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Estudio del carbonato de calcio como agente estabilizador de subrasante

 

Study of calcium carbonate as a subgrade stabilizer agent Authors

 

Estudo do carbonato de c�lcio como agente estabilizador do subleito

 

	Diego Andr�s Mac�as-Garc�a I dmacias2370@utm.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-4090-2805
	Eduardo Humberto Ortiz-Hern�ndez II eduardo.ortiz@utm.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-1885-6005

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: dmacias2370@utm.edu.ec

 

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de marzo de 2022 *Aceptado: 12 de abril de 2022 * Publicado: 28 de julio de 2022

 

1. Maestr�a de Ingenier�a Civil Menci�n en Vialidad, Instituto de Postgrado, Universidad T�cnica de Manab�,� Portoviejo, Ecuador.
2. Departamento de Construcciones Civiles, Facultad de Ciencias Matem�ticas, F�sicas y Qu�micas, Universidad T�cnica de Manab�, UTM, Av. Jos� Mar�a Urbina, Portoviejo, Ecuador.

 

 

Resumen

En este art�culo se presenta la realizaci�n de un estudio del carbonato de calcio como agente estabilizador, mediante un an�lisis comparativo de suelo estabilizado y natural; procedente del sector la Papaya del cant�n Rocafuerte, para su uso en subrasante de v�as. En donde se compararon propiedades f�sicas, mec�nicas y de resistencia de los suelos. Se plantearon tres ensayos para determinar el suelo m�s desfavorable, para esto se realizaron tres extracciones de suelo a lo largo de la v�a Rocafuerte-Tosagua y a estos se les agreg� diferentes porcentajes de carbonato de calcio para evaluar su comportamiento y determinar la mezcla que aporta mayor resistencia. al analizar los resultados se concluye que el suelo objeto de estudio es arcilla de alta plasticidad, en su estado natural no cumple con los requisitos para ser usado como subrasante, y al ser ensayado con los diferentes porcentajes se alcanzan los mejores resultados de resistencia con el 8% de carbonato de calcio, y llega a cumplir los par�metros normativos para ser usado en subrasante de v�as.

Palabras Clave: Vialidad; estudio de suelos; extracci�n y resistencia de suelos; minerales; an�lisis comparativo.

 

Abstract

This article presents a study of calcium carbonate as a stabilizing agent, through a comparative analysis of stabilized and natural soil; from the Papaya sector of the Rocafuerte canton, for use in road subgrade. Where physical, mechanical and resistance properties of soils were compared. Three tests were proposed to determine the most unfavorable soil, for this three soil extractions were carried out along the Rocafuerte-Tosagua road and different percentages of calcium carbonate were added to these to evaluate their behavior and determine the mixture that provides the greatest endurance. When analyzing the results, it is concluded that the soil under study is highly plastic clay, in its natural state it does not meet the requirements to be used as a subgrade, and when tested with the different percentages, the best resistance results are achieved with the 8% calcium carbonate, and it meets the regulatory parameters to be used in road subgrade.

Keywords: Roads; soil study; soil extraction and resistance; minerals; comparative analysis.

 

 

Resumo

Este artigo apresenta um estudo do carbonato de c�lcio como agente estabilizador, atrav�s de uma an�lise comparativa de solo estabilizado e natural; do setor La Papaya do cant�o de Rocafuerte, para uso em subleito rodovi�rio. Onde foram comparadas as propriedades f�sicas, mec�nicas e de resist�ncia dos solos. Tr�s ensaios foram propostos para determinar o solo mais desfavor�vel, para isso foram realizadas tr�s extra��es de solo ao longo da estrada Rocafuerte-Tosagua e diferentes porcentagens de carbonato de c�lcio foram adicionadas a estes para avaliar seu comportamento e determinar a mistura que proporciona a maior resist�ncia. Ao analisar os resultados, conclui-se que o solo em estudo � uma argila altamente pl�stica, em seu estado natural n�o atende aos requisitos para ser utilizado como subleito, e quando testado com as diferentes porcentagens, os melhores resultados de resist�ncia s�o alcan�ados com o carbonato de c�lcio a 8%, e atende aos par�metros regulat�rios para uso em subleito rodovi�rio.

Palavras-chave: Estradas; estudo do solo; extra��o e resist�ncia do solo; minerais; an�lise comparativa.

 

Introducci�n

Ecuador, al ser un pa�s en v�as de desarrollo necesita mejorar la calidad de sus carreteras y tener una red vial estatal en �ptimas condiciones para el transporte terrestre que es su principal medio de movilidad. Esto hace que constantemente se est� buscando materiales de calidad y econ�micamente factibles para lograr construir carreteras durables ante el incremento vehicular.

Actualmente, se viene presentando problemas en las estructuras de pavimento, es all� donde se vio la necesidad de evaluar par�metros como CBR tanto en campo como laboratorio (Vera, C. A. M., Delgado, J. R. G., Hern�ndez, E. H. O., & V�nces, J. J. G., 2019) Con estos antecedentes, se ha seleccionado un sitio de inter�s en la costa central continental del Ecuador, como es la provincia de Manab� donde se nota la importancia de mejorar la calidad de los materiales empleados en los dise�os de estructura de pavimento, ya que estas presentan notables deterioros y problemas de fisuramiento en ha sido han sido identificados en varios tramos viales (Hern�ndez, E. H. O., Moncayo, E. H. O., & S�nchez, L. K. M., 2018).

En la v�a Rocafuerte-Tosagua se nota gran cantidad de fisuras considerables en las losas de hormig�n, producto de asentamientos y cambios volum�tricos de la subrasante. Cuando los suelos est�n en contacto con el agua y se los somete a diferentes solicitaciones de cargas, presentan un comportamiento inadecuado y no deseado para los requerimientos del proyecto (G�mez P�rez, Guillin Acosta, & Gallardo Amaya, 2016).

Los suelos que contienen minerales expansivos como la montmorillonita en gran cantidad presenta variaciones volum�tricas altas y presentan baja resistencia a la capacidad portante.�  Cabe anotar que, tanto en la evaluaci�n de las propiedades f�sicas como en la evaluaci�n de los suelos mediante ensayos especiales, existen diferentes factores que influyen en los resultados como, por ejemplo: la sensibilidad de las arcillas, la perturbaci�n de las muestras, etc (Castro Cuba Valencia, 1992).

Un estudio vial contempla numerosos par�metros geot�cnicos entre estos las caracterizaciones del suelo, m�s aun cuando estos son desfavorables y se necesitan ser mejorados, mediante estabilizaci�n (Aller, 2008).

La estabilizaci�n de suelos mediante agentes estabilizadores es una soluci�n alternativa a la sustituci�n por otro de alta capacidad portante e incluso de otros agentes estabilizadores, que tienen importantes ventajas econ�micas y medioambientales frente a otro tipo de soluciones. (Sociedad Espa�ola de Mec�nica del Suelo e Ingenier�a Geot�cnica, 2016).

La estabilizaci�n de los suelos con cementos hidr�ulicos se configura en una soluci�n interesante, ya que con esto se� mejorar� su� resistencia y la cementaci�n de suelos suele ser el resultado de la precipitaci�n y cristalizaci�n de un compuesto, el carbonato calcio (CaCO3) es uno de los agentes cementantes m�s importantes en la estabilizaci�n de la subrasante (Ruge Cardenas , Molina Gomez , & Pinto da Cunha, 2021).

En este estudio, se analiz� el efecto de usar carbonato de calcio como agente estabilizador de suelos arcillosos de subrasante, buscando mejorar las propiedades de resistencia, plasticidad y como agente estabilizante, en donde se realizaron varias mezclas de suelo con diferentes porcentajes de carbonato de calcio, una vez realizadas estas combinaciones se procedi� a elaborar los ensayos; y, posteriormente comparar los resultados que ayudar�n a cumplir el objetivo de: determinar el efecto del carbonato de calcio en la resistencia del suelo y obtener el porcentaje �ptimo del agente para estabilizar.

 

 

Materiales y m�todos

(Garnica Anguas, 2002) dijo que el dise�o de estabilizaciones con agentes estabilizantes, consiste en llevar a cabo una adecuada clasificaci�n del suelo con la cual se determina el tipo y cantidad de agente estabilizante, as� como el procedimiento para efectuar la estabilizaci�n. El m�todo de dise�o obviamente depende del uso que se pretenda dar al suelo estabilizado.

De tal forma, que para cada suelo reacciona de manera diferente a determinadas sustancias, por lo que se tiene que, hay un estabilizante �ptimo para cada tipo de suelo con el cual tendremos los mejores resultados, como se visualiza en la tabla 1:

 

Figura 1: Respuesta a la estabilizaci�n de los principales tipos de suelos (Fernandez-Espinar y Lopez , 1982)

 

Seg�n (Mora Zabala, 2013) 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, el suelo de la v�a Rocafuerte -Tosagua en el sector La Papaya, es un suelo eminentemente arcilloso y donde las esmectitas, del cual se clasifica la montmorilonita, son el mineral predominante. Ello justifica desde un punto de vista mineral�gico el comportamiento fuertemente expansivo del material.

Esto nos indica que el agente mas propicio para el tratamiento de este tipo de suelos es la cal. Seg�n (Mora Zabala, 2013) las calles a�reas producen al mezclarse con un suelo fino arcilloso una reacci�n� r�pida de floculaci�n e intercambio i�nico, con formaci�n de grumos friables. Con una peque�a adici�n de cal, el aspecto del suelo pasa a ser �granular�, m�s f�cil de manejar. Las reacciones qu�micas reducen r�pidamente la plasticidad del suelo y su hinchamiento, mejoran su compactibilidad y aumentan su capacidad de soporte.

La cal es un producto derivado de la piedra caliza que es el estado natural del carbonato de calcio CaCO3, adem�s tambi�n la cal u �xido de calcio es un producto que se obtiene calcinando piedra caliza en hornos de cal, es decir, calentando las piedras calizas en bruto en un horno a temperaturas aproximadas a los 1.000�C. En el proceso de calentamiento de la piedra caliza, la piedra libera di�xido de carbono, dejando el �xido de calcio:

La reacci�n Qu�mica: CaCO3 produce CaO + CO2;������������������

El carbonato de calcio CaCO3 conocido tambi�n como piedra caliza, que al ser calentada en el horno produce: CaO �xido de calcio y� CO2 di�xido de carbono. En conocimiento que el principal uso del carbonato de calcio es en la industria de la construcci�n, ya sea como material de construcci�n o como agregado de piedra caliza, para la construcci�n de carreteras o como ingrediente en el cemento, el cual tiene similares fines constructivos que el �xido de calcio, por lo que es propicio su estudio para determinar el beneficio en la construcci�n de subrasantes de suelo natural.

En la presente investigaci�n se utiliz� el Carbonato de Calcio Nutricalcio 200, con concentraci�n de 97% (CaCO3) que se produce de origen de piedra caliza de la cordillera Chongon Colonche en la provincia de Guayas, producto seg�n las especificaciones de la norma t�cnica ecuatoriana (NTE INEN 244, 2010) y NTE INEN 022, como se muestra en la tabla 2.

 

Figura 2: An�lisis F�sico (INDAMI, 2019)

 

El objeto de estudio en esta investigaci�n fue tratar de mejorar las caracter�sticas del suelo estabiliz�ndolo con carbonato de calcio en diferentes porcentajes, mezcl�ndolo con el suelo natural de manera experimental de 4, 8 y 12%. El sitio donde se extrajeron las muestras fue de la v�a Rocafuerte � Tosagua sector Papaya, perteneciente a la provincia de Manab�. Se ensayaron tres muestras de suelo, de los cuales se tomaron los datos de la muestra m�s desfavorable y de ese suelo se procedi� a realizar la mezcla para su estabilizaci�n.

Para la caracterizaci�n del suelo se realizaron los ensayos de contenido de humedad seg�n la norma (ASTMD-2216, 2019), granulometr�a seg�n la norma (ASTMC-117, 2017) y (ASTMC-136, 2015) y l�mites de atterberg seg�n la norma (ASTMD-4318, 2017).

 

An�lisis y discusi�n de resultados

Una vez realizados los ensayos de laboratorio de mec�nica de suelos, se procedi� a evaluar los par�metros obtenidos a diferentes profundidades de 0.50, 1.00, 1.50 metro, lo cual permiti� describir e identificar las caracter�sticas de suelo seg�n como se ilustra la Tabla 3.��

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(%W) Humedad natural ;(LL) Limite liquido; (LP) Limite Pl�stico; (IP) �ndice de Plasticidad

 

Figura 3: Caracterizaci�n de suelos de la v�a Rocafuerte -Tosagua

 

Con los valores obtenidos, se calcul� el �ndice de plasticidad como se menciona en la ecuaci�n 1, resultados que nos ayud� a la clasificaci�n� de suelo (SUCS)� seg�n la norma (ASTMD-2487, 2017) figura 1. Los suelos que predominaron en el sector corresponde a tipo CH que son arcilla de alta plasticidad que posteriormente tambi�n lo clasificamos por el m�todo (AASHTO) con la que determinamos que tipo de suelo� influye obteniendo un A-7-6 que en su descripci�n corresponde a una subrasante� de regular a mala; Adem�s estos presentan un comportamiento de hinchamientos y contracci�n el cual son perjudiciales en las obras civiles. (AASHTOM145-91, 2012).

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Ec (1)

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4: Clasificaci�n de suelo natural en carta plasticidad de SUCS

 

Una vez realizados los ensayos de laboratorio, y con la adici�n del carbonato de calcio en diferentes porcentajes de 4, 8 y 12% para arcillas de alta plasticidad, se obtienen los siguientes resultados como se ilustra en la tabla 4, donde se ve claramente que hay un decrecimiento en la plasticidad, a medida que se incremente el porcentaje de carbonato de calcio. Una vez obtenidos los resultados de los ensayos de laboratorio de l�mites de Atterberg en suelo estabilizados, se pudo observar importantes cambios y variaciones, que ser�n de beneficio para la construcci�n a futuros empleando este tipo de estabilizaci�n.

 

Figura 5: Resultados de los ensayos de l�mites de Atterberg con la adici�n de carbonato de calcio en diferentes porcentajes en el suelo arcilloso

 

Para continuar con el estudio del agente estabilizante, se realiz� el� ensayo de compactaci�n o Proctor, aplicando la norma (AASHTOT-180, 2002); en el que se analiz� al suelo natural y posteriormente al suelo estabilizado con los porcentajes de 4, 8 y 12% de carbonato de calcio.

 

Figura 6: Resultados de ensayo de compactaci�n o Proctor en el suelo natural con su estabilizaci�n de suelos al 4, 8 y 12% de carbonato de calcio

 

 

Figura 7: Comparaci�n de curva de densidades m�ximas del ensayo Proctor

 

 

 

De acuerdo con los ensayos de proctor realizados al suelo natural, se obtuvo un valor de 1348 Kg/m³ de densidad m�xima seca y 25.40% de humedad optima; Posteriormente, al estabilizar el suelo con 4%� de carbonato de calcio CaCO3 a�adido, se obtuvo un valor de 1582 Kg/m³ de densidad m�xima seca y 23% de humedad �ptima.

El suelo estabilizado con 8% de CaCO3 obtuvo un valor de 1795 Kg/m³ de densidad m�xima seca y 19.30% de humedad �ptima. Los resultados del ensayo de compactaci�n de suelo estabilizado con 12% de CaCO3� alcanz� un valor de 1860 Kg/m³ de densidad m�xima seca y 18% de humedad �ptima.

Otro ensayo que se realiz� es el de Relaci�n de Soporte de California o llamado CBR, seg�n la norma (ASTMD-1883, 2021). Este ensayo se lo realiz� al suelo en estado natural, y luego al mismo se lo estabiliz� con los diferentes porcentajes de CaCO3 para posteriormente compararlos. Los resultados del CBR del suelo natural y estabilizado pueden visualizarse en la tabla 6.

 

Figura 8: Resultados de ensayo de Relaci�n de Soporte de California CBR

 

El suelo objeto de estudio es un suelo arcilloso de muy pobre resistencia y de l�mites, medianamente altos que lo hacen inadecuado para su uso como subrasante. Seg�n la norma AASHTO estos suelos son regulares o pobres para su uso en terrapl�n y presentan grandes variaciones volum�tricas en �pocas de lluvia. (AASHTOM145-91, 2012).

Ya identificado el tipo de suelo, se realiz� la estabilizaci�n con los diferentes porcentajes de carbonato de Calcio para realizar los diferentes ensayos de l�mites de Atterberg, Proctor y CBR. En la combinaci�n con CaCO3 se observa que hay una disminuci�n tanto de los LL y LP conforme se va incrementando el porcentaje de carbonato de calcio a�adido, lo que conlleva a una reducci�n del �ndice de pl�stico (IP), adem�s con que conforme se va a�adiendo Carbonato de Calcio a la mezcla se va incrementando el valor de la capacidad portante del suelo (CBR9 y a su vez el esponjamiento va disminuyendo considerablemente. La norma (NEVI12, 2013) en el cap�tulo 306-3.03 de clasificaci�n de los materiales, nos indica que los suelos para construcci�n de terraplenes se clasifican de la siguiente manera:

 

Figura 9: Clasificaci�n de los materiales seg�n las normas (NEVI12, 2013)

 

El suelo natural tiene LL=59,22 y IP= 27,06; teniendo caracter�sticas de suelo tolerable,

El suelo estabilizado con el 4% de carbonato de calcio presenta un LL= 51,68 y IP= 24,03; teniendo caracter�sticas de suelo tolerable.

�El suelo estabilizado con el 8% de carbonato de calcio tiene un LL= 42,69 y IP= 18,09; teniendo caracter�sticas de suelo tolerable.

El suelo estabilizado al 12% de carbonato de calcio tiene LL= 37,81 y IP= 15,16; teniendo caracter�sticas de suelo adecuado.

La norma (NEVI12, 2013) en el cap�tulo 306-4,01, menciona los siguientes requisitos para construcci�n de terraplenes:

 

 

 

Figura 10: Requisitos para construcci�n de terraplenes seg�n las normas (NEVI12, 2013)

 

La condici�n que presenta la subrasante en esta investigaci�n es considerada como baja la cual posee una capacidad portante de CBR 2,2%, por lo que no cumple con los requerimientos seg�n las normas (NEVI12, 2013) como se menciona en la tabla 8.

En suelos estabilizado al 4% de Carbonato de calcio se obtuvo un CBR de 4,7%, por lo que seg�n menciona las normas NEVI este material ser� utilizado solamente como N�cleo y Cimiento de terraplenes. Posteriormente se estabilizo con el 8% de Carbonato de Calcio obteniendo un CBR de 6.7%, en donde podr� ser utilizado como parte del terrapl�n en la zona de coronaci�n. Con el 12% de Carbonato de Calcio este tuvo un incremento considerable de CBR de 7,3% en donde podr� ser utilizado en la zona de coronaci�n del terrapl�n.

 

Conclusiones.

�                    EL efecto que produce el carbonato de calcio en el suelo es disminuir la humedad natural, l�mites l�quidos, e �ndice pl�stico, con los que podemos asegurar menores variaciones volum�tricas producto de la humedad; tambi�n se logr� incrementar la resistencia a la capacidad portante del suelo, con lo que se logr� ser apto para su uso como subrasante en v�as.

�                    El sector presenta suelos arcillosos de capacidad portante muy bajas, y de �ndices de plasticidad medianamente altos, generando la necesidad de realizar un cambio de este suelo o estabilizar con agentes estabilizadores.

�                    El porcentaje de carbonato de calcio �ptimo ensayados es cercano al 8%, ya que se alcanza las condiciones requeridas del suelo teniendo un incremento en los par�metros geot�cnicos; en el suelo con 12% estabilizado se nota una gran reducci�n expansivas, y una mejor�a en la capacidad portante.

 

 

 

 

 

Referencias

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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