Estabilización de suelos con cal

Figura 1. Estabilizadora de suelos WR 250 de Wirtgen. http://caltek.com.co/tratamiento-de-suelos-con-cal/

Los trabajos de construcción se ven dificultados por la presencia de arcilla y un alto contenido de agua en un suelo. Una alternativa a la sustitución del suelo es la estabilización mediante cal. El efecto estabilizador de la cal sobre el suelo se obtiene mezclándolo y compactándolo con cal aérea (viva o apagada) y agua. Los suelos más adecuados son los de granulometría fina y notable plasticidad. Se emplea cal con una riqueza en CaO superior al 90%. Dependiendo del caso, se agrega un 4-7 % de cal apagada o del 2-5 % de cal viva sobre el peso seco del suelo. Hay que proteger a los operarios si se emplea la cal viva, evitando el contacto con la piel. La mezcla se puede realizar “in situ” (Figura 1) o en central. Algunos autores (Bouzá, 2003) diferencian entre la mejora y la estabilización de un suelo con cal en función de la ganancia mínima de resistencia a compresión simple sobre el valor inicial del suelo de 350 kPa.

La cal viva (óxido de calcio) seca de forma efectiva la humedad del suelo por hidratación y evaporación, al reaccionar de forma exotérmica. Se puede bajar entre un 2% y un 5% la humedad en función de la cal añadida y las condiciones del suelo. Este proceso es inmediato tras adicional la cal. Otro efecto inmediato es una reacción rápida de floculación e intercambio iónico que modifica la granulometría, la textura y la compacidad del suelo, así como la propiedad de retener el agua. A continuación, se forman nuevos productos químicos mediante una reacción muy lenta de tipo puzolánico, elevándose el pH del suelo a valores en torno al 12,5. La sílice y la alúmina del suelo se combinan con la cal en presencia de agua para formar silicatos y aluminatos cálcicos insolubles, lo que supone una mejora de las características resistentes, así como una mayor estabilidad frente a las heladas.

El proceso de ejecución “in situ” pasa por la distribución uniforme de la cal viva o apagada mediante equipos mecánicos con la dosificación fijada de dos formas posibles (Cabrera et al., 2012):

  • Por vía seca, extendiendo previamente la cal en forma de polvo o granes sobre la superficie de trabajo, antes de mezclarla con el suelo.
  • Por vía húmeda, en forma de lechada de cal hidratada o apagada elaborada previamente por equipos mecánicos.

Estos tratamientos se utilizan cuando es imposible disponer de materiales alternativos, pues su coste puede ser limitante en caso contrario. Su uso habitual es en capas de subbase y base para pavimentos de viales y carreteras, infraestructuras de ferrocarriles y pistas aeroportuarias para aumentar su capacidad portante y reducir su susceptibilidad al agua de suelos arcillosos. Los suelos a tratar con cal no contendrán materia orgánica o vegetal, ni elevados contenidos de sulfatos solubles. En el caso de subbases y bases de firmes, el suelo antes del tratamiento no contendrá partículas de tamaño superior a 80 mm o a la mitad del espesor de la tongada compactada. Además, el rechazo del tamiz 0,080 UNE será inferior al 85% en peso. La efectividad del tratamiento depende del nivel de arcilla presente (al menos, del 7%) y de su capacidad para reaccionar.

La estabilización con cal aumenta tanto el límite líquido como el plástico, así como muy ligeramente su índice de plasticidad en suelos con IP<15. Sin embargo, reduce el índice plástico en los suelos de plasticidad media-alta (IP>15), desactivando total o parcialmente la actividad de las arcillas, consiguiendo de esta forma una menor susceptibilidad al agua. Asimismo, permite densificar suelos con una humedad natural elevada al incrementar la humedad óptima de compactación. No obstante, la estabilización con cal disminuye la densidad máxima Proctor del suelo original. Como contrapartida, se incrementa el esfuerzo cortante con el porcentaje de cal, el tiempo transcurrido, la temperatura de curado y la disgregación del suelo durante la ejecución.

El suelo se desmenuza fácilmente y se vuelve granular con la cal. El aumento del límite plástico y de la humedad óptima de compactación facilitan su puesta en obra. El mezclado se realiza habitualmente en dos etapas, con un tiempo de reacción intermedio de 1 a 2 días. Los equipos modernos de mezclado “in situ” disponen de un mezclador situado en la parte central de la máquina (Figura 2). Esta cámara de mezclado puede tener unas barras de impacto en su zona delantera para disgregar las partículas gruesas, y una o dos compuertas de apertura regulable, y un sistema de difusores para la distribución del agua, lechada o aditivos de líquidos.

Figura 2. Estabilización “in situ” mediante un rotor de fresado y mezcla. https://www.wirtgen-group.com/es-bo/aplicaciones/obras-de-movimiento-de-tierras/estabilizacion/

Los suelos granulares suelen estabilizarse con cemento, pero se puede usar cal, sobre todo si se añaden cenizas volantes. A largo plazo, estas cenizas forman materiales cementantes. Las dosis de cal y cenizas oscilan entre el 3-5 % y el 10-20 %, respectivamente.

En el artículo 512 Suelos estabilizados in situ se establecen las especificaciones para el tratamiento de suelos con cal en el ámbito español de las carreteras. Los suelos estabilizados in situ S-EST1 y S-EST2 se pueden conseguir con cal o con cemento. El S-EST3 se obtiene solo con cemento.

Os dejo a continuación las recomendaciones de la Junta de Andalucía para los pliegos de especificaciones técnicas generales para el tratamiento de los suelos con cal.

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Os dejo un vídeo sobre la estabilización de suelos por la vía húmeda de la Asociación Antera.

Podéis ver a continuación varios vídeos donde se puede ver cómo se ejecuta la estabilización con cal.

Referencias:

BAUZÁ, J.D. (2003). Estabilización de suelos con cal. Mezclas con cemento en las infraestructuras del transporte, Madrid, 30 de enero, 37 pp.

CABRERA, F.; NAVARRO, J.J.; ESTAIRE, J.; RUIZ, M.S. (2012). Nuevas prescripciones de estabilización de suelos con cal para rellenos de terraplén en líneas de alta velocidad de ADIF. Revista Vía Libre – Técnica, 5, pp. 1-9.

JOFRE, C.; KRAEMER, C. (dir.) (2008). Manual de estabilización de suelos con cemento o cal. Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA), 217 pp.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

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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La estabilización de suelos

Figura 1. Suelo mejorado con cemento. https://www.360enconcreto.com/blog/detalle/caracteristicas-del-suelo-cemento-que-y-para-que

No siempre se encuentra el suelo adecuado que garantice la estabilidad y durabilidad de una explanada. Si se une a ello la creciente importancia medioambiental y la presión social por minimizar la apertura de nuevos préstamos y vertederos necesarios para el movimiento de tierras de una infraestructura, es evidente el esfuerzo necesario en utilizar materiales calificados como tolerables, marginales e incluso inadecuados. La estabilización permite reemplazar un suelo de baja calidad por otro estabilizado y mejorado. Se trata de una de las técnicas más antiguas y utilizadas en bases y subbases para uso vial. No obstante, el espesor de la capa del suelo a tratar es relativamente pequeño, por lo que algunos autores no la consideran como una técnica de mejora de terrenos.

La estabilización de un suelo mejora o controla su estabilidad volumétrica, aumenta su resistencia y el módulo esfuerzo-deformación, mejora su permeabilidad y durabilidad y reduce su susceptibilidad al agua. Se requieren ensayos de laboratorio y pruebas de campo para evaluar el rendimiento de la técnica. Se aprovechan los suelos de baja calidad, evitando su extracción y transporte a vertedero, aumenta su resistencia a la erosión, a la helada y otros agentes climáticos, permite la circulación por terrenos impracticables y obtiene una plataforma estable de apoyo del firme de infraestructuras lineales que colabore estructuralmente con el mismo.

Figura 2. Maquinaria para la estabilización de suelos. Fuente: M. López-Bachiller

La compactación y el drenaje del agua son los procedimientos más sencillos de estabilización. Asimismo, se puede mezclar dos o más suelos para obtener un suelo de mejor granulometría, plasticidad o grado de permeabilidad. También se logra mediante aditivos que actúan física o químicamente sobre las propiedades del suelo. Los más utilizados son el cemento y la cal, pero también se usan cenizas volantes, escorias granuladas, puzolanas, ligantes hidrocarbonados fluidos, cloruro cálcico, cloruro potásico, etc. Por tanto, la estabilización puede ser mecánica o química.

La estabilización mecánica se emplea en las explanadas de carreteras mediante compactación o por mezcla del suelo existente con otro de aportación. Por ejemplo, en presencia de un suelo granular sin finos se agregaría otro con finos y cierta plasticidad para conseguir una mezcla de mayor cohesión más fácil de compactar y menos permeable.

El tipo de suelo, el porcentaje de aditivo y la ejecución de la mezcla influyen en el grado de estabilización química. Se denominan suelos mejorados cuando se añaden pequeñas cantidades de aditivo para mejorar ligeramente el suelo. No obstante, ciertos suelos de buena granulometría y pequeña plasticidad mejoran considerablemente con porcentajes mínimos de aditivo.

La estabilización química puede realizarse “in situ” o bien realizarse la mezcla en central. Asimismo, en función de la profundidad del tratamiento, la estabilización puede considerarse como un método de mezcla profunda (“deep mixing method”) o una estabilización en masa (“mass stabilization”). La mezcla profunda de suelos podría clasificarse también como una técnica de mejora por inclusiones rígidas. También podrían incluirse aquí las mezclas de suelos realizadas mediante inyecciones o mediante jet grouting. También es posible dividir la estabilización de suelos en técnicas de mezcla húmeda (“wet soil mixing”), por ejemplo, en el caso de lechadas de cemento, y mezcla seca (“dry soil mixing”), como es el caso de las mezclas con cal y cemento.

Os dejo un enlace al “Manual de estabilización de suelos con cemento o cal” que creo os puede ser de ayuda. También os aconsejo acudir a la página web de ANTER (Asociación Nacional Técnica de Suelos y Reciclado de Firmes).

Aquí os he grabado un pequeño vídeo introductorio a esta técnica.

Asimismo, os dejo algunos vídeos al respecto para que veáis el procedimiento constructivo. Espero que os gusten.

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

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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