada de la población El Regalo. La premisa en el diseño de la vialidad es mejorar el alineamiento de manera que cumpla con los requisitos de diseño para vialidad rural principalmente en el desarrollo de curvas horizontales, y en segundo lugar elevar la cota del terraplén por encima de la cota de inundación. El suelo de fundación presenta poca variabilidad en los materiales.


CUADRO RESUMEN DE LAS EXPLORACIONES

Progresiva Clasificación CBR Progresiva Clasificación CBR

SUCS HRB SUCS HRB 0+050 CL A-6(8) 4.2 23+040 CL A-4(7) 4.9

1+050 CL A-6(7) 4.2 24+000 CL A-6(7) 4.2

1+958 CL A-4(6) 3.5 25+020 CL A-4(7) 3.7

3+080 CL A-4(7) 3.4 26+100 CL A-4(7) 4.1

4+020 CL A-4(7) 3.1 27+000 CL A-4(7) 4.3

5+000 CL A-6(8) 4.2 28+000 CL A-4(7) 4.3

6+020 CL A-6(9) 4.2 29+080 CL A-4(7) 3.6

7+050 CL A-6(8) 3.6 30+040 CL A-4(7) 3.8

8+000 CL A-6(8) 4.2 31+120 CL A-6(7) 4.2

9+040 CL A-6(8) 4.1 32+000 CL A-6(7) 4.3

10+050 CL A-6(8) 4.1 33+000 CL A-6(8) 4.3

11+000 CL A-6(9) 4.3 34+000 CL A-6(8) 4.4

12+100 CL A-4(7) 4.3 35+000 CL A-6(7) 3.4

13+020 CL A-4(7) 3.9 36+040 CL A-6(8) 5.3

14+120 CL A-6(9) 4.5 37+000 CL A-6(7) 3.6

15+000 CL A-6(8) 4.3 38+040 CL A-6(7) 4.9

16+060 CL A-6(7) 4.2 39+000 CL A-4(7) 4.2

17+020 CL A-4(7) 5.0 40+000 CL A-6(8) 4.1

18+000 CL A-4(7) 4.9 41+000 CL A-6(8) 4.3

18+980 CL A-6(7) 5.0 42+060 CL A-6(8) 4.1

20+020 CL A-6(7) 3.7 43+020 CL A-6(8) 4.1

21+000 CL A-4(7) 3.9 44+000 CL A-6(7) 3.7 22+000 CL A-4(7) 4.2 45+000 CL A-6(8) 4.5

Tabla 01 Tabla de clasificación de materiales provenientes de exploraciones en la vía (González, Marrero, 2008) . El primer grupo de suelos presenta propiedades de arcillas de mediana a baja compresibilidad de acuerdo a la clasificación unificada de suelos. Adicionalmente, se clasifican como suelos A-6, con índices de grupos no superiores a 10 según la clasificación de la HRB. La permeabilidad del material es nula ya que la arcilla impide que drene el agua. Como subrasante posee un comportamiento regular. Sus características de compactación son buenas y puede alcanzar altas densidades, cuando son compactados adecuadamente. (González Marrero, 2008) El material perteneciente al segundo grupo de calicatas presenta propiedades de un limo inorgánico, de acuerdo a la clasificación unificada. Es un suelo A-4, según la clasificación de la HRB. La permeabilidad del material es baja. El valor de CBR es bajo. Como material de base es inadecuado, como terraplén posee buena estabilidad y como sub-rasante es aceptable. Sus características de compactación son regulares. (González Marrero, 2008) En el caso de los préstamos de granzón natural seleccionados el material se caracterizó como un suelo A-1a por el sistema HRB y GM - GW (grava limosa bien


gradada), su densidad máxima seca alcanza 2150 Kg/m3, con una humedad óptima de 6,6%. La capacidad de soporte medida con el ensayo CBR supera el 30%. El material presenta buena permeabilidad por la características granulares de la fracción gruesa y poca plasticidad de fracción fina. (González Marrero, 2008) Con unas Repeticiones de Ejes Equivalentes Acumulados de 2482672.35 para un periodo de diseño y de análisis de 20 años normalmente empleado para este tipo de vía agrícolas y rurales, y dada la dificultad de obtención de materiales granulares en la zona, que satisfagan los requerimientos de la norma COVENIN 2000-87 para bases y sub-bases, y de los altos costos que se generarían por acarreos se plantea un diseño estructural equivalente. La premisa de diseño se basa en la estabilización de los suelos existentes, de manera de elevar su capacidad de soporte y satisfacer los requerimientos estructurales. La alternativa propuesta por esta oficina de proyecto, es la aplicación de la estabilización por medio de suelo cemento. Las especificaciones técnicas y procedimientos de ejecución se plantean en el capítulo 11-8 Suelo Cemento de la Norma COVENIN 2000-87 parte I Carreteras. (González Marrero, 2008) Estructura Equivalente

Material Espesor (cm) Material

Equivalente Espesor

Equivalente(cm)

Concreto Asf. 12 Concreto Asf. 12 Base Granular 21 Suelo Cemento 13

Sub-base 31 Suelo Cemento 21

Tabla 02 Estructuras de pavimento planteadas en el diseño (Gonzales, Marrero, 2008).

Se presenta la descripción de los materiales que se requieren para la estructura de pavimento, de acuerdo a las especificaciones vigentes y al dimensionado reportado por los cálculos anteriores. (González Marrero, 2008)

Capa Material Especificación Requerimiento Espesor

(cm)

Carpeta Asfáltica

Concreto Asfáltico tipo

M12 12-10 INVEAS 2004*

Estabilidad ≥ 2200 lbs.

12

Base Granular Suelo cemento 11-8 COVENIN

2000-87

Rcc de 20 a 28 kg/cm2 a los 7 días

34

Tabla 03 Especificaciones de materiales para la estructura de pavimento (González Marrero, 2008).

El uso de las estructuras de pavimento ya sea los 54 cm de granzón o los 34 cm estabilización con cemento está descrito en el proyecto por unidades de trabajo en relación a las condiciones por progresivas.


PROGRESIVAS ESPESOR SUELO CEMENTO

0+000 – 2+300 Base de treinta y cuatro (34) centímetros 2+300 – 2+800 Base de veinte cuatro (24) cm 2+800 – 3+500 Base de treinta y cuatro (34) centímetros 3+500 – 5+800 Base de veinte cuatro (24) centímetros 5+800 – 15+600

15+600 – 16+300 Base de veinte cuatro (24) centímetros 16+300 – 46+980 Base de treinta y cuatro (34) centímetros

Tabla 04 Tabla de espesores requeridos de suelo cemento planteados por progresivas.


4. EVALUACIÓN DE MATERIALES

Los materiales objeto de estudio que forman parte de este trabajo son los préstamos designados para el uso del levantamiento de la cota existente inundable a la nueva cota del proyecto y por consiguiente para la estabilización de suelo con cemento de la “Rehabilitación de la vialidad rural L002 La luna – El Regalo municipio Sosa, estado Barinas, la cal como agente de pretratamiento y los áridos seleccionados como otra opción de pretratamiento. Prestamos.

Los préstamos han sido ubicados en las adyacencias de la misma vialidad rural, al suroeste de Venezuela, en la zona sur del mencionado estado, aproximadamente a 200 km de la ciudad de Barinas.

El propósito original del estudio es planteado para la evaluación de los materiales provenientes de cuatro (4) de los préstamos más accesibles y autorizados por ambiente, para la construcción del terraplén y la estabilización con cemento de 34 cm de espesor desde la progresiva 16+300 a la progresiva 46+980, con una resistencia (Rcc) exigida en por proyecto es de 20 a 28 kg/cm2 a los 7 días.

Tabla 05 Espesor requerido de suelo cemento para progresivas en estudio.

Dado que la vía en rehabilitación presenta limitaciones para el paso de camiones con acarreo de material por contar con 11 pasos de agua importantes donde existen puentes estrechos, de baja capacidad y en mal estado, se hace necesaria la utilización de estos materiales de préstamo ubicados en los laterales y a lo largo de toda la vía obligando al uso de préstamos entre tramos delimitados por la progresivas de los puentes. En relación a lo antes expuesto y a los resultados obtenidos de los ensayos realizado a los materiales para la estabilización del suelo con cemento donde los materiales muy finos, específicamente arcillas de baja a alta plasticidad expuestos a grandes contenidos de humedad en condiciones naturales del sitio y donde los contenidos de cemento alcanzan un 14% se hace muy costosa e inviables la estabilización al igual que la opción del granzón. El pretratamiento del material de préstamo con cal y áridos se presenta como alternativa de mejora para reducir el nivel de plasticidad, disminuir los porcentajes de cemento en el diseño, alcanzar la resistencia deseada y cumplir con las metas de desarrollo y mejoras planteadas que justifican la necesidad y viabilidad de la realización del proyecto.

PROGRESIVAS ESPESOR SUELO CEMENTO

16+300 – 46+980 Base de treinta y cuatro (34) centímetros


Cal.

La cal seleccionada para el pretratamiento es la cal hidratada por mostrar resultados más favorables que la viva y la agrícola.

Áridos.

Los áridos utilizados son producto de la combinación de la muestra de préstamo, arrocillo, polvillo y arena natural.

En tal sentido se plantea la siguiente evaluación. La evaluación abarco los siguientes aspectos:

Evaluación visual de las áreas de ubicación de cada uno de los prestamos y los alrededores vinculados a ellos, para la obtención de la información necesaria en relación a las consideraciones del proyecto y las condiciones propias del cada sito, a tal manera de planificar y desarrollar el estudio.

Exploración geotécnica, a cielo abierto mediante la realización de calicatas, basado en el método ASTM.

Análisis de las muestras extraídas de las calicatas, a partir de los ensayos de laboratorio determinando las características y evaluando el comportamiento de cada uno de los materiales.

Análisis de las muestras de áridos seleccionados.

Evaluación de la cal hidratada.

Determinación del diseño se suelo-cemento con pre tratamiento con cal hidratada para la estabilización de los suelos proveniente de los prestamos de acuerdo a la caracterización del material de préstamo seleccionado, mediante los métodos ACI 230-1R-90 y el PORTLAND CEMENT ASOCIATION (PCA).

Determinación del diseño de suelo-cemento, con la consideración para este caso del pretratamiento de áridos en lugar de cal, mediante los métodos ACI 230-1R-90 y el PORTLAND CEMENT ASOCIATION (PCA).

Para la exploración a cielo abierto a través de las calicatas y el estudio de los suelos existentes se considero en Método del Instituto Nacional del Asfalto de los Estados Unidos, el mismo define por medio de una clasificación un orden de prioridades, según el cual se deben realizar los trabajos y estudios. La naturaleza de los suelos en estudio están enmarcados en la formación el Pagüey la cual se distingue por tener la característica de predominancia de lutitas marinas de grises a negra, limolitas, y areniscas de grano fino a medio que van desde color


grises claras y grises azuladas a grises oscuras a negras según sea la ubicación exacta. En el caso específico de los préstamos evaluados se dividen en dos de acuerdo a la zona de extracción y a las características del material:

la zona de préstamo de árido son intercalaciones de arenas limosas de color gris ubicado en un lente cercano a la vía.

las zonas de préstamo planas ubicadas específicamente a los laterales de la vía en proyecto, son suelos finos, arcillas de media a alta plasticidad de color marrón a marrón oscuro.


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El Junco

La Soledad

Las T ro jas

Sab an a de To ro

Cachicamo

C apu chin os

Veg ón d e N utri asEl Pi cure

El C uch aro

Los C añ ave rale s

Za m ur o

To tum ito

M adr e Vie ja

El Zam u ro

Chaparrito

El Bo ng o

C am pe cha noC año S eco

El Pe rro

C oro za l

Maporita

El Ba nco

Las Sa ba neta s

La La gu na

El Ba nco

La Manga

La Palma

La P alm ita A ba jo

La P alm ita A rri ba

C oro za l

La P alm ita

Chorrosco

La P alm ita

D rag uito

Leo ner o

Gra tero lach o

El R eg alo

Rosari o

Limoncito

Agua da L a A gua da

El Ceibo teLos Caballos

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Los Chivo

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P1

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P7P8

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P16P17

P18P19

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P23P24 P25

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P27

P28

P29

P30

P31

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P33P34

P35P36

P37

PREST AM OS#S

Lim ite de Municip io

Población Benefic iada: 25.000 hb

EST AD O BARINAS

M UNICIPIO SOSAGER ENCIA D E PROYECTOS D E IN FR AEST RU CTU RA

SALA DE PR OYEC TOS

ELABORAD O POR IN G. MARIA ANT ONIETA M ARTINEZ

Escala . 1 :200 .0 00

Via lidad

Consol idación de Vial idad Agrico la

La Luna - E l R egalo

L = 41.8 k m

Proyecció UTM , USO 19 Norte,

Sis tem a de R eferenc ia SIR GAS - R EGVEN Elipsoie GRS80.

Hidrografía

ESCALA. 1:800.000

SITUACIÓN RELATIVA

30 5 0 0 0

30 5 0 0 0

310 0 0 0

310 0 0 0

315 0 0 0

315 0 0 0

32 0 0 0 0

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32 5 0 0 0

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905000

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910000

910000

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R Í O AP

UR

Puerto Nut rias

Ci udad de Nutrias

Ram al de Dolores

Vegon de Nut rias

Vegon de Dol ores

Chorrosco

El Regal o

La Pal mita

La Pal mita

La Pal mita A rriba

La Manga

La Reforma

La Pal ma

La Pal mita Abajo

Graterolacho

El Bongo

Chaparrito

Draguito

Leonero

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Caño Mo rroc oy

Caño M orrocoy

Los Leones

MUNICIPIO

SOSA

ESTADO

PORTUGUESA

RIO APURE

VIALA LUNA/EL REGALO

LO0 2

LO 02

N

455000

455000

462000

462000

469000

469000

476000

476000

483000

483000

490000

490000

903000

903000

910000

910000

917000

917000

924000

924000

931000

931000

VIALID AD LA LUNA - EL REGALO

5. EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

Con el fin de definir la litología de la estructura de los suelos, la caracterización, densidad, resistencia y comportamiento de los materiales existentes en los estratos que pudieran ser usados, fue necesaria la ejecución de calicatas entre 1.00m y 1.70m de profundidad. La ubicación de las calicatas, se realizo en función al reconocimiento de las zonas de ubicación de los préstamos seleccionados y del suelo vecino a dicha zona, de manera tal de definir un perfil litológico que nos proporcione información de los materiales que conforman la estructura de ese suelo, así como también se realizo el debido muestro al saque de árido empleado. Una vez realizado el reconocimiento de las zonas se estimo la apertura de las calicatas, ubicadas de acuerdo a las dimensiones de cada préstamo. A continuación se describe la exploración realizada en cada uno de los préstamos explorados:

Figura. 02 Croquis de vía y ubicación de préstamos.

Las calicatas se realizaron a distintas profundidades entre 1,00 m y 1,70m en relación a los materiales conseguidos y a los requerimientos del estudio, en las mismas se chequearon espesores de los estratos, humedades naturales, estas actividades fueron realizadas mediante procedimientos descritos en las normas


ASTM, además se tomaron muestras tanto para ensayos de caracterización y clasificación, como para ensayos de resistencia de los materiales sujeto a estudio. Se tomo muestra del material árido a utilizar en el pretratamiento de un préstamo seleccionado en las adyacencias de la vía a fin de ensayar y analizar al igual que el resto de las muestras. De igual manera se tomo muestras de la cal hidratada a ser utilizada en el pretratamiento para su evaluación. ENSAYOS DE LABORATORIO Para el análisis de los materiales, se realizó una evaluación de su composición granulométrica y de sus características geomecánicas, a través de pruebas de laboratorio, cuyos procedimientos están establecidos según designación de las normas ASTM y COVENIN. Una vez examinados visualmente en el Laboratorio (ASTM D2488-06) los materiales procedentes del muestreo, se realizo el programa inicial de ensayos el cual se presenta a continuación: El estudio de los materiales de préstamo abarca:

Contenido de Agua (Humedad) ASTM D2216-05

Ensayo de Granulometría. ASTM C136-06 / ASTM D422-02.

Limites de Consistencia. ASTM D 4318-04.

Clasificación de Suelo por el SUCS ASTM D 2487-06

Clasificación de Suelo HRB ASTM D 3282-04 / AASHTO M 145-91

Ensayo de compactación A.S.T.M. D1557

Ensayo de resistencia a la Compresión. ASTM D1633 Análisis Químico:

pH.

Sulfatos.

Materia Orgánica.

Fosfato.

A continuación se presenta el resumen de ensayos de laboratorio efectuados a muestras provenientes de la exploración geotécnica específicamente la del préstamo P13 seleccionado luego de los análisis de laboratorio como el préstamo de condiciones más desfavorables, de los áridos y la cal, para la viabilidad de su uso en la estabilización con cemento para realizar el pre tratado con cal y con áridos de los préstamos establecidos por PDVSA Asfalto y ambiente en la obra vial L002 La Luna - El Regalo.


EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA DEL PRÉSTAMO P13. Durante la exploración geotécnica realizada al préstamo P13 mediante calicatas, se encontró: en una capa de 30cm de un material fino limo arcilloso de color gris amarillento con moderado contenido de raíces según correspondiente a capa vegetal, seguida de 160cm de espesor de una arcilla de alta plasticidad de color marrón oscuro, según S.U.C.S pertenece al tipo CH y según el sistema de clasificación H.R.B. A-7-6(19). El arrocillo – polvillo proveniente de la Planta La Veguita es arena bien gradada con limo de color marrón pálido, según S.U.C.S pertenece al tipo SW-SM y según el sistema de clasificación H.R.B. A-1-b(0). La siguiente tabla muestra un resumen de resultado de ensayos.

MATERIAL MUESTRA

CLASIFICACIÓN SUCS – AASHTO

SULFATOS (mg/kg)

MATERIA ORGÁNICA

(%) pH

FOSFATO (mg/kg)

Préstamo P13 CH A-7-6(19) 328.6 1.4 10.31 0.03 Áridos

Planta Arrocillo-Polvillo SW-SM A-1-b(0) Préstamo Arena natural SM A-2-4(0) 529.2 3.9 11.06 0.10

Planta Cal hidratada --- --- --- --- 11.02 ---

Tabla 05 Resultados de ensayos.

6. PROGRAMA DE TRABAJO

En función a las ya mencionadas limitaciones por condición de ubicación de la obra en general, se plantea en la siguiente fase dos alternativas que garanticen la realización de los trabajos en relación a las exigencias estructural del pavimento, los costos disponibles destinados para la inversión, y la rentabilidad de dicha inversión en el tiempo.

Figura 03 Programa de ensayos.


En función a los resultados obtenidos de cada suelo proveniente de los cuatro préstamos estudiados los cuales son de características muy similares, se selecciono el material de préstamo P13 para la evaluación de pretratamiento con cal. De igual forma para pretatamiento con áridos. Pretratamiento con Cal. Para el caso del pretratamiento con cal se determino el valor de pH de la cal y del suelo, y se evaluó el comportamiento del valor de pH (ver Grafico 01) y la plasticidad (ver Grafico 02) del material de préstamo (suelo) P13 con distinto porcentajes de cal.

55,5

66,5

77,5

88,5

99,5

0% 2% 4% 6% 8%

VA

LO

R p

H

% CAL

INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE CAL EN EL pH MUESTRA P13-M1

CAL VIVA

CAL HIDRATADA

CAL AGRICOLA

Grafico 01 Influencia de los porcentajes de Cal en el Ph.

5

10

15

20

25

30

0% 2% 4% 6% 8%

VA

LO

R IN

DIC

E D

E P

LA

ST

ICID

AD

% CAL

INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE CAL EN LOS INDICES DE PLASTICIDAD. MUESTRA P13-M1

CAL VIVA

CAL HIDRATADA

CAL AGRICOLA

Grafico 02 Influencia de los porcentajes de Cal en los Índices de Plasticidad.


Basado en los gráficos presentados, podemos notar que los mejores resultado fueron obtenidos con Cal Hidratada, y el punto de equilibrio conseguido para la disminución de la plasticidad fue de 4% de cal para la realización de las briquetas. El diseño se realizo con 3 briquetas de suelo P13, cal y porcentaje de cemento de 7, 9 y 11%. Como lo muestra la siguiente tabla.

Muestra No. % Cal % Cemento

1 4 7

2 4 7

3 4 7

4 4 9

5 4 9

6 4 9

7 4 11

8 4 11

9 4 11 Tabla 06 Porcentajes de cal y cemento.

Pretratamiento con Áridos.

De la evaluación a los materiales de préstamo en este caso P13 específicamente, se encontró con un material cuyas características y condiciones de exposición futura de su uso en obra son totalmente desfavorables, se plantea como posible alternativa de solución el pretratamiento con una combinación de áridos. Los áridos analizados y combinados con el material de préstamo P13 son descritos a continuación:

Arrocillo-Polvillo proveniente de la planta de trituración “La Veguita” ubicada a 126Km de la obra, cabe destacar el material de préstamo favorable más cercano a la misma, perteneciente al ente contratante.

Con el objeto de disminuir el porcentaje de polvillo utilizado en la combinación de áridos, se analizo un material proveniente de las adyacencias de la obra cuya caracterización la identifica como una arena limosa.

La combinación de áridos se realizo con 42% del material de préstamo P13, 28% de polvillo y 30% de arena a manera de garantizar el cumplimiento de las exigencias granulométricas especificadas por la norma COVENIN 2000-87 (ver grafico 03).


0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00

PO

RC

EN

TA

JE

PA

SA

NT

E

TAMAÑO DE TAMIZ (mm)

CURVA GRANULOMETRICA

Grafico 03 Curva Granulométrica de la Combinación P13- Arrocillo Veguitas- Arena de Sitio.

Para la elaboración de las briqueta se mantuvo la combinación establecida y se vario los porcentajes de cemento en 5%, 7% y 9%. Se elaboro 3 briquetas por punto como lo muestra la tabla.

Muestra No.

Áridos Combinación

% Cemento

1

P13 - M1 = 42% Polvillo = 28% Arena = 30%

5

2 5

3 5

4 7

5 7

6 7

7 9

8 9

9 9

Tabla 07 Porcentajes de áridos y cemento.


6. DISEÑO DE MEZCLA DE SUELO CEMENTO

El método usado para el diseño de suelo cemento es el descrito por la Portland Cement Association, en la cual el cemento requerido para la estabilización de un suelo, se determino mediante el criterio de resistencia a compresión. Para la definición de los contenidos de cemento iníciales, es necesaria la clasificación del suelo, la densidad seca máxima del material, el porcentaje retenido en el tamiz No. 4 (4.75mm) y el porcentaje pasante a 0.05mm. Una vez definido tales parámetros se pudo apreciar que el contenido óptimo para proyectar las mezclas de suelo cemento, son los siguientes:

Préstamo P13 + cal: el contenido óptimo de cemento fue de 9%.

Préstamo P13 + áridos: el contenido óptimo de cemento fue de 7%. Se modelaron otras muestras con contenidos de cemento que variaron entre 7% y 11% para el pretratamiento con cal y porcentajes de 5% y 9% para pretratamiento con áridos, con el fin de observar el comportamiento, de propiedades tales como la durabilidad y la resistencia a la compresión variando los porcentajes de cemento. Una vez definido los porcentajes de cemento a usar se realizo la prueba de relación densidad – humedad para cilindros de suelo cemento definido en la norma ASTM D558, esto con el fin de obtener el porcentaje de humedad optimo de la mezcla y poder realizar los cilindros para la prueba de Compresión simple. A continuación se presenta el resultado de ensayos de resistencia compresión de cilindros, realizados según norma ASTM D1633 para las mezclas No.1, 2, y 3 con proporciones de cemento equivalente a 7%, 9%, y 11% respectivamente a la edad de 7 días.

MUESTRA No. % CAL % CEMENTO FĆ (kg/cm2)

1 5 7

23,1 2 5 7

3 5 7

4 5 9

24,50 5 5 9

6 5 9

7 5 11

25,72 8 5 11

9 5 11

Tabla 08 Resultados de Resistencia a Compresión de las muestras de Suelo Cemento - pretratamiento con cal.


MUESTRA No. ARIDOS

COMBINACION % CEMENTO Fć (kg/cm2)

1

P13-M1 = 42% POLVILLO = 28%

ARENA = 30%

5

14,33 2 5

3 5

4 7

18,50 5 7

6 7

7 9

20,00 8 9

9 9 Tabla 09 Resultados de Resistencia a Compresión de las muestras de Suelo Cemento - pretratamiento con áridos.

La norma COVENIN 2000-87, especifica que la resistencia a compresión debe estar comprendida entre 15kg/cm2 y 28kg/cm2 a los 7 días, dependiendo del volumen de transito utilizado para el diseño, el proyecto establece valores de diseño de Rcc de 20 a 28 kg/cm2 a los 7 días, valores que se obtuvieron con 9% de cemento + áridos o el uso de 4% de Cal más 5% de Cemento.

0

5

10

15

20

25

30

35

4 5 6 7 8 9 10 11 12

RE

SIS

TE

NC

IA A

CO

MP

RE

SIO

N f

ć

(kg

/cm

2)

% CEMENTO

COMPARATIVO ESTABILIZACION CON CEMENTO -PRETRATAMIENTO CON ARIDOS Y CAL

CALARIDOS

Grafico 04 Comparativos de Resistencia a Compresión de Materiales pretratados con Áridos y con Cal.

Al observar los resultados obtenidos en las mezclas preparadas (ver grafico 04) presenta que las mezcla con dosis de 9% de cemento + áridos presenta una resistencia de 20 kg/cm2; mientras que el uso de 4% de Cal más 5% de Cemento presenta una resistencia de 21kg/cm2, tal como se puede observar cada una de las mezclas respectivamente cumplen con lo especificado en la especificación del proyecto de PDVSA de 18kg/cm2.


7. ANALISIS DE COSTO Y ENERGETICO

Una vez obtenido los cómputos métricos fueron ejecutados los respectivos presupuestos, con la finalidad de tener una comparación económica entre los costos de cada una de las alternativas. Los tabuladores empleados corresponden a los del Colegio de Ingenieros, esto con la finalidad de ejecutar un análisis objetivo de cada una de las condiciones planteadas en este estudio. En el caso del análisis energético fue empleado lo señalado por Chappat y Bilal en el 2003, en su trabajo de Uso de energía y emisiones de Gases de Efecto Invernadero para Materiales de Construcción de Pavimentos. A continuación se presenta cada uno de los costos de las soluciones:

A Nº

Part.Cod. Covenin Descripción de Partida Unidad

Total Cantidad

Obra Precio Unitario

Monto Total por

Actividad Monto Total por Partida

2.026.545,39

1 C.10.03.001.01EXCAVACION EN PRESTAMO, EN CUALQUIER TIPO DE MATERIAL, CON

EMPLEO DE TRACTOR Y CARGADOR, CARGA, TRANSPORTE HASTA 200

MTS. Y DESCARGA.

M3 4.544,80 12,94 58.809,71

2 C.11.82.003.02 TRANSPORTE NO URBANO EN CAMIONES, DE MATERIALES PARA LA

CONSTRUCCION DE BASES Y SUB-BASES, MEDIDOS EN ESTADO SUELTO, A

DISTANCIAS COMPRENDIDAS MAYORES A 20KM.

M3 x KM 882.016,00 1,75 1.543.528,00

3 C.11.02.004.00CONSTRUCCION DE BASES DE GRANZON NATURAL, DE ESPESOR VARIABLE,

SIN INCLUIR EL TRANSPORTE DEL MATERIAL.

M3 3.952,00 107,34 424.207,68

TOTAL KM 2.026.545,39

B Nº


Total Cantidad


Monto Total por


36.780,66



MTS. Y DESCARGA.

M3 2.842,40 12,94 36.780,66

2.055.206,02

2 C.S/CCONSTRUCCION DE BASE DE SUELO CEMENTO PREPARADO SOBRE LA VIA,

EXCLUYE EL SUMINISTRO Y COLOCACION DEL CEMENTO

M3 2.584,00 142,37 367.884,08

3 C.S/CSUMINISTRO Y DISTRIBUCION DE CEMENTO PORTLAND TIPO I, PARA EL

RECICLAJE DE PAVIMENTOS CON ASFALTO ESPUMADO. SE EXCLUYE EL

TRANSPORTE DEL CEMENTO.

KG 591.478,00 2,38 1.407.717,64

4 C.05.82.008.02

TRANSPORTE DE CEMENTO PORTLAND.

TON x KM 692.770,40 0,26 180.120,30

5 C.11.08.005.01

CURADO EN CARPETA ESTABILIZADA CON CEMENTO MEDIANTE APLICACIÓN

DE AGUA Y RIEGO ASFALTICO

M2 7.600,00 13,09 99.484,00

TOTAL KM 2.091.986,68

Construcción de Base con Granzón (52cm)

BASES Y SUBBASES

Estabilización de Suelos con Cemento (34cm) 14% Cemento

BASES Y SUBBASES

OBRAS DE ASFALTO

Tabla 10 Resultados de Análisis de Costos de soluciones para la Construcción de Base de Granzón 52 cm y de Suelo Cemento haciendo uso de un 14%.

Tal como se puede observar en las tablas presentadas el costo por km de la estabilización de suelos haciendo uso de un 14% de cemento en peso, es más costoso en un 3% que la construcción de 52cm de Granzón Natural (ver figura); lo cual certifica la hipótesis planteada donde materiales con alta plasticidad requieren de mayor cantidad de cemento para estabilizarse y por consiguiente mayor costo. Sin embargo si analizamos el costo ecológico (ver figura) podemos determinar ahorros energéticos de hasta un 16%, estabilizando el suelo.


C Nº


Total Cantidad


Monto Total por


390.791,39



MTS. Y DESCARGA.

M3 1.882,10 12,94 24.354,37

2 C.11.82.003.02TRANSPORTE NO URBANO EN CAMIONES, DE MATERIALES PARA LA

CONSTRUCCION DE BASES Y SUB-BASES, MEDIDOS EN ESTADO SUELTO, A

DISTANCIAS COMPRENDIDAS ENTRE 15 Y 20 KM.

M3 x KM 122.022,20 1,75 213.538,85

3 C.11.02.004.00CONSTRUCCION DE BASES DE ARENA, DE ESPESOR VARIABLE, CON

MATERIAL PROVENIENTE DE EXCAVACION EN PRESTAMO, SIN INCLUIR EL

TRANSPORTE DEL MATERIAL.

M3 935,00 49,72 46.488,20

4 C.11.02.004.00CONSTRUCCION DE BASES DE POLVILLO, DE ESPESOR VARIABLE, CON

MATERIAL PROVENIENTE DE EXCAVACION EN PRESTAMO, SIN INCLUIR EL

TRANSPORTE DEL MATERIAL.

M3 873,00 121,89 106.409,97

1.652.204,32



M3 2.584,00 142,37 367.884,08




KG 448.841,00 2,38 1.068.241,58

7 C.05.82.008.02


TON x KM 448.441,00 0,26 116.594,66

8 C.11.08.005.01



M2 7.600,00 13,09 99.484,00

TOTAL KM 2.042.995,71

D Nº


Total Cantidad


Monto Total por


36.780,66



MTS. Y DESCARGA.

M3 2.842,40 12,94 36.780,66

1.701.026,47



M3 2.584,00 142,37 367.884,08

3 C.S/C

SUMINISTRO Y COLOCACION DE CAL, INCLUYE TRANSPORTE DE LA CAL.

TON 168.994,00 4,00 675.976,00




KG 211.243,33 2,38 502.759,13

5 C.05.82.008.02


TON x KM 211.243,33 0,26 54.923,27

6 C.11.08.005.01



M2 7.600,00 13,09 99.484,00

TOTAL KM 1.737.807,13

BASES Y SUBBASES

OBRAS DE ASFALTO

Estabilización de Suelos con Cemento (34cm) 9% Cemento + Aridos

OBRAS DE ASFALTO

BASES Y SUBBASES

Estabilización de Suelos con Cemento (34cm) 4%CAL + 5% CEMENTO

Tal como se puede observar en las tablas presentadas el costo por km de la estabilización de suelos haciendo uso de un 9% de cemento en peso + áridos, es más costoso en un 1% que la construcción de 52cm de Granzón Natural y 18% más costoso que la alternativa con pretratamiento con cal (ver figura); lo cual concluye que los costos de transporte de los áridos influyeron en un 50% del costo de la alternativa y la alternativa de pretratamiento con cal se presenta como la más favorable para el proyecto. Sin embargo si analizamos el costo ecológico (ver figura) podemos determinar ahorros energéticos de hasta un 33% y 55%, estabilizando el suelo con ambas alternativas.


8. CONCLUSIONES

El estudio fue realizado en la L002 Tramo La Luna – El Regalo.

La metodología presentada en el proyecto correspondía a la construcción de 52 cm de base y sub base granular con granzón procedente de 140km o el uso de Suelo Cemento, cuyo porcentaje óptimo corresponde a un 14% en peso.

La construcción de Suelo Cemento con un 14% resulto ser más costosa en un 3% que la solución con 52 cm de granzón natural, sin embargo fue un 16% más ecológica por la reducción de energía.

Para disminuir los costos de transporte de polvillo de la planta de Veguitas se hizo uso de arenas de sitio; sin embargo su reducción fue solo de un 30%.

La alternativa de pretratamiento de áridos resulto más costosa que la alternativa de pretratamiento con cal, debido a la influencia del transporte en un 50% de su costo.

La estabilización de suelos presento mejores resultados en reducción de energía que variaron entre un 16% y un 55% vs la alternativa del uso bases de granzón.

Tanto el costo como el rendimiento de la metodología de estabilización así como el beneficio ambiental en comparación con la metodología de uso de bases granulares, generaron ahorros significativo en tiempo, costo y consumo de energía..


9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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PAVIMENTOS ASFALTICOS DE COLOMBIA “Cartilla del Pavimento

Asfáltico”, 2004, Bogota, Colombia.

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Julio 2008” 2008, Venezuela.

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de Suelo Cemento”, 2000, Venezuela

[4] CORREDOR, Gustavo “Apuntes de Pavimentos”, Universidad Santa Maria,

1997, Venezuela.

[5] CRESPO, Carlos “Vías de Comunicación”; 2001, Mexico.

[6] GALVIS, Ricardo “Control de Calidad en Mezclas de Suelocemento”, 2006,

Venezuela.

[7] GALVIS, Ricardo, “Estabilización de Suelos, Tecnología Limpia para la

Conservación del Medioambiente”, 2009, Venezuela.

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invernadero en los procesos de preservación de pavimentos para

Pavimentos de concreto asfáltico”, 2010, Argentina.

[9] JUGO, Augusto “Método AASHTO-93 para el diseño de pavimentos flexibles

(criterios de utilización en Venezuela), 1995, Venezuela.

[10] MARTIN, Maria “El protocolo de Kioto y sus efectos”, Universidad Autónoma

de Madrid, España.

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para uso en pavimentos asfálticos”, 2010, Venezuela.

[12] ORGANIZACION DE LAS NACIONES UNIDAS “Protocolo de Kyoto de la

convención marco de las naciones unidas sobre el cambio climático”,1998,

Estados Unidos.

[13] WIRTGEN GROUP “Road Building a Passion”, Winhagen, 2006, Alemania.

[14] WIRTGEN GROUP “Betún Espumado el ligante innovador para la

construcción de carreteras”, 2001, Alemania.

[15] WIRTGEN GROUP “Manual de Reciclaje en Frío”, 2004, Alemania.

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