Arcillas Expansivas en La Carretera Rocafuerte - Tosagua, Mejora Del Terreno y Recomendaciones...

MÁSTER EN MECÁNICA DE SUELOS E INGENIERÍA GEOTÉCNICA

ESTUDIO DE PROBLEMAS GEOTÉCNICOS ASOCIADOS A LA

PRESENCIA DE ARCILLAS EXPANSIVAS EN LA CARRETERA

ROCAFUERTE - TOSAGUA, PROVINCIA DE MANABÍ - ECUADOR.

ANÁLISIS DE POSIBLES TRATAMIENTOS DE MEJORA DEL TERRENO Y

RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS.

Alumno: Guillermo Mora Zabala

Tutor: Cristina de Santiago Buey

Madrid, Septiembre de 2013

CALIFICACIÓN

Los miembros del tribunal, luego de haber receptado la Defensa de trabajo escrito,

hemos determinado la siguiente calificación.

Para constancia de lo expuesto firman:

-----------------------------------

PRESIDENTE Firma

------------------------------------

DIRECTOR Firma

------------------------------------

MIEMBRO Firma

DERECHO DE AUTOR

Yo, Guillermo Mora Zabala, soy responsable de

las ideas, doctrinas, resultados y propuestas

expuestas en el presente trabajo de investigación,

y los derechos de autoría pertenecen al de

Estudios y Experimentación de Obras Públicas

(CEDEX)

Máster en Mecánica del suelo e Ingeniería Geotécnica Estudio de problemas geotécnicos asociados a la presencia de arcillas expansivas en

la carretera Rocafuerte - Tosagua, Provincia de Manabí-Ecuador. Análisis de posibles

tratamientos de mejora del terreno y recomendaciones constructivas.

Guillermo Mora Zabala

DEDICATORIA

Este trazado lo realice con mucho cariño,

entusiasmo y dedicación, agradeciendo

primeramente a Dios y a mi familia, por ese apoyo

moral, espiritual e incondicional. A mis

compañeros y profesores del Master quienes sin

ninguna nuda demostraron un excelente

compañerismo y amistad para toda una vida, a mi

tutora Cristina de Santiago, quien fue la persona

que me brindo ese apoyo total para el término de

mi tesina, y finalmente dedicado este esfuerzo a

mi madre y a hija Mariemilia Mora.

Guillermo Mora Zabala :.





AGRADECIMIENTO

El autor de este trabajo de graduación agradece al

Centro de Estudios y Experimentación de Obras

Públicas. (CEDEX), por impartir sus

conocimientos, orientación, formación académica

y profesional.

A la Dra. Cristina de Santiago Buey (Directora de

Tesina del CEDEX), y al equipo de Coordinación

del Master.





INDICE

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS…………………………………………………….1

1.1 Introducción ..................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ........................................................................................................... 3

1.3 Estructura de la tesina .................................................................................... 3

2 MINERALOGIA Y PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DE LAS ARCILLAS…5

2.1 Estructura y clasificación de minerales arcillosos...................................... 5

2.2 Propiedades físico-químicas de los minerales arcillosos .......................... 7

2.2.1 La superficie específica .............................................................................. 8

2.2.2 La carga eléctrica ....................................................................................... 8

2.2.3 La capacidad de intercambio catiónico ...................................................... 9

2.2.4 Capacidad de Adsorción de las Arcillas. .................................................. 10

2.3 La expansividad de los minerales arcillosos ............................................. 10

3 CARACTERIZACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS……………………………...13

3.1 Identificación Mineralógica. ......................................................................... 13

3.2 Determinación de ciertas propiedades básicas de los suelos. ............... 14

3.2.1 Límites de Atterberg ................................................................................. 14

3.2.2 Contenido de Coloides. ............................................................................ 15

3.2.3 Expansión Libre del suelo. ....................................................................... 15

3.2.4 Evaluación del potencial expansivo en base a los métodos expuestos. 16

3.3 Medidas indirectas potencial expansivo del suelo. .................................. 18

3.4 Medidas directas de la expansión del suelo. ............................................. 20

3.4.1 Ensayo de presión de hinchamiento. ....................................................... 20

3.4.2 Ensayo de hinchamiento libre .................................................................. 20

3.5 Factores que intervienen en el fenómeno de la expansión. ..................... 22





4 MEJORA DEL TERRENO…………………………………………………………..25

4.1 Tratamientos: modificación y estabilización de suelos. ........................... 25

4.2 Tipos de tratamiento y campos de aplicación. .......................................... 27

4.2.1 Aspectos Generales. ................................................................................ 27

4.2.2 Suelos mejorados o estabilizados para capas de asiento de firmes ...... 28

4.3 Ventajas de los suelos estabilizados. ......................................................... 29

4.3.1 Ventajas técnicas. .................................................................................... 29

4.3.2 Ventajas económicas y ambientales. ....................................................... 30

4.4 Limitaciones. .................................................................................................. 30

4.5 Suelos. ............................................................................................................ 31

4.5.1 Características Generales. ....................................................................... 31

4.5.2 Granulometría. .......................................................................................... 31

4.5.3 Composición química. .............................................................................. 32

4.5.4 Plasticidad. ............................................................................................... 32

4.5.5 Clasificación .............................................................................................. 32

4.5.6 Suelos en terraplenes y explanadas ........................................................... 34

4.5.7 Suelos en capas estabilizadas de explanadas ........................................ 35

4.6 Las cales. ........................................................................................................ 37

4.6.1 Efectos de la cal. ...................................................................................... 39

4.6.2 Propiedades de los suelos estabilizados con cal. ................................... 40

4.7 Cemento. ......................................................................................................... 41

4.7.1 Efectos de la incorporación del cemento ................................................. 42

4.7.2 Mejora por modificación inmediata ............................................................. 42

4.7.3 Efectos a medio y largo plazo. ................................................................. 42

4.7.4 Efectos de la adición conjunta de cal y cemento en dos etapas. ................ 43

4.8 Algunas consideraciones sobre la Estabilización de suelos a base de

cal, según Sub comité de Estabilización de cal de la Asociación Americana de

Constructores de Carreteras. .................................................................................. 43





4.9 Mejoramiento del terreno para suelos expansivos, según

Especificaciones Generales para construcción de caminos y puentes del

Ministerio de Trasporte y Obras Publicas del Ecuador. ...................................... 45

4.9.1 Procedimientos de trabajo ........................................................................ 47

5 PROBLEMAS GEOTÉCNICOS ASOCIADOS A LA PRESENCIA DE SUELOS

EXPANSIVOS EN LA PROVINCIA DE MANABÍ (ECUADOR)……………………….51

5.1 La zona de estudio en la provincia de MANABÍ – ECUADOR. ................. 51

5.2 La carretera..................................................................................................... 53

5.3 Contexto geológico ....................................................................................... 53

5.4 Geotecnia de vías en la zona de estudio .................................................... 56

5.5 Estado actual del tramo Rocafuerte-Tosagua ............................................ 57

6 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EXPANSIVO EN LABORATORIO,

MÉTODOS UTILIZADOS PARA LA SUELOS EXPANSIVOS EN LA PROVINCIA DE

MANABI – ECUADOR……………………………………………………………………..62

6.1 Descripción del problema geotécnico ........................................................ 62

6.2 Estudios de laboratorio ................................................................................. 63

6.2.1 Identificación mineralógica ....................................................................... 63

6.2.2 Parámetros básicos de clasificación geotécnica y cálculos derivados ... 66

6.2.3 Ensayos de hinchamiento ........................................................................ 69

6.2.4 Resistencia al corte .................................................................................. 71

7 METODO CONSIDERADO PARA LA MEJORA DEL TERRENO EN SUELOS

DE LA PROVINCIA DE MANABÍ…………………………………………………………73

7.1 Consideraciones importantes y diseño para el mejoramiento del terreno

a base de cal. ............................................................................................................. 74

7.1.1 Objetivos ................................................................................................... 74

7.1.2 Materiales apropiados .............................................................................. 74

7.1.3 La cal ........................................................................................................ 75

7.1.4 Diseño suelo – Cal ................................................................................... 76

7.1.5 La reacción y el resultado ........................................................................ 76





7.2 Factores del suelo indicadores de una buena reactividad ....................... 76

7.2.1 Plasticidad e hinchamiento ....................................................................... 77

7.2.2 Resistencia ............................................................................................... 77

7.3 Análisis de posibles medidas correctoras ................................................. 78

7.4 Recomendaciones ......................................................................................... 80

8 CONCLUSIONES:……………………………………………………………………82

9 BIBLIOGRAFIA:………………………………………………………………….......84

ANEJO I: INFORMACIÓN GRÁFICA SOBRE LA OBRA: MAPAS Y CROQUIS





ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Unidades estructurales de las arcillas: Tetraedro y octaedro. (Rausseo, 2002)

.......................................................................................................................................... 5

Figura 2: A) LÁMINA DE TIPO 1:1 Ó T-O; B) LÁMINA DE TIPO 2:1 Ó T-O-T............... 6

Figura 3: Fenómenos que se producen durante la hidratación de minerales arcillosos

........................................................................................................................................ 11

Figura 4: Estructura de la montmorillonita ..................................................................... 11

Figura 5: Estructura de la Ilita. (Rausseo, 2002) ........................................................... 12

Figura 6: Gráfico para identificación de suelos expansivos. (Holtz y Gibbs, 1956) ...... 16

Figura 7: Actividad de la arcilla para definir expansividad. (Holtz y Gibbs, 1954) ........ 17

Figura 8: Sección aparato Lambe. (Salas y Alpañes 1975) .......................................... 18

Figura 9: Relación índice hinchamiento y cambio potencial de volumen. (Salas y

Alpañes 1975)................................................................................................................. 19

Figura 10: Camellón utilizado para contener la cal antes de la mezcla. (Manual de

estabilización de suelo con cal, 2004) ........................................................................... 28

Figura 11: Distribuidor de cemento. (Manual de estabilización con cemento o cal,

2007) ............................................................................................................................... 28

Figura 12: Clasificación de suelos para terraplenes y explanadas (PG-3. 2004) ......... 33

Figura 13: Criterios de clasificación del suelo, según su plasticidad ............................ 33

Figura 14: Resumen de los materiales en base al Pg-3................................................ 35

Figura 15: Prescripciones de los suelos a utilizar en estabilizaciones (Pg-3. 2004) .... 36

Figura 16: Determinaciones previas a realizar sobre los suelos (Pg-3. 2004) ............. 36

Figura 17: Ejemplo extremo de fracaso de un pavimento por suelos inestables.

(Manual de estabilización de suelo tratado con cal, 2004). .......................................... 44

Figura 18: Ubicación de la Provincia de Manabí – Ecuador. (Wikipedia, 2013) ........... 51

Figura 19: Vista Satelital de ubicación tramo en estudio. Provincia de Manabí –

Ecuador. (Google, Map, 2013) ....................................................................................... 52

Figura 20: Tramo Rocafuerte – Tosagua (Google Map, 2013) ..................................... 52

Figura 21: Localización de las superficies arcillosas potencialmente expansivas en la

Provincia de Manabí – Ecuador (G.Mora, 2013) ........................................................... 55





Figura 22: Agrietamiento longitudinal en pavimento rígido, a lo largo del tramo:

Rocafuerte – Tosagua, (G.Mora. 2013) ......................................................................... 58

Figura 23: Agrietamiento longitudinal en pavimento rígido, a lo largo del tramo:

Rocafuerte – Tosagua. abscisa: 25+079, (G.Mora. 2013) ............................................ 58

Figura 24: Pequeña capa asfáltica colocado en el carril izquierdo. (G.Mora, 2013). ... 59

Figura 25: Asentamiento de la vía a causa de presencia de arcillas expansivas y fallas

geológicas, tramo: Rocafuerte – Tosagua. Abscisa: 37+000, (G.Mora, 2013) ............. 59

Figura 26: Reparación de losa de hormigón, utilizando epóxido y nuevo hormigón,

Tramo: Rocafuerte – Tosagua, (G.Mora, 2013). ........................................................... 60

Figura 27: Quejas en periódicos del Ecuador, por problemas que presentan

actualmente las vías de la Provincia de Manabí, entre ellas el tramo: Rocafuerte –

Tosagua. (http://www.eldiario.ec/noticias-manabi-ecuador/227983-las-super-

carreteras/, 2013) ........................................................................................................... 61

Figura 28: Evolución y desarrollo de grietas y abombamientos en arcillas expansiva . 62

Figura 29: Difractograma de polvo de la muestra estudiada ......................................... 64

Figura 30: Difractogramas de los agregados orientados de muestra natural (curva

azul), tratada con etilenglicol (curva verde) y calentada a 550ºC (curva roja) .............. 66

Figura 31: Ubicación de los suelos altamente expansivos de la Provincia de Manabí,

en la carta de plasticidad. (Cazar, 1974) ....................................................................... 67

Figura 32: Gráfico de presiones de expansión obtenidas en el laboratorio vs presiones

calculadas con la fórmula de David & Komornik. (Cazar, 1969) ................................... 71





ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Capacidad de intercambio catiónico de minerales de arcilla. (Rausseo, 2002) 9

Tabla 2: Relación entre índice plástico y potencial expansivo (Seed, et al., 1962) ...... 14

Tabla 3: Criterio para identificación de suelos expansivos. (Holtz y Gibbs, 1954) ....... 17

Tabla 4: Energía de compactación según estado de la muestra de suelo. (Salas y

Alpañes 1975)................................................................................................................. 19

Tabla 5: Identificación de arcillas expansivas, método indirecto. (Pérez, 2008) .......... 19

Tabla 6: Relación entre el índice de contracción y la expansión (Ranganathan y

Stayanarayana, 1965) .................................................................................................... 68

Tabla 7 Grado de expansión en arcillas (AASHTO. T-258-81, 2008) ........................... 68

Tabla 8: Determinación de la presión de expansión, donde se aplica la ecuación de

David & Komornik. (Cazar, 1974) .................................................................................. 70

Tabla 9: Resultados de ensayos de compresión simple para suelo en la Provincia de

Manabí. (Cazar, 1974).................................................................................................... 72

Tabla 10: Plasticidad y manejabilidad, CONSIDERATION OF LIME-STABILIZED

LAYERS IN MECHANISTIC-EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN, (2004) ..................... 77

Tabla 11: Cambio de volumen y CBR. CONSIDERATION OF LIME-STABILIZED

LAYERS IN MECHANISTIC-EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN, (2004) ..................... 77





ABREVIATURAS

ACRÓNIMOS DE INSTITUCIONES

S.U.C.S. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

MTOP Ministerio de Transporte y Obras Públicas.

ACI American Concrete Institute

PCA Portland Cement Association

ASTM American Society for Testing and Materials

INEN Instituto Ecuatoriano de Normalización

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials

INAMHI Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología

ENSAYOS Y PARÁMETROS GEOTÉCNICOS

L.L. Límite líquido (%)

L.P. Límite plástico (%)

I.P. Índice plástico (%)

w. Contenido de humedad natural (%)

ɣd Peso específico seco (T/m3)

H.L. Hinchamiento libre (%)

H.C. Hinchamiento confinado (%)

Ps. Presión de expansión calculada (Kg/cm2)

Pso. Presión de expansión de los ensayos (Kg/cm2)

Rw. Relación agua – plasticidad (%)

LC. Límite de contracción (%)

qu Resistencia a la compresión simple (Kg/cm2)

CBR. California Bearing Ratio

UNIDADES DE MEDIDA

2μm Porcentaje de partículas menores que 2 micras.

cm centímetro

cm3 centímetro cúbico





g gramo

g/m3 gramo – metro cúbico

°C grados Centígrados

Kg Kilogramo

Km Kilómetro

kN KiloNewton

m metro

m2 metro cuadrado

m3 metro cúbico

mg miligramo

mm milímetro

mm2 milímetro cuadrado

m/S metro – segundo

s segundo

meq Miliequivalentes

ppm Partes por millón





RESUMEN

La conservación de carreteras en un país, es un trabajo muy importante y necesario

para la seguridad vial de todos los usuarios. En los años 1997 y 1998, las carreteras

del Ecuador fueron afectadas drásticamente por el fenómeno de “El Niño”. Este

detonante climatológico, junto a la falta de medidas de prevención y mantenimiento,

provocaron una situación de estado dramático de las vías. Debido a ello, en la última

década, el Ministerio de Transporte y Obras Publicas del Ecuador, por medio del

Gobierno Nacional, brindó un gran apoyo a la vialidad mediante medidas para el

impulso de la construcción, reconstrucción y mantenimiento de las carreteras del país.

Algunas de las vías más afectadas fueron las ubicadas en la parte Litoral del Ecuador,

Provincia de Manabí, cuya geología se caracteriza por la presencia de arcillas

potencialmente expansivas. Ello ha constituido un factor negativo para los

constructores, al enfrentarse en sus tareas de reconstrucción y mantenimiento a los

problemas añadidos debido a la expansividad del terreno.

Hace aproximadamente 40 años, se realizaron algunos estudios por parte del MTOP,

para tratar de buscar una mejora del terreno, sin embargo ha pasado mucho tiempo y

no se tiene controlada la situación. Como ejemplo de esta realidad, se describe el

tramo Rocafuerte – Tosagua, que se entregó hace un par de años, y lamentablemente

se encuentra en pésimas condiciones. Por esta razón el presente trabajo, se basa en

el estudio y análisis de los problemas geotécnicos generados por la presencia de

arcillas expansivas en una carretera. Se ha realizado un resumen de los principales

métodos de estabilización basados en adición de cal o cemento, atendiendo a las

especificaciones y recomendaciones encontradas en la bibliografía consultada. Se

estudia la ejecución de posibles soluciones correctoras, aplicando normas y

especificaciones técnicas tanto internacionales como las que rigen en nuestro país.





SUMMARY

.

The maintenance of roads in a country is a very important and necessary for the safety

of all road users. In 1997 and 1998, Ecuador roads were drastically affected by the

phenomenon of "El Niño", by these circumstances and the lack of preventive measures

and maintenance, went to a state emerging pathways therefore the last decade, the

Ministry of Transport and Public Works of Ecuador, through the Government, I offer

great support to the issue of roads and construction, reconstruction and maintenance

of roads. One of the routes most affected were those located in the Coast of Ecuador,

ManabÍ Province, this area has a different geology to rest, as there is the presence of

potentially expansive clays, this has been a negative factor for builders , when faced

with a land expansionary problems about 40 years ago, we conducted some studies by

the MTOP, to try to find a ground improvement, however, has been a long time and

does not have control of the situation, as the Rocafuerte stretch - Tosagua, who gave a

couple of years ago, and unfortunately is in poor condition. For this reason this paper is

based on the study and analysis of geotechnical problems generated, at the time of

road construction works in the presence of expansive clays, which is currently

problematic, on this road, which offer possible solutions corrective, technical standards

and specifications applying international and governing the country.

1





1

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

1.1 Introducción

En los años 1997 y 1998, el fenómeno del “niño” afecto muy drásticamente a las

carreteras del país, principalmente a la vía Rocafuerte y Tosagua de la Provincia de

Manabí – Ecuador. Por esta razón se convocó a las compañías consultoras

nacionales, a participar, entre otras vías, para los estudios de reconstrucción y

ampliación de carreteras.

En la última década en el Ecuador, se han realizado muchas obras de construcción y

reconstrucción de carreteras, cuya vida útil en condiciones normales debería cubrir

como mínimo 20 ó 30 años, dependiendo del pavimento y del método constructivo.

Algunas de ellas se han encontrado con una dificultad añadida en el proceso de

ejecución debido a la presencia de las arcillas expansivas en la geología de la zona. Si

el problema de la expansividad no es considerado adecuadamente durante el diseño y

ejecución de la carretera, los problemas surgen a posteriori, incluso después de haber

sido concluida y entregada, ya que la expansividad no restringida del terreno genera

problemas posteriores de mantenimiento y reconstrucción. Buen ejemplo de ello es en

el tramo Rocafuerte – Tosagua de la Provincia de Manabí – Ecuador.

La situación actual en que se encuentran las carreteras del Ecuador, ha generado que

organismos del Estado realicen evaluaciones y estudios que permitan mantener el

sistema vial, acorde a las exigencias de tráfico, que en estas últimas décadas ha

tenido un significativo incremento. Para ello, se han realizado investigaciones, trabajos

y diseños de las obras necesarias, con el propósito de contar con una carretera de

primer orden, a fin de que la inversión realizada se justifique y permita al país utilizar

un sistema de infraestructura vial estable, eficaz y confiable, que sea capaz de resistir

los eventuales embates de la naturaleza.





2

En el caso concreto de la carretera objeto de estudio en este trabajo, se adjudicó su

estudio a la Consultora Nuques y Luque, Ingenieros Consultores (NYLIC), quienes el

28 de Junio de 2001, suscribieron un Acta de Negociación conjuntamente con

CORPECUADOR, para luego proceder a la firma del contrato, el 31 de Julio de 2001.

Los trabajos de reconstrucción del tramo Rocafuerte – Tosagua culminaron en el mes

de noviembre del 2011, por la constructora Herdoiza Crespo.

Actualmente, menos de dos años después de la finalización de los trabajos de

reconstrucción y según información brindada por los técnicos del Ministerio de

Transporte y Obras Públicas del Ecuador, se puede verificar que existe muchos

problemas en esta carretera, tanto en el pavimento como en obras de arte, al igual que

las que se presentan a lo largo de todo el tramo de la Rocafuerte – Tosagua. En la

actualidad existe una creciente preocupación por el estado en continuo detrimento de

esta carretera

Considerando que todos los problemas mencionados han surgido debido a la

presencia de arcillas expansivas y a la falta de consideración de sus efectos nocivos

en el diseño de la carretera, el autor de esta tesina se ha visto fuertemente motivado a

redactar este trabajo. En él se analizarán los problemas geotécnicos sucedidos a base

de toda la información obtenida del proyecto y se darán posibles soluciones y

recomendaciones para el tramo: Rocafuerte – Tosagua.





3

1.2 Objetivos

El objetivo fundamental de esta tesina es estudiar los problemas geotécnicos

encontrados en el proyecto de construcción de la carretera tramo Rocafuerte –

Tosagua de la Provincia de Manabí en Ecuador, debidos a la presencia de arcillas

expansivas.

Este objetivo principal puede desglosarse en objetivos específicos, que definen las

tareas realizadas en la elaboración de esta tesina:

Búsqueda bibliográfica: Conceptos fundamentales de arcillas, métodos y

técnicas de caracterización de suelos expansivos y tratamientos de mejora del

terreno.

Recopilación de información de la obra: ensayos de campo, datos, mapas,

planos, longitud, ancho de vía etc.

En base a toda la información obtenida, análisis de las diversas posibilidades

en función a las adecuaciones del problema estudiado.

Propuesta de un método adecuado para esta solución.

1.3 Estructura de la tesina

Para poder cumplir con los objetivos propuestos en esta tesis de máster, se ha

estructurado el documento de la siguiente manera:

Para el capítulo 1 se analizara el planteamiento del problema, donde comprenderá las

partes más importantes de la tesina, para el capítulo 2, abarcará la mineralogía de las

arcillas, propiedades físico-químicas, mecanismos de hinchamiento, técnicas de

identificación de arcillas expansivas en laboratorio, y afecciones en ingeniería. Para el

capítulo 3, se hablará sobre los diferentes métodos de mejora del terreno, al momento

de tener presencia de arcillas expansivas, en el capítulo 4 se detallará todos los

problemas producidos en el proyecto contexto geográfico, geológico, geotécnico,





4

clima, población, mapas, descripción de la estructura del pavimento y entorno,

identificación de problemas en la obra, fotografías, inversión del proyecto.

Para el capítulo 5, se definirá el mejor método que se aplicará a mi proyecto,

analizando las posibles medidas correctoras, estudio de su adecuación al problema

planteado desde el punto de vista económico y versátil, finalmente en el capítulo 6,

las conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anejos.





5

2 MINERALOGIA Y PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DE LAS

ARCILLAS.

2.1 Estructura y clasificación de minerales arcillosos

Los minerales de la arcilla son silicatos hidratados de aluminio. Se clasifican dentro del

grupo de los filosilicatos, caracterizados por su estructura en capas. Existe una amplia

gama de familias de minerales con propiedades físicas y químicas muy diversas,

aunque la mayoría tienen en común hábitos con morfologías aplanadas y exfoliación

perfecta entre láminas, como consecuencia de su estructura en capas.

Dos unidades estructurales básicas estás envueltas en la formación de las capas de

átomos de los minerales de arcillas (Figura 1). Una unidad consiste de dos láminas

cercanas de oxígenos o hidróxidos, en las cuales los átomos de aluminio, hierro o

magnesio encajan en un octaedro, los cuales están equidistante de seis oxígenos o

hidróxidos.

La segunda unidad está basada en un tetraedro de silicio. En este tetraedro el átomo

de silicio está equidistante del oxígeno o del hidróxido si es necesario para balancear

la estructura, el átomo de silicio se encuentra ubicado en el centro del tetraedro. El

grupo de tetraedros de silicio forman un arreglo hexagonal el cual se repite en forma

indefinida para crear una lámina cuya composición química es la siguiente: Si4O6(OH)4.

Los tetraedros están arreglados de tal forma que todos los vértices están hacia la

misma dirección y todas las bases están en el mismo plano.

Figura 1: Unidades estructurales de las arcillas: Tetraedro y octaedro. (Rausseo, 2002)





6

Las arcillas son filosilicatos y como tales, su estructura se basa en el apilamiento de

capas de coordinación tetraédrica con capas de coordinación octaédrica. Los oxígenos

tetraédricos que no son compartidos con otros tetraedros (oxígenos apicales) forman

parte de los octaedros adyacentes uniéndose así estructuralmente ambas capas

(Figura 2). Por ello, la capa octaédrica presenta en sus bordes los oxígenos apicales

que comparte con la capa tetraédrica más algunos grupos hidroxilo.

La clasificación de las arcillas se basa

en la forma en que las capas

tetraédrica y octaédrica se unen para

formar una lámina. De esta forma, el

enlace de una lámina tetraédrica con

una lámina octaédrica es conocido

como capa de relación 1:1.

Del mismo modo el enlace de dos

láminas tetraédricas con una

octaédrica se conoce como capa con

relación 2:1.

Figura 2: A) LÁMINA DE TIPO 1:1 Ó T-O; B) LÁMINA DE TIPO 2:1 Ó T-O-T

Si todos los huecos octaédricos están ocupados, la lámina se denomina trioctaédrica

(siendo el Mg2+ el catión dominante en la capa octaédrica). Si, por el contrario, sólo

dos tercios de las posiciones octaédricas están ocupadas y el tercio restante está





7

vacante, la lámina se denomina dioctaédrica (siendo el Al3+ el catión octaédrico

dominante).

En la Tabla I se muestra esquemáticamente una clasificación de los grupos de

minerales de la arcilla existentes en función del carácter dioctaédrico o trioctaédrico y

de su estructura laminar.

Tabla I: Clasificación de los minerales de la arcilla.

LÁMINA DIOCTAÉDRICOS (Al3+

) TRIOCTAÉDRICOS (Mg2+

)

T-O (1:1) Grupo de la caolinita Grupo de la serpentina

T-O-T (2:1)

Grupo de la pirofilita Grupo del Talco

Esmectitas dioctaédricas Esmectitas trioctaédricas

Illitas dioctaédricas Illitas trioctaédricas

Micas dioctaédricas Micas trioctaédricas

T-O-T-O (2:1:1) Grupo de las cloritas

FIBROSOS Paligorskita Sepiolita

2.2 Propiedades físico-químicas de los minerales arcillosos

La actividad físico-química de los minerales arcillosos depende de dos factores:

La superficie específica de las partículas, que a su vez es función de:

o Morfología de las partículas (esférica, laminar, fibrosa...)

o Tamaño de las partículas

Desarrollo de cargas eléctricas

El conjunto de estas propiedades condiciona la capacidad de adsorción que presentan

todos los minerales arcillosos y que facilita su intensa reactividad con el agua y su

potencial de expansión en algunos casos.





8

2.2.1 La superficie específica

Se denomina superficie específica al área de la superficie por unidad de masa. La

tendencia de los minerales de la arcilla a formar cristales de morfología laminar y de

tamaño muy pequeño hace que su superficie específica sea generalmente bastante

elevada. A su vez, la superficie de las partículas presenta una alta reactividad físico-

química con el medio, lo que implica la existencia de fenómenos como la adsorción de

cationes y moléculas de agua en superficie. Como consecuencia directa de esta

característica todas las propiedades que dependen de la superficie del cristal tendrán

una importancia decisiva en el comportamiento físico-químico y mecánico del material

arcilloso. La superficie específica (m2/g) de las partículas depende de dos factores:

Morfología de las partículas: La superficie específica aumenta cuanto más se

aleja la morfología de la equidimensionalidad: Esfera < Lámina < Fibra

Tamaño de partícula: La superficie específica aumenta al disminuir el tamaño

de partícula.

2.2.2 La carga eléctrica

Las partículas de tamaño arcilloso que se encuentran en el suelo, ya sean minerales

arcillosos, o partículas de materia orgánica o de óxidos e hidróxidos, presentan una

carga eléctrica que provoca una tracción sobre los iones de carga contraria presentes

en el medio de dispersión (agua del suelo). La carga eléctrica en los minerales

arcillosos tienen tres posibles orígenes:

En las superficies de las partículas, la carga eléctrica es netamente negativa

SIEMPRE, solamente por la presencia de los iones O2- y (OH)- . La partícula

puede ser eléctricamente neutra. Esta carga eléctrica existe en TODAS las

partículas arcillosas.

En los bordes de los cristales y superficies externas e imperfecciones de la red

cristalina: Carga eléctrica dependiente del pH.

Debido a sustituciones isomórficas en la estructura cristalina: es independiente

del pH. Típico de las esmectitas, vermiculitas, illitas y micas.





9

2.2.3 La capacidad de intercambio catiónico

Gracias a su carga eléctrica, los minerales de arcilla tienen la propiedad de adsorber

ciertos aniones y cationes y retenerlos temporalmente sobre su superficie mediante

enlaces débiles. Debido a estos enlaces débiles, los iones son fácilmente

intercambiables por otros aniones o cationes que se encuentren en el medio, sin que

este cambio afecte a la estructura del mineral arcilloso.

La reacción de intercambio iónico está controlada principalmente, por la concentración

relativa de las diferentes especies de iones en cada fase y por la valencia de los iones.

Las arcillas presentan una preferencia de adsorción por los iones de mayor valencia.

El orden de preferencia de intercambio es usualmente:

El comportamiento de los minerales arcillosos con el agua será muy diferente en

función de los cationes de cambio que contengan, debido principalmente a dos

razones: en primer lugar porque los cationes tienen la capacidad de hidratarse,

variando su volumen y propiedades y afectando a la estructura de la arcilla a la que se

encuentra asociado. En segundo lugar, el hinchamiento ocurre en gran medida debido

a que la concentración de cationes entre las capas arcillosas es mayor que en el agua

libre de los poros. Esto hace que el agua tienda a moverse hacia la zona de mayor

concentración, hidratando los cationes y las zonas interlaminares de las arcillas.

La cantidad total de cationes adsorbidos, expresados en miliequivalentes por 100

gramos de arcilla seca, a pH 7, es llamada capacidad de intercambio catiónico (CEC).

El rango de intercambio catiónico para minerales de arcilla se muestra en la (Tabla 1).

Tabla 1: Capacidad de intercambio catiónico de minerales de arcilla. (Rausseo, 2002)

TIPOS DE ARCILLA CEC (meq/100gr)

Caolinita 3-15

Esmectita 80-150

Ilita 10-40

Vermiculita 100-150

Clorita 10-40





10

2.2.4 Capacidad de Adsorción de las Arcillas.

La adsorción de agua que ocurre en la superficie de las partículas de los minerales

arcillosos, se debe a la carga que se genera sobre ésta y a los iones intercambiables

retenidos sobre dicha superficie.

La molécula de agua es un dipolo natural, que presenta una fuerte afinidad por la

superficie de las partículas cargadas eléctricamente. Por lo tanto, el agua y la arcilla

son muy compatibles y forman enlaces débiles entre el agua y la superficie de sílice. El

tamaño y la forma de las moléculas de agua también son perfectos para el encaje

exacto del agua en la lámina de sílice.

2.3 La expansividad de los minerales arcillosos

Debido a las peculiares propiedades físico-químicas que presentan los minerales

arcillosos, su capacidad de reaccionar en presencia de agua es muy superior a la de

otros minerales como el cuarzo o los feldespatos.

Así, es habitual en todas las arcillas, que al entrar en contacto con el agua sus

cationes de cambio se hidraten a la vez que las otras moléculas de agua quedan

adheridas a la superficie de las arcillas por adsorción. Si hay agua en exceso, tras

haber completado estas dos acciones, el agua continuará su trayectoria por la red

porosa del suelo mediante percolación.

En los minerales del grupo de las esmectitas, además de estos fenómenos ya

descritos, el agua puede entrar en el espacio entre láminas e hidratar los cationes

interlaminares que incrementan su volumen empujando a las láminas a separarse y

aumentar su espaciado. Todos los procesos que se desarrollan en las arcillas al

hidratarse se pueden observar en la Figura 3.





11

Figura 3: Fenómenos que se producen durante la hidratación de minerales arcillosos (cortesía de Cristina de Santiago)

La explicación es que desde un punto de vista estrictamente mineralógico, las arcillas

expansivas suelen estar compuestas por esmectitas principalmente. Este grupo de

minerales son, dentro de la clasificación de arcillas, los filosilicatos que mayor

potencial de hinchamiento presentan.

Su estructura básica es una capa octaédrica

entre dos tetraédricas (relación 2:1). Las

uniones las forman los grupos OH. Las láminas

T-O-T están unidas muy débilmente y permiten

la entrada de moléculas de agua entre ellas

hasta separarlas completamente. Según el

contenido de agua, la esmectita varía su

tamaño desde 9,6°A, el material anhidro, hasta

21,4°A, el material saturado de agua.

Figura 4: Estructura de la montmorillonita (Rausseo, 2002)





12

En conclusión, las esmectitas muestran un elevado potencial de hinchamiento debido

a su estructura expansiva. El aumento del espaciamiento entre láminas depende del

catión intercambiable. Con ciertos cationes (notablemente con sodio Na+), la presión

de hinchamiento es tan grande que las capas se separan en pequeños agregados y

aun en capas individuales.

El segundo grupo de minerales arcillosos con potencial capacidad de hinchamiento es

el de las vermiculitas. La estructura de este mineral es T-O-T y presenta una carga

eléctrica intermedia entre las illitas y las esmectitas. Eso significa que posee una capa

expandible, pero dicha expansión está restringida alrededor de 4,98°A, o dos

moléculas de agua. Si el mineral es calentado hasta 700°C no habrá otra expansión de

nuevo, debido a un parcial colapso de la estructura.

Asociados siempre a estas arcillas

expansivas, se encuentran en la mayor parte

de las ocasiones minerales del grupo de la

Ilita. De hecho, suele ser uno de los

principales constituyentes de las lutitas, a

pesar de no ser expansivas. Su estructura

básica es T-O-T pero en este caso el ion

potasio (K+) encaja en las láminas

estrechamente impidiendo que el agua se

introduzca en el espacio interlaminar.

Además, la carga eléctrica es tan elevada que

la atracción entre láminas es muy fuerte y no

expanden por entrada de moléculas de agua.

Figura 5: Estructura de la Ilita. (Rausseo, 2002)





13

3 CARACTERIZACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS

En el estudio de fenómenos de hinchamiento en suelos debido a la presencia de

arcillas expansivas, se puede recurrir al uso de diferentes grupos de técnicas:

Identificación Mineralógica

Determinación de ciertas propiedades básicas de los suelos

Métodos indirectos de determinación del potencial expansivo del suelo

Medidas directas de la expansión del suelo

3.1 Identificación Mineralógica.

Como ya se ha explicado anteriormente, la capacidad expansiva de un suelo depende

estrechamente de su naturaleza mineralógica, que deberá ser arcillosa de forma

significativa. De aquí que se utilice el término “arcillas expansivas” como sustituto de

suelos expansivos, ya que son los componentes arcillosos del suelo los que pueden

exhibir expansividad. De su mineralogía dependerá su capacidad intrínseca de

experimentar cambios de volumen. Por esta razón, determinar la presencia o ausencia

de minerales arcillosos y el tipo de arcilla presentes en un suelo, es un método

indirecto de estudiar su potencial de hinchamiento.

Existen numerosas técnicas de identificación y caracterización de minerales en los

suelos, como la difracción por rayos X, el análisis térmico, el análisis de absorción de

colorantes, los análisis químicos, etc. De entre todos ellos la difracción de rayos-X es

la técnica que determina la composición mineralógica general del suelo e identifica la

presencia o no de arcillas expansivas (esmectitas, vermiculitas) y no expansivas

(micas-illitas, caolinitas, cloritas).

Los ensayos de identificación mineralógica resultan muy usados en trabajos de

investigación científica, pero resultan poco prácticos y antieconómicos para la práctica

usual en ingeniería, dado que se requiere equipamiento y personal especializado. Es

por este motivo que no se extiende en su desarrollo.





14

3.2 Determinación de ciertas propiedades básicas de los suelos.

A través de la medida de ciertas propiedades básicas y sencillas de los suelos se

puede determinar el grado del potencial expansivo del suelo.

Las propiedades geotécnicas con mayor grado de correlación con la expansividad de

las arcillas son:

Límites de Atterberg

Contenido de coloides

Expansión libre del suelo

Estos métodos tienen la ventaja de su fácil realización y de equipamiento disponible en

todos los laboratorios. La desventaja es que no se cuantifica la expansión, sino que

cualitativamente se establecen categorías de grados del potencial expansivo.

3.2.1 Límites de Atterberg

Con respecto al límite líquido y límite plástico, Seed et al. (1962) demostraron que las

características plásticas de los suelos pueden ser usados como un indicador primario

de la características expansivas de las arcillas (Tabla 2).

Tabla 2: Relación entre índice plástico y potencial expansivo (Seed, et al., 1962)

Grado de potencial expansivo

Índice plástico

Bajo 0 – 15

Medio 10 – 35

Alto 20 – 55

Muy Alto > 35





15

Resulta natural pensar en una relación como la antes mencionada ya que ambas

dependen de la cantidad de agua que una arcilla absorbe. Aunque si bien es cierto

que todos los suelos altamente expansivos tienen plasticidades altas, no es cierto que

los suelos con elevada plasticidad sean necesariamente expansivos.

3.2.2 Contenido de Coloides.

Dentro de los materiales que tiene un tamaño inferior a 74 micras están los limos y las

arcillas. Desde el punto de vista del tamaño se considera arcillas aquellos materiales

que tienen un tamaño inferior a 2 micras (0.002 mm), siendo necesario para su

determinación la realización de un ensayo hidrométrico.

La magnitud de la expansión que experimenta una arcilla está vinculado con la

cantidad de partículas de tamaño arcilla presente en el suelo.

Se ha establecido una relación del tipo: S = k CX

Dónde:

S = Hinchamiento potencial, expresado cómo % del hinchamiento de una

muestra compactada a la humedad óptima, según Proctor Estándar.

C = Porcentaje de fracción arcilla (partículas menores a 0.002 mm).

x = exponente que depende del tipo de arcilla

k = Coeficiente que depende del tipo de arcilla.

x y k, que indican el tipo de partículas coloidales presentes se determinan a

través de ensayos difracción por rayos X.

3.2.3 Expansión Libre del suelo.

Este ensayo consiste en colocar en una probeta normalmente cilíndrica un volumen

conocido de suelo “seco” y sumergirlo en agua sin aplicación de sobrecarga alguna,

mientras se mide la expansión. La diferencia entre el volumen final e inicial, expresado

como un porcentaje del volumen inicial es la expansión libre.





16

Esta medida de la expansión se realiza en condiciones muy desfavorables, ya que se

hace en condiciones de ninguna sobrecarga y hoy en día se utilizan métodos más

adecuados a tales efectos. Experimentos realizados por Holtz indican que una arcilla

como la bentonita comercial puede tener en este ensayo expansión del orden de 1200

a 2000 %. Holtz sugiere que las expansiones medidas en este ensayo por encima del

100 % pueden causar daños significativos a la estructura, mientras que suelos que

alcanzan una expansión por debajo del 50 %, rara vez experimentan cambios de

volúmenes apreciables bajo la aplicación de cargas estructurales, aun cuando estas

sean provenientes de estructuras livianas.

3.2.4 Evaluación del potencial expansivo en base a los métodos expuestos.

Existen varios métodos que realizando diversas combinaciones de los resultados de

las medidas de las propiedades antes mencionadas clasifican en categorías los

potenciales expansivos del suelo. (Tabla 3):

Método desarrollado por Holtz y Gibbs (1956): En el gráfico siguiente se muestra

una relación típica entre el contenido de coloides, el Índice Plástico y el límite de

contracción. (Figura 6).

Figura 6: Gráfico para identificación de suelos expansivos. (Holtz y Gibbs, 1956)





17

Tabla 3: Criterio para identificación de suelos expansivos. (Holtz y Gibbs, 1954)

Contenido de coloide Índice Plástico

Límite de % Expansión bajo Grado de

( < 0.001 mm) en % Contracción carga de 1.0 psi Expansión

> 28 >35 <11 >30 Muy alto

20 –13 25 – 41 7 – 12 20 –30 Alto

13- 23 15 – 28 10 –16 10 – 30 Medio

>15 <18 >15 <10 Bajo

Método del “Índice de la actividad de la arcilla” propuesto por Seed, Woodward y

Lundgren (tabla 2). Está basado en muestras remoldeadas de suelo compuestos por

mezcla de arcillas, bentonita, illita, caolinita y arena fina. La expansión se midió como

un % del hinchamiento que experimentan probetas compactadas al 100 % del

P.U.S.M. del Proctor Estándar y con el contenido de humedad óptimo y sometidas a

una sobrecarga de 1 Psi.

La actividad de la arcilla se define como: A = PI / (C-10)

(Tabla 7)

Donde:

IP: Índice Plástico

C = % < 0.002 mm

Figura 7: Actividad de la arcilla para definir expansividad. (Holtz y Gibbs, 1954)





18

3.3 Medidas indirectas potencial expansivo del suelo.

Estos métodos consisten en predecir el potencial expansivo del suelo de una forma

cualitativa, en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre muestras

remoldeadas compactadas en condiciones prefijadas de humedad y densidad. Los

métodos más utilizados son el de “Ladd y Lambe” auspiciado por la Federal Housing

Administration y el método de “PVC “o método de la medida del cambio volumétrico.

Ensayo de Lambe. (UNE 103600/1996)

Ensayo rápido cuyo objetivo es, descubrir o

evaluar la susceptibilidad de un suelo al

hinchamiento o la retracción. Es un ensayo de

identificación, por ello no sustituye a ensayos

realizados con muestras inalteradas o

compactadas en las mismas condiciones que

en obra. Por ello ha recibido numerosas

críticas principalmente por trabajar con

muestras remoldeadas donde es difícil

reproducir las condiciones in situ. Se toma una

muestra de suelo que pase por el tamiz Nº 10

ASTM (10 mm.) que deberá cumplir con uno de

los siguientes estados: seco, húmedo o en el

límite plástico.

Figura 8: Sección aparato Lambe. (Salas y Alpañes 1975)

La muestra se compacta mediante el pistón de ensayos Proctor (según el estado en

que se encuentre el suelo será la energía de compactación utilizada según lo indicado.

(Tabla 4), dentro de la célula interior del aparato Lambe.





19

Tabla 4: Energía de compactación según estado de la muestra de suelo. (Salas y Alpañes 1975)

Estado de la muestra de

suelo

Nº de capas

Nº de golpes por capa

Energía de compactación por unidad de volumen Unidad de volumen Seco 3 7 E = PM =27,2 Kgf *cm/cm3

Húmedo 3 4 E =½ PM = 13,6 Kgf * cm/cm3

Límite plástico 1 5 E = PN = 6,0 Kgf * cm/cm3

Realizada la compactación, se aplica una presión a la muestra de 0,1 kg/cm2,

mediante un vástago ajustable. Finalmente, se inunda la muestra y la presión que

actúa sobre esta al cabo de dos horas se designa con el nombre de índice de

expansividad. La sección del equipo utilizado, se puede apreciar. (Figura 8 y 9)

Figura 9: Relación índice hinchamiento y cambio potencial de volumen. (Salas y Alpañes 1975)

Clasificación de las arcillas en función de su plasticidad y su expansión potencial

Tabla 5: Identificación de arcillas expansivas, método indirecto. (Pérez, 2008)

Límite líquido Índice de Plasticidad Expansión Potencial % Clasificación de la

Expansión Potencial

<50 <25 <0.5 Baja

50-60 25-35 0.5-1.5 Marginal

>60 >35 >1.5 Alta





20

3.4 Medidas directas de la expansión del suelo.

Estos métodos consisten en medir la expansión del suelo al saturarlo bajo diferentes

condiciones de carga, graficándose las variaciones de hinchamiento para diferentes

presiones aplicadas. Los dos parámetros que definen el Potencial de Hinchamiento

mediante medidas directas son:

Ensayo de presión de hinchamiento.

Ensayo de hinchamiento libre

3.4.1 Ensayo de presión de hinchamiento.

La presión de hinchamiento se puede definir como la presión aplicada en laboratorio

sobre una muestra de suelo expansivo para que, una vez en contacto con agua, la

probeta mantenga constante su volumen inicial, es decir que la variación de volumen

sea nula.

Este ensayo se realiza prácticamente en el mismo caso anterior, pero en lugar de

medir el hinchamiento de la muestra, se añaden cargas para no permitirlo. La presión

máxima que hay que aplicar para que no se produzca hinchamiento se conoce con el

nombre de presión de hinchamiento. Aplicada la presión máxima, se van quitando

cargas y se miden los hinchamientos que se producen. El hinchamiento bajo carga

nula en este ensayo es siempre inferior al hinchamiento libre (o bajo la carga de 0,1

kg/cm 2).

3.4.2 Ensayo de hinchamiento libre

Hinchamiento libre (Hc).- definido como el % de la elevación máxima para presión

nula en relación a la longitud inicial de la probeta. Las medidas de estos parámetros se

realizan fundamentalmente mediante pruebas edométricas o en técnicas basadas en





21

la succión, tendiendo a simular los factores relevantes que sigue el fenómeno cuando

se desarrolla in situ. Para lograr este objetivo se han propuestos innumerables

metodologías experimentales que siguen operativas distintas, cuando no opuestas.

Las principales divergencias radican en:

Forma de simular las condiciones de campo en el edómetro.

Tamaño y forma de la muestra.

Valor de la humedad inicial del ensayo.

Magnitud de la precarga y secuencias de cargas.

Momento de saturación.

Mecanismos para medir el hinchamiento número de muestras que intervienen

en el ensayo.

El ensayo se desarrolla como sigue a continuación: Se toma una muestra inalterada

de suelo y se monta en el edómetro, se pone en cero el lector de deformación y a

continuación se inunda la muestra, hasta un nivel en que el agua solamente penetre

en la pastilla de suelo por la piedra porosa inferior (con esto se evita que de aire

atrapado en el interior de la muestra). Se mide el hinchamiento final el cual se expresa

en porcentaje del espesor inicial de la muestra y se designa con el nombre de

hinchamiento libre. Como no hay que aplicar presiones sobre la muestra, se puede

colocar el lector de deformación, directamente sobre el pistón de carga, con lo cual

habrá menos errores en la medida de deformaciones. Existen casos en que este

ensayo se realiza bajo una carga pequeña, aplicando una presión inicial de 0,07 a 0,1

kg/cm 2 .Una vez inundada la muestra y transcurrido el tiempo necesario para que se

produzca la expansión, se varía la carga, obteniendo el comportamiento carga-

deformación en condiciones de inundación.

Se consideran suelos expansivos aquellos en los que en una muestra remoldeada y

compactada con la densidad y humedad óptimas del ensayo próctor normal según

UNE 103500, supere un hinchamiento libre del tres por ciento (3%), cuando se ensaye

según UNE 103601.





22

Los suelos expansivos así definidos, no se utilizarán en coronación ni en los

espaldones ya que en estas zonas se acusan especialmente las variaciones

estacionales de humedad. Si resultara inevitable su empleo en el núcleo se realizará

un estudio especial, que teniendo en cuenta la funcionalidad del relleno tipo terraplén,

las características de permeabilidad de la coronación y espaldones, el hinchamiento

libre y las condiciones climáticas, defina las disposiciones y cuidados a adoptar

durante la construcción. Sin embargo no podrán usarse en ningún caso aquellos

suelos cuyo hinchamiento libre, según UNE 103601 sea superior al cinco por ciento

(5%)

3.5 Factores que intervienen en el fenómeno de la expansión.

El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento o hinchamiento libre)

dependen, como mínimo, de las siguientes variables:

a) Naturaleza y tipo de arcilla. La composición mineralógica de la arcilla

(porcentajes de illita, caolinita y esmectitas) que está compuesto. Los suelos

expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de

esmectitas.

b) Humedad inicial. El elemento “catalizador” del fenómeno de la expansión, es

precisamente, la variación en el contenido de humedad del suelo. Por más

montmorilonita que esté compuesta una arcilla, si no hay variación en el

contenido de humedad del suelo, no habrá cambios volumétricos. No es

necesario que el suelo se sature completamente para que produzca expansión

del mismo. Por el contrario, en determinados casos, es suficiente variaciones

en el contenido de humedad del suelo de sólo 1 o 2 puntos porcentuales, para

causar hinchamientos y producir daños estructurales. El contenido de humedad

inicial del suelo controla la magnitud del asentamiento. Arcilla “secas”, con

contenido de humedad por debajo del 15 % indican un riesgo de expansión

alto, pues fácilmente puede llegar absorber contenidos de humedad de 35 %





23

con los consecuentes daños estructurales. Por el contrario, arcillas cuyo

contenido de humedad está por encima del 30 % indica que la mayoría de la

expansión ya ha tenido lugar y sólo es esperable algún leve hinchamiento

remanente.

c) Naturaleza del fluido intersticial que ocupan los poros del suelo, que se

caracteriza por el tipo de iones presentes, pH y propiedades dieléctricas del

fluido.

d) Peso específico seco del suelo. Muy relacionada con la humedad inicial, el

peso específico seco del suelo es otra variable fundamental en el proceso

expansivo del suelo La expansión es mayor cuanto mayor sea el peso

específico o densidad del suelo. La densidad seca de una arcilla se ve reflejada

en valores altos en los resultados en el ensayo de penetración estándar.

Valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y riesgo

expansivo bajo, aumentando significativamente estos a medida que aumenta el

valor de “N”.

e) Características plásticas del suelo. Como ya fue explicado anteriormente las

propiedades plásticas del suelo juegan un importante papel en el fenómeno

expansivo. Generalmente, las arcillas de elevados límites de Atterberg suelen

asociarse a fenómenos de expansión

f) Potencia del estrato activo. A través de ensayos de laboratorio sobre

muestras de un mismo suelo, compactadas al mismo grado densidad y

humedad inicial, se ha estudiado el efecto del espesor del estrato en la

magnitud total del hinchamiento. Los resultados mostraron que la magnitud del

cambio volumétrico experimentado es proporcional al espesor del estrato,

mientras que la presión de expansión se mantiene constante. Esto nos estaría

indicando que si una estructura es capaz de trasmitir una presión uniforme y

constante a profundidades importantes debajo de la fundación se podría

contrarrestar el fenómeno de cambio volumétrico.





24

g) El cambio en el contenido de humedad del suelo. Este cambio se produce

por influencia del clima, de las construcciones de pavimentos y edificaciones,

rotura de tuberías, etc. climas como períodos de sequía muy largos hacen al

suelo más expansivo. La presencia de vegetación próxima a las edificaciones

produce zonas localizadas de humedecimiento. La posición y variaciones del

nivel freático inciden en la potencialidad de la expansión.

h) Fatiga de la expansión. En muestras sometidas en laboratorio a ciclos de

saturación y disecado mostraron señales de fatiga después de varios ciclos.

Este fenómeno no ha sido todavía suficientemente investigado. Se ha notado

en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el contenido de

humedad del mismo que tienden a un cierto punto de estabilización luego de

un cierto número de años.

i) El tiempo necesario para lograr la expansión total del suelo juega un papel

importante en el cambio de volumen final del suelo. R.E. Meas, reporta para

arcillas de Oklahoma, que un estrato de 5 pies de espesor requiere no menos

de 20 años para alcanzar su equilibrio final.

j) Los suelos expansivos cubiertos por una estructura tienden a disminuir el

porcentaje de expansión (sin llegar a 0) después de una serie de

humedecimientos y secados debido a los cambios climatéricos estacionales.





25

4 MEJORA DEL TERRENO.

4.1 Tratamientos: modificación y estabilización de suelos.

Por razones medioambientales y económicas, en las obras de infraestructura del

transporte (carreteras, ferrocarriles, puertos, aeropuertos) es recomendable hacer uso

de la mayor cantidad posible de suelos presentes en la propia obra tanto en los

rellenos de terraplenes como en su coronación y fondos de desmonte, donde las

exigencias de calidad son superiores por estar más cerca de las cargas de tráfico. Con

frecuencia sin embargo, los suelos no tienen las características adecuadas.

Para estos casos se dispone actualmente de diferentes productos para el tratamiento

de los suelos con objeto de facilitar e incluso permitir su puesta en obra, reducir su

sensibilidad al agua y aumentar en mayor o menor grado su resistencia a la

deformación bajo cargas. Los más empleados son los siguientes conglomerantes:

cementos, en general con adiciones, y cales aéreas. Ambos pueden usarse tanto en

polvo como en forma de lechada. Se mezclan con el suelo, generalmente in situ, se

compactan enérgicamente y se curan. También pueden emplearse algunos ligantes

bituminosos y ciertos productos químicos, pero su uso actual es mucho más reducido,

entre otras razones por su coste.

En el caso de los cementos, al fraguar e hidratarse los silicatos y aluminatos cálcicos

anhidros, producen uniones entre las partículas del suelo, disminuyendo su

sensibilidad al agua y, en función del contenido de conglomerante, pueden aumentar

considerablemente la resistencia a la deformación del suelo estabilizado y ofrecer una

cierta resistencia a la tracción. Son adecuados para tratar tanto los suelos granulares

como los de grano fino, salvo que sean muy plásticos o se encuentren muy húmedos.

En este caso puede ser conveniente un tratamiento previo con cal o su estabilización

con cal.





26

Las cales aéreas producen al mezclarse con un suelo fino arcilloso una reacción

rápida de floculación e intercambio iónico, con formación de grumos friables. Con una

pequeña adición de cal, el aspecto del suelo pasa a ser “granular”, más fácil de

manejar. Las reacciones químicas reducen rápidamente la plasticidad del suelo y su

hinchamiento, mejoran su compactabilidad y aumentan su capacidad de soporte.

Después se inicia una reacción puzolánica lenta, que se acelera con la temperatura,

con formación de silicatos y aluminatos cálcicos hidratados. La resistencia mecánica

va aumentando con el tiempo y la temperatura, conforme estos compuestos químicos,

al igual que en el caso de los cementos, van creando puentes de unión entre las

partículas del suelo.

Con suelos arcillosos plásticos, lo idóneo es el tratamiento con cal. La resistencia

mecánica a largo plazo es función del tipo de suelo y puede ser insuficiente. En este

caso, una posible solución es un tratamiento doble, primero con cal y luego con

cemento.

Hay que señalar algunas limitaciones que afectan a la estabilización de los suelos con

contenidos elevados de materia orgánica o de ciertas sales, como los sulfatos. En el

primer caso puede llegar a detenerse la formación de los compuestos cementantes o

inhibir la reacción de la cal y la superficie de los minerales de la arcilla, y en el

segundo pueden producirse las conocidas reacciones expansivas debidas a la

formación de etringita. Por el contrario, otras sales, como los carbonatos, pueden

favorecer la actuación de los cementos.

En resumen, el tipo de suelo y su estado hídrico, las condiciones climáticas

prevalentes y las prestaciones deseadas son los factores principales para seleccionar

el conglomerante más apropiado. En los casos dudosos, el estudio de laboratorio

marcará las diferencias.





27

4.2 Tipos de tratamiento y campos de aplicación.

4.2.1 Aspectos Generales.

Según los objetivos del tratamiento, se suele distinguir entre suelos mejorados y

suelos estabilizados.

Los suelos mejorados se refieren generalmente a suelos de grano fino, plásticos y a

veces con humedades naturales excesivas, que presentan dificultades de

compactación, expansividad, sensibilidad al agua o a la helada, baja capacidad de

soporte, etc. y que son tratados con cal. Con este tipo de tratamiento se persigue

fundamentalmente modificar sus características a corto plazo, pasando a ser suelos

utilizables.

El objetivo de la modificación puede ser uno o varios de los siguientes:

Secar zonas húmedas para facilitar su compactación

Proporcionar una plataforma de trabajo estable

Preparar el suelo para un tratamiento posterior (por ejemplo con cemento)

La cantidad necesaria de cal, generalmente baja, es función de la naturaleza y

humedad del suelo.

Con los suelos estabilizados se persigue fundamentalmente un aumento de su

capacidad de soporte y una disminución de su sensibilidad frente al agua y otras

condiciones medioambientales desfavorables, así como en muchos casos un

incremento de su resistencia mecánica. Si la fracción granular del suelo es importante,

un porcentaje moderado de conglomerante es suficiente para obtener un material

insensible al agua, estable y capaz de resistir a largo plazo las deformaciones

producidas por el tráfico.

Para estabilizar un suelo, el conglomerante empleado debe ser cemento si el suelo es

poco plástico, mientras que si es fino y cohesivo debe utilizarse cal aérea, aunque en

ocasiones puede convenir un tratamiento mixto, primero con cal para restar plasticidad





28

y después con cemento, para aumentar la capacidad de soporte o alcanzar

resistencias. (Figuras 10 y 11)

En este caso, la contribución estructural de una capa estabilizada como apoyo del

firme es notable, y a ello se debe su mayor empleo en explanadas de infraestructuras

bajo tráfico pesado. Por otra parte, los suelos granulares con finos y plasticidad

limitados son excelentes materiales para la ejecución de capas de suelo cemento en

firmes semirrígidos.

Figura 10: Camellón utilizado para contener la cal antes de la mezcla. (Manual de estabilización de

suelo con cal, 2004)

Figura 11: Distribuidor de cemento. (Manual de estabilización con cemento o cal, 2007)

4.2.2 Suelos mejorados o estabilizados para capas de asiento de firmes

Tanto durante la ejecución, como en el comportamiento posterior del firme en servicio,

el cimiento juega un papel relevante, que en ciertos casos puede llevar incluso a la

ruina del firme, al menos de forma local y especialmente en combinación con el agua.

Por ello, parece oportuno conocer su constitución, funciones y las características de

los suelos como materiales de construcción.





29

Puede definirse como cimiento del firme al conjunto de suelos y otros materiales que

se encuentran bajo el mismo. La explanada es la superficie del cimiento, sobre la cual

se apoya el firme. Las cargas del tráfico, fundamentalmente verticales, producen un

estado tensodeformacional de intensidad decreciente con la profundidad, llegando

muy aminoradas a la explanada gracias a la distribución proporcionada por las capas

del firme. A partir de ahí, las tensiones y deformaciones siguen disminuyendo, de

forma que a una profundidad de 1,5 - 2 m, son ya prácticamente inapreciables.

Las capas superiores del cimiento o capas de asiento del firme tienen por ello la mayor

responsabilidad en el trabajo conjunto de la estructura firme – cimiento, por lo que con

frecuencia están formadas por suelos de aportación o por la estabilización de los

existentes. Estas capas constituyen la coronación sobre el núcleo de los terraplenes y

el fondo de los desmontes. Debajo está el terreno natural subyacente.

4.3 Ventajas de los suelos estabilizados.

4.3.1 Ventajas técnicas.

Entre las ventajas técnicas pueden citarse:

Permiten el empleo de los suelos de la traza, mejorando sus características

hasta el grado deseado.

Proporcionan una elevada capacidad de soporte a la explanada, con lo que

aumenta la vida de servicio del firme.

Aseguran la estabilidad de la explanada, tanto por su insensibilidad al agua y a

la helada, evitando así cambios de volumen por hinchamiento o retracción,

como por su resistencia a la erosión.

Disminuyen las tracciones en las capas del firme, aumentando con ello su vida

útil.

Pueden permitir el paso inmediato del tráfico de obra.





30

4.3.2 Ventajas económicas y ambientales.

Entre ellas pueden destacarse las siguientes:

Un mayor empleo de suelos y otros materiales de la traza, a veces de

características iniciales inadecuadas. Esto es particularmente interesante por

las restricciones actuales para el uso de préstamos y vertederos. En ocasiones

incluso no existen suelos aprovechables a una distancia aceptable

Un ahorro en el transporte de materiales

Un acortamiento de los plazos de ejecución, dado que el proceso de

incorporación del conglomerante y de mezcla del suelo con el mismo se realiza

con equipos específicos de alto rendimiento

La obtención de cimientos de firme de mayor capacidad de soporte permite un

ahorro en las capas de firme, tanto en su constitución como en su ejecución.

Aunque las ventajas ambientales están ligadas a las económicas, las primeras

van cobrando preponderancia y tienen que ser atendidas con prioridad.

4.4 Limitaciones.

Las más significativas están relacionadas con elevados contenidos en los suelos de

sulfatos solubles y en materia orgánica.

En el primer caso, la formación de etringita, muy expansiva, puede llegar a romper las

capas ya extendidas y compactadas cuando el contenido de sulfatos solubles es

superior al 1%.

La materia orgánica puede inhibir el fraguado y endurecimiento de la mezcla, aunque

con una mayor dotación de conglomerante se puede llegar a eliminar este efecto.

Otros compuestos del suelo, poco frecuentes, como son los fosfatos, nitratos y

cloruros pueden afectar al fraguado del cemento.

La estabilización de suelos requiere unos estudios previos más detallados de las

características principales y de la homogeneidad de los suelos a tratar, así como de

ensayos de laboratorio para su dosificación. En general, la dotación de conglomerante





31

suele ser reducida y el sobrecoste queda compensado por las ventajas que aporta el

tratamiento. Entre las limitaciones más significativas hay que señalar los elevados

contenidos de los suelos en sulfatos solubles y en materia orgánica, así como la

presencia de elementos de tamaño superior a 10 cm.

4.5 Suelos.

4.5.1 Características Generales.

Los materiales a estabilizar con cal o con cemento no deben contener materia

orgánica, sulfatos, sulfuros, fosfatos, nitratos, cloruros u otros compuestos químicos en

cantidades perjudiciales. En caso de que se utilice cemento, no deben afectar al

fraguado de éste, ni presentar reactividad potencial con los álcalis del cemento.

En las especificaciones se suelen establecer algunas limitaciones a las características

de los suelos para que al estabilizarlos resulte un material con unas características

técnicas adecuadas y económicamente admisibles.

4.5.2 Granulometría.

Suele limitarse el tamaño máximo (80 mm) para evitar segregaciones y dificultades de

compactación y nivelación, así como para evitar las complicaciones que para la

maquinaria supone la presencia de piedras de mayor tamaño. También se limita el

porcentaje de finos (partículas inferiores a 0,063 mm) para posibilitar la mezcla y, en el

caso del cemento, evitar la necesidad de aportar un alto contenido de conglomerante:

< 35 % (S-EST3) y 50 % (S-EST1 y S-EST2) en el caso de estabilización con cemento

> 15 % si es con cal.

En general, conviene disponer de un porcentaje mínimo de finos para facilitar la

compactación





32

4.5.3 Composición química.

Se limita el contenido de materia orgánica, de sulfatos y de sales solubles; en el primer

caso, para evitar el retraso a falta de fraguado y endurecimiento del material, y en los

otros, para que no se produzcan reacciones expansivas que puedan comprometer la

estabilidad volumétrica del material estabilizado o bien pérdidas de resistencia del

mismo.

No obstante, hay que advertir que los límites fijados en las especificaciones son en

ocasiones demasiado conservadores. En el caso de ser superados de una manera no

excesiva, se deberían realizar ensayos para determinar de forma precisa la aptitud del

suelo para ser estabilizado. En ocasiones es suficiente aumentar ligeramente la

dotación de conglomerante

4.5.4 Plasticidad.

Para las estabilizaciones con cemento, el índice de plasticidad debería ser inferior a

15. Con cal, no debería ser inferior a 12. Se desea evitar con ello problemas en el

mezclado y extendido del material, al tiempo que se indica el conglomerante más

idóneo, en función de la plasticidad del suelo.

4.5.5 Clasificación

Según el artículo 330 del PG 3 (2004), los suelos para terraplenes se clasifican según

lo indicado en la (Figura 12 y 13). También se admiten materiales procedentes de

procesos industriales, siempre que sean estables.





33

Figura 12: Clasificación de suelos para terraplenes y explanadas (PG-3. 2004)

Figura 13: Criterios de clasificación del suelo, según su plasticidad





34

Por otra parte, todos los suelos para terraplenes deberán cumplir alguna de las dos

condiciones granulométricas siguientes:

Cernido o material que pasa por el tamiz 20 UNE mayor que el 70 %

Cernido o material que pasa por el tamiz 0,080 UNE mayor o igual que el 35 %.

Son suelos inadecuados los que no se pueden incluir en las categorías anteriores y

además:

Las turbas y otros suelos que contengan materiales perecederos u orgánicos,

tales como tocones, ramas, etc.

Los que pueden ser insalubres para las actividades que sobre los mismos se

desarrollen.

Esta misma clasificación se emplea para los suelos sin tratar a utilizar en fondos de

desmonte.

En principio, todos los suelos que cumplan las condiciones indicadas en el apartado

4.5.1 pueden ser estabilizados con cemento o con cal.

4.5.6 Suelos en terraplenes y explanadas

El mencionado artículo 330 del PG- 3 (2004) indica también qué tipos de suelos sin

tratar pueden emplearse en las distintas zonas de los terraplenes, se puede ver a

continuación en un resumen (Figura 14)





35

Figura 14: Resumen de los materiales en base al Pg-3

4.5.7 Suelos en capas estabilizadas de explanadas

En el artículo 512 “Suelos estabilizados in situ” del PG-3" se exponen las

características exigidas a los suelos para poder ser estabilizados con cemento o cal.

Éstas se resumen en (Figura 15).





36

Figura 15: Prescripciones de los suelos a utilizar en estabilizaciones (Pg-3. 2004)

De acuerdo con dichas prescripciones, en la (Figura 16), se relacionan las

determinaciones previas que hay que realizar y las normas Españolas de ensayo que

se deben utilizar para ello.

Figura 16: Determinaciones previas a realizar sobre los suelos (Pg-3. 2004)





37

4.6 Las cales.

Las cales a emplear en la construcción (edificación y obra civil) vienen definidas en la

Norma UNE-EN 459-1 “Cales para la construcción. Parte 1: Definiciones,

especificaciones y criterios de conformidad”.

Se trata de una norma europea armonizada, por lo que las cales empleadas en la

construcción (y como caso particular la estabilización de suelos) deben poseer el

marcado CE, Dicha norma se complementa con las dos siguientes:

UNE-EN 459-2 “Cales para la construcción. Parte 2: Métodos de ensayo”.

UNE-EN 459-3 “Cales para la construcción. Parte 3: Evaluación de la

conformidad”.

La citada Norma UNE-EN 459-1 contempla distintos tipos de cales, entre los que los

más importantes son los siguientes:

Cales aéreas: cales que se componen principalmente de óxido e hidróxido de calcio y

magnesio, los cuales endurecen lentamente aire por la acción del CO2 de la

atmósfera. No presentan propiedades hidráulicas, es decir no endurecen con el agua y

se obtienen a partir de rocas calizas con contenidos en carbonatos superiores al 95 %

Cales hidráulicas: a diferencia de las cales aéreas, endurecen en contacto con el

agua. Se obtienen a partir de calizas que contienen arcillas (sílice y alúmina). Durante

la calcinación y la posterior hidratación se forman silicatos y aluminatos cálcicos que

son los que confieren las propiedades hidráulicas.

Según el contenido de óxido de magnesio, las cales aéreas se dividen en cálcicas

(CL), cuando su contenido de MgO es inferior al 5 %, y dolomíticas (DL), cuando dicho

contenido es superior al 5 %. La denominación se completa mediante una cifra (90,

80), que indica el contenido mínimo de la suma de CaO y MgO. A las abreviaturas

anteriores se les añade la letra Q o S según se trate de cales vivas o hidratadas

(apagadas), respectivamente.





38

Las cales para tratamiento de suelos, además de la norma UNE-EN 459-1, deben

cumplir las prescripciones complementarias de la norma UNE 80502:2003 “Cales vivas

o hidratadas utilizadas en la mejora y/o estabilización de suelos”. De acuerdo con esta

última, solamente se admiten para estas aplicaciones cales aéreas vivas CL 90-Q o

CL 80-Q o bien cales aéreas apagadas CL 90-S o CL 80-S, pues son las que actúan

más eficazmente sobre los elementos arcillosos, por liberar rápidamente más iones

Ca++, responsables de la floculación de las partículas de arcilla y por elevar el pH del

suelo a valores en torno al 12,5 para producir la reacción puzolánica causante del

incremento de la resistencia mecánica a largo plazo.

Por otra parte, deben cumplir lo establecido en el artículo 200 “Cales para

estabilización de suelos” del PG-3.

La cal puede utilizarse en polvo o bien en forma de lechada, que es una suspensión

de cal apagada en agua. Su empleo en tratamiento de suelos permite, por un lado,

evitar el polvo producido durante el extendido de la cal y, por otro, controlar mejor la

humedad de los suelos secos. Esta suspensión no debe contener una proporción de

cal mayor del 35 % en masa, pues en caso contrario, pueden obturarse los conductos

y válvulas de la maquinaria empleada. Para la estabilización de suelos se deben

emplear cales aéreas, que son las que actúan sobre los suelos arcillosos.

Además del contenido en óxidos de calcio y de magnesio (este último debe ser

inferior al 5 % en las cales CL), para asegurar la calidad de la cal utilizada en el

tratamiento deben analizarse los siguientes parámetros:

Contenido de dióxido de carbono (CO2). Permite evaluar la presencia de otros

componentes minoritarios de las cales, como son los carbonatos cálcico y magnésico.

Dicho contenido, en el punto de fabricación, debe ser inferior al 5 % en masa.

Finura de molido. Es una característica importante en la medida que interviene en las

condiciones de almacenamiento, transporte y mezcla con el suelo. El apagado o

hidratación de la cal viva con agua da lugar, además, a una autopulverización muy

fina, incluso micronizada, del producto. Por otra parte, la finura puede intervenir en la





39

reactividad de la cal. La finura de la cal se evalúa mediante un análisis granulométrico.

Más del 98 % de las partículas deben ser inferiores a 0,2 mm.

Reactividad de la cal. Esta característica es muy importante debido a un doble

motivo. Por un lado, refleja la calidad de la cal en cuanto a su capacidad de reacción,

indicando que las reacciones buscadas se producirán de forma rápida. Y por otro,

cuando se emplee para el secado de suelos húmedos, permite estimar su eficacia

para este tratamiento. El ensayo se realiza sobre la cal viva (Q), y permite medir la

rapidez de reacción de ésta con el agua. Se evalúa midiendo el tiempo que se tarda en

alcanzar una temperatura de 60 ᵒC al agitar una muestra de cal viva en agua. Dicho

tiempo debe ser inferior a 15 minutos, siendo tanto más reactiva la cal cuanto menor

sea el mismo.

4.6.1 Efectos de la cal.

La incorporación de la cal, viva o apagada, a un suelo provoca dos tipos de acciones:

Mejora por modificación inmediata, que tiene lugar desde el momento en que

se mezcla el suelo con la cal. Su duración puede ir desde algunos minutos

hasta unas pocas horas

Estabilización a largo plazo, que prosigue durante varios meses, o incluso

algunos años, después de la incorporación de la cal al suelo.

La incorporación de la cal a un suelo arcilloso provoca tanto mejoras a corto plazo, que

se producen entre algunos minutos y unas pocas horas, como un efecto de

estabilización a largo plazo, que se prolonga durante varios meses e incluso algunos

años.

Cuando se mezcla en obra un suelo arcilloso con cal viva o apagada, se modifica de

forma inmediata el comportamiento del suelo. Éste pasa bruscamente de un estado

plástico, es decir, deformable y viscoso, a un estado sólido, es decir, más rígido y

friable





40

Cuando se quiera tratar suelos con humedades naturales excesivas, superiores a la

humedad óptima de compactación, debe aplicarse el tratamiento por vía seca (cal viva

o apagada en polvo), con el objeto de no añadir más humedad al suelo y dificultar su

puesta en obra.

Por otra parte, al contrario de lo que sucede con los conglomerantes hidráulicos, existe

una dosificación máxima de cal (que es función de la cantidad máxima "consumible"

por la arcilla presente en el suelo), más allá de la cual las características mecánicas no

pueden aumentar más e incluso corren el riesgo de empeorar, ya que la cal no

consumida supone un polvo mineral que aumenta la sensibilidad al agua del material.

4.6.2 Propiedades de los suelos estabilizados con cal.

Mediante el tratamiento de los suelos arcillosos con cal se logra una reducción de su

plasticidad, una disminución de su hinchamiento potencial y un aumento de su

capacidad de soporte.

Además, a través de los procesos analizados en el apartado 4.6.1 del presente

trabajo, se logra mejorar sus características resistentes y sus propiedades

geotécnicas, y con ello su durabilidad y sus prestaciones durante su vida útil.

A continuación se describen más en detalle las propiedades de las mezclas de suelos

arcillosos y cal de mayor interés en las obras de infraestructura.

Granulometría. Una de las primeras acciones de la cal con los suelos es la floculación

o aglomeración de las partículas de arcilla en otras más gruesas. Dicha transformación

granulométrica de las fracciones arcilla puede estimarse mediante la disminución del

porcentaje de finos del suelo.





41

4.7 Cemento.

El cemento, mezclado íntimamente con el suelo, proporciona a la mezcla la resistencia

mecánica o la capacidad de soporte exigida y mejora tanto su durabilidad, entendiendo

por tal la resistencia a los agentes físicos y químicos agresivos, como la estabilidad

dimensional.

Los cementos pórtland se obtienen por molturación conjunta de su clinker, de

adiciones activas, en su caso, y de la cantidad adecuada de un regulador de fraguado,

normalmente piedra de yeso natural. El clinker es el producto resultante de calcinar

mezclas de calizas y arcillas preparadas adecuadamente, hasta conseguir la

combinación prácticamente total de sus componentes. Los principales componentes

del clinker son el silicato tricálcico (SC3), el silicato bicálcico (SC2), el aluminato

tricálcico (AC3) y el ferritoaluminato tetracálcico (C4AF), a los que hay que añadir otros

componentes secundarios. Algunos de ellos, como el silicato y aluminato tricálcico,

presentan un calor de hidratación, una velocidad de fraguado y una resistencia inicial

elevadas.

En general, los cementos pórtland sin adiciones no suelen utilizarse en

estabilizaciones, siendo lo más habitual recurrir a cementos con cenizas volantes,

escorias de horno alto u otros tipos de adiciones puzolánicas o con hidraulicidad

latente.

Los cementos más adecuados para estabilizar suelos son los que tienen un elevado

plazo de trabajabilidad, un moderado calor de hidratación para limitar los efectos de la

fisuración por retracción y un desarrollo lento de resistencias y módulos de rigidez a

edades tempranas, recuperándolas a largo plazo.

No se deben emplear cementos de aluminato de calcio, ni mezclas de cemento con

adiciones que no hayan sido realizadas en la fábrica de cemento.

Si la capa estabilizada se tiene que disponer sobre terrenos yesíferos o que contengan

sulfato de magnesio, es conveniente aislarla y, en cualquier caso, utilizar cementos





42

resistentes a los sulfatos o con alto contenido de adiciones (ceniza volante, escoria de

horno alto o puzolana)

4.7.1 Efectos de la incorporación del cemento

Al igual que con la cal, se puede distinguir igualmente entre efectos inmediatos y

efectos a largo plazo, si bien con el cemento son estos últimos los que se buscan

preferentemente.

4.7.2 Mejora por modificación inmediata

Modificaciones del estado hídrico. Los efectos inmediatos se refieren principalmente

al estado hídrico del suelo, que sufre un secado por el hecho de la adición de una

cierta cantidad de materia seca y, en menor medida, de la pérdida de agua consumida

en la hidratación del conglomerante. Este secado, según las dotaciones aplicadas,

varía teóricamente, entre el 0,3 y el 0,5 % del contenido de agua por punto porcentual

de conglomerante, si bien en estos valores no se tiene en cuenta la evaporación que,

al igual que con la cal, puede producirse en el transcurso de la mezcla in situ.

4.7.3 Efectos a medio y largo plazo.

Resultan del fraguado y endurecimiento del conglomerante, los cuales proporcionan a

los suelos tratados una resistencia mecánica que puede ser predominante en su

comportamiento. El valor de esta resistencia varía ampliamente y es función,

principalmente, del tipo de conglomerante y de la dosificación del mismo.

Puede considerarse que el fraguado se desarrolla en tres etapas. La duración de cada

una de ellas depende de la naturaleza de cada conglomerante y de la temperatura de

la mezcla.





43

La incorporación de cemento en cantidad suficiente a un suelo permite obtener un

material con una resistencia mecánica apreciable a corto-medio plazo. La dotación

mínima de conglomerante depende del tipo de suelo, siendo los más adecuados los de

tipo granular con finos poco plásticos.

4.7.4 Efectos de la adición conjunta de cal y cemento en dos etapas.

En algunos países se emplean conglomerantes especiales para carreteras con un

fuerte contenido de cal (viva o apagada), que pueden dar lugar a la floculación in-

mediata de las partículas arcillosas, al igual que ocurre con la cal (pero sin ser ni tan

rápida, ni tan intensa). Para suelos finos y con plasticidad elevada, el tratamiento

mixto, primero con cal y luego con cemento, es la solución más adecuada.

En el caso de que los suelos a tratar con cemento presenten una humedad o una

plasticidad excesivas, la corrección previa mediante un tratamiento con una dosis

moderada de cal permite optimizar la acción del cemento sobre dichos suelos. Este

proceso se denomina estabilización mixta.

4.8 Algunas consideraciones sobre la Estabilización de suelos a

base de cal, según Sub comité de Estabilización de cal de la

Asociación Americana de Constructores de Carreteras.

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. (Figura 17). Con el diseño y técnicas de

construcción apropiados, el tratamiento con cal transforma químicamente los suelos

inestables en materiales utilizables. Adicionalmente, el soporte estructural de los

suelos estabilizados con cal puede ser aprovechado en el diseño de pavimentos.





44

Figura 17: Ejemplo extremo de fracaso de un pavimento por suelos inestables. (Manual de estabilización de suelo tratado con cal, 2004).

La cal puede ser utilizada en el tratamiento de suelos, en varios grados o cantidades,

dependiendo del objetivo. 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.

Antes de iniciar cualquier proyecto de construcción, se deben desarrollar los planos y

especificaciones. Para pavimentos de carreteras, el diseño debe ajustarse al tráfico

esperado, tomando también en cuenta el medio ambiente, el sitio y las condiciones de

los materiales. Todos los diseños estructurales deben basarse en pruebas de

laboratorio y parámetros que se ajusten a las demandas del proyecto en particular y

además, proveer la alternativa más económica para el uso planeado, se enfoca en los

aspectos de construcción relacionados al tratamiento de suelos con cal.

Se debe tomar en cuenta que el uso de cal para el secado de suelos, la modificación

temporal y la estabilización permanente no está limitado a la construcción de

carreteras.

En principio, el manual de la Asociación Nacional de Cal (NLA por sus siglas en inglés)

fue escrito para usos de pavimentos de carreteras, y así se mantiene el enfoque, ya

que la mayor parte de cal para el tratamiento de suelo, se usa en la construcción de

carreteras. Sin embargo, el empleo de cal para el secado de suelos, la modificación





45

temporal y la estabilización permanente no se limita a la construcción de carreteras, al

igual como se explicó anterior mente

Se indica que para 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.

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.

La cal más utilizada para el tratamiento de suelos es la cal alta en calcio, que contiene

un máximo de 5% de óxido o hidróxido de magnesio. Sin embargo, en algunas

ocasiones se utiliza cal dolomítica. La cal dolomítica contiene de 35 a 46% de óxido o

hidróxido de magnesio. Con la cal dolomítica se puede lograr la estabilización, aunque

la fracción de magnesio reacciona más lentamente que la fracción de calcio.

4.9 Mejoramiento del terreno para suelos expansivos, según

Especificaciones Generales para construcción de caminos y

puentes del Ministerio de Trasporte y Obras Publicas del

Ecuador.

Con respecto al mejoramiento del terreno, para suelos expansivos bajo normas

Técnicas Ecuatorianas, se realiza algunas recomendaciones, como el uso de

materiales, equipo a utilizar, ensayos, y procedimientos de trabajo.

Materiales.- Para este trabajo se deberá utilizar el suelo de la subrasante construida,

directamente de la excavación o suelos provenientes de préstamos, exentos en todo





46

caso de cantidades perjudiciales de materia orgánica, y cal hidratada que cumpla los

requisitos establecidos en las Normas INEN 247 y 248.

Los suelos que se utilicen para esta estabilización con cal, no deberán contener

partículas de tamaño superior a 80 mm. La cal deberá hallarse lo suficientemente seca

al momento de su incorporación al suelo, a fin de que fluya libremente, y, por tanto,

deberá mantenerse protegida del efecto de la humedad hasta el momento de su

utilización.

El agua que se utilice durante las operaciones de mezclado, así como para el curado

de la mezcla preparada deberá cumplir con los requisitos establecidos en la Sección

804 de las Especificaciones Técnicas Generales para construcción de caminos y

puentes del Ecuador.

El material bituminoso que se utilice para el curado, si es del caso, deberá ser asfalto

diluido de curado rápido o medio, cuyo tipo y cantidad serán fijados por el Fiscalizador

o establecido en el contrato

Equipo.- El Contratista deberá disponer en el trabajo, de todo el equipo necesario y

adecuado para la construcción de la capa de subrasante estabilizada con cal, equipo

que deberá ser aprobado por el Fiscalizador.

El equipo mínimo deberá constar de una motoniveladora con escarificador, una

pulverizadora-mezcladora de paletas rotativas o un arado de discos, rodillos pata de

cabra, rodillos lisos y neumáticos, equipo de transporte para la cal, esparcidores

mecánicos (opcional), tanqueros para riego de la lechada o tanqueros para

hidratación.

Ensayos y Tolerancias.- Para controlar el contenido de cal en la mezcla y su

homogeneidad, se deberá llevar a cabo ensayos para determinar el PH, mediante el

siguiente procedimiento:

a) Se tomará una muestra de 20 gr de la mezcla preparada en la obra, que pase por el

tamiz Nº 40, secada al aire y pesada con una aproximación de 0,1 gr y se la

introducirá en un recipiente plástico de 150 ml;





47

b) Se añadirá 100 ml de agua destilada, se tapará la botella y se mezclará todo

agitándola durante 30 segundos cada 10 minutos, en el lapso de una hora;

c) Al cabo de la hora se medirá el PH utilizando equipo apropiado y debidamente

calibrado. El valor mínimo del PH será de 11,0

Adicionalmente para controlar la calidad de la construcción, se deberán realizar

ensayos de granulometría durante la etapa de compactación final, a fin de comprobar

que el 100% de la mezcla pase el tamiz de 1" (25,4 mm.) y no menos del 60% pase el

tamiz Nº 4 (4,75 mm.).

Se deberán realizar los ensayos correspondientes de Densidad Máxima y Humedad

Optima de acuerdo con AASHTO T-180 método D. La densidad de campo deberá ser

comprobada por medio del ensayo AASHTO T-147 y no deberá ser menor que el 95%

de la densidad máxima obtenida en laboratorio.

Deberá comprobarse la resistencia a la compresión simple en muestras in disturbadas

tomadas en la vía, cuyo valor mínimo será el señalado en el diseño o en la fórmula de

trabajo.

El espesor de la capa de subrasante estabilizada será comprobado mediante

nivelaciones, y en ningún punto podrá variar en más de dos centímetros del espesor

estipulado en el contrato.

4.9.1 Procedimientos de trabajo

Preparación de la subrasante.- Una vez conformada la subrasante de acuerdo a lo

establecido en los documentos contractuales y en estas Especificaciones, dentro de

las tolerancias permitidas, se procederá a la escarificación con la motoniveladora o

roturación con el arado en el ancho y hasta la profundidad especificados para la

estabilización; luego de lo cual se efectuará una pulverización minuciosa con el

empleo de la pulverizadora-mezcladora rotativa, hasta conseguir un suelo

uniformemente suelto y pulverizado, libre de cualquier material inadecuado como

raíces, piedras y terrones de tamaño mayor a cinco centímetros de diámetro.





48

Distribución de cal.- El porcentaje de cal hidratada que deba añadirse al suelo

deberá estar establecido en las Disposiciones Especiales en base a los ensayos

pertinentes de laboratorio. Sin embargo, será condición indispensable para iniciar la

ejecución de la mezcla, que le Contratista prepare y obtenga la autorización del

Fiscalizador, de la correspondiente Fórmula de Trabajo, en la cual deberá señalar el

contenido de cal, el contenido de agua para la mezcla y la compactación, la densidad

máxima, el valor del PH y el valor mínimo de la resistencia a la compresión simple. A

partir de la distribución de la cal, el tránsito vehicular extraño al trabajo estará

totalmente prohibido hasta el curado final. El Contratista podrá utilizar cualquiera de

los métodos indicados a continuación:

Método Seco.- Una vez pulverizado el suelo en la longitud, ancho y

profundidad necesarios, y determinada el área para que el tratamiento pueda

ser terminado en una sola jornada, se colocarán los sacos de cal a las

distancias calculadas para cumplir con el porcentaje especificado. Los sacos

serán abiertos de inmediato y se regará la cal manualmente, en montones

transversalmente alargados, que deberán ser regularizados usando rastrillos

rectos. No se permitirá el empleo de motoniveladoras para esparcir los

montones de cal. En caso de emplearse cal transportada a granel, ésta deberá

mantenerse cubierta con una lona durante el transporte y la espera para su

empleo; luego podrá ser distribuida desde los camiones mediante esparcidores

mecánicos, que permitan una repartición uniforme y controlada sobre el área

de la calzada preparada para el tratamiento. No se permitirá la distribución de

cal a granel por métodos manuales o sin emplear un esparcidor mecánico

aprobado por el Fiscalizador. Una vez distribuida la cal en una de las formas

indicadas, se deberá impedir su arrastre por el viento, sea cubriéndola o

efectuando riegos livianos de agua para evitar la formación de polvo. En todo

caso, no se permitirá efectuar la distribución de cal cuando soplen vientos que

impidan la ejecución de los trabajos, ni cuando la humedad del suelo a

estabilizar sea mayor al 2% de su peso seco.





49

Método húmedo.- Para este caso, la cal podrá ser distribuida mediante el

empleo de tanqueros distribuidores, en forma de lechada preparada con agua,

en una proporción que determine el diseño efectuado por el Contratista y

aprobado por el Fiscalizador, pero que puede estar alrededor de 1.000 Kg de

cal en 2.000 litros de agua. La lechada podrá ser preparada directamente en

los tanqueros distribuidores que deben estar provistos de un equipo de

agitación y circulación apropiado, o puede ser preparado en la planta central,

en un tanque mezclador provisto del equipo de agitación y recirculación

adecuado, para ser enviada de inmediato a su distribución en la obra. La

aplicación de la lechada deberá ser efectuada en el número de riegos

necesarios para lograr la proporción especificada y no inundar el suelo.

Mezclado y Pulverización.- Una vez concluida la distribución de la cal en el suelo, se

procederá a un mezclado inicial utilizando pulverizadoras-mezcladoras de paletas

rotatorias a fin de distribuir uniformemente la cal en el área y profundidad

especificadas. El proceso de mezclado y pulverización de la mezcla se incrementará

hasta conseguir que el 100% del material pase por el tamiz de 2.54 cm. (1") y no

menos del 60% pase el tamiz Nº 4 (4.75 mm.). Durante el mezclado y pulverización se

regará el agua necesaria hasta obtener la humedad óptima de la mezcla. Una vez

conseguida una mezcla homogénea, con el contenido de cal especificado y la

humedad óptima, el material deberá ser conformado con motoniveladoras a las

pendientes, alineaciones y secciones transversales especificadas antes de proceder a

su compactación.

Compactación.- La compactación de la capa de suelo mezclado con cal deberá

realizarse durante las 24 horas posteriores al mezclado. Para permitir un curado más

eficiente, el espesor de cada capa compactada no deberá ser mayor que 15

centímetros. Si el espesor total compactado especificado es mayor de 15 centímetros,

el mezclado y compactación se efectuará en capas de espesores aproximadamente

iguales y menores al máximo indicado.

La compactación se iniciará a los costados de la vía e irá progresando hacia el centro

hasta lograr un 95% de la densidad máxima obtenida en el laboratorio

(AASHTO T99 ), para la mezcla. Se deberá usar rodillos pata de cabra y luego rodillos





50

lisos de tres ruedas de acero o rodillos neumáticos, y otros tipos de compactadores

autorizados por el Fiscalizador.

Al final de cada jornada deberá terminarse el trabajo formando una junta de

construcción vertical del espesor completo, perpendicular al eje del camino y en todo

el ancho. Esta junta deberá ser inspeccionada y aprobada por el Fiscalizador antes de

reiniciar la estabilización en adelante. En caso de que la estabilización de la capa no

alcance el ancho de la vía en cada vez, se deberá formar una junta de construcción

longitudinal con cara vertical de espesor completo, unos 5 a 10 centímetros adentro

del borde del material tratado. El material sobrante podrá formar parte del ancho

restante que se estabilice hallado.

Curado.- La capa mezclada y compactada deberá ser curada por un lapso de 3 a 7

días, antes de proceder a la colocación de nuevas capas. Hasta completar el período

de curado que establezca el Fiscalizador debe mantenerse cerrado el tránsito de

vehículos, a excepción de los tanqueros para la hidratación o distribuidores para el

sellado, cuya velocidad no excederá los 20 Km/h. El curado de todas las capas

estabilizadas podrá efectuarse mediante riegos ligeros de agua, que mantengan la

superficie húmeda mientras se rodilla con compactadoras neumáticas hasta su curado

completo.

Para la capa superior de estabilización puede emplearse un sellado bituminoso en vez

de la hidratación permanente. Esta aplicación de material asfáltico deberá efectuarse

inmediatamente después de terminada la compactación, usando el tipo de asfalto y la

cantidad de riego indicados por el Fiscalizador, y de acuerdo con lo establecido en la

subsección (406-6, Especificaciones Generales del MTOP), para sello bituminoso solo.

Al iniciarse los trabajos el Contratista deberá construir un tramo de prueba de

aproximadamente 500 metros de longitud que será ensayado para determinar la

granulometría, la densidad máxima, resistencia a la compresión simple, espesor de la

capa, contenido de cal en la mezcla y más requerimientos exigidos por el Fiscalizador,

luego de lo cual éste deberá autorizar la prosecución de los trabajos, requisito sin el

cual el Contratista no podrá continuar este trabajo.





51

5 PROBLEMAS GEOTÉCNICOS ASOCIADOS A LA

PRESENCIA DE SUELOS EXPANSIVOS EN LA PROVINCIA

DE MANABÍ (ECUADOR)

5.1 La zona de estudio en la provincia de MANABÍ – ECUADOR.

Manabí es una provincia

ecuatoriana localizada en el

emplazamiento centro-noroeste del

Ecuador continental, cuya unidad

jurídica se ubica en la región

geográfica del litoral, que a su vez

se encuentra dividida por el cruce

de la línea equinoccial. Su capital es

Portoviejo. Limita al oeste con el

Océano Pacífico, al norte con la

provincia de Esmeraldas, al este

con la provincia de Santo Domingo

de los Tsáchilas y Los Ríos, al sur

con la provincia de Santa Elena y al

sur y este con la provincia de

Guayas (Figura 18).

Figura 18: Ubicación de la Provincia de Manabí – Ecuador. (Wikipedia, 2013)

Tramo en estudio: Rocafuerte – Tosagua.

http://es.wikipedia.org/wiki/Provincias_de_Ecuador

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuatoriana

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuador

http://es.wikipedia.org/wiki/Regi%C3%B3n_Litoral_de_Ecuador

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuador_terrestre

http://es.wikipedia.org/wiki/Portoviejo

http://es.wikipedia.org/wiki/Oc%C3%A9ano_Pac%C3%ADfico

http://es.wikipedia.org/wiki/Esmeraldas_%28provincia%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Santo_Domingo_de_los_Ts%C3%A1chilas

http://es.wikipedia.org/wiki/Santo_Domingo_de_los_Ts%C3%A1chilas

http://es.wikipedia.org/wiki/Los_R%C3%ADos

http://es.wikipedia.org/wiki/Santa_Elena_%28provincia%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Guayas_%28provincia%29





52

Coordenadas de

localización de la zona

de estudio.

Ubicación Geo referencial.

Coordenadas

Geográficas.

Latitud: 0°55’6’’S

Longitud:80°26’38’’O

Altitud: 18 msnm

Tramo: Rocafuerte– Tosagua.

Abscisas: 18+614 – 50+040

Longitud del Tramo:

31.4 Km.

Figura 19: Vista Satelital de ubicación tramo en estudio. Provincia de Manabí – Ecuador. (Google, Map, 2013)

En esta zona se encuentra el tramo de

vía con problemas, conocido como

Rocafuerte-Tosagua.

Figura 20: Tramo Rocafuerte – Tosagua (Google Map, 2013)





53

5.2 La carretera

En la década de los sesenta se construye la carretera Chone – El Carmen – Santo

Domingo. Desde entonces la provincia de Manabí se encuentra conectada con los dos

grandes polos de desarrollo del país: Guayaquil y Quito. También en esta década se

construyó la carretera de Portoviejo al balneario Crucita, y el desvío a Rocafuerte, con

lo cual la comunicación de Portoviejo con Bahía y Chone se acortó, de manera

importante. Posteriormente, con la construcción de la carretera de Manta a Rocafuerte

la comunicación de este puerto con el norte de la provincia y con Quito se acorta,

también de manera muy importante. En resumen, en la actualidad, las vías más

importantes que unen a la Provincia de Manabí con el resto del país son:

Hacia el norte: Portoviejo y Manta – Rocafuerte - Tosagua - Chone - Santo

Domingo – Quito

Hacia el sur: Portoviejo y Manta - Jipijapa - Guayaquil

Hacia el este: Manta – Portoviejo – Quevedo – Latacunga

La primera carretera presenta numerosos problemas geotécnicos asociados a la

presencia de suelos arcillosos de naturaleza expansiva, como se desarrollará a

continuación. En diversos tramos de esta carretera es necesario adoptar las medidas

técnicas correspondientes para resolver los problemas que ocasionan este tipo de

suelos.

5.3 Contexto geológico

Con el fin de hacer un correcto estudio y seguimiento de los diferentes tramos de esta

carretera, se han diferenciado 17 zonas en función de los materiales que afloran

asociados a la vía.





54

Zona Nombre PK Materiales

1 Portoviejo - Mejía 0+000 a 7+750 Depósitos aluviales del río Portoviejo

2 El limón 7+750 a 10+000 Depósitos aluviales y coluviales de las estribaciones de las colinas, donde aflora la formación Charapotó

3 Sosote 10+000 a 13+000 Depósitos aluviales de un afluente en la margen izquierda del río Portoviejo

4 Buenos Aires 13+000 a 14+250 Depósitos aluviales y coluviales; los primeros del valle del río Portoviejo y los segundos provenientes del cerro El Carden

5 Ceibal-Rocafuerte 14+250 a 18+614 Depósitos aluviales del río Portoviejo

6 Noreste de Rocafuerte 18+614 a 19 +650 Afloramiento de la formación Tosagua

7 La Recta en Estero Ojo de Agua

19+650 a 22+800 Depósitos aluviales del estero Ojo de Agua

8 Sector de Guarango 22+800 a 25+806 Afloramiento de la formación Tosagua.

9 Estero Papaya 25+800 a 29+600 Depósitos aluviales del estero Papaya.

10 Cerro del Junco 29+600 a 37+000 La vía se asienta sobre la formación Tosagua. En este tramo se registra la mayor cantidad de fallas de taludes.

11 El Junco 37+000 a 37+500 Aluviales del estero del Junco

12 Junco Norte 37+500 a 38+000 Lutitas suaves, con fracturas.

13 Falda del cerro Matapalo 38+000 a 40+200 La vía se desarrolla en el límite de la formación Tosagua y aluviales de un afluente del río Carrizal.

14 Los amarillos 40+200 a 41+500 Divisoria de agua sobre la formación Tosagua.

15 Falda del Cerro 41+500 a 43++500 Límite entre la formación Tosagua y el aluvial de un afluente del río Carriozal.

16 Pitahaya 43+100 a 48+100 Tramo sobre la formación Tosagua.

17 Tosagua 48+100 a 50+040 Aluviales del río Carrizal

Las formaciones geológicas más importantes que condicionan el estado geotécnico de

la carretera son:

La formación “Tosagua”, que aflora desde Rocafuerte hasta Tosagua, conformada

por lutitas de color marrón, suaves y que se disgregan en terrones centimétricos y

presentan capitas milimétricas de yeso, en las fracturas, realizada en los laboratorios

del Centro de Investigaciones Geológicas de Petroproducción La composición

mineralógica de las lutitas de la formación Tosagua ha sido establecida mediante

análisis con microsonda electrónica (Guayaquil).

La formación “Charapotó”, que aflora en las colinas localizadas entre los tramos km.

7+750 – 10+000 y 13+000 – 14+250, se trata de lutitas blancas, tobáceas, suaves y





55

bien estratigraficadas y laminadas, su edad corresponde al Mioceno Inferior, pero más

joven que la formación Tosagua. Estas rocas blandas son usadas generalmente para

rellenos.

“Los aluviales y coluviales cuaternarios”, recientes del río Portoviejo y de sus

afluentes, en la parte sur y centro de la vía, presentan, generalmente altos

componentes de arcillas bentoníticas plásticas, que se hinchan al contacto con el

agua, provocando inestabilidad.

Figura 21: Localización de las superficies arcillosas potencialmente expansivas en la Provincia de Manabí – Ecuador (G.Mora, 2013)





56

Desde un punto de vista tectónico, existen dos sistemas principales de fallas, la de

dirección NE-SO, de mayor longitud, y que se encuentra paralela a la vía; este sistema

de fallas corta a la vía en dos sectores, lo que donde parece tener alguna influencia en

la inestabilidad del sitio. El otro sistema de fallas detectadas, es en la dirección NO-

SE. Estos sistemas de fallas no son activos, hecho que se deduce de las siguientes

observaciones: No cortan aluviales actuales y no presentan bermas recientes,

producto de desplazamientos.

Desde un punto de vista hidrogeológico, las rocas de las formaciones Tosagua y

Charapotó, por ser muy arcillosas, son impermeables y no desarrollan reservorios de

aguas subterráneas. De igual manera, los aluviales del río Portoviejo, por ser

predominantemente arcillosos, tampoco han desarrollado grandes reservorios de agua

subterránea.

5.4 Geotecnia de vías en la zona de estudio

La geotecnia de vías de este proyecto, se relaciona con la estabilidad de taludes, de

rellenos y cortes a media y doble laderas. En el primer sector, entre Portoviejo y

Rocafuerte (abscisas 0+000 y 18+560) predominan los rellenos, mientras que en el

segundo, entre Rocafuerte y Tosagua (abscisas 18+614 y 50+040), los cortes.

El primer sector está constituido por depósitos coluviales y aluviales muy plásticos de

características expansivas, sobre los que están asentados los terraplenes actuales y

estarán las ampliaciones proyectadas. La altura de estos terraplenes, existentes y

proyectados, varían entre baja y mediana, con excepción de los accesos a los

puentes. La sobreelevación de los terraplenes existentes y la ampliación de los

mismos, pueden ser construidas con materiales provenientes de las canteras “Cerro

de hojas” (Poggi), “Cañitas” y “Sosote”, pero este último solo hasta el nivel subyacente

al de mejoramiento. Para estos terraplenes, el talud será 2H: 1V, suficientes para

factores de seguridad FS > 1,5.





57

El segundo sector está constituido, fundamentalmente, por afloramientos de la

“Formación Tosagua”, de apariencia masiva pero con grietas de desecación, producto

de sus características expansivas. El problema geotécnico fundamental de este sector,

es el producido por el mal drenaje exterior de las cunetas laterales y alcantarillas

actuales existentes, que drenan directamente sobre los taludes media ladera,

provocando la inundación del sector y, por tanto, la saturación de los materiales de las

capas estructurales del pavimento, reduciendo su capacidad y provocando su

destrucción. Si la saturación de las capas de la estructura del pavimento produce

efectos negativos en cualquier clase de material, para este caso, de materiales

expansivos subyacentes al nivel de subrasante, los efectos son peores, por las

mayores deformaciones y pérdidas de capacidad soporte de los materiales. De lo

anterior se deduce que la solución a este problema es la construcción de buenos

drenajes internos y externos.

5.5 Estado actual del tramo Rocafuerte-Tosagua

El Ministerio de Transporte y Obras Públicas invirtió US$ 74.671.338,00 en la

rehabilitación de la carretera Rocafuerte - Tosagua con una longitud de 31,4 Km. Esta

carretera posee un pavimento rígido de espesor de 26 cm y un ancho de vía de 7,30

m. El proyecto incluye además cuatro pasos peatonales en los sitios poblados de

Papayita, Tierra Bonita, El Junco y la Universidad en Tosagua; cuatro nuevos puentes

en los sitios Papaya, Papayita, Tierra Bonita y El Junco. Como parte de esta obra se

construyó el acceso de 4,5 kilómetros desde la Pitahaya al parque de la Madre en

Tosagua.

Esta vía posee señalización horizontal como vertical, además existe la colocación de

BTA, (Bandas transversales de alerta), que sirve como reductores de velocidad, esta

vía conecta la zona norte con la zona centro, en cuya ruta se produce variedad de

productos agrícolas y lácteos.





58

Actualmente la vía presenta agrietamientos a lo largo todo el tramo de la vía

Rocafuerte – Tosagua. (Figuras 22 y 23)

Figura 22: Agrietamiento longitudinal en pavimento rígido, a lo largo del tramo: Rocafuerte – Tosagua, (G.Mora. 2013)

Figura 23: Agrietamiento longitudinal en pavimento rígido, a lo largo del tramo: Rocafuerte – Tosagua. abscisa: 25+079, (G.Mora. 2013)





59

También se pudo constatar que en algunos tramos se ha colocado una pequeña

carpeta asfáltica, con el fin de tapar el agrietamiento. (Figura 24).

Figura 24: Pequeña capa asfáltica colocado en el carril izquierdo. (G.Mora, 2013).

Existen sectores como el Junco, donde se puede observar que existen grandes

asentamientos del pavimento. (Figura 25)

Figura 25: Asentamiento de la vía a causa de presencia de arcillas expansivas y fallas geológicas, tramo: Rocafuerte – Tosagua. Abscisa: 37+000, (G.Mora, 2013)





60

Últimamente se ha realizado reparaciones de las grietas en el pavimento, con el fin de

evitar que el problema se agrande, sin tener éxito alguno. (Figura 26)

Figura 26: Reparación de losa de hormigón, utilizando epóxido y nuevo hormigón, Tramo: Rocafuerte – Tosagua, (G.Mora, 2013).

Con lo que respecta a taludes, no presenta inconvenientes, las obras de arte y

sistemas de drenaje sin ninguna novedad aparentemente.

Se realizó la inspección del pavimento, encontrándose que falta un resello en juntas,

en algunos paños del pavimento. Existe una circulación normal de vehículos en el

tramo, pero tarde o temprano agravará los problemas en el pavimento, impidiendo su

flujo vehicular. El problema se encuentra en este momento a la vista de todos los

usuarios y actualmente existe mucha polémica del tema. (Figura 27)





61

Figura 27: Quejas en periódicos del Ecuador, por problemas que presentan actualmente las vías de la Provincia de Manabí, entre ellas el tramo: Rocafuerte – Tosagua. (http://www.eldiario.ec/noticias-

manabi-ecuador/227983-las-super-carreteras/, 2013)

http://www.eldiario.ec/noticias-manabi-ecuador/227983-las-super-carreteras/

http://www.eldiario.ec/noticias-manabi-ecuador/227983-las-super-carreteras/





62

6 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EXPANSIVO EN

LABORATORIO, MÉTODOS UTILIZADOS PARA LA SUELOS

EXPANSIVOS EN LA PROVINCIA DE MANABI – ECUADOR.

6.1 Descripción del problema geotécnico.

Los suelos expansivos estudiados en Manabí, por lo general están formados por

delgados y heterogéneos estratos de arcillas limosas de alta compresibilidad que se

ubican en la carta de plasticidad muy cercanos a la línea A. Una característica muy

notable de estos sedimentos es su gran fisuración.

La alternancia de estaciones húmedas y secas en arcillas expansivas puede favorecer

el desarrollo de las grietas (Figura 28), junto con movimientos verticales del suelo

afectado, que pueden llevar a la homogeneización de la franja más superficial del

terreno y a la formación de abombamientos superficiales (Ayala et al., 1986).

Figura 28: Evolución y desarrollo de grietas y abombamientos en arcillas expansiva

(Ayala et al., 1986)





63

Las grietas detectadas se pueden clasificar en dos grupos: grietas superficiales y

grietas profundas. Las grietas superficiales aparecen en gran número, se presentan

durante la época de evaporación y su profundidad (más de 6 metros) ocurre en forma

aislada, en cualquier dirección y permanecen abiertas incluso durante toda época

lluviosa. Debido al clima, a las características de las grietas profundas y a la

conformación estratigráfica del subsuelo, las grietas en referencia pueden ser

clasificadas como grietas en tensión.

El suelo expansivo puede aparecer como un aglomerado formado por trozos duros de

arcillas de diversos tamaños (menores de 10 cm), es decir como una masa pseudo

esquistosa. Existe una dependencia directa entre la resistencia a la penetración

estándar y el grado de fisuración - agrietamiento de estos pósitos arcillosos, en el

sentido de que media que es más intensa la fisuración es menor a la resistencia de

penetración estándar.

6.2 Estudios de laboratorio

Existen diversas relaciones para clasificar el grado de peligrosidad del suelo expansivo

y algunos ensayos de campo y laboratorio para evaluar cuantitativamente la presión

de expansión para un cambio de volumen predeterminado de los ensayos de campo y

laboratorio, su aplicabilidad y sus limitaciones.

6.2.1 Identificación mineralógica

Se realizó un estudio de la mineralogía del terreno con el difractómetro de rayos-X de

PANalytical modelo X’Pert PRO del Laboratorio de Geotecnia del CEDEX.

En primer lugar, se realizó un difractograma de rayos-X de polvo con el fin de obtener

la mineralogía global del material estudiado. Para ello las muestras fueron únicamente

secadas al aire, machacadas y tamizadas por el tamiz UNE 0,080 mm.





64

Figura 29: Difractograma de polvo de la muestra estudiada

Los minerales arcillosos son predominantes en este tipo de suelos (46%). El resto se

reparte entre feldespatos (32%), cuarzo (16%) y calcita (6%).

A continuación se prepararon agregados orientados con el fin de obtener

difractogramas que permitan caracterizar los filosilicatos con mayor precisión. Dado

que la morfología y la estructura de las partículas arcillosas es laminar, es posible

favorecer una disposición de las mismas paralelas a un substrato, perpendiculares a

su eje cristalográfico c. Su fuerte orientación preferente genera un reforzamiento de las

reflexiones basales en el difractograma, lo que facilita su identificación. Para la

obtención de buenos agregados orientados se siguen los siguientes pasos:

Dispersión: Se mezclan 50-100 gramos de muestra previamente molida y cuarteada

en 2 litros de agua destilada. A continuación se somete dicha dispersión a agitación

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 652Theta (°)

0

5000

10000

15000

20000

Inte

nsit

y (

co

un

ts)





65

mecánica durante un tiempo mínimo de dos horas hasta que, tras un reposo de 10

minutos, no se observen signos de floculación.

Agregados orientados: Tras un periodo de reposo no inferior a 2 horas, se separa

mediante pipeteo una cantidad de dispersión que se deposita sobre un vidrio

portamuestras, permitiéndola evaporar durante las siguientes 24 horas a temperatura

ambiente. De cada una de estas suspensiones se preparan tres agregados orientados:

Agregado Orientado sin tratamiento (A.O.)

Agregado orientado solvatado con etilen-glicol (A.O. + E.G.): Consiste en

someter la muestra a una atmósfera saturada con etilenglicol (E.G.) durante 4

horas en el interior de una estufa a 80ºC. De esta forma se detecta la

existencia de minerales de la arcilla capaces de incorporar sustancias en su

espaciado interlaminar, provocando con ello su hinchamiento. Este

hinchamiento es visible por el aumento del espaciado interlaminar que queda

reflejado en el difractograma.

Agregado orientado calcinado a 550ºC: El tercer agregado se calienta a 550ºC

durante dos horas, denominándose Agregado Orientado tratado térmicamente

a 550ºC (A.O.+550ºC): Este procedimiento permite detectar la presencia de

minerales que contienen agua en la estructura y, por tanto, son susceptibles de

colapsar al perderla a altas temperaturas. Este colapso de la estructura se

refleja en un descenso del espaciado interlaminar.

La presencia de esmectita se detecta por la aparición de un pico importante en

torno a 14-15 Å en el agregado orientado sin tratamiento (curva azul). Al tratar

a la arcilla con etilenglicol (curva verde) el pico se desplaza a un espaciado de

en torno a 18 Å debido al hinchamiento que ha sufrido el mineral, pasando de

14 a 18 Å de espaciado entre láminas. Finalmente, al calentar en un horno a





66

550ºC, la esmectita pierde todo el contenido de su espacio interlaminar y

queda en 10 Å (curva roja). Al comparar los difractogramas de las tres

muestras, se ve claramente el comportamiento del pico de las esmectitas

(Figura 30).

Figura 30: Difractogramas de los agregados orientados de muestra natural (curva azul), tratada con etilenglicol (curva verde) y calentada a 550ºC (curva roja)

La esmectita constituye aproximadamente el 94% de los minerales arcillosos. Se

identifica indicios de illita (4-5%) y trazas de caolinita (1%).

Por lo tanto, la muestra estudiada demuestra que se trata de un suelo eminentemente

arcilloso y donde las esmectitas son los filosilicatos predominantes. Ello justifica desde

un punto de vista mineralógico el comportamiento fuertemente expansivo del material.

6.2.2 Parámetros básicos de clasificación geotécnica y cálculos derivados

Para poder calificar si un suelo va a presentar o no problemas de expansión muchos

investigadores han sugerido diversos ensayos y diversas correlaciones. A nuestro

criterio se pueden emplear.

4 6 8 10 12 14 16 182Theta (°)

0

20000

40000

60000

80000

Inte

nsit

y (

co

un

ts)





67

El límite líquido: indica convenientemente el tipo de mineral arcilloso y el tipo de

iones adsorbidos.

El índice plástico: Indica la relación área – volumen.

El límite líquido y el índice plástico nos darán la ubicación del suelo en la carta de

plasticidad: la proximidad de la línea A, (Figura 31), nos indica que pueden haber

problemas de expansión

Figura 31: Ubicación de los suelos altamente expansivos de la Provincia de Manabí, en la carta de plasticidad. (Cazar, 1974)

La relación humedad natural y el límite plástico dada por Sower – Kennedy es

simple y confiable. Sower – Kennedy establecieron que cuando el valor índice agua –

plasticidad Rw es mayor que 10% la expansión del suelo es despreciable. Para

valores negativos de Rw. La expansión puede ser crítica.

Rw

En el material de Tosagua se obtiene: Rw





68

El límite de contracción: nos da experimentalmente el tipo de mineral sujeto a un

secado satisfactorio, el especimen alcanza la contracción límite y su valor numérico

indirectamente representa una densidad.

Se puede utilizar la tabla presentada por Ranganathan y Stayanarayana para

reconocer la potencialidad de la expansión por medio del índice de contracción. El

análisis de los resultados en arcillas Ecuatorianas es francamente satisfactorio; el

empleo del índice de contracción permite tener un margen de variación bastante

amplio, con lo que se eliminan en buena parte los defectos de la prueba del límite de

contracción. (Tabla 6), se muestra el criterio utilizado.

Tabla 6: Relación entre el índice de contracción y la expansión (Ranganathan y Stayanarayana, 1965)

Índice de Contracción Hinchamiento

potencial IC = LL-LC

0 - 20 Bajo

20 - 30 Medio

30 - 60 Alto

Mayor de 60 Muy alto

Por otro lado, según la AASHTO T-258-81, (2008) se pueden identificar los siguientes

casos (Tabla 7)

Tabla 7 Grado de expansión en arcillas (AASHTO. T-258-81, 2008)

GRADO DE EXPANSION I.P I.C L.L

Bajo <12 <15 20-35

Medio 12-23 15-30 35-50

Alto 23-32 30-60 50-70

Muy alto >32 >60 70-90

Extra alto >32 >60 >90

El Junco. Prov. de Manabí 48 83-15=68 83





69

El peso específico seco: Representa el espaciamiento entre partículas y el grado de

saturación que definen el comportamiento del suelo.

El porcentaje de partículas menores que dos micras: Nos indica el contenido de

arcilla, pero su determinación es difícil.

6.2.3 Ensayos de hinchamiento

Presión de hinchamiento con muestras inalteradas en consolidómetro (AASHTO T-

190). En el caso del material de Tosagua: AASHTO T-190 = 0.7 Kg/cm2 – 7 Tn/m2

La ecuación de David & Komornik (1969) utilizada para calcular la presión de la

expansión se encuentra apoyada en un extenso y bien documentado estudio

estadístico realizado por los autores de la ecuación. La ecuación es:

Log Ps = 2.132+0.0208(LL)+0.665(γd)-0.0269 (W)

Ps= Presión de hinchamiento (Kg/cm2)

LL= Límite líquido (%), método ASTM, sin secado previo de la muestra.

γd= Peso específico seco (Tn/m3)

W= Contenido de humedad (%)

Para Manabí la ecuación es muy confiable (Índice estadístico de correlación =0.834)

conforme se deduce del estudio estadístico basado en la aplicación del método de los

mínimos cuadrados. La ecuación se hace notoriamente confiable si consideramos que

los datos de la Tabla 8, fueron obtenidos en laboratorios comerciales, con ensayos





70

realizados en diferentes condiciones de técnica y diferentes métodos de laboratorio;

sólo hay una minoría de datos obtenidos para trabajos de investigación.

Si es conveniente no realizar ensayos de carga – expansión, se puede aceptar un

“factor de seguridad” de 2 para recomendar la máxima presión de expansión. Presión

de expansión recomendada =2 (presión de expansión calculada). Recomendamos

usar la ecuación de David & Komornick como magnífico complemento a los ensayos

de carga – expansión. (Figura 32)

Tabla 8: Determinación de la presión de expansión, donde se aplica la ecuación de David & Komornik. (Cazar, 1974)

Nᵒ SUCS L.L ϒd

(Tn/m3)

W %

Ps Calculada (Kg/cm

2)

Pso ensayo (Kg/cm

2)

1 MH-CH 101 1.13 32.3 1.31 1.25

2 MH 98 1.37 34.9 1.39 2.1

3 MH-CH 91 1.5 27.6 1.89 1.5

4 CH 89.2 1.16 27.7 1.02 0.75

5 CH 71.8 1.18 15.7 0.97 0.75

6 CH 86 1.16 29 0.82 0.75

7 CH 86 1.16 20.2 1.41 0.75

8 CH 101 1.36 27.8 2.46 0.38

9 CH 96 1.28 18.8 3.02 0.38

10 MH-CH

0.8 0.72

11 MH-CH

1.07 1.41

12 MH-CH

0.47 0.59

13 MH-CH

0.82 0.91

14 CL 45 1.54 22.6 0.3 0.11

15 CH 54 1.39 11.5 0.47 0.54

16 CL 38 1.42 21.2 0.2 0.57

17 CL 43 1.7 11.2 0.72 0.72

18 CL 44 1.56 15.9 0.46 0.75

19 ML 48.1 1.34 7.3 0.68 0.51

20 ML 48 1.35 28.3 0.18 0.14

21 ML 36 1.28 13.6 0.24 0.1





71

22 MH 51 1.26 24.2 0.25 0.13

23 MH 53 1.35 32.6 0.19 0.09

24 ML 36 1.18 16 0.18 0.02

25 ML 45 1.37 15.5 0.36 0.17

26 CH 57 1.48 21.8 0.52 1

27 ML 46 1.28 16.5 0.31 0.08

28 CH 58 1.38 21.8 0.46 0.77

29 CH 51.8 1.36 20.7 0.36 0.28

30 CH 55 1.43 18.3 0.55 0.16

31 CH 51.8 1.36 28.3 0.23 0.13

Figura 32: Gráfico de presiones de expansión obtenidas en el laboratorio vs presiones calculadas con la fórmula de David & Komornik. (Cazar, 1969)

6.2.4 Resistencia al corte

En condiciones de humedad natural se obtienen valores de resistencia al corte muy

alto, debido a que generalmente estos suelos se encuentran fuertemente

precosolidados y altamente desecado. En ocasiones, un pequeño incremento de

humedad hace que la resistencia disminuya considerablemente. (Tabla 9)





72

Tabla 9: Resultados de ensayos de compresión simple para suelo en la Provincia de Manabí. (Cazar, 1974)

MUESTRA INALTERADA SATURADA

% qu % W qu=Kg/cm2 W% qu=Kg/cm2 W%

E1 - 1.50 1.003 39.0 0.214 50.6 20.8 11.6

0.952 38.2 0.342 45.0 35.9 6.8

E2 - 1.50 0.690 40.0 0.184 44.7 26.7 4.7

0.777 40.3 0.353 47.2 45.4 6.9

E3 - 1.50 0.944 41.3 0.200 49.7 21.2 8.4

0.795 38.7 0.305 47.3 38.4 8.6

E4 - 1.50 1.377 35.8 0.194 42.9 14.1 7.1

0.892 37.0 0.227 52.0 25.5 15.0

Ea - 3.00 0.495 45.5 0.172 54.4 34.7 8.9

Ea - 3.50 0.678 41.6 0.128 52.9 18.9 11.3

Ea - 4.00 1.057 43.1 0.139 54.0 30.2 10.9

Ea - 3.00 0.791 42.1 0.290 49.3 36.7 7.2

Eb - 3.50 0.421 48.0 0.168 56.4 39.9 8.4

Eb - 4.00 0.912 42.8 0.153 56.0 16.8 13.2

NOTA:

Muestras saturadas en cámara húmeda.

% qu. es el porcentaje de qu. con la muestra saturada, en relación a la muestra

inalterada.

Obsérvese la perdida notable de resistencia a la compresión simple, aun en el

caso de pequeños aumentos en el contenido de humedad.





73

7 METODO CONSIDERADO PARA LA MEJORA DEL

TERRENO EN SUELOS DE LA PROVINCIA DE MANABÍ.

El tratamiento con cal puede mejorar considerablemente la trabajabilidad y la

resistencia a corto plazo del suelo, de tal forma que permite que los proyectos puedan

ser ejecutados más fácilmente. Típicamente se utiliza del 1 al 4% de cal en peso con

respecto al suelo para la modificación, que es generalmente una menor cantidad que

la utilizada para la estabilización permanente de suelos. Los cambios hechos al suelo

modificado con cal pueden o no ser permanentes. La diferencia principal entre la

modificación y la estabilización es que, con la modificación, generalmente no se le

concede ningún crédito estructural a la capa modificada con cal en el diseño de

pavimento. La modificación con cal trabaja mejor en suelos arcillosos.

Con respecto a la mejora del terreno a base de cemento, permite obtener un material

con una resistencia mecánica apreciable a corto-medio plazo. La dotación mínima de

conglomerante depende del tipo de suelo, siendo los más adecuados los de tipo

granular con finos poco plásticos.

Los cementos pórtland sin adiciones no suelen utilizarse en estabilizaciones, siendo lo

más habitual recurrir a cementos con cenizas volantes, escorias de horno alto u otros

tipos de adiciones puzolánicas, en Ecuador existen algunas fábricas de cemento

pórtland puzolánico tipo IP, como: Lafarge, Chimborazo, Rocafuerte, que podrían

usarse para la mejora del terreno.

Es importante recalcar que se recomienda utilizar cemento si el suelo es poco plástico,

mientras que si es fino y cohesivo debe utilizarse cal, aunque en ocasiones puede

convenir un tratamiento mixto, primero con cal para restar plasticidad y después con

cemento, para aumentar la capacidad de soporte o alcanzar resistencias. En este caso

es obvio que para estos suelos muy expansivos de la Rocafuerte – Tosagua, se

mejorará a base de cal.





74

Haciendo una relación económica el costo de un saco de 50 Kg de cal viva, se

encuentra alrededor de 6 USD, a comparación de un saco de cemento de 50 Kg, se

encuentra a un precio de 7.50 USD.

La estabilización de suelos con cal es un método económico y útil, de aplicación a

suelos arcillosos (en los que la floculación reduce la plasticidad), y controla a suelos

con materia orgánica.

Cabe indicar algo muy importante que para la construcción de la carretera Rocafuerte

– Tosagua, nunca se realizó un tratamiento de mejora del terreno a base de cal o

cemento, lo único que se realizó es un mejoramiento de la subrasante, y un

encapsulamiento con geotextil para protección de la estructura del pavimento, con el

fin de evitar ingreso del agua.

Por lo tanto, teniendo en cuenta toda la información obtenida de la bibliografía sobre

estabilización de suelos con cal y cemento y a partir del conocimiento del terreno, en

términos de su composición mineralógica rica en arcillas expansivas del grupo de la

esmectita, y de sus parámetros geotécnicos, se podría recomendar en el tramo de

carretera Rocafuerte – Tosagua, un mejoramiento del terreno a base de cal.

7.1 Consideraciones importantes y diseño para el mejoramiento

del terreno a base de cal.

7.1.1 Objetivos

Uno de los objetivos más importantes en la estabilización de suelos expansivos es

acelerar la construcción en fangos, un mejoramiento de la Subrasante (corte, ∆V,

plasticidad), aumento de la resistencia y durabilidad.

7.1.2 Materiales apropiados

Los materiales apropiados para estabilización son los materiales finos son >10-15 %

(2μ) y que posea altos índices plásticos y los materiales granulares sucios





75

7.1.3 La cal

Con respecto a la estabilización se la puede utilizar las siguientes cales:

a) COMERCIALES.

CaO – Oxido de cal (cal viva).

Cao. MgO – Oxido Dolomitico.

Ca (Oh)2 – Cal Hidratada.

Ca (Oh)2 MgO – Tipo N, Sola la cal hidratada.

b) CAL DE CARBURO (Sub Producto de la fabricación de acetileno): misma

composición que cal hidratada pero más gruesa, más cristalina y menos reactiva

que cal hidratada comercial.

c) CAL DE POLVO DE COMBUSTION (Capturada en el escape de combustión): muy

barata pero sobre quemada, altamente variable, baja calidad.

La cal viva presenta una serie de ventajas e inconvenientes que es necesario sopesar

antes de considerar su utilización:

Ventajas: La cal viva es la más económica ya que contiene 25% más CaO, es

más fácil de almacenar por su mayor densidad en masa, se seca rápidamente

y recomendable para suelos húmedos., reacciona inmediatamente con el

suelo, y debido a su rápida reacción puede prolongarse la etapa de

construcción.

Desventajas: Unas de las desventajas de la cal viva es la hidratación en el

campo, ya que es menos eficiente que la hidratación comercial, es un material

más grueso, y además la cal viva requiere más agua e irrita a los ojos y piel,

obligando a tener riguroso cuidado para evitar daños durante su manipulación.





76

7.1.4 Diseño suelo – Cal

El objetivo del diseño de la estabilización con cal es determinar el mínimo porcentaje

de cal necesario para lograr metas, como la modificación, el mejoramiento y la

resistencia. El diseño se realiza mediante una serie de ensayos de laboratorio hasta

encontrar el porcentaje óptimo de cal que permite obtener los valores deseados de

plasticidad, CBR, hinchamiento y resistencia.

7.1.5 La reacción y el resultado

En la reacción de suelo – cal, ocurre un cambio de cationes inmediato, y sus efectos

son a corto y a largo plazo como: la reducción de la plasticidad y el hinchamiento,

aumenta la manejabilidad, el secado y una rápida floculación / aglomeración.

La mejor forma de controlar y realizar un correcto seguimiento del resultado de una

estabilización con cal es comprobar determinadas propiedades como la resistencia al

corte, el módulo de elasticidad, la plasticidad, el hinchamiento, el CBR, la durabilidad,

la permeabilidad, y la manejabilidad del material.

7.2 Factores del suelo indicadores de una buena reactividad

Existen diversos aspectos del terreno

El contenido de carbono. < 1 %, los iones de carbono son muy difíciles de

desplazar, ya que las moléculas son muy grandes.

El contenido de arcilla (2μ), posiblemente un mínimo de 10 – 15 % es necesario.

Con respecto a la mineralogía de la arcilla, todos los tipos de arcilla pueden

reaccionar.

Mientras un mejor PH del suelo, existe una mejor reacción.

Con respecto al contenido de carbonatos, todos los suelos calcáreos reaccionan

bien. (No son intemperizados).





77

7.2.1 Plasticidad e hinchamiento

La densidad baja al momento de mezcla de suelo – cal, reduce la plasticidad y

aumenta la manejabilidad del terreno. En el siguiente cuadro se puede observar que a

medida que se aumenta el porcentaje de cal, baja el límite líquido y el índice plástico,

incluso llegando a ser no plástico, además el CBR crece y baja el hinchamiento

(Tablas 10 y 11).

Tabla 10: Plasticidad y manejabilidad, CONSIDERATION OF LIME-STABILIZED LAYERS IN MECHANISTIC-EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN, (2004)

SUELO

% DE CAL

0 3 5

LL IP LL IP LL IP

BRYCE B (A-7-6 (18) 53 29 48 21 NP FAYETTE B (A-7-5(17) 50 19 NP

AASHO (A-6-(18) 25 11 27 6 27 5

Tabla 11: Cambio de volumen y CBR. CONSIDERATION OF LIME-STABILIZED LAYERS IN MECHANISTIC-EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN, (2004)

SUELO NATURAL % DE CAL

SIN CURADO CON CURADO

CBR %

HINCHAMIENTO CBR %

HINCHAMIENTO CBR %

HINCHAMIENTO

2.6 2.1 5 15.1 0.1 351 0

1.1 8.8 5 7.7 1.9 13.6 0.1

1.8 4.2 5 15.9 0.2 127 0

7.2.2 Resistencia

Ya antes de completarse el curado se obtienen inmediatos beneficios producto del

cambio de cationes, la floculación y la aglomeración, la resistencia a la compresión

simple y el CBR, pueden aumentar varios cientos de por ciento, importante para

acelerar la construcción.





78

Tras el curado, se produce a medio y largo plazo un significativo aumento de la

resistencia en suelos reactivos, como la compresión simple, resistencia al corte y la

resistencia a la tensión, ejemplo:

Compresión Simple: qu= 15 a más de 70 kg/cm2.

Resistencia al corte τ = c+σ tg υ

υ= 15° - 35°

c= Gran aumento de la cohesión.

Módulo de elasticidad. (Material curado) E (Compresión) = 2500 – 10.000 Kg/cm2. E (Flexión)= 7000 – 35000 Kg/cm2.

Fatiga. La resistencia a la fatiga en flexión importante para capas de la base o

subbase (comportamiento de placa). Un suelo reactivo curado puede soportar

repeticiones de carga en flexión con un esfuerzo de 0.5 a 0.6 la resistencia a la flexión.

7.3 Análisis de posibles medidas correctoras

Es sumamente importante cuando se analice este tipo de problemas, ser minuciosos

en la caracterización de los suelos expansivos de la zona, con el fin de obtener un

estudio técnico y consistente. Como se indicó anteriormente, la formación “Tosagua”,

que aflora desde Rocafuerte hasta Tosagua, está conformada por lutitas de color

marrón, suaves y que se disgregan en terrones centimétricos y presentan capitas

milimétricas de yeso.

Es por ello que la presencia de sales de sulfato solubles puede dar problemas cuando

los suelos son estabilizados con cualquier aditivo a base de calcio (por ejemplo: cal,

cemento Portland, ceniza volante). En este caso en la formación de Tosagua, existe la





79

presencia de sulfatos, donde se muestra naturalmente el yeso. Los sulfatos en el suelo

se combinan con el calcio y alúmina de la arcilla y con el agua, formando los minerales

etringita y taumasita en una reacción sumamente expansiva. La formación de estos

minerales después de la compactación puede causar deterioro significativo del

pavimento y pérdida de resistencia.

Según Sub Comité de Estabilización con cal de la Asociación Americana de

Constructores de Carreteras, hace referencia un tema muy importante sobre las

concentraciones de sulfato en el suelo, donde se recomienda que menores que 3,000

ppm (0,3%) difícilmente causen problemas. Las concentraciones de 3,000 a 5,000

ppm (0,5%) pueden ser estabilizadas fácilmente si se tiene cuidado para seguir

buenas prácticas constructivas, tales como la utilización de mucha agua y permitiendo

un tiempo amplio para que la mezcla de cal y suelo fragüe. Las concentraciones

mayores que 5,000 ppm, frecuentemente se tratan con dos aplicaciones de cal, la

primera antes de la mezcla inicial y la segunda después del período de fraguado. El

contenido de humedad del suelo se lleva hasta 5% encima del óptimo, durante un día

de fraguado múltiple para poder así solubilizar tantos sulfatos como sea posible y

forzar a la etringita a formarse antes de la compactación. Una vez formada, la etringita

es relativamente estable y es improbable que cause problemas posteriores. Después

del período de fraguado, se añade cal adicional al suelo y la construcción procede de

forma normal.

Según la normativa vigente en España (PG-3), el contenido en sulfatos solubles de un

suelo no debe superar el 1 % ya que si eso ocurre, existe un riesgo elevado que el

proceso de estabilización con cal o cemento resulte en la formación de unos cristales

de un producto llamado etringita, que deteriora el suelo estabilizado por efecto de

hinchamiento. Esta situación suele darse en determinados suelos de naturaleza

arcillosa donde la adición de un estabilizador de naturaleza básica (pH >7) resulta en

la liberación de cationes de calcio (Ca2+) e hidroxilo (OH-). El aumento en el pH del

suelo desestructura las arcillas, las cuales liberan metales como el aluminio y el

silíceo.





80

Por otra parte, gracias a la identificación de las esmectitas mediante difracción de

rayos-X, se conoce con seguridad la composición en arcillas expansivas de los

sedimentos lutíticos de la zona donde se encuentra el tramo Rocafuerte – Tosagua. Es

importante destacar que durante el proceso de diseño y construcción, no se realizó ni

este ni ningún otro método de evaluación directa o indirecta, cualitativa ni cuantitativa

del potencial expansivo de estos materiales, a pesar de tratarse de métodos rápidos y

sencillos que aportan gran cantidad de información.

La geotecnia de vías de este proyecto, se relaciona con la estabilidad de taludes, para

el tramo Rocafuerte y Tosagua, está constituido, fundamentalmente, por afloramientos

de la “Formación Tosagua” con grietas de desecación, producto de sus características

expansivas. El problema geotécnico fundamental se produce por filtraciones de agua,

por ello se recomienda construir los suficientes subdrenes y drenes tanto en la vía

como en los taludes, evitando así la desestabilización del talud por aumento de

presiones intersticiales y a la estructura de la carretera.

Finalmente para tener un buen pavimento ya se flexible o rígido, no solo depende del

material y de la forma constructiva de como se la realice, más bien depende de un

buen drenaje de agua y de una estabilización acorde a las características que

presente el suelo, estos factores importantes deben considerarse al momento de su

construcción, para evitar futuras fallas.

7.4 Recomendaciones

En caso de tratamiento con cal para construcción de carreteras, es necesario tener en

cuenta la posibilidad de ajustar las dosificaciones de cal establecidas en el estudio de

laboratorio en función de las condiciones reales de ejecución de la obra, (condiciones

climáticas, estado hídrico del suelo, etc.) al objeto de evitar excesos inútiles de

dosificación.





81

El empleo de la cal, al igual que la mayoría de los materiales o productos químicos

normales, no tiene peligro a condición de que se observen algunas precauciones

simples. Se debe evitar que la cal viva entre en contacto con la piel; el riesgo de

graves quemaduras es mínimo, aunque en contacto prolongado con la piel, cuando

existe sudoración, puede causar irritaciones en las zonas donde la ropa está

demasiado ajustada. Así, el empleo de cal en sacos exige mayor atención en éste

aspecto que el empleo de cal a granel. Por contra, con la lechada de cal los riesgos

son mínimos, aunque los ojos deberán seguir siempre protegidos. Es preciso esmerar

las precauciones, durante el transporte en camiones de los productos, el llenado de los

silos de almacenamiento y la carga de las extendedoras.

Mantenimiento de tráfico: Si fuera necesario mantener el tráfico durante la

construcción de estabilización con cal, habrá que desviar el tráfico del área de trabajo

hasta que una parte de la superficie de rodadura haya sido aplicada.

Todas las bases estabilizadas con cal requieren una superficie de rodadura o al

menos una imprimación bituminosa porque una base estabilizada con cal sin

protección tiene una resistencia pobre a la acción abrasiva del tráfico continuo.

La mezcla suelo-cal deberá ser compactada a la densidad requerida por la

especificación, comúnmente, al menos, al 95 por ciento de la densidad máxima

obtenida en el ensayo AASHTO T99 (Proctor estándar). El valor de densidad deberá

basarse en la curva Proctor de una muestra representativa de la mezcla de suelo-cal –

y no del suelo sin tratar.

Para asegurar una compactación adecuada, el equipo deberá adaptarse a la

profundidad de la capa. La compactación puede lograrse utilizando compactador

pesado de neumáticos o rodo vibratorio o una combinación de la “pata de cabra” y un

compactador ligero “de almohadilla”, comúnmente, la superficie final de compactación

se completa utilizando un rodo liso.





82

8 CONCLUSIONES:

El trabajo que se presenta ha pretendido destacar las posibilidades de aplicación de

una técnica de mejora del terreno como es la estabilización de arcillas expansivas con

cal, en un tramo de carretera afectado por problemas geotécnicos asociados a la

presencia de estos problemáticos materiales. Es importante destacar el hecho de que

en Ecuador no existe una cultura ni una tradición arraigada de la estabilización de

suelos ni de la necesidad de evaluar el potencial expansivo de los materiales en

ninguno de los estadios de diseño, ejecución o mantenimiento o reconstrucción de

obras civiles. De ahí la importancia de textos como el que se presenta, que pretende

concienciar en primer lugar sobre la importancia de un correcto estudio de las

propiedades del terreno para considerarlo en el diseño y ejecución de carreteras y en

segundo lugar de las posibilidades de la estabilización con cal para remediar los

problemas existentes y evitar su evolución a peor. Por ello:

Se han revisado los conceptos fundamentales relacionados con las arcillas, su

mineralogía y propiedades físico-químicas que las hacen tan especialmente

reactivas en presencia de agua.

Se han revisado los fundamentos básicos de tratamientos de mejora del

terreno basados en estabilizar arcillas expansivas con cal y cemento.

Se ha presentado el caso del tramo de carretera Rocafuerte-Tosagua,

describiendo su localización, condiciones geológicas, y problemas geotécnicos

(agrietamientos, deslizamientos) aparecidos en los últimos dos años debidos a

su construcción sobre arcillas expansivas.formadas por lutitas de color marrón,

suaves y que se disgregan en terrones centimétricos y presentan capitas

milimétricas de yeso.

Se ha recopilado toda la información posible sobre la obra: mapas geográficos,

geológicos, planos de detalles constructivos de obra, estudios del proyecto, etc

Algo muy importante de mencionar en la construcción de vía Rocafuerte –





83

Tosagua, es que en el momento de su construcción únicamente se realizó un

encapsulamiento por medio de geotextiles con el fin de evitar la penetración de

agua. Tras su construcción hace dos años, la degeneración de la vía por

problemas asociados a la expansividad de las arcillas es evidente.

Se han revisado los métodos de evaluación de suelos expansivos, directos e

indirectos, describiendo brevemente cada una de las técnicas más importantes

y la información que arroja sobre el material. Se menciona aparte la

identificación mineralógica mediante difracción de rayos-X que, en este caso

concreto, ha permitido conocer la composición mineralógica del material

tratado en este trabajo, identificando como minerales predominantes las

esmectitas, el grupo de arcillas con mayor potencial expansivo dentro de los

filosilicatos.

Se han determinado los parámetros geotécnicos básicos de estos suelos

expansivos, clasificándolos según criterios de diferentes autores en relación a

su plasticidad, actividad, hinchamiento y resistencia.

Considerando todos los aspectos técnicos y económicos para el mejoramiento

de los suelos expansivos de la zona, se propone realizar un mejoramiento del

suelo expansivo a base de cal. Éste es un método económico y útil de

aplicación a suelos arcillosos (en los que la floculación reduce la plasticidad),

controla suelos con materia orgánica, además aumenta de la resistencia y

durabilidad.

Finalmente, se han dado una serie de recomendaciones relativas a la

manipulación de la cal, diseño de la mezcla y ejecución de la obra de

estabilización a partir de la información consultada para la redacción de este

trabajo.





84

9 BIBLIOGRAFIA:

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85

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http://www.obraspublicas.gob.ec/wp-content/uploads/downloads/2013/06/03-06-2013_Mapa-del-Estado-de-la-Red-Vial-Estatal.pdf





1

ANEJO I

INFORMACIÓN GRÁFICA SOBRE LA OBRA:

MAPAS Y CROQUIS

Máster en Mecánica del suelo e Ingeniería Geotécnica Estudio de problemas geotécnicos asociados a la presencia de arcillas expansivas en la carretera Rocafuerte

- Tosagua, Provincia de Manabí-Ecuador. Análisis de posibles tratamientos de mejora del terreno y

recomendaciones constructivas.


2

Máster en Mecánica del suelo e Ingeniería Geotécnica Estudio de problemas geotécnicos asociados a la presencia de arcillas expansivas en la carretera Rocafuerte - Tosagua, Provincia de Manabí-

Ecuador. Análisis de posibles tratamientos de mejora del terreno y recomendaciones constructivas.


3

RELLENO

SECCION TIPICA DE LA VIA

CARRETERA: PORTOVIEJO - TOSAGUA

SEGUNDO TRAMO

CORTE




4

SUBDREN PARA TODA LA VÍA

ESCALA: 1:20




5




6

Arcillas Expansivas en La Carretera Rocafuerte - Tosagua, Mejora Del Terreno y Recomendaciones...

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