Una forma conocida de estabilizar las arcillas y los limos blandos es mezclarlos «in situ» con cal viva (CaO). Ocurre una reacción puzolánica entre la cal y los minerales de la arcilla, que produce silicato de calcio, un compuesto duro y resistente, lo que aumenta la resistencia y reduce la plasticidad del material primitivo. Así, la arcilla blanda se convierte en una arcilla firme parecida a una costra seca. De esta forma, por ejemplo, se pueden estabilizar terraplenes de arcilla al entremezclarles capas de cal. El suelo blando que queda fuera de la zona tratada apenas se ve afectado.
La mezcla «in situ» produce una mejora significativa de la resistencia al corte del suelo mediante una serie de efectos positivos, entre los que se incluyen:
- El calor de la reacción exotérmica de la cal y/o del cemento con el agua del suelo reduce el contenido de humedad del suelo, lo que aumenta su resistencia.
- El intercambio iónico de la química de la arcilla de sodio por calcio hace que las partículas se agreguen, lo que aumenta la permeabilidad.
- Efecto cementante del calcio en la cal.
Sin embargo, el sistema que vamos a recoger en este artículo consiste en ejecutar columnas de cal («lime columns» o «lime piles«), previas a una perforación vertical del terreno. La cal viva, finamente molida, se mezcla con la arcilla blanda mediante una máquina de columnas de cal (Figura 1). Las columnas de cal, de hecho, constituyen una técnica de mejora del terreno mediante la inclusión de un material resistente, siendo una variante de las columnas de suelo-cemento. Se trata de una técnica de estabilización profunda en vía seca aplicable a suelos blandos para mejorar sus características geomecánicas, aumentar la estabilidad, la resistencia al corte, la capacidad portante, la compresibilidad y controlar la permeabilidad.
El efecto que produce una columna de cal es un aumento en la cohesión promedio a lo largo de una superficie de rotura activa, aunque este efecto de la cal sobre la resistencia del terreno es diferente en los distintos tipos de suelo. Además, el calor generado por la hidratación de la cal viva también reduce el contenido de agua de los suelos arcillosos, lo que acelera la consolidación y aumenta la resistencia. Las columnas de cal pueden utilizarse para el soporte de cargas, la estabilización de taludes naturales y cortados y como sistema de contención de excavaciones.
Las columnas de cal son apropiadas para suelos que contengan al menos un 20% de arcilla, y el contenido de limo y arcilla debe ser, como mínimo, del 35%. Se puede agregar yeso para ayudar a estabilizar los suelos orgánicos con un contenido de humedad de hasta 180%. Al añadir yeso a la cal, la resistencia no drenada puede ser tres veces mayor que con la cal sola. Las columnas de cal son especialmente eficaces cuando la temperatura del suelo es elevada, ya que el ritmo de endurecimiento de las columnas es más rápido.
En la Figura 2 se observa el procedimiento para construir una columna de cal. Se introduce cal viva a través de la barra kelly de una perforadora en cuyo extremo se encuentra una batidora o mezcladora. Se pueden conseguir fácilmente diámetros de columna superiores a 0,50 m y profundidades de 10 a 15 m. Las columnas mejoran la capacidad portante de la arcilla blanda en función de la separación entre ellas.
En la Figura 3 se muestran las fases constructivas de la columna de cal. En primer lugar (I) se introduce la barra mediante una broca batidora. Al alcanzar la profundidad especificada (II), la herramienta retorna a la superficie. Por último, al regresar la broca a la superficie (III), la herramienta gira mientras el flujo de aire a presión lleva cal viva hasta el fondo.
Un inconveniente de las columnas de cal es que pueden actuar como drenajes, lo que disminuye su capacidad portante con el tiempo debido a la lixiviación de aguas subterráneas ligeramente ácidas. La mezcla de cal y arcilla puede ser más sensible a las heladas que el suelo por sí solo. A veces, el material de la columna aparece como grumos del tamaño de una caja de cerillas, resultado de las variaciones en la reacción química. También puede agrietarse en capas a intervalos de 20-50 mm y presentar una mayor debilidad en el centro. Por estas razones, los ensayos de mezclas de laboratorio no suelen compararse bien con las pruebas de campo.
En las columnas de cal-cemento se añade cemento Portland a la cal. Normalmente las proporciones de cal/cemento en porcentaje por peso son 50/50. La arcilla combinada con cal y cemento en las columnas no es homogénea. Cuando se mezcla con cal y cemento, se forman grumos de arcilla estabilizada. La resistencia al corte en las juntas entre los grumos es menor que la de los grumos.
Referencias:
BROMS, B.B.; BOMAN, P. (1979). Lime columns – A new foundation method. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 105(4): 539-556.
ROGERS, C.D.F.; GLENDINNING, S. (1997). Improvement of clay soils in situ using lime piles in the UK. Engineering Geology, 47:243-257.
YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
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