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Analisis de los cambios en las propiedades mecanicas de materiales de subrasante por la adicion de materiales polimericos reciclados/Analysis of the changes in the mechanical properties of subrasant materials by the addition of recycled polymeric materials/Analise das mudancas nas propriedades mecanicas de materiais de subleito por adicao de materiais polimericos reciclados.

1. Introduccion

Segun su composicion, el suelo puede entenderse como un material trifasico: es decir, se compone de fase solida, liquida y gaseosa [1] de tamanos de particulas variables y organizacion diferente, lo que explica la existencia de suelos de multiples estructuras.

Uno de los materiales mas utilizados en la construccion de subrasante es el suelo-cemento. Este es una mezcla homogenea entre el suelo, con unas caracteristicas granulometricas definidas, y determinadas cantidades de cemento Portland y agua, que se compacta para obtener altas densidades y curado, de modo tal que se produzca un endurecimiento efectivo. El material obtenido se considera resistente a los esfuerzos de compresion, practicamente impermeable, termoaislante y estable en el tiempo [1]. Este se ha vuelto importante en el desarrollo dentro de la ingenieria debido a las funciones geotecnicas del material, ademas de los beneficios ecologicos que trae al aumentar el rendimiento mecanico de los suelos, reduciendo a su vez los costos de infraestructura. Sin embargo, posee algunas limitaciones como poca resistencia mecanica, muros de gran espesor y vulnerabilidad a los agentes atmosfericos [2].

Existen diversos sistemas de estabilizacion de suelos de subrasante en el mundo, tales como la estabilizacion mecanica, que puede realizarse compactando el material o colocando un material de grano grueso y fino homogeneo sobre la subrasante; la estabilizacion con aditivos quimicos, que alteran las propiedades fisicoquimicas del suelo a tratar mediante la generacion de un incremento como cemento, limo y asfalto bituminoso; y la estabilizacion mediante geotextiles y geosinteticos [3]. Entre los procesos de estabilizacion mas conocidos se encuentra la adicion de cal al material de subrasante, en el que las variaciones en las propiedades del suelo incluyen reduccion de la humedad natural, modificacion de la granulometria, reduccion del indice de plasticidad, reduccion del potencial de cambio volumetrico y modificacion de las caracteristicas de compactacion, entre otras [4].

Con lo dicho, el presente articulo comprende una recopilacion de los principales hallazgos acerca de las modificaciones en las propiedades de la subrasante cuando se adicionan fibras naturales o sinteticas de polimeros, con el fin de generar una base teorica que justifique la implementacion de estas adiciones a nivel constructivo y, de igual forma, muestre los elementos sobre los cuales se requiere mas investigacion. Asi entonces, se muestran las caracteristicas representativas principales de la subra-sante y luego se describen los resultados obtenidos por los investigadores cuyos trabajos han ampliado el conocimiento en el area.

2. Revision de literatura

Lopez-Lara, Hernandez-Zaragoza y Horta-Rangel explican que las arcillas expansivas sufren cambios de volumen debido a las variaciones en su humedad por infiltracion [5]. Cualquier construccion que descanse sobre este tipo de suelos experimentara deformaciones causadas por la expansion de la arcilla. Dichos movimientos se traducen en grietas sobre muros y el levantamiento de pisos; por esto, se buscan soluciones para reducir los cambios volumetricos de la arcilla. En esta investigacion se utilizo el poliuretano. Se concluye en dicho estudio que la mezcla suelo-polimero no mejora las propiedades de resistencia, aspecto que no es primordial en un suelo expansivo por presentar frecuentemente altas resistencias. Adicionalmente, uno de los resultados mas significativos dentro de la investigacion nombrada alude a la expansion: las pruebas mostraron que la mezcla suelo-polimero tiene una reduccion en la expansion cercana al 40 % frente a la expansion del suelo natural.

Moreno-Navarro, Sol Sanchez y Rubio-Gamez examinaron el comportamiento estructural de las mezclas bituminosas utilizadas en las capas de la superficie de la carretera (teniendo en cuenta los costos y el rendimiento) [6], al tiempo que analizaron la viabilidad del uso de estos materiales para la rehabilitacion de las vias de volumen de trafico ligero-medio. Los resultados demostraron que los materiales modificados con polimeros podrian ser mas eficientes desde el punto de vista estructural y economico que los no modificados, con lo que ofrecen una solucion a los disenadores para la rehabilitacion de carreteras de volumen de trafico ligero-medio.

Terreros-Caicedo, por su parte, afirma que los suelos expansivos formados con gran cantidad de minerales de arcilla se caracterizan por la absorcion y retencion de agua, lo cual ayuda a que el volumen del mineral aumente y, una vez se seque, disminuya (retraccion) [7]. Este fenomeno es perjudicial para la construccion: puede afectar la cementacion de tramos en tanto podria ocasionar hundimiento. Para dar solucion a estos problemas, se experimento estabilizarlo por medio de polimeros; ello altero de manera significativa las condiciones fisico-mecanicas del suelo y aumento su elasticidad.

Respecto a la inclusion de geoceldas, en el ambito internacional las investigaciones se han enfocado en estudios analiticos, numericos y experimentales. De modo especifico, los estudios analiticos desarrollados han estado dirigidos hacia la evaluacion en los cambios sobre la capacidad de carga, el incremento de la presion de confinamiento y la falla a la tension [8].

En el ambito nacional, el trabajo de Duarte y Sierra [9] tuvo como fin evaluar los esfuerzos y deformaciones de un suelo de Bogota que fue estabilizado con un sistema de geoceldas, por medio de la comparacion entre los esfuerzos y asentamientos inducidos al aplicar una carga monotonica y ciclos de carga y descarga en una subrasante sin estabilizar, una estabilizada con un sistema de geoceldas y una mejorada con un sistema convencional. Los resultados obtenidos mostraron que utilizar un sistema de geoceldas y uno convencional reduce los esfuerzos y asentamientos en una subrasante; los asentamientos presentan una reduccion del 34 % al utilizar el primero en comparacion con el segundo. Por otra parte, los esfuerzos se reducen en un 53 % al utilizar un sistema de geoceldas como alternativa de estabilizacion respecto a un sistema convencional.

En la investigacion realizada por Cuelho y Perkins se construyeron secciones de prueba para comparar el rendimiento operativo de geosinteticos en la estabilizacion de subrasantes [10]. Se edificaron 12 geosinteticos formados por una variedad de geomallas y geotextiles, ademas de secciones de prueba para evaluar el efecto que la resistencia de la subrasante, el grosor de la capa base y la presencia del geosintetico tienen en el rendimiento. Por medio de una regresion lineal, en la que se uso "longitudinal rut" como indicador de rendimiento, se determino que la rigidez es el factor que evalua el efecto de la resistencia de la subrasante y el grosor de la capa base.

Multiples secciones de prueba de control del estudio nombrado se construyeron para evaluar el efecto de la resistencia de la subrasante, el grosor de la capa base o la presencia del geosintetico. Aunque los materiales geotextiles utilizados durante el estudio mostraron un buen rendimiento como estabilizacion de la subrasante, las propiedades del material asociadas con este ultimo fueron dificiles de establecer debido al numero limitado de secciones de prueba, asi como a la falta de pruebas relevantes para caracterizar de forma adecuada este tipo de materiales en esta aplicacion. Utilizando la rutina longitudinal como el principal indicador de rendimiento, se determino, a traves de un analisis de regresion lineal, que la rigidez de las uniones de geomalla en la direccion transversal a la maquina se correlacionaba mejor con el rendimiento en esta aplicacion y bajo estas condiciones. A traves de este conocimiento, la ecuacion de diseno asociada con el metodo Giroud-Han fue calibrada para hacer que la rigidez de la union de la geomalla en la direccion transversal a la maquina fuera la propiedad primaria del geosintetico, reemplazandose asi el modulo de estabilidad de apertura de la geomalla.

Un estudio realizado por Geiman permitio comparar la mejora en la resistencia a la compresion de varios estabilizadores, entre los que se encontraba un polimero sintetico liquido. Los resultados permitieron identificar que la mejora en las propiedades de las mezclas analizadas varia entre el 13 y el 20 % [11].

En el estudio realizado por Khan se analizo el uso de polietileno de alta densidad (hdpe) proveniente de residuos, a fin de observar el comportamiento de la subrasante [12]. Las pruebas se realizaron en suelos donde las fibras habian sido utilizadas con diferentes longitudes proporciones (0 a 6 %). Se constato que el uso de fibra ayuda a mejorar la resistencia del suelo; y el beneficio de refuerzo aumenta conforme crece el contenido de la fibra. El material se puede utilizar en cursos base para construir caminos rurales sobre arcilla saturada.

Li Chen y Deng-Fong Lin realizaron un estudio por medio del cual se analizo el comportamiento de la ceniza incinerada proveniente de lodos (issa) en una mezcla 4:1 como estabilizador para mejorar la resistencia del suelo blando, cohesivo y de subrasante [13]. Se realizaron pruebas del valor del pH, los limites de Atterberg, la compactacion, el California Bearing Ratio (cbr), la resistencia a la compresion no confinada y la compresion triaxial. La resistencia a la compresion mejoro entre 3 y 7 veces; el hinchamiento se redujo entre 10 y 60 %; y los valores de cbr mejoraron hasta 30 veces frente a las muestras no tratadas.

Hufenus et al. encontraron un aumento significativo en la capacidad de carga de una capa reforzada con geosintetico cuando su espesor es inferior a 0,5 m, y en suelos con cbr inferior o igual a 2. De la misma manera, observaron que la compactibilidad de capas delgadas puede mejorar con el reforzamiento geosintetico en suelos con un cbr inferior a 3 [14].

3. Metodologia

Entre los diferentes estudios observados se encuentran puntos comunes en lo que atane a los materiales y metodos implementados. A este respecto, Perugachi y Trajano realizaron varios ensayos para analizar cual alternativa se podria utilizar en la estabilizacion de suelos subrasantes de tipo arena arcillosa. Al suelo natural se le anadieron porcentajes de toba volcanica, arena, cemento y cal, con el fin de determinar los cambios en su plasticidad y la capacidad portante del suelo [15]. Se determino que el elemento que aporto la capacidad portante al suelo fue el cemento; en cambio, la cal y demas elementos no causaron ningun cambio en este. Por lo anterior, el suelo y el cemento es la mezcla por evaluar junto a los materiales reciclables para la adicion a la subrasante.

3.1. Suelos aptos para mezclas de suelo-cemento

Se considera que un suelo es apto para componer una mezcla de suelo-cemento cuando este exige un consumo de cemento entre el 5 y el 12 % en relacion con el peso del suelo. De manera complementaria, estos suelos deben ser estables en la contraccion y tener una absorcion de agua idonea que, ademas, tenga una resistencia adecuada en un tiempo minimo [1].

Existen diferentes criterios para evaluar la calidad del suelo-cemento [1]: los suelos que se usen para las mezclas de este ultimo no pueden contener particulas que superen 7,5 cm de espesor, a la vez que el limite liquido y el indice plastico deben ser inferiores al 40 % y al 18 %, respectivamente; de lo contrario, se afectarian su trabajabilidad y plasticidad. Seguidamente, se adicionaran tres diferentes porcentajes de pet (5 %, 10 % y 15 %), que seran incluidos en peso y no en volumen. El material por estabilizar debe cumplir con los requisitos establecidos en el Articulo 341 de 2007 del Instituto Nacional de Vias (Invias) [16].

3.2. Cemento Portland

Para la conformacion del suelo-cemento se utiliza cemento Portland: es una mezcla debidamente proporcionada de materiales arcillosos y calizas, a las que se adicionan yeso natural y agua. Este posee la capacidad de fraguar tanto en aire como en agua una masa endurecida [18]. El cemento Portland debe cumplir con los requisitos fisicos establecidos en la NTC 121, los cuales se muestran en la tabla 1.

3.3. Modificaciones a las mezclas de suelo-cemento

En las investigaciones revisadas se observo que para realizar la modificacion de las propiedades de la mezcla de suelo-cemento se le adicionaron fibras naturales y sinteticas. A continuacion se describiran las propiedades de cada una de ellas, junto con sus ventajas y desventajas en la subrasante.

3.3.1. Subrasante modificada con fibras naturales

Las fibras naturales o de origen organico se pueden obtener a partir de material vegetal o residuos de la industria alimenticia [19]. No obstante, estas son susceptibles de corroerse y degradarse de manera mas temprana que las fibras sinteticas, razon por la cual se limita la utilizacion de este tipo de mezcla a estructuras de un bajo impacto y menor riesgo.

Se ha encontrado que la adicion de fibras naturales a la mezcla de suelo-cemento modifica su rigidez, aumentandola y disminuyendo la deformacion. Owokade, Olugbenga, Amu y Opeyemi realizaron ensayos para determinar un metodo de estabilizacion del suelo mas economico utilizando cascaras de coco y ceniza del recubrimiento seco de granos o semillas para tres muestras [20]. Donde se obtuvieron valores maximos de densidades en seco (mdd) se incrementaron los valores de fuerza de corte.

Butt et al. identificaron los efectos en la compactacion y el cbr con la adicion de fibras de cabello humano. A traves de ensayo Proctor determinaron la maxima densidad seca y el contenido optimo de humedad a diferentes porcentajes de fibra anadida en peso. Con el estudio se determino que el cbr incrementa para un porcentaje de fibra anadida el peso entre el 0,5 y el 2 % [21].

3.3.2. Subrasante modificada con adicion de fibras sinteticas

En la ingenieria civil, particularmente en el area de suelos, la tecnica de estabilizacion con polimeros es muy utilizada para mejorar su comportamiento, esfuerzo y deformacion [22]. La mayoria de los productos polimericos promocionados para la estabilizacion del suelo son acetato de vinilo o copolimeros basados en acrilico; no obstante, una gran cantidad de investigaciones estan dirigidas al estudio del cemento, la cal, la mosca ceniza y otros estabilizadores tradicionales [23]. El uso de la cal en la estabilizacion de suelos esta encaminado a mejorar las caracteristicas naturales del suelo, de modo que aumente su capacidad para resistir los efectos inducidos por el transito (esfuerzo de corte) y los cambios volumetricos en diferentes condiciones de clima [24]. Un estudio de condiciones similares a estas ultimas es el de Opandalucia, en el que se empleo un polimero en conjunto con cal [25].

La industria de la construccion es un gran consumidor de productos de polimeros. Las previsiones actuales muestran que la demanda de plasticos de los Estados Unidos en los mercados de la construccion crece un 3,6 % por ano, hasta un nivel esperado de 6600 kt en 1995. El pvc es la resina mas utilizada debido a su facilidad de procesamiento, costo y ventajas de rendimiento. El poliestireno y los compuestos fenolicos, a su turno, se utilizan en el aislamiento de edificios de espuma de plastico, un mercado que crece a una tasa del 4 % anual. [26]. Un estudio que aplica lo ya mencionado es el de Diaz; en este se evalua la capacidad de soporte de subrasantes de clase 3 en estado natural y 3 subrasantes a los cuales se les anadio pvc flexible de reciclaje [27].

4. Resultados

A partir de la revision se pudieron identificar los principales objetivos que tienen las investigaciones relacionadas con la adicion de polimeros en las mezclas de suelo-cemento. El enfoque principal de los estudios esta orientado a la evaluacion de las siguientes propiedades:

* Resistencia a la compresion

* Resistencia a la traccion

Se estimo que el 65 % de las investigaciones encontradas dirigen sus estudios a la evaluacion de las modificaciones frente a la resistencia a la compresion; y cerca del 30 % se enfocan en estudiar la respuesta a los esfuerzos de traccion cuando se adicionan fibras polimericas. El 5 % restante dirige los objetivos a evaluar propiedades como la fatiga o la resistencia a la tension axial. Casos particulares han buscado entender las modificaciones que la adicion de polimeros genera en el suelo-cemento en relacion con propiedades como la resistencia a la tension axial y la reduccion de la fatiga del material.

4.1. Materiales y metodos

Entre los materiales definidos para los estudios experimentales se encuentran de forma recurrente la mezcla entre el suelo y el cemento. A este respecto, en investigaciones como la de Estabragh y Javadi, el suelo utilizado consistia en un 8 % de arena, un 55 % de limo y un 37 % de arcilla y el cemento utilizado fue Portland tipo 1 con gravedad especifica de 3,15 g/[cm.sup. (3]) [29].

En otros estudios, los suelos han sido mas de tipo areno-arcilloso no plastica (sc) de acuerdo con el sistema de clasificacion de suelos unificados, tal como el utilizado en [29] y [30]. En este caso, el cemento establecido para la mezcla fue Portland de alta resistencia inicial tipo III, segun ASTM C150-07 (2007).

Entre las proporciones de las mezclas se encontraron experimentaciones con 9 %, 12 % y 15 % de cemento referente al peso de la muestra de suelo [31], siendo estas las mas altas encontradas. Otros estudios realizaron pruebas con mezclas de cemento al 5 %, 7 % y 9 % [20], o de 1 %, 3 % y 5 % en la investigacion de [32]. El porcentaje alude al peso de la muestra de suelo.

Aunque los valores especificos de las caracteristicas mecanicas, fisicas y quimicas de estos materiales son ampliamente variables, las especificaciones tecnicas generales fueron definidas y la mayoria de los estudios realizan una caracterizacion de los materiales utilizados en la experimentacion, presentando sus resultados de manera similar a como se muestran en la tabla 3.

Con respecto a los materiales de refuerzo entre polimeros y resinas, se destacan las adiciones de polisombra abordadas por Tirano Martinez et al. [19] y Moreno Cardenas et al. [31]. Fibras de polipropileno monofilamento tambien fueron utilizadas por [29], [34] y [35].

Como elemento innovador se encontro la adicion de resinas, las cuales presentan propiedades termoplasticas con buenas propiedades de union en las investigaciones de [28] y [36].

En general, los porcentajes de polimeros agregados a las mezclas son bajos: se encuentran valores de hasta 0,05 % en peso de la muestra del suelo [31]. En el estudio realizado por Tirado y Moyano [37] se determino que el diseno optimo para estabilizar el suelo-cemento con adicion de la malla es de 1 % con relacion al peso del suelo seco y un 6% de cemento.

Con respecto a los metodos de evaluacion utilizados se pudo observar que son variados, segun el lugar de origen de la investigacion. Esto debido a que diversos paises tienen estas metodologias estandarizadas, por lo que se adoptan para las investigaciones.

Entre las pruebas y analisis desarrollados se encuentran los siguientes:

* Analisis granulometrico de suelos por tamizado (I. N. V. E--123)

* Determinacion del limite liquido de los suelos (I. N. V. E--125)

* Limite plastico e indice de plasticidad (I. N. V. E--126)

* Determinacion de los factores de contraccion de los suelos (I. N. V. E--127)

* Determinacion del peso especifico y de la llenante mineral. (I.N.V. E--128)

* Relaciones de peso unitario--humedad en los suelos (I.N.V. E--142)

* Relacion de soporte del suelo en el laboratorio (cbr de laboratorio), I. N. V. E--148

* Equivalente de arena (I. N. V. E--133)

* Desgaste en la maquina de los angeles (I. N. V. E--218)

* Sanidad de los agregados frente a la accion de las soluciones de sulfato de sodio o de magnesio (I. N. V. E--220)

* Prueba de presion no confinada, de acuerdo con ASTM D 1633.

* Pruebas de tension de separacion segun el estandar brasileno NBR 7222

* Estandar brasileno NBR 5739

5. Discusion de resultados

La recopilacion de los resultados se presenta clasificada en dos items, segun la propiedad evaluada en el momento de la adicion de los polimeros y la naturaleza de la fibra anadida.

5.1. Resistencia a la compresion

En las investigaciones se ha encontrado que la relacion entre la resistencia a la compresion y el porcentaje de adicion de elementos en la mezcla no es directa (relacion de resistencia vs. porcentaje de cemento). Se considera que la resistencia no aumenta con respecto a dicha dosificacion [31]. Los resultados arrojaron una mayor resistencia con una adicion del 9 % de cemento; sin embargo, se recomienda analizar mas puntos con el fin de identificar el comportamiento caracteristico de esta propiedad. Al anadir la polisombra a la mezcla, se determino que el comportamiento de la resistencia es de tipo parabolico: se obtuvo el punto optimo con la inclusion del 1 % de polisombra. Pese a lo anterior, Moreno Cardenas y Linares reemplazaron una parte de material por las fibras de polisombra (0,05 %), con lo cual demostraron que, a mayor cantidad de cemento agregado a la mezcla, la resistencia del suelo aumenta [31].

En relacion con la adicion de fibras, se establecio que esta incrementa de manera moderada el punto de fuerza maxima del suelo.

En el estudio de Estabragh et al. se evidencian variaciones significativas en el comportamiento: se establecio que el efecto de 0,5 %, 0,75 %, 1,0 % y 1,25 % de fibra incrementa la resistencia en 8 %, 15,7 %, 18,5 % y 21 %, respectivamente [38]. Otros estudios muestran que variables adicionales, como la longitud de las fibras adicionadas a las mezclas de suelo-cemento, tambien tienen un efecto importante en la modificacion de la resistencia a la compresion [29].

Respecto a las variaciones de la fuerza maxima contra la longitud de la fibra para el suelo-cemento con 10 % inclusion de cemento y fibra de 0,5 % y 1 % en diferentes tiempos de curado, se observan las variaciones de la fuerza maxima contra la longitud de la fibra para un suelo con 8 % de adicion de cemento. Como se evidencia en Estabragh et al., el ensayo con mayor resistencia a la fuerza aplicada es el suelo con adicion de 1 % de fibra y 28 dias de curado. Esto significa que al incrementarse el tiempo de curado, la resistencia del material aumentara; y lo mismo ocurre con la adicion de porcentaje de fibra y su longitud de esta, dado que a longitudes inferiores y superiores a 10 mm, la resistencia disminuye [39].

Estabragh et al. [39] demostraron que la adicion de resina en un 10 % a las mezclas de suelo-cemento incrementa la resistencia a la compresion. Describen, ademas, las variaciones que tiene esta propiedad con respecto a la adicion de resina y al tiempo de curado. Este ultimo es otra de las variables con presencia reiterada en los estudios: se ha encontrado que influye en los valores monitoreados, aunque no ha sido el principal interes de investigacion. Los resultados del estudio de Torres arrojan valores similares [40].

La mejor resistencia a la compresion se produce con 75 % de pet. La mezcla experimental logra obtener la resistencia entre 3,5 y 7 Mpa, haciendo viable su uso en las bases estabilizadas con cemento y en cualquier porcentaje de sustitucion en pet. En conclusion, la mezcla con mejor comportamiento es de 75 %, ya que, en primera instancia, el articulo 351 de Invias exige un cumplimiento con la resistencia a la comprension y el 75 % en PET cumple con la resistencia minima de 3,5 MPa [41]; Meneses y Fuentes, Alesmar Luis et al. y Khan presentaron estudios relacionados con esto [42], [43], [44].

Mirzababaei, Arulrajahb y Ouston utilizaron dos aditivos quimicos, poli (alcohol vinilico, es decir, pva) y acido 1,2,3,4-butanotetracarboxilico (btca) en suelos arcillosos con un estado relativamente rigido (es decir, un peso de unidad seca de 16,2 kN / [m.sup. (3])) y en estado relativamente suave (es decir, con peso unitario seco de 10,8 kN / [m.sup. (3])) [45]. El contenido optimo de PVA para la estabilizacion del suelo dependia del peso unitario seco, la relacion de vacio inicial y el contenido de agua de la muestra de suelo. La adicion de 1 % de PVA condujo a un aumento moderado en el ucs de muestra de suelo con peso unitario seco de 16,2 kN / m3 (es decir, e0: 0,64, [omega]= 16,8 %).

Para muestras con un peso unitario seco de 10,8 kN / [m.sup. (3]) (es decir, e0: 1,46, [omega]= 48 %), el ucs aumento con el contenido de PVA al 1,5 %. [45] investigo sobre el efecto de la adicion de pva y btca (1,2,3,4 acido butacarboxilico) en un suelo arcilloso expansivo. Se observo el efecto de estos polimeros sobre la resistencia y la compresion no confinada en muestras de suelo preparadas con peso seco maximo (16,2 kN / m3 y 17% de contenido de agua) y peso unitario seco menor (10,8 kN / [m.sup. (3]) y 48 % de contenido de agua), agregados en dosis de 0,1 % a 1,5 % y 0,1 % a 0,5 % y curados de 1 a 14 dias.

Ademas de usarse las nombradas fibras sinteticas, en anos recientes se han desarrollado investigaciones en las que materiales de origen natural se han usado para sustituir y reforzar las mezclas de subrasante. Yadav y Tiwari utilizaron diversos porcentajes de cenizas de estanque de arcilla, las cuales se agregaron a la mezcla del cemento Portland previamente estabilizado y suelo arcilloso proveniente de la zona de estudio; cabe resaltar que las mezclas elaboradas fueron curadas por un periodo de 28 dias [46].

Respecto a las variaciones de estres--arcilla mezclada (a) con ceniza de estanque solamente (b) con ceniza de estanque y estabilizada con 2 % y 4 % de cemento (despues de 28 dias de curado), * PA- ceniza de estanque, C--cemento, se graficaron los valores de presion ejercidos a los diferentes ensayos realizados con ceniza de estanque. Los porcentajes con mayor resistencia a la compresion fueron 10 % y 20 % de sustitucion; es decir, los picos de estres que se generaron son muy similares al ensayo con 0 % de ceniza. Por tal razon, son porcentajes optimos para la sustitucion de la arcilla con ceniza, los cuales no aportaran cambios significativos a la resistencia de la subrasante [46]. Por otro lado, el ensayo en el que se adiciono 30 % de ceniza tuvo una caida en su pico de estres en comparacion con los demas; es decir, de 121,7 kPa del ensayo con el 20 % de adicion, el punto maximo fue de 102,61 kPa, a lo que se le atribuye que las particulas subredondeadas de la ceniza junto a las particulas irregulares del suelo generan un deslizamiento entre ellas. Esto indica que no es un porcentaje adecuado para la sustitucion de la arcilla, dado que hace mas fragil al material.

Los resultados de la evaluacion de la resistencia de los ensayos realizados con mezcla de ceniza y cemento indican que los ensayos con porcentajes de 10 % y 20 % de ceniza de estanque con adicion de 4 % de cemento son aquellos que tuvieron mayor resistencia a la presion ejercida. Cabe resaltar que estas mezclas tuvieron mayor resistencia en comparacion con aquellas que no tenian cemento, con lo cual se tiene que las mezclas cementadas ostentan mejor resistencia y son las mas apropiadas para la elaboracion de subrasantes.

Por otro lado, Paul y Sneha estudiaron el comportamiento de la compactacion y la resistencia de un suelo tratado con cenizas volantes junto con fibras de bambu [47]. En la curva de deflexion de carga de suelo mezclado con diferentes porcentajes de ceniza se observa que la mezcla optima para la sustitucion del suelo es de 20 % de ceniza, dado que fue la mezcla que resiste mas la presion ejercida.

En cuanto a la curva de desviacion de un suelo mezclado con el 20 % de cenizas volantes y diferentes porcentajes de fibra de bambu, hay un aumento significativo en la resistencia a la compresion debido a la inclusion de fibra de bambu en el suelo tratado con porcentaje optimo de cenizas volantes (20%). El aumento en la fuerza se muestra en la curva de desviacion de un suelo mezclado con el 20 % de cenizas volantes y diferentes porcentajes de fibra de bambu . Asi entonces, los porcentajes optimos de la mezcla son un 20 % de cenizas volantes junto con 1 % de fibra de bambu.

5.2. Resistencia a la traccion

Otra de las propiedades que ha sido estudiada es la resistencia a la traccion. Segun Consoli, Moraes y Festugato, la resistencia a la traccion dividida (qt en las graficas) aumento linealmente con la cantidad de cemento (C), mientras que disminuyo con el aumento de la porosidad de las mezclas compactadas en la relacion de la resistencia a la traccion de la mezcla vs. el porcentaje de cemento (a) [33]. A partir de la medicion de esta propiedad sobre mezclas de suelo-cemento modificadas con diferentes proporciones de fibras se generaron graficas como las de la relacion de la resistencia a la traccion de la mezcla vs. porcentaje de cemento (b), en las que se evidencia el aumento en la resistencia a la traccion dividida del suelo cementado para toda la gama de cemento estudiada [33]. A pesar de que las diferencias encontradas son claras, los investigadores presentaron la variacion de resistencia a la traccion dividida con ajuste relacion vacio/cemento para muestras no reforzadas y especimenes reforzados con fibra, en las que se evalua una curva de comportamiento de suelo-cemento con y sin la adicion de fibras. En dicha grafica resulta claro el aumento de la resistencia a la traccion en suelos cementados por la adicion de fibras polimericas.

Otro estudio que comparte un analisis similar es el realizado por Torres; en este se busco el mejoramiento de las mezclas asfalticas para pavimentacion por medio del uso de residuos de Hule como llantas, SBR, hule natural, polibutadieno y hule reciclado [48].

En el 2017, Festugato et al. lograron identificar que la adicion de fibras lograba un aumento de hasta el 67 % en la resistencia a la traccion de mezcla de suelo-cemento estudiada. La relacion encontrada tambien estaba relacionada de manera directa con la longitud de las fibras adicionadas: se encontro dicho porcentaje maximo de incremento en la resistencia con la adicion de fibras entre 0 mm y 24 mm [29].

Finalmente, Anagnostopoulos logro identificar a traves de la adicion de resina epoxica que despues de 90 dias de curado se lograba un incremento de hasta el 20% para la resistencia a la traccion de la mezcla de suelo-cemento estudiada [36].

En el estudio realizado por Leiva, se utilizaron bolsas de polietileno fundido como agente estabilizador, y el porcentaje optimo fue 6 % con respecto al peso seco del suelo [49]. El cbr del suelo arcilloso es 4,145 % al 95 % de la maxima densidad seca; y con la adicion de bolsas de polietileno fundido en forma de grumos en una dosificacion de 6 % del peso seco del suelo, se incremento el cbr a 7,98 %, al 95 % de la maxima densidad seca.

Zhang, Cai y Liu basaron sus experimentos en la aplicacion de lignina como estabilizante en una subrasante de una avenida principal en Yancheng (Republica Popular China). El estudio se baso en el analisis de tres secciones de la via, denominadas A, B y C, con 12 % y 8 % de lignina para las secciones A y B, respectivamente, y 8 % de limo para la seccion C. Los resultados permitieron establecer que, pasados 8 dias de curado de la mezcla, la seccion A incremento su cbr de 50,6 % a 87,7 %; y la seccion B, de 40,3 % a 70,6 % [50].

5.3. Reduccion de la fatiga

Lenoir llevo a cabo una investigacion con la cual determino las variaciones en la fatiga de mezclas de suelo-cemento por la adicion de polimeros [30]. Los estudios que se realizaron se desarrollaron con 2 tipos de suelos: de un lado, arcilla arenosa de grano fino; y de otro, un suelo con material de grano grueso y un pequeno contenido de arcilla. Se utilizaron fibras de canamo con un diametro de 10 a 20 mm, con propiedades mecanicas de resistencia a la traccion de 310 y 750 MPa. Con este trabajo nombrado fue posible determinar que la resistencia a la flexion aumenta ligeramente con la adicion de fibras; los estudios realizados alcanzaron 0,805 MPa con una desviacion estandar (std) de 0,127 MPa, lo que que representa una ganancia del 16 % con 0,2 % de fibras. De la investigacion se deduce que la adicion de 0,3 % de fibras mejora los rendimientos mecanicos de fatiga del suelo estabilizado, al tiempo que mejora la homogeneidad del material.

5.4. Resistencia a la tension axial

Con el fin de identificar los cambios inducidos en las diferentes muestras de suelo-cemento referentes a la tension axial, se realizaron tres grupos de pruebas sobre muestras reforzadas con cuatro contenidos de fibra diferentes (0,5 %, 0,75 %, 1 % y 1,25 %); muestras estabilizadas con cemento con tres contenidos diferentes de cemento (5 %, 8 % y 10 %); y muestras estabilizadas con cemento y reforzadas con fibra, con los mismos contenidos de fibra que las reforzadas sin cementar.

Para Hinojosa y Pau, la capacidad portante en terminos de cbr para un suelo de baja capacidad portante con presencia de polimeros reciclados pet aumenta 26 % en promedio, mientras que la expansion disminuye en promedio en 1,5 % [51]. La carencia de gravas en los suelos estudiados hace que el suelo tenga poca resistencia al corte, como se pudo comprobar con el ensayo de cbr, razon por la cual al adicionar elementos resistentes como pet hace que el suelo tenga mayor friccion y, por ende, presente mayor resistencia al corte.

Estabragh, Namdar y Javadi, lograron identificar que el efecto de 0,5 %, 0,75 %, 1,0 % y 1,25 % de fibra sobre el aumento de la resistencia maxima es del 8 %, 15,7 %, 18,5 % y 21 %, respectivamente [38]. Los suelos reforzados alcanzaron el pico de estres en deformaciones axiales entre 2 % y 4 %.

6. Conclusiones

Se denota un aumento considerable en la resistencia de compresion, que varia segun el tipo o material a mezclar con el suelo. En terminos de eficiencia se requiere un 9 % de cemento, y respecto de la adicion de fibras se requiere 10 % de cemento con adicion de 0,75 % de fibra variando, si se desea un aumento hasta en un 35 %. Asimismo, se requieren fibras con una longitud de 24 mm. En cuanto a la utilizacion de resina, se requiere de un 10 % a la mezcla de suelo-cemento. Vargas Quispe ha podido obtener resultados con fibras de 40 mm y una dosificacion de 0,50 % y 0,75 %, con incrementos del cbr de hasta 28 % del valor inicial [52]. Todos estos porcentajes estan relacionados con el peso de la muestra de suelo. Estudios similares, como los de Hinojosa y Rajesh, arrojan valores similares [53], [54].

Modelos analiticos y fisicos como los desarrollados por Love et al. muestran que el reforzamiento producido por las geomallas tiende a reducir los esfuerzos de corte transmitidos a la superficie de la subrasante. Cuando este reforzamiento no esta presente, estos esfuerzos son transmitidos de manera directa a la subrasante, reduciendo su capacidad a las cargas verticales [55].

En cuanto a fibras naturales se observa que, conforme se adiciona cemento a la mezcla, la resistencia de este mejora. El bambu y las cenizas aportan mayor resistencia a la subrasante. De otro lado, debido a las caracteristicas hidrofilicas de los suelos arcillosos expansivos, se denota mejora la resistencia a la compresion. Sin embargo, la eficacia depende, en su mayoria, del peso unitario del suelo.

La resistencia a la traccion presenta un aumento lineal con la cantidad de cemento; caso contrario a lo que ocurre en presencia del aumento de la porosidad. Con la adicion de fibras se logra un aumento de hasta el 67 % con fibras de longitud de 24 mm. Tras 90 dias de curado, la resina epoxica logra un incremento de hasta el 20 %. Para suelos con arcilla arenosa de grano fino y con material de grano grueso, se puede tener un aumento de la resistencia a la flexion de 0,688 MPa a 0,805 MPa del suelo-cemento en relacion con el suelo cementado adicionado con fibras, con un 0,3 % de fibras en porcentaje al volumen del suelo. Para las muestras reforzadas con cuatro contenidos de fibra diferentes (0,5 %, 0,75 %, 1 % y 1,25 %) se identificaron aumentos de la resistencia maxima de 8 %, 15,7 %, 18,5 % y 21 %, respectivamente; estos suelos logran alcanzar un pico de estres en deformaciones axiales de 2% y 4%.

A partir de la revision realizada se puede afirmar que la inclusion de polimeros en los materiales de subrasante genera una mejora en las propiedades evaluadas. Las investigaciones encontradas, tanto del ambito nacional como del internacional, revelan que los materiales polimericos evaluados son muy diversos y, por lo tanto, se considera necesario profundizar en el estudio sobre la aplicacion de cada uno de ellos. A este respecto, la recopilacion de informacion presentada es de gran importancia para la comunidad academica, puesto que genera puntos de partida actualizados para proximas investigaciones en el campo. De manera complementaria, se considera fundamental ampliar las investigaciones hacia la adicion de polimeros derivados del reciclaje de materiales, con el fin de contribuir a la mejora de la huella ecologica en el campo de la construccion--y de modo especifico, de vias en el pais--.

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Erika Julieth Serrano Rodriguez (1) Edgar Alexander Padilla Gonzalez (2)

Recibido: abril 15 del 2018 Aprobado: junio 30 del 2018 Disponible en linea: enero 15 del 2019

Como citar este articulo:

E. Serrano Rodriguez y E. Padilla Gonzalez, "Analisis de los cambios en las propiedades mecanicas de materiales de subrasante por la adicion de materiales polimericos reciclados", Revista Ingenieria Solidaria, vol. 25, no. 1, 2019.

Articulo de investigacion. https://doi.org/10.16925/2357-6014.2019.01.01

(1) Universidad de la Salle, Bogota, Colombia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6989-133X Correo electronico: serika30@unisalle.edu.co

(2) Universidad de la Salle, Bogota, Colombia

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0730-2776

DOI: https://doi.org/10.16925/2357-6014.2019.01.01
Tabla 1. Requisitos fisicos del cemento Portland

                     Tipo 1      Tipo 1M     Tipo 2      Tipo 3

Finura, superficie   280         280         280          -
especifica en
m (2)/kg - ensayo
por medio de
permeabilidad al
aire, minimo
Estabilidad.           0,8         0,8         0,8        0,8
Expansion en
autoclave, maximo,
% Tiempo de
fraguado
(Metodos
alternativos).
Ensayo por            45          45          45         45
agujas de Victa:
tiempo inicial,
en minutos,
no debe ser
inferior a
Tiempo final,          8           8           8          8
horas, no debe
ser mayor que

Resistencia a la compresion en Mpa (aprox. Kgf/[cm.sup. (2]))

La resistencia a la compresion de cubos de mortero hechos con una parte
de cemento y 2,75 partes de una arena grabada normalizada para este
ensayo, preparados y probados de acuerdo con la NTC 220, no debe ser
menor que los valores indicados abajo para cada edad

1 dia                 -           -           -          10,0 (100)
3 dias                8,0 (80)   12,5 (125)  10,5 (105)  21,0 (210)
7 dias               15,0 (150)  19,5 (195)  17,5 (175)  -
28 dias              24,0 (240)  -           -           -

                     Tipo 4      Tipo 5

Finura, superficie   280         280
especifica en
m (2)/kg - ensayo
por medio de
permeabilidad al
aire, minimo
Estabilidad.           0,8         0,8
Expansion en
autoclave, maximo,
% Tiempo de
fraguado
(Metodos
alternativos).
Ensayo por            45          45
agujas de Victa:
tiempo inicial,
en minutos,
no debe ser
inferior a
Tiempo final,          8           8
horas, no debe
ser mayor que

Resistencia a la compresion en Mpa (aprox. Kgf/[cm.sup. (2]))

La resistencia a la compresion de cubos de mortero hechos con una parte
de cemento y 2,75 partes de una arena grabada normalizada para este
ensayo, preparados y probados de acuerdo con la NTC 220, no debe ser
menor que los valores indicados abajo para cada edad

1 dia                 -           -
3 dias                -           8,5 (85)
7 dias                7,0 (70)   15,5 (155)
28 dias              17,5 (175)  21,0 (210)

Fuente: Tirano Martinez et al. [19]

Tabla 2. Requisitos quimicos del cemento Portland

                      Tipo 1  Tipo 1M  Tipo 2  Tipo 3  Tipo 4a  Tipo 5a

Dioxido de            -       -        21,0    -        -       -
silicio (S1O2),
min. %
Oxido de              -       -         6,0    -        -       -
aluminio (Al2O3),
max. %
Oxido de hierro       -       -         6,0    -        6,5     -
(Fe2O3), max. %
Oxido de magnesio     7,0     7,0       7,0     7,0     7,0     7,0
(MgO), max. %
Trioxido de azufre    3,5     3,5       -       4,5     -       -
(SO3), max. %
Perdida al            -       5,0       4,0     4,0     3,5     4,0
fuego, max. %
Residuo insoluble,    -       4,0       3,0     3,0     3,0     3,0
max. %
Silicio tricalcico    -       -         -       -      35,0     -
(3CaO. S1O2), 35,0
max. %
Silicio dicalcico     -       -         -       -      40,0     -
(3CaO. S1O2), 40,0
min. %
Aluminato tricalcico  -       -         8,0    15,0     7,0     5,0
(3CaO. Al2O3),
max. %
(3CaO. S1O2) +        -       -        58,0    -       -        -
(3CaO. Al2O3),
max. %
Ferrialuminato
tetracalcico mas el
doble de aluminato
tricalcico
(4CaO. Al1O3. Fe2O3)
+ 2(3CaO.
Al2O3), o solucion
solida
(4CaO. Al1O3. Fe2O3)  -       -        -       -       -        -
+ 2(3CaO. 20,0
Al2O3), el que es
aplicable, max. %

Fuente: Tirano Martinez et al. [19]

Tabla 3. Propiedades de suelo resultado de la caracterizacion

Property                                            Value

Liquid limit (%)                                    23
Plasticity index (%)                                10
Specific gravity                                     2,64
Medium sand, according to USCS (0,425-2,0 mm) (%)    6,4
Fine sand, according to USCS (75 - 425 urn) (%)     52,2
Fines, according to USCS (< 75 um) (%)              41,4
Mean particle diameter, [D.sub.50] (mm)              0,12
Coefficient of uniformity                           50
Coefficient of curvature                             0,2
Maximum dry unit weight for modified Proctor        20,1
Compaction effort (kN/[m.sup. (3]))
Optimum moisture content for modified Proctor       10
Compaction effort (%)
uses class                                          SC

Fuente: Hurtado [34].
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Author:Rodriguez, Erika Julieth Serrano; Gonzalez, Edgar Alexander Padilla
Publication:Revista Ingenieria Solidaria
Date:Jan 1, 2019
Words:9854
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