DISEÑO_DE_MEZCLAS_DE_SUELO-CEMENTO

5/14/2018 DISE O_DE_MEZCLAS_DE_SUELO-CEMENTO - slidepdf.com

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DISEÑODE MEZCLAS DE SUELO-CEMENTO PARA ESTRUCTURASINGENIERILES, UTILIZANDO SUELO RESIDUAL PROVENIENTE DE DIORITA

INTRODUCCIÓN

Es frecuente que el ingeniero no encuentre los suelos adecuados que ha de utilizaren algún lugar específico para un determinado fin. Esta situación abre obviamentetres posibilidades de decisión: Eliminar el material que esté por debajo de lasespecificaciones solicitadas; sustituirlo por otro de características adecuadas; omodificar las propiedades del material existente, para hacerlo capaz de cumplir losrequerimientos exigidos.

Los inconvenientes señalados y la progresiva alza de los precios de la mano deobra, de los materiales de cantera y el transporte, junto con el aumento deespesores mayores de bases y sub-bases granulares para las estructuras depavimentos, ha hecho imperativo sustituir este sistema tradicional por nuevas

soluciones, como las aportadas por la tecnología de la estabilización de suelos, quepermite aprovechar materiales de bajo costo y mecanizar a gran escala la ejecuciónde las obras.

Con base en lo anterior, y para el presente trabajo de investigación, se decidióanalizar la alternativa de suelo-cemento utilizando materiales provenientes deDiorita, extraídos de algunas canteras de Medellín y conocidos en el lenguajepopular como “arenilla”. Considerando los conceptos que se tienen acerca de laestabilidad y resistencia se corroborará con ensayos de rigor ya estipulados, elcumplimiento del material respecto de las normas tomadas como parámetros decomparación y los resultados obtenidos de éstos permitirán confrontar la hipótesisdel trabajo, acerca de la posible utilización de mezclas de “arenilla” con cemento, enestructuras de pavimentos, ya sea a nivel de base o sub-base, con miras a reducirlos mayores costos que se tienen por la demanda de materiales convencionales,como las bases granulares.

RESUMEN

El objetivo principal del trabajo elaborado, es realizar una evaluación técnica de lautilización de las “arenillas” provenientes de Diorita, como un materialpotencialmente utilizable para diferentes aplicaciones ingenieriles, al combinarse con

cemento, aprovechando la abundancia de dicho material en el Área Metropolitana deMedellín y municipios cercanos.



METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

La metodología seguida, para la consecución de los objetivos planteados fue la

siguiente:

Debido a que los materiales no convencionales como la “arenilla” son utilizados ennuestro medio como suelo de relleno, se optó por investigarlos profundamente de talforma que, al ser éstos considerados materiales muy económicos pero no aptosingenierilmente, podrían emplearse en la estabilización con cemento para mejorarsus propiedades, debido a la gran aceptación que las bases de suelo-cemento hantenido a nivel mundial, se escogieron zonas que potencialmente parecían ser lasmejores en cuanto al alto nivel de explotación de suelo residual proveniente dediorita, con el fin de poder generar el desarrollo de una nueva infraestructura vial o larehabilitación factible de la existente.

Después de elegir estas zonas, se procedió a tomar muestras de cada una de ellas(aproximadamente 2 m3), para realizar todos los ensayos requeridos por las normaspara dosificación de muestras de suelo-cemento, al empezar con los ensayospreliminares de caracterización del material, se comprobó que el suelo residualproveniente de Santa Rita y de San Javier, no cumple algunas de las propiedadespara estabilizar suelos con cemento de forma económica, sin embargo basados enlo anterior se realiza la clasificación por medio de los sistemas U.S.C y AAHSTO delmaterial estudiado, y con base en las normas del Instituto Nacional de Vías parabases estabilizadas con cemento, se determinó que uno de los suelos másadecuados técnicamente para ser estabilizados con cemento corresponde a estetipo de arenas (1)

Con estas muestras se realizaron los demás ensayos como los de gravedadespecífica, materia orgánica, equivalente de arena, permeabilidad de cabezaconstante y variable, Próctor normal, Próctor modificado y C.B.R. Con los resultadosde humedad óptima, densidad seca máxima (obtenidos de la curva decompactación) y con la ayuda de ábacos consignados en las notas técnicas delInstituto Colombiano de Productores de Cemento (ICPC) (2), se procedió con elmétodo simplificado de dosificación de mezclas de suelo-cemento, para ladeterminación de la resistencia de la mezcla a compresión simple.

Después de conocidos los resultados de resistencia de las probetas de suelo-cemento falladas a los siete días, se realizó un ensayo de módulo dinámico para un

contenido de 4% de cemento, el cual se llevó a cabo en la Universidad Eafit con elfin de corroborar y ofrecer nuevas pautas de análisis para este tipo de suelo. Conestos resultados técnicos se procedió finalmente a la elaboración de análisis deresultados, conclusiones y recomendaciones, aplicables a la factibilidad de diseñarmezclas de suelo -cemento utilizando “arenilla”.



TRABAJO DE CAMPO

Después de la selección de los sitios definitivos para el estudio, se tomó de cadauno de ellos muestras representativas (aproximadamente 2 m3), con el fin de hacertodos los ensayos necesarios para determinar la resistencia del suelo-cemento a

compresión mediante la norma simplificada para dosificación.

Inicialmente se tomaron cantidades pequeñas de material, para hacer los ensayospreliminares de caracterización, a fin de determinar si los materiales cumplían conlos requisitos necesarios.

TRABAJO DE LABORATORIO

Los pruebas fueron elaboradas en las instalaciones de la Universidad de Medellín.Dentro de los ensayos considerados en el trabajo están: La granulometría, límitesde Atterberg, permeabilidad y la gravedad específica que corresponden a la

caracterización del suelo, además de los realizados a la mezcla de suelo-cemento,todo lo anterior regido por la norma INV.



Ensayos con la mezcla de suelo-cemento

Con los resultados obtenidos en los ensayos de caracterización para los diferentesmateriales y según lo estipulado por la PCA de acuerdo con el tiempo que se llevaríarealizar el ensayo por el método general, se decidió trabajar con el métodosimplificado de dosificación.

Con la mezcla de suelo y cemento se realizaron los siguientes ensayos, de acuerdocon lo descrito anteriormente:

Compactación: Con el ensayo de Próctor normal y modificado se obtuvo lahumedad óptima y la densidad máxima seca, las cuales se realizaron con 5contenidos de agua entre el 8 y 14 % y a porcentaje de cemento entre 6 y 12 %.

Ensayo de C.B.R: Se procedió a realizar es te ensayo, de acuerdo con lainformación respecto al porcentaje de cemento mínimo que correspondía al 6 % enpeso, donde tomaron la humedad óptima y densidad máxima.

Ensayo de compresión simple: Con la humedad óptima y la densidad seca máxima,correspondiente al 6% de cemento en peso y correspondientes a las dos canteras,se moldearon 12 probetas que fueron curadas en cámara húmeda durante 7 días, yfalladas a los 28 días.

Ensayo de módulos resilientes: Con la humedad óptima y la densidad seca máxima,correspondiente al 4% de cemento en peso y correspondientes a las dos canteras,se moldearon 12 probetas que fueron expuestas a los 28 días a cargas repetitivaspor parte de un triaxial dinámico, en condición de, saturación total y humedadóptima mas un punto.

Una vez planteados el objetivo y la secuencia de trabajo anteriormente descritos, seconsidera de gran importancia tener presente conceptos teóricos que permita llevara cabo el diseño de mezclas mediante el desarrollo de un procedimiento coherentetanto de campo como de laboratorio, con el fin de obtener resultados que corroborenla utilización de mezclas de arenilla con cemento, con propiedades óptimas a nivelingenieril. A continuación se presenta una descripción del trabajo de investigación.

DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO-CEMENTO (3)

Partiendo de la definición de "suelo-cemento", tres fueron los requisitos estudiados:

-

El porcentaje de cemento en peso que debe ser agregado al suelo para que lamezcla consiga una resistencia adecuada.- La cantidad de agua necesaria para ser incorporada a la mezcla y obtener la

densidad máxima y la hidratación total del cemento.- La densidad a ser alcanzada en la compactación.



PROCEDIMIENTO REALIZADO PARA LLEVAR A CABO LOS ENSAYOS CONLA MEZCLA DE SUELO-CEMENTO

Al realizar los ensayos de caracterización de suelos, como granulometría, límites deconsistencia, gravedad específica y permeabilidad, se observó que los materiales delos sitios de estudio no cumplían con el contenido de material pasante del tamiz

Nº200 para el caso de Santa Rita, ni con el contenido de material que pasa el tamizN° 4, que era mayor a 80% en el caso de Santa Rita y San Javier. Por tal motivo nose optó por cambiar el material, a pesar de ello se obtuvieron resultadossatisfactorios para nuestra investigación en cuanto a la clasificación. De tal formaque se prosiguió con los ensayos de dosificación con la mezcla propiamente dicha.

De acuerdo a las Notas Técnicas del ICPC, para la caracterización de los suelos setenía un 7% en peso de cemento, como valor patrón para la realización de lasprobetas de prueba para el ensayo de compactación, tanto normal como modificada,la cual nos llevó a considerar inicialmente como valor menor un 6% de cemento y unmáximo de 12%.

Se procedió a llevar a cabo los ensayos de capacidad de soporte (CBR) de trespuntos, ya que de acuerdo con los resultados obtenidos en el ensayo depermeabilidad, los suelos se encontraban en el límite; es decir, entre fino y gruesogranular, lo cual implicaría la realización de un CBR de 9 puntos, pero según lagranulometría por lavado y tamizado mostraba que se comportaban como unmaterial totalmente fino, determinándose entonces resultados que oscilaban entre180 y 290%.

Las probetas de suelo-cemento para hacer el ensayo de CBR fueron realizadas deacuerdo con las normas dadas para un suelo sin estabilizar, en las cuales seestablece que debe hacerse con el equipo propio del Próctor modificado, pero por

efectos investigativos hemos realizado CBR con Próctor normal como una guía quenos permita estimar el comportamiento del suelo ante diferentes energías decompactación.

Para esto se aplicaron operaciones donde se permite con la fórmula de energía decompactación, cambiar el número de capas, altura de caída del martillo, peso delmartillo o el número de golpes para obtener así resultados coherentes. En nuestrocaso dejamos el número de capas correspondiente al Próctor normal (5), obteniendo44 golpes, así:

1000

/

×

×××

=m

oocmc V

capagolpes N capas N hW

E

Próctor Modificado Variables Unidades S.I. Unidades Plbs



Peso martillo 4.53 kg 10 lbAltura caída martillo 45.72 cm 18”

Volumen 2780 cm3 169.65 pul3

3

2

2780

/ 372.4553.4 / 685.9

cm

capagolpes N capascmkgcmkg

o×××=

44 / =° capagolpes N

Al obtenerse resultados óptimos de compactación y CBR se procedió a realizar elensayo de compresión simple a tres probetas con el 6 % de cemento, cuyo valorpromedio de resistencia fue 23,01 kg/cm2 para la cantera Santa Rita y para SanJavier fue de 26.78 kg/cm2; las cuales cumplieron con la resistencia mínima exigidapor la norma de 21 kg/cm2.

Se decidió disminuir el contenido de cemento de acuerdo con los resultados decompresión simple (Próctor normal y modificado) obtenidos para el 6 %, pasando al4 y 5 %, notándose diferencias entre los dos sitios de estudio y concretamente para

el 4% en la cantera Santa Rita, se presenta una resistencia promedio de 11,6 kg/cm2

y para San Javier de 15,5 kg/cm2.

Lo anterior se pudo presentar por el bajo contenido de cemento comparado con elpropuesto por el método A del proceso de dosificación simplificada. Con un 5% deligante la primera cantera tiene un valor de 19.50 kg/cm2 y la segunda cumplesobradamente con 22.1 kg/cm2 (mayor de 21 kg/cm2), lo cual permite la conclusiónde que esta última posiblemente sea la que mejor comportamiento muestra debido asu variedad de tamaños en los granos.

Las probetas de suelo-cemento generalmente se hacen para compactación normalpero por efectos de investigación se quería observar el comportamiento de los

suelos aumentando la energía de compactación (Próctor modificado), obteniéndosevalores poco satisfactorios para 4, 5 y 6 % de cemento para la cantera Santa Ritapor ser menores de lo establecido en la norma, de igual forma para la canteraAgregados San Javier excepto para el 6% de cemento que fue 21.88 kg/cm2.

Al no cumplirse la resistencia para un 4 % de cemento se procedió a llevarse a caboel ensayo de módulo resiliente con el fin de obtener valores de módulos que esténdentro del rango para bases y sub-bases. Inicialmente se compactaron probetas desuelo-cemento, con la densidad seca máxima y la humedad óptima previamente

Próctor Modificado

Peso Martillo

Altura caída martillo

Volumen

Unidades S.I.

4.53 kg

45.72 cm

2780 cm3

Unidades Plbs

10 lb

18”

169.65 pul3



conocidas y en molde de Próctor normal, pero para realizar este ensayo esnecesario introducirle al molde de Próctor Normal, un tubo con una relación deesbeltez de 2 a 3.

Durante este proceso se notaron dificultades para la extracción de la muestra ya queera necesario un gato hidráulico, con lo cual ésta se fisuraba debido a un aumento

en la presión por parte de dicho elemento.

Por lo anterior, se tuvo que trabajar en un molde con una longitud de 10.7 cm y undiámetro de 5.1 cm, el cual debe engrasarse con vaselina para evitar la adherenciade la mezcla de suelo-cemento al molde, se usa una abrazadera para evitar queéste se abra, se procede a introducir cucharadas de material, lo que lleva a un totalde aproximadamente 11 capas con 50 golpes cada una, compactadas con un pisónde 0.338 KN (0.75 lb), con una altura de caída equivalente a 7 cm.

Para desencofrar la muestra se colocó un papel filtro y sobre éste se coloca elmolde, al cual con un martillo de goma se dan pequeños golpecitos que ayudan asacar la mezcla, para finalmente ser llevadas a la cámara húmeda.

El tiempo de curado de las probetas fue establecido por 7 días, criterio asumido porla limitante del tiempo de la investigación. Obteniéndose así resultados menosfavorables, comparados con los que se podrían haber obtenido a los 28 días, tiempodurante el cual el suelo-cemento adquiere una mayor resistencia.

En la tabla 1 se encuentran consignados todos los resultados finalescorrespondientes a las dos canteras.

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