ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON POLÍMEROS
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UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICA
FACULTAD DE INGENIERÍA – CURSOS DE POSTGRADO
INSTITUTO DE ESTRUCTURAS Y TRANSPORTE
MAESTRÍA EN INGENIERIA ESTRUCTURAL
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS – GET_119
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON POLÍMEROS
PROF. LEONARDO BEHAK
AUTORA: JENIFFER JAIME HERNÁNDEZ
MONTEVIDEO, ENERO 2021
DedicatoriaDedicatoriaDedicatoriaDedicatoria
A todos aquellos que, como yo, han muerto o van a morir intentándolo.
Índice Resumen. ....................................................................................................... 4
Introducción. ................................................................................................... 5
Estabilización de Suelos. Definición. .............................................................. 5
Definición de Polímero.................................................................................... 8
Tipos de Polímeros...................................................................................... 8
Estabilización de suelos. Métodos tradicionales ........................................... 10
Polímeros como estabilizadores alternativos. Ventajas y Beneficios ........ 12
Polímeros como estabilizadores alternativos. Desventajas ....................... 22
Conclusiones ................................................................................................ 27
Referencias Bibliográficas ............................................................................ 29
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Resumen.
La estabilización y el mejoramiento de las propiedades del suelo permiten adecuar este a las necesidades del proyecto a construir. Para esto se han desarrollado varias técnicas: mecánicas, físico-químicas, eléctricas entre otras. La implementación del uso de polímeros a la par de los procedimientos existentes como la cal y el cemento han originado una serie de investigaciones y ensayos a muestras de diferentes tipos de suelos adicionados con distintos polímeros ya sea en forma líquida o como fibras de desecho. Mostrar alguno de los resultados de dichas investigaciones constituye el objetivo principal de la presente monografía. La revisión bibliográfica permite concluir que existen diferentes visiones sobre los beneficios del uso de polímeros como estabilizantes, ya que algunos estudios concluyen que el(los) polímero(s) empleado(s) permiten modificar las propiedades del suelo y mejorar el desempeño de este mientras otros estudios no arrojan pruebas concluyentes o definitivas al respecto.
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Introducción.
El suelo o terreno, en especial sus propiedades mecánicas y físico
químicas, son importantes ya que todo lo que se construye está soportado de
forma directa o indirecta por el suelo de fundación. Este no solo sirve como
soporte para el proyecto, sino que también puede ser utilizado para la
construcción de muros, represas, diques, entre otras obras. Por tanto, este
debe ser capaz de resistir la totalidad de las cargas a las que va a ser
sometido.
Independientemente de las razones que se tengan para llevar a cabo la
construcción de una edificación o vía de comunicación en determinado lugar
(económicas, demográficas o geográficas) el suelo de fundación no siempre
puede ser apto para ello. Muchas de las veces esto no ocurre, por lo que se
hace necesaria la adecuación del suelo al tipo de obra que se piensa
ejecutar en especial si esta es de gran envergadura. Para el caso particular
de las vías de comunicación, la construcción sobre suelos aptos para tal fin
evita, en el largo plazo, costosas tareas de mantenimiento, así como la
reconstrucción en caso de falla, por lo que la estabilización de suelos toma
fundamental importancia.
Estabilización de Suelos. Definición.
La Estabilización de Suelos puede ser definida como: “El mejoramiento
de las propiedades físicas de un suelo a través de procedimientos mecánicos
e incorporación de productos químicos, naturales o sintéticos” (Nesterenko-
Cortes, 2018) esto con el fin de crear un material que se adapte a las
exigencias del proyecto a desarrollar partiendo del suelo ya existente.
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Por procedimientos mecánicos, se entiende el aporte de material,
empleando equipo mecánico para posteriormente compactar; la
compactación en sí misma también se considera una técnica para la
estabilización de suelos. La estabilización a través de medios químicos se
logra por: “la adición de agentes estabilizantes específicos, como el cemento,
la cal, el asfalto u otros” (Rico y Del Castillo, 2005). Las propiedades de los
suelos que más frecuentemente se estudian en problemas de estabilización
son: estabilidad volumétrica, resistencia, permeabilidad, compresibilidad y
durabilidad. (López-Lara et al, 2010)
De acuerdo con lo expresado por Nesterenko-Cortes (Op.Cit) en
referencia a las técnicas para la estabilización de suelos, estas: “son
variadas y van desde la adición de otro suelo, a la incorporación de uno o
más agentes estabilizantes. Cualquiera sea el mecanismo de estabilización,
es seguido de un proceso de compactación” (p. 11) Cabe recalcar que
también existen algunos otros métodos, entre los que se puede mencionar la
estabilización por medios eléctricos, el uso de explosivos y el drenaje de
suelos. A continuación se muestra la Tabla 1, que resume los problemas
típicos y las posibilidades de estabilización de los suelos comunes:
Tabla 1. Problemas típicos y las posibilidades de estabilización de los
suelos comunes
Tipo de Suelo Problemas y medios de
estabilización usuales
Suelos arenosos Cuando la granulometría es
uniforme puede convenir la
estabilización con mezclas de otros
suelos. Las arenas limpias pueden
mejorar sus carcterísticas con
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cemento o asfalto.
Suelos limosos con algo de
arcilla
En general, el único tratamiento
económico al que son susceptibles
es la compactación.
Suelos limosos con muy poca o
ninguna arcilla
No existen tratamiento económicos.
Debe evitarse su uso en superficies
expuestas, por los polvos que
producen cuando se secan.
Suelos arcillosos agrietados Responden a la estabilización con
cal.
Suelos arcillosos agrietados y de
textura abierta
Responden muy bien a la
compactación.
Arcillas suaves Suscpetibles a la estabilización con
cal.
Fuente: Rico, A., Del Castillo (2005) La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres.
Carreteras, Ferrocarriles y Aeropistas. Vol. II. Editorial Limusa. México.
De igual forma, la estabilización de suelos puede realizarse con el
propósito de mejorar la resistencia del suelo al aumentar su capacidad de
carga, en el caso de que sea empleado para fundaciones o con el objetivo de
controlar la formación de polvos finos en terrenos donde exista movimiento
de maquinaría o pistas de aterrizaje (aeropuertos y helipuertos). Así mismo,
la estabilización de suelos puede ser requerida cuando se precisa evitar la
entrada de agua para preservar la resistencia del suelo.
A partir de esto se abre el abanico de las opciones para obtener suelos
con mejores características sin dejar de lado el costo y la facilidad para su
adecuación con el fin de evitar fallas ingenieriles futuras. En principio,
cualquier método ya sea tradicional o no debe ser eficiente en cuanto a
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costos/economía, tiempo, técnica de aplicación y resultados obtenidos en
cuanto a las propiedades para ser considerado como buena opción. En esta
búsqueda, la introducción de los polímeros como material para el
mejoramiento del suelo se presenta como una alternativa a las técnicas más
comunes de estabilización con cemento portland, cal, ceniza o asfalto entre
otros productos diversos, especialmente cuando la sustitución del suelo
original no resulta factible.
Definición de Polímero
La palabra polímero proviene de dos palabras griegas: “poli”, que
significa muchos, y “meros”, que significa parte. La sustancia que constituye
la unidad fundamental de un polímero recibe el nombre de "monómero".
(López-Lara et al, Op.cit). Por tanto, un polímero son sustancias provenientes
de la unión de estos monómeros, o moléculas más pequeñas, para formar
una gran molécula o macromolécula. En la actualidad los polímeros tanto
naturales como artificiales están presentes en muchas actividades de la vida
cotidiana desde productos comerciales hasta productos médicos.
Tipos de Polímeros
Los polímeros pueden ser clasificados de la siguiente forma:
• Según su composición: Homopolímeros (un monómero) y
copolímeros (dos o más monómeros).
• Según su estructura: Lineales cuando los monómeros se unen por
dos sitios (cabeza y cola) y Ramificados si algún monómero se
puede unir por tres o más sitios.
• Según su origen: Naturales como el caucho, polisacáridos
(celulosa, almidón), proteínas, ácidos nucleicos, entre otros y
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Artificiales como los plásticos, fibras textiles sintéticas, poliuretano,
baquelita, etc.
• Por su comportamiento ante el calor: Termoplásticos: Se
reblandecen al calentar y recuperan sus propiedades al enfriar. Se
moldean en caliente de forma repetida y Termoestables: Una vez
moldeados en caliente, quedan rígidos al ser enfriados por formar
nuevos enlaces y no pueden volver a ser moldeados. Las fibras
pueden tejerse en hilos finos. Los elastómeros son polímeros que
poseen gran elasticidad por lo que pueden estirar varias veces su
longitud. Un elastómero, pero de origen natural sería el caucho.
De acuerdo con lo expresado por Rico y Del Castillo (Ob.cit) los
polímeros pueden ser catiónicos, aniónicos y no iónicos. Estos mismos
autores definen a los polímeros catiónicos como aquellos que: poseen
cargas positivas que crean nexos eléctricos muy fuertes con las negativas de
las partículas de arcilla o de las arenas finas silíceas. Por otro lado, los
aniónicos poseen la misma carga eléctrica que los minerales de arcilla.
Finalmente, los polímeros no iónicos generan nexos de hidrógeno
importantes entre las partículas de arcilla, asociando sus grupos de OH con
el oxígeno de aquellas.
Antes de continuar explicando en detalle la estabilización de suelos
empleando polímeros para tal fin, se revisarán dos de los métodos
empleados comúnmente como lo son el suelo- cemento y la estabilización
empleando cal o suelo-cal con el fin de establecer las comparaciones
necesarias más adelante.
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Estabilización de suelos. Métodos tradicionales
1. Estabilización de suelos con cemento: Este método data de 1917. Es
ampliamente, aunque no de forma exclusiva, utilizado en vías terrestres, para
el proyecto y construcción de pavimentos. Básicamente, consiste en la
reacción del cemento Portland con los componentes “silicosos” del suelo,
produciendo un conglomerante que junta a las arenas, las gravas y los limos.
Esto funciona mejor para suelos gruesos, es decir, cantos, gravas y arenas
además de arenas limo-arcillosas y/o arenas finas (A-1, A-2 y A-3) con pasa
#200 < 35% e IP < 20%. Para los suelos arcillosos, se producen reacciones
primarias (en donde se producen silicatos y aluminatos hidratados de calcio,
hidróxido de calcio y iones Ca++) y secundarias (la cual se da en dos fases).
Rico y Del Castillo (Op. Cit) describen estas fases de la siguiente forma:
En la primera, se produce un intercambio iónico entre los iones de calcio y otros absorbidos por los minerales de arcilla, todo lo cual tiende a flocular a la propia arcilla. En la segunda fase, tienen lugar reacciones químicas puzolánicas entre la cal y los elementos que componen los cristales de arcilla. Los elementos silícicos, y alumínicos reaccionan con los compuestos cálcicos para formar elementos cementantes; el resultado final de esta reacción es la transformación de una estructura arcillosa originalmente floculada y vaporosa, en un agregado resistente. (p. 505)
Estas reacciones se ven afectadas si el suelo posee materia orgánica, ya
que los ácidos orgánicos dificultan la acción aglutinante del cemento. Así
mismo, la presencia de sulfatos de calcio, magnesio o de alguna otra
sustancia que pueda absorber agua afectará la reacción al privar al
aglutinante de la humedad necesaria.
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2. Estabilización de suelos con cal: La cal constituye el material más
antiguo usado por el hombre, sin embargo, no fue sino hasta 1953 cuando
comenzó a implementarse como material para la estabilización de suelos. El
efecto básico de la cal es la constitución de silicatos de calcio que se forman
por acción química de la cal sobre los minerales de arcilla, para formar
compuestos cementadores. (Rico y Del Castillo, Op. Cit.) por tanto, su uso se
extiende hacia los materiales más arcillosos, esto es suelos clasificados
como A-5, A-6 y A-7 (suelos limosos y arcillosos).
Para el caso de la cal, se producen dos tipos de reacciones entre estas y
el suelo. La primera de ellas, la reacción rápida (que tarda entre minutos y
días) en las cuales se produce el intercambio catiónico, produciéndose una
fuerte captación de iones de calcio por las partículas del suelo, lo que
disminuye la doble capa propia de los suelos arcillosos. Así mismo, el
elevado PH de la cal tiende a expandir la doble capa.
La segunda reacción, llamada reacción lenta, está constituida por
reacciones puzolánicas, atribuidas a las reacciones entre la sílice y/o alúmina
del suelo con los iones Ca++ de la cal, por otro lado, se tiene la
carbonatación cuando la cal reacciona con el dióxido de carbono de la
atmósfera. Al igual que en caso del cemento, la presencia de material
orgánico afecta las reacciones alcalinas retardándolas y reduciendo el efecto
de estabilización.
Con la adición de cal se logra un suelo menos expansivo, menos
plástico, mejorando a la vez la trabajabilidad y logrando una mejor
compactación. Sin embargo, Nesterenko citando a Andrews y Duffy (2008),
en relación con el uso de los estabilizadores citados anteriormente expresa
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que: los estabilizadores tradicionales como la cal y el cemento requieren
largos tiempos de curado y cantidades considerables de aditivos a un costo
significativo. Lo que sirve de base para justificar el empleo de los
estabilizadores no tradicionales.
Polímeros como estabilizadores alternativos. Ventajas y Beneficios
A este respecto, existen autores que destacan las ventajas del uso de
polímeros como estabilizadores alternativos. Por ejemplo, el estudio llevado a
cabo por Lamia, A. y Radhia M. en la Universidad de Basrah, en donde
emplearon dos tipos de polímeros: Resina de Urea Formaldehido o URF
(Urea Formaldehyde Rejoin) y Caucho estireno-butadieno o SBR (Styrene
Butadiene Rubber). La URF es una resina aplicada como adhesivo en la
industria de transformación de madera, en aglutinación de partículas o fibras,
por otro lado, el SRB es un elastómero sintético usado principalmente para la
fabricación de cubiertas de rueda o neumáticos.
Sobre las muestras de suelos arenosos, con y sin adición de polímeros,
se realizaron diversos ensayos. Estos fueron: Ensayo de Compactación
(Proctor modificado), Ensayo de Relación de Soporte de California o CBR y
Ensayo de Corte Directo, partiendo desde la respectiva clasificación del
suelo por granulometría. A continuación, se muestran los resultados
obtenidos para cada ensayo.
Ensayo de Compactación:
La Tabla 2, indica los valores para la humedad máxima y para la
densidad máxima seca en gr/cm3, se puede observar que la adición de 1%
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del polímero UFR disminuye el contenido óptimo de humedad e incrementa
el valor máximo de la densidad seca, este valor va a disminuir cuando se
adiciona mayor cantidad de UFR. Por otro lado, la adición del polímero SBR
ocasiona una disminución del contenido máximo de humedad y de la
densidad máxima seca.
Tabla 2. Resultados del ensayo de Compactación.
Fuente: Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Tabla]. Recuperado de:
https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Las figuras 1 y 2 muestran las correspondientes curvas de compactación
con suelos tratados y no tratados para URF y SBR respectivamente. Se
observa que la máxima densidad seca en suelos tratados con 1% de UFR es
mayor que aquella para suelos no tratados, los investigadores afirman que
esto es debido a que el UFR encapsula las partículas de suelo que ocasiona
el incremento en la resistencia del suelo a la par de la disminución de la
permeabilidad.
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Figura 1: Relación entre el contenido de humedad y la Densidad Máxima Seca con
URF. Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen].
Recuperado de: https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Figura 2: Relación entre el contenido de humedad y la Densidad Máxima Seca con SBR. Fuente: Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen]. Recuperado de: https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
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La figura 3 muestra que el contenido óptimo de humedad para suelos
tratados con UFR y SBR es menor que para suelos no tratados para todos
los porcentajes de polímeros empleados. De acuerdo con lo planteado por
los autores del estudio esto ocurre porque el polímero toma el lugar del aire o
de los vacíos. Cuando se agrega UFR en un mayor porcentaje, la cantidad
extra toma el lugar de algunos solidos del suelo y por tanto la densidad seca
decrece. La figura 4 muestra que la densidad máxima seca para aquellos
suelos tratados con SBR es menor que la máxima densidad seca de suelos
no tratados para todos los porcentajes empleados, a este respecto los
investigadores afirman que es debido a que el peso unitario del SBR es
pequeño comparado al del suelo.
Figura 3: Relación entre el contenido de polímero y el contenido de humedad óptima.
Fuente: Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen].
Recuperado de: https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
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Figura 4: Relación entre el contenido de polímero y la Densidad Máxima Seca. Fuente:
Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen]. Recuperado
de: https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Ensayo CBR (California Bearing Ratio):
En cuanto al ensayo de Relación de Soporte de California, este ensayo
fue realizado empleando el Proctor modificado con el contenido de humedad
óptima obtenido del ensayo de compactación. La tabla 3 resume los
resultados obtenidos para ambos polímeros. Así mismo, la figura 5 muestra
la relación entre el contenido de polímero y el resultado del ensayo CBR, se
observa que al agregar UFR se incrementan los valores de CBR para todos
los porcentajes. Esto es debido a que la presencia de UFR restringe el
movimiento de las partículas del suelo y a su vez trabaja como reforzamiento,
de acuerdo con lo expresado por los autores de la investigación. En cuanto a
los suelos tratados con SBR el valor del ensayo CBR es menor que el
obtenido para aquellos suelos no tratados, lo cual se debe a que el SBR
tiende a deslizarse y a separar las partículas del suelo.
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Tabla 3. Resultados del Ensayo CBR
Fuente: Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Tabla]. Recuperado de:
https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Figura 5: Relación entre el contenido de polímero y el CBR. Fuente: Lamia, A. y Radhia
M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen]. Recuperado de:
https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Ensayo de Corte Directo:
Como se mencionó previamente el estudio realizado para suelos
arenosos tratados con los polímeros UFR y SBR incluyó el Ensayo de Corte
Directo, los resultados se observan en la Tabla 4. Las figuras 6 y 7 muestran
la relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante máximo. Dicho
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esfuerzo cortante aumenta con la adición de UFR y SBR para todos los
porcentajes debido al incremento de la cohesión entre las partículas del
suelo, así mismo el UFR y el SBR incrementan el ángulo de fricción interna �
y la cohesión c. Los resultados obtenidos comprueban que el incremento de
� es debido a la fricción entre las partículas del suelo y los polímeros
añadidos, de la misma forma la cohesión aumenta debido a la unión entre las
partículas.
Tabla 4. Resultados del Ensayo de Corte Directo
Fuente: Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Tabla]. Recuperado de:
https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Figura 6: Relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo de corte con UFR. Fuente:
Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen]. Recuperado
de: https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
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Figura 7: Relación entre el esfuerzo normal y el esfuerzo de corte con UFR. Fuente:
Lamia, A. y Radhia M. (2019) Sandy Soil Estabilization with Polymer. [Imagen]. Recuperado
de: https://www.researchgate.net/publication/331318532_Sandy_Soil_Stabilization_with_Polymer
Considerando los resultados obtenidos en los ensayos realizados en
donde se observa que la Resina de Urea Formaldehido - UFR (Urea
Formaldehyde Rejoin) cuando se añade al 1 % aumenta la Densidad Máxima
Seca, disminuye el valor de la Humedad Óptima a la vez que aumenta los
valores del CBR (independientemente del porcentaje añadido) así como los
valores obtenidos para � y c en contraposición a uso de Caucho estireno-
butadieno o SBR (Styrene Butadiene Rubber) los autores recomiendan el
empleo de UFR como estabilizador de suelos para suelos arenosos.
Esta investigación se limitó al ensayo del comportamiento de ambos
polímeros en relación con el suelo sin tratar, y por tanto no compara con
técnicas tradicionales de estabilización. Así mismo, el estudio no especifica
qué tipo de suelo arenoso se ensaya y cuál fue el sistema de clasificación de
suelos empleado, aunque parte de un estudio de granulometría.
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En otra investigación realizada, López-Lara T., Hernández-Zaragoza J y
otros emplearon poliuretano, el cual es un polímero empleado en la
construcción para el sellado de grietas, reparación de malecones y en el
refuerzo de suelos granulares, a fin de reducir el cambio volumétrico
característico de los suelos arcillosos. El suelo empleado corresponde al del
fraccionamiento Jacarandas, Querétaro México; tanto al suelo natural como
al suelo con aditivo de polímero le fueron realizadas las pruebas para
determinar los Límites de Atterberg, pruebas de expansión y resistencia a la
compresión simple, además de la respectiva clasificación empleando el
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)
Las principales conclusiones de esta investigación fueron las siguientes:
El suelo natural corresponde a un suelo CH (arcilla inorgánica de alta
plasticidad) mientras la mezcla suelo-polímero realizadas al 4, 6, 8, 10%
respecto al suelo seco corresponde a un suelo ML (limos inorgánicos y
arenas muy finas o limos arcillosos con ligera plasticidad) de acuerdo con los
resultados obtenidos para los Límites de Atterberg que se muestran a
continuación.
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Tabla 5. Propiedades Índice en suelo natural y suelo polímero (valores
promedio)
Fuente: López-Lara, T. Hernández-Zaragoza, J. (2010) Polímeros para la Estabilización Volumétrica de Arcillas Expansivas. [Tabla]. Recuperado de: http://www.ehu.eus/reviberpol/pdf/MAY10/lopez.pdf
Los autores también concluyeron que las propiedades de resistencia no
mejoran cuando se emplea una mezcla suelo-polímero, lo cual a su criterio
no representa ningún problema ya que los suelos expansivos presentan
frecuentemente altas resistencias.
En lo referente a la expansión, los resultados de las pruebas mostraron
que la mezcla suelo polímero tuvo una reducción en la expansión de
alrededor del 40% respecto a la expansión del suelo natural. De acuerdo con
los resultados, se obtuvo un porcentaje de expansión del 46,40% para suelo
natural y 26,50% para la mezcla suelo-polímero (López-Lara y otros, p.167).
Los resultados de las pruebas de consolidación permitieron concluir que el
coeficiente de permeabilidad se reduce al añadir polímero, esto impide la
entrada de agua, disminuyendo los cambios volumétricos propios del suelo
expansivo. Además, la mezcla suelo-polímero reduce la compresibilidad del
suelo natural en un 20% aproximadamente.
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Otra posibilidad para el empleo de polímeros en la estabilización de
suelos lo constituye la mezcla de cal, ceniza de cascara de arroz y fibras de
plástico de desecho sobre suelos limo arcillosos para mejorar las
propiedades mecánicas de estos, mezclada en una proporción que va de
0,4% a 0,8% de suelo seco. Diversos estudios han demostrado que la
mezcla suelo ceniza-cal mejora la resistencia a la compresión del suelo, a
este respecto Behak y Nuñez (2009) afirman que el tratamiento con Cenizas
de Cáscara de Arroz (Rice Husk Ash, RHA) y cal sobre un suelo arenoso
produce un material más resistente, durable y menos deformable, que puede
ser empleado como material para base y subbase de pavimentos con poco
tráfico. Sin embargo, el suelo esta mezcla puede presentar un
comportamiento frágil. Esta fragilidad puede ser suprimida a través de la
adición de elementos discretos como las fibras. (Muntohar y otros, 2013)
Así mismo, los autores concluyen que la inclusión de las fibras plásticas
juega un papel significativo en el incremento de las fuerzas de tensión y de la
relación de fuerzas del suelo estabilizado. La compresibilidad aumenta a
medida que se incrementa el tiempo de curado. La presencia de fibras
plásticas en la mezcla cal-ceniza de cáscara de arroz muestra una influencia
significante en el valor de la cohesión c, más que en el valor del ángulo de
fricción �.
Polímeros como estabilizadores alternativos. Desventajas
Los dos ejemplos anteriores demuestran cómo el empleo de polímeros
puede ser ventajoso para la estabilización de suelos, sin embargo, otros
autores han realizado estudios y ensayos cuyos resultados muestran que el
empleo de polímeros no produce cambios significativos en las propiedades
de los suelos ensayados.
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Rico y Del Castillo (Ob. Cit) afirman que la reacción más general de las
resinas (extractos orgánicos obtenidos a partir de plantas principalmente
coníferas) y polímeros es estabilizar la mezcla frente a la acción del agua, al
actuar como sellantes. Sin embargo, la degradación bacteriana constituye
una de sus principales desventajas. Los enlaces eléctricos que polímeros
aniónicos, explicados anteriormente, crean con las partículas de arcilla
pudiesen contribuir a aumentar la resistencia del suelo, aunque inciden
considerablemente en la resistencia de la mezcla a la compactación. En
cambio, los polímeros catiónicos, tienden a disminuir la resistencia del suelo.
Así mismo, los autores arriba citados mencionan que el alto costo aunado a
la dificultad para mezclar frente a otros productos pone en desventaja a este
tipo de estabilizantes.
A este respecto, Rauch, A. y otros (2002) realizaron pruebas de
laboratorio para determinar los cambios en las propiedades mecánicas del
suelo cuando se emplean tres productos químicos diferentes, entre ellos un
compuesto líquido de varios polímeros. Al igual que los ensayos citados
anteriormente la investigación comienza con la clasificación del suelo, que en
este caso correspondió a cinco tipos de arcilla.
La tabla 6 muestra los cinco tipos de suelos, así como los resultados
para los límites de Atterberg (ASTM D4318) y el valor para la humedad
óptima de compactación. Los dos primeros tipos de suelo corresponden a
arcillas de alta plasticidad proveniente de las localidades de Bryan y
Mesquite, Texas, Estados Unidos; la arcilla de Mesquite es alta en sulfatos.
Los otros tres suelos están compuestos predominantemente de alguno de
estos minerales de arcilla: Caolinita, Ilita y Montmorilonita, escogidas para
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determinar los efectos de cada uno de los estabilizadores en los tipos de
arcillas más comunes.
Tabla 6. Propiedades del Suelo y Límites de Atterberg
Fuente: Rauch, A. Harmon, J y Otros. (sf) Measured Effects of Liquid Soil Stabilizers on Engineering
Properties of Clay. [Tabla].
Para la dosificación de la mezcla de suelo-polímero se emplearon
relaciones de Disolución (Cuanta cantidad debe ser disuelta en agua - DMR)
y de Aplicación (Cuanta cantidad de producto ha de ser aplicado al suelo -
AMR) así mismo, le fueron determinados los límites de Atterberg a fin de
compararlos con el suelo natural. También se realizaron ensayos de
compactación, ensayos de expansión libre (ensayo de expansión edométrica
ASTM 4546) y ensayo de compresión triaxial no consolidada (resistencia
triaxial ASTM D2850) tanto en los suelos naturales como en la mezcla suelo-
polímero. El suelo natural fue compactado aplicando el ensayo de Proctor
Modificado ASTM D1557 a fin de determinar la Humedad Óptima de
Compactación, la compactación de las muestras de suelo-polímero se
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realizaron siguiendo un protocolo específico. Los resultados obtenidos para
estos ensayos se enumeran a continuación.
• En cuanto a las propiedades plásticas, Rauch, A. y otros
observaron que ninguno de los estabilizadores ensayados
incrementa o disminuye el Índice Plástico.
• No se evidenció un efecto significativo en el Peso Específico Seco
del suelo con el empleo de estabilizadores poliméricos. Siendo la
única consideración, por parte del autor, la disminución del
contenido de agua, esto debido a las pérdidas por evaporación en
el mezclado.
• En cuanto al ensayo de expansión libre, los resultados se dan en
base a los tres productos empleados, sin embargo, al considerar
solo el uso del polímero se puede decir que este reduce el
potencial de expansión de la ilita en un 5% aproximadamente y el
de la montmorilonita en un 10 %, mientras que para la caolinita el
empleo de este estabilizador produce expansión. Los autores
afirman que los resultados no evidencian un buen desempeño en
cuanto a la expansividad debido a las variaciones previas en el
contenido de agua de las muestras.
• Finalmente, no se observaron mejoras sustanciales en cuanto a la
resistencia del suelo en los ensayos de resistencia triaxial
realizados, los autores reiteran que los resultados obtenidos están
condicionados por la variación del contenido de agua inicial en las
probetas compactadas pese al resultado obtenido para la
resistencia en la arcilla-caolinita.
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De acuerdo con los resultados listados anteriormente, los autores
concluyen que no se observan cambios significativos en las propiedades de
los suelos ensayados en estas pruebas. Así mismo, recalcan que las
variaciones en las muestras de suelo compactado tienen gran incidencia en
los resultados obtenidos, es decir, la variación en el contenido de agua inicial
de varias muestras afectó los resultados para la resistencia y el grado de
expansión, y esto puede resultar aún más importante que el efecto del
estabilizador empleado.
No obstante, los autores reconocen que la situación podría ser diferente
para aplicaciones en campo y/o cuando las cantidades empleadas son
mayores. Igualmente reconocen las debilidades y diferencias que conllevan
las pruebas de laboratorio en contraposición con lo ocurrido en otro tipo de
ambiente. Por otra parte, las conclusiones obtenidas de este estudio son
paralelas con las obtenidas por Scholen, D. (1995) en donde este autor
menciona un excelente desempeño de los estabilizadores químicos utilizados
en algunos proyectos, los cuales difieren de los obtenidos a través de
ensayos de laboratorio en donde se han testeado la propiedades del suelo
(límites de Atterberg, resistencia al corte, entre otros) la razón de estos
resultados contradictorios estriba en que: los estabilizadores químicos alteran
la mineralogía de las arcillas finas, convirtiéndolas en un material cuyas
propiedades no pueden ser determinadas empleando los ensayos
comúnmente utilizados de acuerdo con lo expresado por el autor.
Este resultado, se debe a que los estabilizadores químicos contienen
componentes que pueden remover los cationes de la arcilla y permitir que se
produzca la hidrólisis, ocasionando la lateralización del suelo. Proceso en el
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cual los minerales arcillosos se disuelven en tanto el hierro (Fe) y el aluminio
(Al) se acumulan en forma de óxidos
Conclusiones
La necesidad de adecuar el suelo de fundación para la construcción
fundamenta los procedimientos mecánicos y químicos para su estabilización,
esta se realiza principalmente con el objetivo de mejorar las propiedades
físicas del suelo, controlar la expansión, eliminar o reducir la formación de
polvos finos en pistas de aterrizaje y evitar la entrada de agua para preservar
la resistencia. Entre los aditivos que se han usado tradicionalmente para la
estabilización de suelos se encuentran el cemento, la cal y más
recientemente la adición de ceniza de cáscara de arroz a esta última entre
otros. Utilizados para modificar las características fisicoquímicas del suelo
con el propósito antes mencionado.
Los polímeros son sustancias provenientes de la unión de muchas
moléculas o monómeros, para formar macromoléculas. El uso de polímeros
como estabilizantes, ya sea como líquidos disueltos o en forma de fibras, ha
surgido como alternativa ante las desventajas que presentan los
estabilizantes tradicionales en cuanto a costos, tiempos de aplicación o
resultados no deseados. Estudios llevados a cabo por diferentes
investigadores concluyeron que los polímeros como la Resina de Urea
Formaldehido (UFR) puede ser recomendado como estabilizador para suelos
arenosos, debido a que los resultados obtenidos indican que este disminuye
el valor de la Humedad Óptima a la vez que aumenta los valores del CBR así
como el ángulo de fricción interna � y la cohesión c.
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Otra investigación, realizada sobre la adición de Poliuretano para el
control de expansión sobre un suelo tipo CH (arcilla inorgánica de alta
plasticidad), demostró que esta muestra una reducción del 40% respecto al
suelo natural, así como una reducción del coeficiente de permeabilidad. Así
mismo, se mencionó otro estudio realizado sobre una mezcla de cal-ceniza
de cáscara de arroz a la cual le fueron agregadas fibras provenientes de
plástico de desecho la cual, de acuerdo con lo expresado por los autores
suprime el comportamiento frágil del suelo tratado con cal-ceniza.
Igualmente, la adición de estas fibras incrementa las fuerzas de tensión y la
relación de fuerzas así también influye significativamente en el valor de la
cohesión.
En cuanto a los inconvenientes o dificultades presentados cuando se
adiciona polímeros al suelo, varios de los autores consultados no evidencian
cambios importantes en las propiedades físicas del suelo, especialmente en
lo relacionado a la resistencia de este. Quedando su uso como sellante ante
la entrada de agua y para controlar la expansión. Aunque se reconoce que
los ensayos conducidos en laboratorio pueden diferir en cuanto a las
proporciones y condiciones encontradas en campo; así mismo, cabe la
posibilidad de que el material formado por la adición de polímero no pueda
ser ensayado por pruebas tradicionales por ser un material completamente
diferente.
Finalmente, es posible concluir que existen opiniones encontradas sobre
el uso de polímeros como estabilizantes del suelo; encontrándose opiniones
favorables y resultados no concluyentes de acuerdo con la publicación
consultada. A este respecto, los ensayos se limitan a adicionar polímero a un
tipo particular de suelo y luego realizar las pruebas correspondientes a las
normas. En ninguna de las bibliografías que hablan a favor del uso de
polímeros se comparan estos contra los estabilizantes tradicionales. Por
tanto, es posible afirmar que el uso de polímeros como estabilizantes
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requiere más investigaciones y ensayos, por ser esta una tecnología en
desarrollo. Es por esto por lo que su uso todavía no puede ser descartado.
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