Efecto de la temperatura de cura en suelos dispersivos estabilizados con cal y reforzados con fibra de polipropileno en términos de resistencia y durabilidad

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1             INTRODUCCIÓN

1.1         Suelos dispersivos

Los suelos dispersivos tienden a presentar una elevada susceptibilidad a la dispersión o defloculación en presencia de agua, que tiende a inducir mecanismos de erosión interna y conductos a través del cuerpo del suelo. Kuhn and Mitchell, (1993)[11] afirman que la floculación ocurre cuando son adicionados a la estructura de la arcilla elementos con cargas positivas llamados cationes, que neutralizan las cargas negativas. Los cationes frecuentemente son los elementos calcio, magnesio, sodio y potasio. Alrededor de cada catión se forma una esfera de solvatación con moléculas de agua, y la partícula de arcilla se adhiere a este conjunto. Debido al campo eléctrico generado por los cationes y las características dipolares de las moléculas del agua, el tamaño de la esfera de solvatación disminuye con el aumento de la concentración de cationes en solución y viceversa.

Sherard et al. (1976a)[15] indican que las arcillas naturales se dispersan en la presencia de agua pura, como en el caso del agua de lluvia. El fenómeno es generado luego de que el agua presente en los poros del suelo tenga una mayor concentración de cationes que el agua pura de lluvia. Cuando el agua de lluvia ingresa en el suelo, produce básicamente dos efectos. Por un lado, tiende a unir cationes de agua a los poros para reducir la diferencia de concentración, que genera un desequilibrio entre el agua absorbida y el agua de los poros. El resultado es una disminución eléctrica de la estructura química de la arcilla, aumentando la repulsión electroestática entre partículas.

Al mismo tiempo, los cationes que permanecen adheridos a una partícula de arcilla tienden a aumentar la esfera de solvatación por la disminución de concentración de cationes en solución. Esto aumenta el alejamiento entre partículas con la consecuente reducción de fuerzas de atracción de Van der Waals.

Ambos efectos producen la dispersión de las partículas de arcilla. En estas condiciones un gradiente hidráulico mínimo puede ocasionar erosiones considerables.

Según datos de USBR (1998), los proyectos especifican el uso de la cal para estabilización mediante la adición de una cantidad mínima capaz de producir un suelo no dispersivo.

Sherard et al., (1976b)[16] realizaron decenas de ensayos Pinhole en diferentes arcillas dispersivas modificadas con pequeñas cantidades de Ca (OH)2 (1% a 4% respecto al peso seco). En todos los casos, sin excepción, el suelo cambió para no dispersivo.

todos los casos, sin excepción, el suelo cambió para no dispersivo.

1.1         Suelos sulfatados

La expansión inducida por sulfatos conocido como sulfate induced heave es atribuida a la presencia de sulfato en los suelos o en el agua de los suelos, ocurriendo cuando la cal o cemento se utilizan como estabilizantes de estos suelos[11]. Varias investigaciones han demostrado que el uso de estabilizadores a base de calcio con suelos ricos en sulfato puede conducir a un nuevo problema en lugar de mitigarlo[6].

1.2         Cal como agente mejorador de suelos

La adición de cal a un suelo desencadena reacciones químicas entre los constituyentes mineralógicos del suelo y la cal. Estas reacciones, son responsables por la alteración de algunas características físicas como el contenido en agua, granulometría, plasticidad, compactación y resistencia inmediata. De este modo según Little, (1995)[12], dos fases ocurren en el proceso de estabilización de las mezclas de suelo-cal. La primera involucra prácticamente las reacciones inmediatas de intercambio de cationes y floculación, que se desarrollan poco después de la adición de la cal al suelo y pueden ocurrir en minutos o días. La segunda involucra las reacciones puzolánicas, que son responsables del aumento continuo de la resistencia mecánica de las mezclas de suelo-cal pudiendo llevar meses o hasta años para ser concluidas. Este aumento de la resistencia ocurre porque las fuentes de sílice, alúmina y hierro presentes en el suelo reaccionan con la cal y el agua, formando diversos productos cementos como por ejemplo CaSiO3. Recientes investigaciones relatan el uso de la relación volumen de vacíos/volumen de agente cementante en la predicción del comportamiento mecánico de suelos artificialmente cementados, utilizando agentes como cal, cemento, cal-cenizas, en diferentes tipos de suelos como arenas, suelos residuales, arcillas dispersivas y sulfatadas. [9], [13], [7], [14] y [6]. Esta relación demostró ser una herramienta ideal para la dosificación de la cantidad adecuada de agente cementante y la elección del peso específico aparente seco que permita proporcionar una mezcla que atienda resistencias de diseño requeridas con una alta confiabilidad.

1.3         Fibra como refuerzo de suelos

Nuevos materiales fueron desenvueltos actualmente, usualmente basados en materiales tradicionales con incorporación de elementos de refuerzo. Para Taylor (2013)[16], Domone & Illston (2010)[8] y Hannant (1994)[10] está consensuado que el mayor potencial de los materiales compuestos fibrosos está en el estado post-fisuración, en donde las fibras contribuyen de forma más efectiva en la resistencia del material, aumentando así su capacidad de absorción de energía. Esto es porque la deformación necesaria para causar fisuras en una matriz cimentada es inferior al de la deformación de las fibras, en las cuales un poco o ningún aumento de la tensión de fisuración es esperado. Taylor (2013)[16] cree que para que haya un aumento de resistencia pre-fisuración del compuesto, es necesario que se utilice una fibra más rígida que la matriz, bien como la adherencia del refuerzo con la matriz debe impedir movimientos relativos entre las partes.

Las fibras no impiden la formación de fisuras en el compuesto, pero son capaces de aumentar la resistencia a tracción por el control de la propagación de fisuras[16]. Hannant (1994)[10] cree que las fibras mantienen las interfaces de las fisuras juntas, beneficiando las propiedades mecánicas en el estado post-fisuración, o sea, aumentando la ductilidad. Las fibras que cruzan las fisuras contribuyen para el aumento de la resistencia, de la deformación de ruptura y de la tenacidad de los compuestos. Según Johnston (1994)[12], Las fibras en una matriz cimentada pueden en general tener dos efectos importantes. Primero, tienden a reforzar el compuesto sobre todos los modos de carga que inducen tensiones de tracción, esto es, tracción indirecta, flexión, y cizallamiento, y, secundariamente, mejoran la ductilidad y la tenacidad de una matriz con características frágiles. El funcionamiento de las fibras como elementos de refuerzo es entonces comandado por las características de deformabilidad del suelo y por la forma de distribución de estas deformaciones, que dependen del tipo de solicitación al cual el material está siendo sometido.

2             MATERIALES

2.1      Suelo

En la presente investigación el suelo utilizado fue un suelo arcillo-limoso originario de la región occidental (chaco) paraguaya. El local de préstamo de suelo se encuentra en la ciudad de Filadelfia. Los resultados del análisis químico referente a la dispersión del suelo mostraron los contenidos de los componentes y de las sales disueltas en el suelo según la Tabla 2.1

De acuerdo con Sherard et al. (1976b)[16], la relación entre las sales disueltas en el agua intersticial de la arcilla y la dispersión medida en laboratorio con el Pinhole Test, muestran que los suelos con TDS mayores que 1,0 Meq / le PS mayores que el 60%, que envuelve la arcilla estudiada y puede ser considerado dispersivo. El mismo autor relata que patrones de dispersión en los suelos por el valor de razón de absorción de sodio (RAS) mayor a 2.

Los ensayos químicos referentes a la cuantificación de sales y sulfatos solubles siguieron las recomendaciones de las normas (ASTM C1580, 2010) y (SMEWW, 1989). Como resultado se obtuvo una cantidad de 1100 ppm de sulfatos solubles. De esta forma, las propiedades del suelo se resumen en la tabla 2.1.

2.2         Cal

La cal utilizada fue una cal hidratada calcítica, producida en la ciudad Concepción – Paraguay. Los ensayos para la determinación de la masa específica de la cal siguieron las recomendaciones de la (ASTM D 854-10) obteniéndose el valor medio de 24,13 kN / m³. Las propiedades fisicoquímicas de la cal se presentan en la Tabla 2.2.

2.3         Fibras de polipropileno

La fibra de polipropileno utilizada fue la de FibroMac© 12 con las siguientes características:

2.4        Agua

Agua destilada fue utilizada tanto para ensayos de caracterización como para el moldeo de los cuerpos de prueba.

3             METODOS

3.1         Preparación y Curado de los Cuerpos de Prueba

La confección de los cuerpos de prueba fue realizada siguiendo los siguientes pasos: pesaje de los materiales, mezcla, compactación, desmolde, acondicionamiento, almacenaje y curado. Los moldeados de los cuerpos de prueba tanto para los ensayos de resistencia a compresión simple se realizaron en moldes cilíndricos tripartitos de acero y de dimensiones internas de 50 mm de diámetro y 100 mm de altura. La cantidad de cal y fibra necesaria para cada mezcla se calculó en relación con la masa del suelo seco, la cantidad de agua (contenido de humedad) en relación con la suma de las masas de suelo seco y de agente cementante. La cantidad total de mezcla permitía el moldeo de un cuerpo de prueba y un sobrante para determinar el contenido de humedad. Se procedió a compactar estáticamente en tres capas en el interior del molde de acero tripartita, debidamente lubricado, de manera que cada capa alcanzase las especificaciones del peso específico aparente seco, tomando el cuidado de escarificar ligeramente los topes acabados de la primera y de la segunda capa para aumentar la integración entre las capas superpuestas.

Una vez concluido el proceso de compactación el cuerpo de prueba era retirado del molde y se procedía al pesaje y anotación de la masa húmeda como a la medición y anotación del diámetro y de la altura para su posterior acondicionamiento a través de bolsas plásticas adecuadamente vedadas. Por fin los cuerpos de pruebas se almacenaban para su curado a una temperatura de 20 ° ± 2 ° C o 40 ° ± 2 ° C.

Las tolerancias establecidas para la aceptación de los cuerpos de prueba son las siguientes:

  • Masa específica aparente seca (γd): ± 1,0% del valor objetivo.
  • Contenido de humedad (ω): valor especificado 0,5 puntos porcentuales.

3.2         Ensayos de Resistencia a Compresión Simple

En este estudio, se analiza la resistencia en cuanto al porcentaje de cal utilizado, el tiempo y la temperatura de curado de tres pesos específicos diferentes para la mezcla suelo-cal y suelo-fibra-cal. El ensayo se realizó con una tasa de deformación constante de 1,0 mm por minuto. Los procedimientos descritos siguieron la norma (ASTM D5102, 1996). Para evitar el efecto de la succión, los cuerpos de prueba se saturados sumergiendo en agua al menos 24 horas antes de la realización del ensayo, el agua se mantenía a una temperatura de 20 ± 2 ° C. Después de la saturación de los cuerpos de prueba, se los sacó del recipiente con agua y se secó con un tejido absorbente, para posteriormente proceder a la realización del ensayo anotando la carga máxima alcanzada por el cuerpo de prueba. Para los ensayos de RCS de los cuerpos de prueba a 28 días de curado se realizaron mediciones de deformación axial, mediante el uso de un reloj indicador de deflexión.

3.3         Ensayos de Durabilidad por Mojado y Secado

Los ensayos de durabilidad fueron realizados basados en la norma ASTM D559 (2011), el cual evalúa la durabilidad de probetas de suelo cemento a través del porcentaje de pérdida de masa de probetas luego del cepillado después de 12 ciclos de secado e mojado e con la utilización de probetas cilíndricas de 101,6 ± 0,4 mm de diámetro e 116,43 ± 0,3 mm de altura, moldados em compactación estática. El método de ensayo establece una cura em cámara húmeda durante 7 días, prosiguiéndose luego a ciclos de mojado e secado. Primeramente, se procede a la inmersión de la probeta por cinco horas para después ser secado a estufa por 42 horas a una temperatura de 71 ± 3°C, e al final es realizado el cepillado en las fases laterales, en la base y en el tope de acuerdo con la norma finalizando así un ciclo.

3.4         Ensayos de Expansión

Los ensayos de expansión fueron ejecutados utilizando equipamientos de consolidación sin aplicación de cargas siguiendo las recomendaciones de la norma ASTM D4546 (2014), con la modificación de no colocar presión alguna en las muestras. El ensayo es conocido como ensayo de expansión libre en una dimensión (One-Dimensional Free Swell Test). Los cuerpos de prueba fueron moldados em moldes con dimensiones de 54 mm de diámetro e 21 mm de altura de modo a clavar el anillo muestreador de consolidación en el material compactado y este quede adecuadamente preso en el mismo. los cuerpos de prueba fueron moldados con compactación estática siguiendo lo especificado en el ítem 3.1 “3.1 Preparación y curado de los cuerpos de prueba”.

4            RESULTADOS

4.1         Efecto de la temperatura de curado en la resistencia a compresión simple

En las Figuras 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 y 4.6 se presentan las curvas de ajuste de la variación de la resistencia a la compresión en función al porcentaje de cal para 7 y 28 días de curado. Cada curva, aisladamente, tiene la misma masa específica aparente seca y todos los puntos poseen el mismo contenido de humedad (ω = 13%). Las muestras de suelo-cal se muestran a diferentes temperaturas de curado.

Se puede observar que el aumento de la temperatura de curado ejerce una influencia sobre la resistencia a la compresión simple del material. Se verifica casi una duplicación de los valores de la resistencia a la compresión simple conforme aumenta a temperatura de curado. Este mismo comportamiento también fue observado por Howard (2014).

Figura 4.1 Efecto de la temperatura de curado sobre la resistencia a la compresión simple de una muestra de suelo-cal con peso específico de 1,70 kN/m³ a los 7 días.

Figura 4.2 Efecto de la temperatura de curado sobre la resistencia a la compresión simple de una muestra de suelo-cal con peso específico de 1,80 kN/m³ a los 7 días.

Figura 4.3 RCS de una muestra de suelo-cal con peso específico de 1,90 kN/m³ a los 7 días.

Figura 4.4 RCS de una muestra de suelo-cal con peso específico de 1,70 kN/m³ a los 28 días

Figura 4.5 RCS de una muestra de suelo-cal con peso específico de 1,80 kN/m³ a los 28 días.

Figura 4.6 RCS de una muestra de suelo-cal con peso específico de 1,90 kN/m³ a los 28 días.

En las Figuras 4.7 y 4.8 se presentan las curvas de ajuste de la variación de la resistencia a la compresión simple en función de la relación porosidad/contenido volumétrico de cal ajustado por la potencia de 0,11, de los cuerpos de prueba de suelo-cal a 20˚C y 40˚C para 7 y 28 días de curado. Puede observarse que esta relación es capaz de controlar el comportamiento del material en términos de la resistencia a compresión simple con un buen ajuste. También se observa el efecto de la temperatura sobre las curvas y que ambas están relacionadas, según las ecuaciones de ajuste, por un escalar aproximadamente igual a 1,8 a los 7 días y 4,4 a los 28 días.

Figura 4.7 RCS en función de la relación porosidad/cal para muestras de suelo-cal 7 días de cura.

Figura 4.8 RCS en función de la relación porosidad/cal para muestras de suelo-cal 28 días de cura.

 

4.2  Efecto de la adición de fibras sobre la resistencia a compresión simple del geo-material.

En las Figuras 4.9, 4.10, 4.11, 4.12, 4.13 y 4.14 se presentan las curvas de ajuste de la variación de la resistencia a la compresión en función al porcentaje de cal para 7 y 28 días de curado. Cada curva, aisladamente, tiene la misma masa específica aparente seca y todos los puntos poseen el mismo contenido de humedad (ω = 13%). Las muestras de suelo-cal-fibras se muestran a diferentes temperaturas de curado.

Se puede observar que el aumento de la temperatura de curado ejerce una influencia sobre la resistencia a la compresión simple del material. Sin embargo, la adición de fibras de polipropileno como refuerzo, demostró un leve aumento en la resistencia sobre el material de mayor peso especifico aparente seco (1,90 kN/m³) para las probetas curadas a 20°C mientras que a 40°C todas las probetas mostraron ser más resistentes con una adición de 0,4% de fibras.

Figura 4.9 Efecto de la adición de fibras sobre la resistencia a la compresión simple de muestras de suelo-cal y suelo-cal-fibras con peso específico de 1,70 kN/m³ a los 7 días.

Figura 4.10 Efecto de la adición de fibras sobre la resistencia a la compresión simple de muestras de suelo-cal y suelo-cal-fibras con peso específico de 1,80 kN/m³ a los 7 días.