Artículo de Investigación
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Recepción: 23 Mayo 2023
Aprobación: 07 Julio 2023
DOI: https://doi.org/10.51372/gacetatecnica242.7
Resumen: La presente investigación tuvo como objetivo comparar los aditivos químicos Consolid 444 y Con-Aid para mejorar la capacidad de soporte de un suelo arcilloso. Las muestras fueron extraídas del tramo de la carretera Pedro Ruiz–San Carlos entre los km 3+000 y 4+000, provincia de Bongará, Perú; asimismo se realizaron ensayos de laboratorio para determinar las propiedades físicas y mecánicas del suelo estabilizado y sin estabilizar. Los resultados obtenidos indicaron que el suelo natural fue clasificado como CL según SUCS, y AASHTO como A-7-6 (17), además con la adición de 0,035% para el aditivo Consolid 444 y 2 ml para el aditivo Con-Aid, se logró un incremento de CBR al 95 % de 5,49% a 28,65% y 24,32% respectivamente. Por otro lado, se verificó que el valor de CBR aumentó, al incrementar los periodos de curado a los 7, 14 y 28 días para ambos aditivos. En conclusión, los aditivos Consolid 444 y Con-Aid mejoraron el comportamiento mecánico del suelo arcilloso, logrando subrasantes excelentes.
Palabras clave: subrasante, suelos arcillosos, CBR, Consolid 444, Con-Aid.
Abstract: The goal of this investigation was to compare the chemical additives Consolid 444 and Con-Aid to improve the bearing capacity of a clayey soil. The samples were taken from the section of the Pedro Ruiz - San Carlos highway between km 3+000 and 4+000, province of Bongará, Peru; likewise, laboratory tests were carried out to determine the physical and mechanical properties of the stabilized and unstabilized soil. The results obtained indicated that the natural soil was classified as CL according to SUCS, and AASHTO as A-7-6 (17), in addition with the addition of 0,035% for the Consolid 444 additive and 2 ml for the Con-Aid additive, an increase in CBR was achieved at 95% from 5.49% to 28,65% and 24,32% respectively. On the other hand, it was verified that the CBR value increased, by increasing the curing periods at 7, 14 and 28 days for both additives. In conclusion, the Consolid 444 and Con-Aid additives improved the mechanical behavior of clayey soil.
Keywords: subgrade, clay soils, CBR, Consolid 444, Con-Aid.
1. INTRODUCCIÓN
La inversión en infraestructura vial es importante para el desarrollo económico de un país, permitiendo el acceso de los diferentes servicios públicos, como mercados, hospitales, fuentes de trabajo. En otras palabras, un país que cuente con una mejor infraestructura vial está en la capacidad de ofrecer una mayor fluidez en el transporte de personas y carga, lo que permite reducir costos y, en consecuencia, mejorar la competitividad, eficiencia y los costos agregados de la economía [1]. En este contexto, según informe del Banco Mundial, las inversiones en infraestructura vial en América Latina no son suficientes, lo que provoca un rendimiento de transporte pobre, llegando a compararse con el África Subsahariana. Es así como, mientras que América Latina cuenta con 0,05km de vía pavimentada por cada kilómetro cuadrado de tierra, los países de Europa tienen 2,1 km, la India 1,3 km, China 0,7 km y los países de América del Norte 0,5km pavimentados [2].
En el Perú, solo el 13,3% de la red vial regional de la Macro Región Norte se encuentra pavimentada, esto equivale a 587,4 km de un total de 4426,4 km. Mientras que, sólo el 2,1% de la red vial vecinal o rural cuenta con una superficie pavimentada, lo que es equivalente a 566,5km de un total de 26745,3 km. Respecto al estado de las carreteras no pavimentadas, se tiene que, el 53,8% de estas se encuentran en estado de afirmado, 27,8% sin afirmar y el 18,4% son trochas [3]. En este sentido, las carreteras no pavimentadas se encuentran expuestas a un mayor deterioro respecto a una vía pavimentada, puesto que la subrasante se encuentra en contacto directo con la acción física del tránsito vehicular, lo que provoca el disgregamiento superficial y la pérdida o exceso de humedad, generando la aparición de fallas superficiales como baches, ondulaciones o ahuellamientos.
Es así que, numerosas investigaciones se han realizado con el propósito de encontrar materiales que, en las proporciones adecuadas, aporten mejoras a las propiedades físicas y mecánicas de los suelos [4]. Por tanto, en la presente investigación era el de comparar los aditivos químicos Consolid 444 y Con-Aid para mejorar la capacidad de soporte de un suelo arcilloso con muestras fueron extraídas del tramo de la carretera Pedro Ruiz–San Carlos en la provincia de Bongará, Perú
2. DESARROLLO
A nivel internacional se han realizado numerosas investigaciones acerca del uso de aditivos para el mejoramiento de los suelos a nivel de subrasante, entre los cuales se puede mencionar el trabajo de M. Supriya, R. N. G. D- Ransinchung, S. Aditya et al. [5], quienes propusieron estabilizar un suelo tipo SC (arena arcillosa), empleando cemento y StabilRoad en distintas dosificaciones. Los resultados indicaron que hubo un rendimiento mecánico al aumentar el valor de CBR y UCS con una dosificación de 2% de cemento + 1% de aditivo, además se obtuvo beneficios económicos al utilizar cemento y StabilRoad. De igual forma en otro estudio, se enfocaron en mejorar las propiedades y aumentar la resistencia de un suelo arcilloso estabilizado con: arena, cal, polvo de horno de cemento (CKD), fibra de vidrio, Addicrete 11 y yeso, se comprobó que se obtuvo mejores resultados al combinar un 47 % de arena, 47 % de arcilla y 6% de cal o CKD con el cual se disminuyó el índice de plasticidad y la humedad óptima, por otro lado, hubo un aumento de la máxima densidad seca y en consecuencia se incrementó el CBR [6].
Así mismo R. Partab, Q. Wenge, P. Huafu et al. [7], investigaron la eficacia de cenizas volantes (AF) y Cemento (OPC) para estabilizar la subrasante, mostrando que al adicionar 20% de cenizas volantes + 8% cemento, se redujo el índice de plasticidad, el potencial de hinchamiento, la humedad óptima, y también la densidad se incrementó; además el CBR aumentó de 2,9% a 10,12%, por otro lado, la compresión no confinada (UCS) aumentó de 86,88kPa a 167,75kPa, respecto al suelo sin estabilizar. En otro estudio, se sustituyó los materiales convencionales con residuos de la extracción del petróleo, mostrando que al agregar un 6% al material granular mejoró el Módulo Resiliente en un 40%, así mismo, el porcentaje ideal para tratar la subrasante es de 4% alcanzando un valor de CBR de 37% [8].
Por otro lado, se evaluó la influencia del polvo de mármol en el rendimiento de la subrasante, mostrando que al adicionar un 10% de dicho polvo, se incrementó la máxima densidad seca y el CBR [9]. En otro estudio, se enfocaron en evaluar el comportamiento de mezclas de suelo arcilloso utilizando escoria de acero; los resultados obtenidos mostraron que la plasticidad del suelo se redujo hasta 0% y el valor de CBR aumentó en un 378,92% con una dosificación de 75% de escoria de acero, sin embargo, la dosis más recomendada fue de 25% debido a que también aumentó el índice de CBR y la densidad [10]. En otra experiencia se realizó pruebas de laboratorio para investigar las propiedades de estabilización de suelos expansivos utilizando piedra pómez y cal; los resultados indicaron que con la adición de un 3% de piedra pómez + 7% de cal, se redujo el hinchamiento de 0,91% para la muestra HM y 0,21% para la muestra SGH a un 0,03%, además la resistencia de los suelos expansivos aumentó de 0,8% a 8,2% para HM y de 0,9% a 6,2% para SGH [11].
En la investigación de P. Kushwaha, A. Singh- Chauhan, S. Swami et al. [12], se centró en estudiar la variación de las propiedades geotécnicas empleando nano químicos estabilizador iónico y copolímero de unión. Según los resultados obtenidos, se verificó que hubo una reducción en el índice de plasticidad, humedad óptima y un aumento de la densidad, además el CBR se incrementó respecto al suelo natural; por otra parte, la compresión no confinada UCS se mejoró de acuerdo con los días de curado. Asimismo, se realizó una investigación para mejorar las propiedades de los suelos pobres de la subrasante empleando polvo de horno de cemento (CKD), mostrando que al adicionar el 20% de CKD con curado por 14 días aumentó el valor de CBR de 3,4% a 48%, en comparación con el suelo sin estabilizar, además se disminuyó el hinchamiento, así mismo, concluyeron que se redujo los espesores de la carpeta asfáltica y base en 80 mm y 75 mm respectivamente, disminuyendo el costo en unos $/25,875 por metro cuadrado [13].
También se llevó a cabo otro estudio para evaluar las propiedades físicas y mecánicas de los suelos de algodón negro (arcillas expansivas), empleando el sistema Consolid 444 y Solidry con la finalidad de reducir el espesor del pavimento y abaratar costos. Los resultados indicaron que la dosificación óptima fue de C-444 (1,75%) y SD (1,75%) mostrando un CBR de 9,53% y 19,986% respectivamente, además al emplear los aditivos químicos se redujo el espesor del pavimento en un 20,89% y el costo en un 15,03% respecto al costo original del suelo sin tratar [14].
Por otro lado, se realizó una investigación basada en analizar el comportamiento físico y mecánico de un suelo A-7-5 estabilizado y sin estabilizar, empleando el aditivo Con-Aid. Los resultados indicaron que el suelo natural presentó un CBR de 13,0% y una expansión de 1,81%, sin embargo, al añadir una dosificación de 0,2% se obtuvo un valor de CBR de 10,5 % y una reducción de expansión de 0,86%, por lo que según el manual de pavimentos de Brasil estos resultados se encuentran en los parámetros para materiales de la subrasante donde deben presentar una expansión, medida en la prueba CBR, menor o igual al 2% y un CBR. ≥ 2%, concluyendo que el suelo en estudio puede ser utilizado en su estado natural [15]. L. Peter, P. K. Jayasree, K. Balan et al. [16], realizaron una experiencia para estabilizar suelos blandos empleando residuos de coco, y al adicionar 2% de medula y 0,6% de fibra de coco el índice de CBR incrementó en un 192% y 335% respectivamente, además con un tratamiento combinado el valor de CBR aumentó en 4,6 veces y el Módulo Elástico (E) paso de 7,92 MPa a 9,66 MPa. En el ámbito nacional, se realizó un análisis comparativo del mejoramiento de la subrasante incorporando cloruro de sodio y el sistema Consolid. Con una dosificación óptima de 6% de cloruro de sodio y 0,045% de CD 444 + 2% de Solidry se obtuvieron buenos resultados en cuanto a resistencia con valores de CBR de 44% y 55,07% respectivamente [17].
3. METODOLOGÍA
La investigación fue de tipo aplicada, con un enfoque cuantitativo, el diseño de la investigación fue experimental. La población de estudio estuvo conformada por la carretera Pedro Ruiz – San Carlos, la cual tiene una longitud total de 10+000km. En el tramo de carretera desde el km 3+000 hasta el 4+000 se realizó una exploración de campo (01 calicata) que, según el Manual de Carreras, Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos del MTC [18], menciona que “para determinar las características físico-mecánicas de los materiales de la sub-rasante se llevarán a cabo investigaciones mediante la ejecución de pozos exploratorios o calicatas de 1,5 m de profundidad mínima” (p. 26) [20].
Se obtuvo 570kg de suelo para realizar ensayos de granulometría, valor equivalente de arena, límites de Atterberg, contenido de humedad, Proctor modificado y CBR con la finalidad de determinar las propiedades físicas y mecánicas del suelo natural, y parte de la muestra se utilizó para realizar 32 Proctor modificado y 72 CBR para el suelo mejorado con los aditivos químicos Consolid 444 y Con-Aid.
Se estableció una matriz de dosificación de aumento gradual para el aditivo Consolid 444 (0,035%, 0,040%, 0,045% y 0,050%), lo mismo para el aditivo Con-Aid (2,00ml, 3,00ml, 4,00ml y 5,00 ml) mostrado en las Tablas 1 y 2.
Matriz de dosificación aditivo Consolid 444.
Fuente: los autores
Matriz de dosificación aditivo Con-Aid.
Fuente: los autores
El plan de dosificación consistió en mezclar el suelo con los aditivos de manera uniforme para que todas las partículas de la arcilla se aglutinen con las moléculas de los aditivos mostrados en la Figura 1.
Figura 1.
Mezclado de aditivo Consolid 444 y Con-Aid con suelo arcilloso.
Fuente: los autores
4. RESULTADOS
La muestra de suelo natural extraída fue sometida a ensayos de clasificación de suelos, valor equivalente de arena, contenido de humedad, límites de Atterberg, Proctor modificado y Relación de Soporte California (CBR), los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 3.
Características del suelo natural.
Fuente: los autores
Como se puede observar, el suelo natural es clasificado según el sistema SUCS, como arcilla de baja plasticidad con alto contenido de grano fino, limo y material inorgánico. AASHTO, por su parte, lo clasifica como un suelo limoso-arcilloso con más de 35% que pasa por el tamiz N° 200, para la muestra se obtuvo un Índice de Grupo (IG) de 17, considerado en el manual de carreteras, suelos y pavimentos del MTC [18], como una subrasante muy pobre para la construcción de caminos. Por otra parte, el suelo posee un valor equivalente de arena de 11,27% el cual también es considerado por el mismo manual como muy bajo, lo que indica que se trata de un suelo plástico y arcilloso. Asimismo, se encontró que la humedad natural fue de 19,38% y que presenta una plasticidad mediana, con un índice de plasticidad de 17,25%. En el ensayo de CBR se obtuvo un valor al 95% de 5,49% y CBR al 100% de 6,07%, lo que indica que se trata de una subrasante pobre según el referido manual.
4.2. Resultados del Suelo Tratado con Aditivo Consolid 444
En la Tabla 4 se muestran los resultados de los cambios de la propiedad física en el suelo arcilloso al emplear el aditivo Consolid 444.
Resultados de suelo natural y suelo mejorado con Consolid 444.
Fuente: los autores
Se puede observar un incremento de la MDS del suelo, este cambio se debe a la eliminación de capa de agua adsorbida, permitiendo un contacto más cercano entre las partículas de arcilla, es así que, cuando se compacta la arcilla junto con el químico, las partículas se reacomodan y los espacios vacíos son sustituidos por moléculas del estabilizador. También se nota una reducción de la humedad óptima, mostrando un porcentaje de 13.702% tratado con 0,050% de aditivo Consolid 444.
Así mismo, se verifico una disminución del IP proporcional al aumento del porcentaje de aditivo, alcanzando su menor valor de 14,02% en la muestra de suelo tratado con 0,050% de aditivo Consolid 444. En la Tabla 5 se muestran los valores del CBR al 95% y 100% evaluados a los 7,14 y 28 días en dosificaciones de aumento gradual con el aditivo Consolid 444.
CBR del suelo mejorado con aditivo Consolid 444.
Fuente: los autores
El CBR del suelo mejoró de manera significativa incorporando el aditivo Consolid 444, donde se puede notar que a la edad de los 7 días se obtiene un porcentaje de 28,65 % con una dosificación de 0,035 %, pero se tiene una mejor respuesta en la muestra tratada con 0,050% de aditivo, obteniendo un CBR al 95% de 52,04% a la edad de 28 días, por lo tanto, la capacidad de soporte se incrementa a medida que se tiene más proporción de aditivo y en cuanto al tiempo de curado; sin embargo, con la menor dosificación ya encontramos una subrasante muy buena como lo especifica en el manual de carreteras, suelos y pavimentos del el MTC [18]. Este hecho también fue observado por G. Chotliya, K. Bhatt et al. [14], quienes mejoraron un suelo CH (arcilla de alta plasticidad), donde indicaron que al añadir 1,75% de aditivo Consolid 444 el CBR se incrementó de 2,64% a 9,53%. Esto demuestra que al aplicar un químico a los suelos arcillosos tiene efecto en la capacidad de soporte, haciendo una comparación en cuanto a las dosificaciones tiene mayor proporción para mejorar un suelo CH debido a humedad que posee dicho suelo, más aún, para un suelo CL se utilizó una menor proporción en cuanto a la dosificación.
Figura 2.
CBR del suelo mejorado con aditivo Consolid 444.
Fuente: los autores
En la Figura 2 se muestra un gráfico comparativo de los valores de CBR del suelo natural y suelo mejorado, se puede evidenciar que a la edad de 28 días la capacidad de soporte del suelo aumentó de 5,49 % a 52,04% aplicando una dosis de 0,050% de aditivo Consolid 444, esto se debe a que, durante los días de curado, se ha desarrollado una mejor reacción y enlaces químicos entre las partículas del suelo y las moléculas del aditivo, mejorando su comportamiento mecánico al disminuir la plasticidad.
4.3. Resultados del Suelo Tratado con Aditivo Con-Aid
Se realizaron ensayos con el aditivo Con-Aid, para Proctor modificado, límites de consistencia y California Bearing Ratio (CBR), se muestra en la Tabla 6 los resultados del Proctor modificado y límites de consistencia tanto del suelo natural como del suelo tratado con el aditivo Con-Aid.
Resultados de suelo natural y suelo mejorado con Con-Aid.
Fuente: los autores
Se puede evidenciar un aumento de la MDS y una reducción de la humedad óptima, incluso el índice de plasticidad presentó una disminución a medida que se incrementó la dosis de aditivo en la muestra de suelo, alcanzando un valor de 14,88% con una dosificación de 5 ml de aditivo Con-Aid. Se ejecutaron los ensayos de CBR al suelo tratado con el aditivo a los 7, 14 y 28 días de curado como se muestra en la Tabla 7.
CBR del suelo mejorado con aditivo Con-Aid.
Fuente: los autores
Se obtuvo una importante mejora en la capacidad de soporte del suelo, el cual alcanzó un valor de CBR al 95% de 53,60% a los 28 días de curado con una dosis de 5 ml de Con-Aid que representa un 0,20%, con este valor el suelo alcanzo la clasificación de subrasante excelente; aunque, con la dosificación de 2 ml ya se tiene una subrasante muy buena con un valor de 24,32 % tal y como lo especifica el manual de carreteras, suelos y pavimentos [18]. Por otra parte, según [19] sugiere que “el proceso de intercambio iónico ocurre después de la compactación. Es sumamente importante mantener húmeda dicha superficie durante algunos días. En términos generales, se estima un período de curado de 7 a 10 días luego de la compactación” (párr.11). Es así que, en la Tabla 7, se pudo comprobar que con la adición del aditivo Con-Aid, los valores de CBR se incrementaron en cuanto al tiempo de curado.
En la Figura 3 se muestra un gráfico en el que se contrastan los resultados de CBR obtenidos de la muestra patrón con las muestras tratadas con las diferentes dosificaciones de aditivo Con-Aid a la edad de 28 días, se puede notar un incremento de CBR en un 48,11% respecto al suelo natural; es decir, que con la adición del aditivo las moléculas de agua se evaporan y quedan espacios entre partículas y con la compactación estas se reacomodan y forman un cuerpo sólido, produciendo un aumento en la capacidad de soporte.
Figura 3.
CBR del suelo mejorado con aditivo Con-Aid.
Fuente: los autores
Finalmente, se muestra en la Tabla 8, un cuadro comparativo de los resultados obtenidos del índice de plasticidad, humedad óptima y valores de CBR, entre la muestra patrón y el suelo tratado con 0,050% de aditivo Consolid 444 y 5 ml de aditivo Con-Aid, por ser estas dosificaciones de las que se obtuvo mejores resultados.
Cuadro comparativo de aditivos químico.
Fuente: los autores
En la Figura 4 se puede observar como el índice de plasticidad disminuyó con la incorporación de ambos aditivos, lo que indica que el suelo, a pesar de poseer un alto porcentaje de finos, ha mejorado su comportamiento ante la presencia de agua. También se puede notar una disminución de la humedad óptima, en comparación a la obtenida en la muestra patrón. Finalmente, se observó un incremento importante del CBR, tanto con el aditivo Consolid 444, como con el aditivo Con-Aid, por lo tanto el suelo pasa de ser una subrasante pobre, con un valor de CBR de 5,49%, a ser una subrasante excelente, con un CBR de 52,04% en la muestra tratada con 0,050% de Consolid 444 y 53,60% en la muestra tratada con 5 ml de Con-Aid.
Figura 4.
Gráfico comparativo de aditivos químicos
Fuente: los autores
Se ha demostrado que, al adicionar ambos aditivos al suelo arcilloso, mejoraron sus propiedades físicas y mecánicas respecto a la cantidad de dosificación y tiempo de curado, tal y como lo menciona [20], “la mayoría de los aditivos mezclados con suelos problemáticos pueden ser evaluados en términos de sus propiedades de resistencia en función tanto del porcentaje de aditivo en la mezcla como del tiempo de curado” (p.4).
Desde la perspectiva económica es importante destacar que la implementación del uso de aditivos aumenta los costos de las obras debido a su precio, es decir, a mayor concentración se utilice mayores son los gastos, es por ello que, según los datos mostrados en las Tablas 5 y 7 con las dosificaciones de 0,035% de aditivo Consolid 444 y 2 ml de aditivo Con-Aid, se observa un incremento del CBR mayor a 20 % a los 7 días de curado, clasificando a la subrasante como muy buena, de manera que, estas dosificaciones son las indicadas para mejorar la subrasante del suelo en estudio y de esa manera abaratar costos.
5. CONCLUSIONES
De acuerdo con los resultados obtenidos permiten concluir que los aditivos Consolid 444 y Con-Aid tienen una buena trabajabilidad con el suelo arcilloso, reduciendo la plasticidad y aumentando la capacidad de soporte en comparación con el suelo natural. En cuanto a la capacidad de soporte al 95% de la máxima densidad seca, con la incorporación de los aditivos químicos los valores de CBR se incrementaron a medida que aumenta el tiempo de curado a los 7,14 y 28 días; siendo estos de 28,65%, 38,72% y 49,06% para Consolid 444, así mimo para el aditivo Con-Aid se obtuvo los siguientes valores de 24,32%, 31,15% y 41,67%, donde se pudo notar que Consolid 444 tuvo un mejor rendimiento.
Con la finalidad de optimizar los costos, las menores concentraciones del estudio resultan ideales para su uso en obras de gran envergadura. Es por ello por lo que, las dosificaciones más recomendadas son de 0,035% y 2 ml para Consolid 444 y Con-Aid respectivamente, y con estas dosificaciones se pudo lograr un aumento significativo del CBR.
6. FINANCIAMIENTO
Propio de los autores.
7. AGRADECIMIENTO
Los autores de este artículo agradecen a sus representantes legales de las empresas Consolid Perú y Con-Aid, por la asesoría brindada y por facilitar sus productos para desarrollar la presente investigación.
8. CONFLICTO DE INTERÉS
Los autores declaran no tener ningún conflicto de interés.
9. CONTRIBUCIÓN DE LOS AUTORES
Investigación, J.G y J.V.; redacción, J.G y J.V.; supervisión, L.C
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Notas de autor
