diseño suelo-cal

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA - UPTCUNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA - UPTCFACULTAD DE INGENIERÍA - TRANSPORTE Y VÍASFACULTAD DE INGENIERÍA - TRANSPORTE Y VÍAS

1”Orgullosos de nuestro pasado, desde Boyacá edificamos el futuro de Colombia””Orgullosos de nuestro pasado, desde Boyacá edificamos el futuro de Colombia”

DOSIFICACION SUELO DOSIFICACION SUELO -- CALCAL

GONZALO PÉREZ BUITRAGOIngeniero en Transporte y Vías, UPTC.

Especialista y Magíster en Vías Terrestres UNICAUCA



1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ESTABILIZACION DE SUELOS

¿Qué es la Estabilización de Suelos?

La estabilización de suelos es una serie de procesos mecánicos, físicos, físico-químicos y químicos por la cual se transforman las propiedades de los suelos que interesan en las aplicaciones de ingeniería, obteniéndose un material apto para su utilización.

En general, en la estabilización de suelos se busca mejorar las propiedades tales como: resistencia, durabilidad, plasticidad, permeabilidad, estabilidad volumétrica y compresibilidad.




Tipo Estabilización ProduceMecánica Proceso de

compactaciónDensificación

Física Granulométrica

Suelo – betún

Fricción y cohesiónCohesión e impermeabilización

Físico – químicaQuímica

Suelo – calSuelo – cementoSuelo - Químico

Intercambio iónico y cementación




Principales propiedades a mejorar:

1. Estabilidad volumétrica2. Resistencia mecánica3. Permeabilidad4. Durabilidad 5. Compresibilidad




Estabilización de suelos con Cal. Se definen dos conceptos:

1. Tratamiento de suelos con cal

2. Mejoramiento de suelos con cal




Tratamiento: El tratamiento o corrección de un suelo con cal consiste en la incorporación de pequeños porcentajes de cal (2% - 4%) con el fin de mejorar en el suelo las características de interés vial, tal como el índice de plasticidad, hinchamiento y límite de contracción. Ejemplo: reducir la expansión de un suelo granular.

Mediante el tratamiento no interesa modificar la resistencia del suelo sino propiedades tales como: reducir la plasticidad, reducir y controlar los cambios volumétricos y mejorar la trabajabilidad.




Mejoramiento: El mejoramiento de un suelo con cal consiste en la incorporación de porcentajes de cal (4% - 8%) con el fin de mejorar en el suelo las características de interés vial, tal como: resistencia, reducir plasticidad, reducir y controlar cambios volumétricos, permeabilidad, durabilidad y mejorar la trabajabilidad.

Ejemplo: Mejoramiento de subrasantes de apoyo o materiales a servir como subbase.

”Orgullosos de nuestro pasado, desde Boyacá edificamos el futuro de Colombia””Orgullosos de nuestro pasado, desde Boyacá edificamos el futuro de Colombia”


85-oct-03

2. LOS MATERIALES DE LA ESTABILIZACIÓN

Los suelosLa calEl aguaEl control de calidad de la cal



95-oct-03

2. LOS MATERIALES - LOS SUELOS

En términos de materiales viales, todo tipo de suelo de subrasante podrá estabilizarse adecuadamente con cal, si ésta desarrolla suficiente resistencia y estabilidad.

La aptitud del tratamiento se estudia en función de su granulometría, plasticidad, humedad, capacidad de compactación y contenido de materia orgánica.

Los suelos a estabilizar son: A-4, A-5, A-6 y A-7. (Suelos finos o con gran contenido de finos)



105-oct-03

2. AGENTE ESTABILIZADOR SUGERIDO



115-oct-03

2. LOS MATERIALES - LOS SUELOS

CLASIFICACION SUCS DE LOS SUELOS LIMO ARCILLOSOS

0102030405060

0 10 20 30 40 50 60 70 80

LIMITE LIQUIDO, LL %

IND

ICE

PLA

STIC

O,

IP,% A-6

A-4 A-5A-7-5

A-7-6A-7

IP=LL-30



125-oct-03

2. LOS MATERIALES - LA CAL

Definición: La cal es producto de la calcinación de la piedra caliza, y sus propiedades varían de acuerdo al contenido de arcilla y a la temperatura de calcinación.Procedimiento de producción:

CaCO3 + Calor CaO + CO2Carbonato de Oxido de Calcio Dióxido de CarbonoCalcio (Cal Viva)



135-oct-03

Proceso de apagado para producir el hidróxido de calcio:

CaO + H2O Ca(OH)2 + CalorOxido de Agua Hidróxido de Calcio Calcio (Cal Apagada)

Proceso de fraguado:Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O Hidróxido de Dióxido de Carbono Carbonato de Agua Calcio Calcio

2. LOS MATERIALES - LA CAL

CaOOFeOAlSiO

I 32322 ++=

ÍNDICE DE HIDRAULICIDAD



145-oct-03

2. LOS MATERIALES - TIPOS DE CALPiedra Caliza Tipo de Cal Propiedades

< 5% Arcilla Cales Grasas Pasta fina blanca, permanece blanda en sitios húmedos.

< 5% de ArcillaMagnesio > 10%

Cales Magras Pasta gris, al secarse al aire se reduce a polvo y en el agua se disuelve.

Arcilla > 5% Cales Hidráulicas

Tiene las mismas propiedades de las cales magras y puede fraguar en sitios húmedos bajo agua.



155-oct-03

2. LOS MATERIALES - TIPOS DE CAL

Utilización Tipo de Cal PropiedadesCal Aérea La que endurece al aire

por desecación, cristalización y carbonatación. IH < 0.10

En estabilización de suelos para vías.

Cal Hidráulica Aquella cuyo contenido de material hidraulizanteasegura el endurecimiento bajo agua. IH= 0.10 a 0.50

En estabilización de suelos.

Cal Viva Gran avidez por el agua y tiene efectos caústicos.



165-oct-03

2. LOS MATERIALES - CONTROL DE CALIDAD DE LA CAL

CAL UTIL VIALLa cal útil vial es aquella que es capaz de reaccionar química y físicamente con el suelo, produciendo cambios en su naturaleza, propiedades y provocando cementación por crearse productos cementantes hidráulicos.La cal útil vial reacciona completamente con el suelo.



175-oct-03

2. LOS MATERIALES - CONTROL DE CALIDAD DE LA CAL

CARACTERISTICAS

Alcalinidad, expresada como % en peso de Cal Hidratada Ca(OH)2: mínimo 90%.Agua libre: máximo 4%Finura: mínimo 90% (Pasa tamiz No.200)



185-oct-03

3. FINALIDAD DE LA ESTABILIZACION

Reacción Química Características1. Intercambio Iónico Los iónes de calcio son

absorbidos por el suelo, origina una reducción de la plasticidad.

2. Acción Cementante –Puzzolánica.

Reacción del calcio con la sílice y la alúmina, formando compuestos de silicatos y aluminatos de calcio

3. Absorción del bióxido de carbona CO2 del aire.

El CO2 reacciona químicamente con la cal, produciendo carbonatos de calcio o magnesio.

4. Cristalización del óxido de calcio.

Los cristales de la cal se entrelazan con las partículas del suelo formando una estructura resistente.



195-oct-03

3. FINALIDAD DE LA ESTABILIZACIONINFLUENCIA DE LA CAL EN LAS

CARACTERISTICAS DEL SUELOS1. Constantes físicas del suelo2. Influencia sobre la humedad3. Influencia sobre la textura elemental del

suelo4. Influencia sobre los cambios volumétricos 5. Influencia en la acidez del suelo6. Influencia en la densidad y humedad7. Influencia sobre la resistencia de los suelos8. Efecto del tiempo y la temperatura en la

resistencia.



205-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS1. CONSTANTES FÍSICAS DEL SUELO:

Modificación de las propiedades de plasticidad mediante la elevación del límite plástico (LP), que produce un aumento en la zona de estado sólido del suelo. La cal produce un ligero efecto sobre el límite líquido (LL).Indice Plástico (IP) = (LL – LP), a > LP < IP



215-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS

1. EFECTO DE LA CAL EN LAS CONSTANTES FISICAS DEL SUELO

01020304050

0 2 4 6 8 10 12

% de Cal

Hum

edad

, %

L. LíquidoL. PlásticoIP.Plástico



225-oct-03



2. INFLUENCIA SOBRE LA HUMEDAD.

La adición de cal produce una rápida disminución del agua existente, en especial cuando se emplea cal viva.

Durante el proceso de mezclado se produce una aireación que provoca extracción del agua.

Para los suelos arcillosos y limosos la adición de cal permiten su manejo y compactación.



235-oct-03



2. EFECTO DE LA CAL EN LA HUMEDAD

1100

1200

1300

1400

1500

26 28 30 32 34 36

Porcentaje de Humedad,%

Den

sida

d Se

ca K

g/m

3

0% de Cal2% de Cal4% de Cal



245-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS3. Influencia sobre la textura del suelo.

Procedencia % Cal

Arcilla%

Limo%

Arena%

Clasificación

Galapa 08

65.07.0

30.088.0

5.05.0

ArcillaLimo

Bayunca 08

30.05.0

60.085.0

10.010.0

LimoLimo



255-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS4. Influencia sobre los cambios volumétricos

del suelo.

Procedencia % Cal

CambioVolumétrico

%

Presión de expansión

Kg/cm2

Clasifi-cación

Galapa 08

74.05.0

10.00.50

ArcillaLimo

Bayunca 08

39.021.0

4.10.30

LimoLimo



265-oct-03



4. EFECTO DE LA CAL EN LOS CAMBIOS VOLUMETRICOS DEL SUELO A7-6(20)

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5Porcentaje de Cal, %

Cam

bios

Volu

met

rico

s,%

Próctor M.Próctor I.Próctor S.



275-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS5. Influencia en la acidez del suelo.

Procedencia del

Suelo

% de Cal pH

Galapa 08

5.8 – Acido8.0 – Básico

Bayunca 08

5.9 –Acido11.3 -Básico



285-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS6. Influencia sobre la densidad del suelo.

Tipo de Suelo % de Cal

Densidad de compactación

Kg/m3Grava arcillosa 0

135812

1.9601.8901.8801.8701.8401.800



295-oct-03



1700175018001850190019502000

Den

sida

d K

g/m

3

0 1 3 5 8 12% de Cal

6. INFLUENCIA DE LA CAL EN LA DENSIDAD DEL SUELO



305-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS7. Influencia sobre la resistencia de los suelos

Tipo de Suelo % de Cal CBR, %Grava limoso de la carretera Puerto López –Puerto Gaitán.

02468

627395125135



315-oct-03



020406080

100120140

Res

iste

ncia

C

BR

%

0 2 4 6 8% de Cal

7. EFECTO DE LA CAL EN LA RESISTENCIA DEL SUELO



325-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOS8. Efecto del tiempo en la resistencia de los suelos

% de Cal Resistencia los 7 días de curadoKg/cm2

Resistencia los 28 días de

curadoKg/cm2

02468

7891213

89141720



335-oct-03



8. EFECTO DEL TIEMPO EN LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS

05

10152025

0 2 4 6 8

% de Cal

Res

iste

ncia

a la

C

ompr

esió

n,

Kg/

cm2

7 Días28 Días



345-oct-03



9. Efecto de la temperatura en la resistencia de los suelos. (Cal hidratada 5% - Arcilla Limosa)

Edaddías

Temperatura·C

Resistencia los 28 días de curado

Kg/cm2

28 0152545

12151746



355-oct-03



8. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS

(Cal Hidratada 5%)

01020304050

0 15 25 45

Temperatura, C

Res

iste

ncia

a la

C

ompr

esió

n,

Kg/

cm2

28 Días



365-oct-03


CARACTERISTICAS DEL SUELOSEn general se puede afirmar que la adición de cal a un suelo fino mejora las siguientes propiedades de resistencia y deformación:Resistencia a la tensiónResistencia CBR, qu y ØResistencia a la fatigaMódulo de flexiónRelación de Poisson µ



375-oct-03

4. DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL

Objetivo: Determinar el % óptimo de cal para el tratamiento o mejoramiento de un suelo.

El principio general de diseño de las mezclas suelo – cal, es que la mezcla muestre un comportamiento satisfactorio cuando se construye como parte determinada de una estructura de un pavimento.



385-oct-03

4. DISEÑO DE MEZCLAS SUELO – CALPROCEDIMIENTO DE DISEÑO

La secuencia de diseño completo de una mezcla de suelo – cal incluye lo siguiente:

1. Caracterización del suelo a tratar2. Selección del % de Cal, f = (IP y % pasa T40)3. Preparación de la mezcla y de probetas4. Curado de las probetas5. Ensayo de las probetas6. Criterios apropiados para definir el % de cal.7. Especificaciones INVIAS.



395-oct-03


4.1 Caracterización del suelo a tratar

GranulometríaLímites de consistencia (LL, LP, IP)Contracción por secadoPeso específicoContenido de materia orgánicaDensidad y humedadHinchamiento o expansiónResistencia (Compresión inconfinada – CBR)



405-oct-03


4.2 Selección del % de Cal recomendado para la estabilización de subrasantes y de bases.

Con el Indice Plástico % y el Porcentaje pasa Tamiz 40 se escoge el porcentaje de cal hidratada - de Ca(OH)2.

Ejemplo: IP = 39% y Pasa Tamiz 40 = 55%, el % de cal es de 4.25%.



415-oct-03

PORCENTAJES DE CAL RECOMENDADOS PARA LA ESTABILIZACIÒN DE SUBRASANTES Y BASES



425-oct-03


4.2 Selección del % de Cal recomendado para la estabilización de subrasantes y de bases.

Cal comercial usada: 60% de Ca(OH)2.

IP = 39% y Pasa Tamiz 40 = 55%, el % de Cal es de 4.25% ( 90% de Ca(OH)2)

% de cal comercial para estabilizar: 4.25 x (90/60) = 6.38%, se adopta el 6.5%.



435-oct-03


4.3 Preparación de las mezclas y de las probetas

La cantidad de cal se determina en función del peso seco de los suelos.Primero se mezcla el suelo seco con la cal y posteriormente se le adiciona el agua.Se preparan mezclas con cuatro puntos. (Ejemplo: 5.5%, 6.0%, 6.5% y 7.0%)Las probetas se compactan con la energía del Próctor Estándar o modificado, según la norma.



445-oct-03

5.DISEÑO DE MEZCLAS SUELO – CALPROCEDIMIENTO DE DISEÑO

4.4 Curado de las probetas

El tiempo, temperatura y humedad durante el tiempo de curado debe ser cuidadosamente controlado. (7 días en cámara húmeda).Las condiciones de curado de laboratorio deberán correlacionarse con las condiciones de campo.



455-oct-03


4.5 Ensayo de las probetas

Propiedad Ensayo Recomendado

Estabilidad Volumétrica

Presión de expansiónExpansión libre

Resistencia Mecánica

Compresión inconfinadaCBR con y sin inmersiónEnsayos triaxiales



465-oct-03




Permeabilidad Permeabilidad con cabeza variableConsolidación

Compactación Próctor estándarPróctor modificado



475-oct-03




Absorción y capilaridad

AbsorciónCapilaridad

Estabilidad Hídrica

Estabilidad

Límites de consistencia

Límite líquido y plásticoContracción por secado



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4.6 Criterios apropiados para definir el % de Cal

Para mezclas suelo cal utilizadas como capas de un sistema estructural de pavimentos, se especifican valores mínimos de resistencia.Según INV – E – 801 de INVIAS: (Compresión inconfinada)Subrasante o subbases: 3.5 Kg/cm2. (CBR > 60%)Bases: 7.5 Kg/cm2 (CBR > 80%)



495-oct-03


4.6 Criterios apropiados para definir el % de Cal

CRITERIO DEL DR. CELESTINO RUIZ.CBR 0.4 – 0.5 del suelo tratado con cal, con inmersión = CBR 0.1- 0.2 del suelo sin tratar, sin inmersión. La capa estabilizada se comporta de manera similar a una capa granular.



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4.7 Especificaciones INVIAS

Norma Contenido

INV-E-801INV-E-802INV-E-803INV-E-804INV-E-805

Resistencia de mezclasContenido de cal mezclasContenido de cal mezclasExpansión – contracciónPreparación de mezclas



515-oct-03

5. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CON CAPAS SUELO - CAL

Parámetros de diseño: CBR%, N.Modelación de la Estructura del Pavimento

Capa Asfáltica, h1, µ1, E1

Base granular, h2, µ2, E2

Subbase tratada con calh3, µ3, E3

Subrasante ∞, µ4, E4



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5.DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CON CAPAS SUELO - CAL

CONDICIONES DEL DISEÑO

Garantizar que no se presentará prematuramente la falla estructural debido a las tensiones de la capa superior, o sea por Fatiga. εr1.Garantizar que no se presentará prematuramente la falla funcional por acumulación de deformaciones plásticas de la subrasante que alteran los perfiles longitudinales y transversales de la vía. σz2



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6.PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION DE CAPAS CON CAL

El procedimiento de construcción de capas con cal comprende:

1. Escarificación y pulverización2. Fórmula de trabajo y espaciado de la cal 3. Uniformidad del mezclado4. Curado preliminar5. Compactación6. Curado final



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COLOCACIÓN DEL MATERIAL A ESTABILIZAR SOBRE LA SUBRASANTE EXISTENTE. EQUIPO DE TRABAJO:

MOTONIVELADORA, PULVIMEZCLADORA, CILINDRO COMPACTADOR



555-oct-03

PULVIMEZCLADORA, EQUIPO DE MEZCLADO DEL SUELO CON LOS ESTABILIZANTES



565-oct-03

EQUIPO DE TRABAJO: MOTONIVELADORA, PULVIMEZCLADORA, VOLQUETA Y COMPACTADOR



575-oct-03

DISTRIBUCIÓN DEL MATERIAL A ESTABILIZAR, SOBRE LA CAPA DE SUBBASE EXISTENTE



585-oct-03

DISTRIBUCIÓN DEL MATERIAL A ESTABILIZAR, RETIRO DE SOBRETAMAÑOS



595-oct-03

ALMACENAMIENTO DEL NEUTRALIZANTE UTILIZADO: HIDRÓXIDO DE CALCIO



605-oct-03

ELABORACIÓN DE CUADRÍCULA DISEÑADA PARA LA COLOCACIÓN

DEL HIDRÓXIDO DE CALCIO



615-oct-03

COLOCACIÓN DE LAS BOLSAS DE HIDRÓXIDO DE CALCIO EN ESTADO HÚMEDO, EN LA CUADRÍCULA

DISEÑADA.



625-oct-03

COLOCACIÓN DE LAS BOLSAS DE HIDRÓXIDO DE CALCIO EN ESTADO HÚMEDO, EN LA CUADRÍCULA

DISEÑADA,



635-oct-03

DISTRIBUCIÓN DEL NEUTRALIZANTE: HIDRÓXIDO DE CALCIO



645-oct-03

MEZCLADO DEL NEUTRALIZANTE CON EL SUELO CON LA PULVIMEZCLADORA



655-oct-03

COLOCACIÓN DEL ESTABILIZANTE DYNASOLO D-S328 CON EL AGUA DE COMPACTACIÓN



665-oct-03

CONTINUIDAD DE LOS TRABAJOS DE ESTABILIZACIÓN



675-oct-03

LABORES DE MEZCLADO CON PULVIMEZCLADORA Y COLOCACIÓN DEL RIEGO DE HUMECTACIÓN CON EL

ESTABILIZANTE



685-oct-03

TRABAJO DE COMPACTACIÓN Y TOMA DE MUESTRAS DEL SUELO ESTABILIZADO PARA EL

CONTROL DE CALIDAD



695-oct-03

7.OPERACIONES DE CONTROL Y ESPECIFICACIONES

El interventor debe verificar: (Art 300 Normas de INVIAS)

La fórmula de trabajo (Kg de cal/m2)La humedad de compactaciónLa densidad de compactaciónEl espesor de la capa tratadaLa cantidad de cal de la mezclaLa homogeneidad de la mezclaEl grado de compactaciónEl curado de la capa tratada



705-oct-03

CURVA DE CALIBRACION DE LA MEZCLA SUELO - CAL

0

5

10

15

0 2 4 6 8 10 12

Porcentaje de Cal, %

PH

PH



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BIBLIOGRAFIA

SANCHEZ, Fernando. Estabilización de suelos con cal. Popayán: Instituto de Vías, Universidad del Cauca, 1976, 63 p.

DORFMAN, Boris. Estabilización de suelos. Seminario. Popayán: Universidad del Cauca, 1988, 352 p.

RUIZ, Celestino. .Sobre el criterio de calidad de los suelos cohesivos corregidos o estabilizados con cal. Seminario. Popayán: Universidad del Cauca, 1988, 352 p.

HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Curso de estabilización de suelos. Popayán: 2000, 80 p.

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