Fundamentos Técnicos Tecnología PROES

FUNDAMENTOS TECNICOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON TECNOLOGÍA PROES® 1. INTRODUCCIÓN El sistema de pavimentación con Tecnología PROES®, comercializado por la empresa PROES SpA, consiste en la estabilización química de suelos que presentan características de baja capacidad de soporte y que son inestables (arcillas), que luego formarán parte d e la estructura de un pavimento. La Tecnología PROES® nace de un desarrollo conjunto con la empresa de ingeniería PROFUND en el año 1996, con apoyo y reconocimie r econocimiento nto de la Corporación de Fomento de Chile, y que se encuentra patentada en Chile, Perú, Colombia, México y otros países en curso. Luego de un desarrollo y expansión exitosa en diversos mercados, como parte de la innovación y mejora de la Tecnología, la empresa PROES SpA participó durante los años 2013 al 2015 en el proyecto INNOVA titulado Caracterización Estructural Detallada e Investigación del Proceso de Deterioro de Materiales Tratados con la Tecnología de Estabilización de Suelos a Través de Pruebas de Laboratorio y Mediciones en Terreno , financiado por la Corporación de Fomento de la Producción

de Chile (www.corfo.cl www.corfo.cl)) y ejecutado por la Universidad del Desarrollo (www.udd.cl), bajo el l iderazgo del profesor Ing. PhD Álvaro González1. El objetivo principal del proyecto fue caracterizar las propiedades mecánicas y estructurales de los suelos tratados exclusivamente con la Tecnología PROES®, mediante un extenso programa de laboratorio donde se llevaron a cabo varios tipos de ensayos (Triaxial, CBR, ITS y UCS, entre otros) y varias campañas de terreno donde se midieron las propiedades estructurales de una red de caminos tratados con la tecnología utilizando deflectometría pesada y liviana (FWD y LWD) y donde además se construyeron dos tramos de prueba. Del estudio se obtuvieron importantes resultados que permiten verificar y sustentar las propiedades de los suelos estabilizados con la Tecnología PROES®. En este documento, se presentan aquellos puntos que permiten sustentar el coeficiente estructural de los suelos estabilizados exclusivamente con Tecnología PROES® y diferenciar el comportamiento de las bases PROES® con las obtenidas utilizando únicamente cemento como estabilizador químico, específicamente en la generación de fisuras y grietas que puedan ser reflejadas al pavimento asfáltico.

2. FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGÍA PROES® La estabilización con Tecnología PROES® consiste en el mejoramiento estructural y volumétrico de las propiedades del suelo al incorporar un aditivo sólido y un aditivo líquido, de acuerdo a dosificaciones establecidas según resultados de ensayos de laboratorio. El aditivo sólido (AS), que debe ser un filler activo como el cemento, la cal o cenizas, cumple la función de floculante y aglomerante, al incorporar cargas eléctricas de signo opuesto a las que se encuentran libres en las 1 Ingeniero

Civil, MSc, PhD in Civil Engineering, Univers ity of Canterbury, New Zealand. Profesor Investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad del Desarrollo, Chile. Cuenta con más de 50 publicaciones y presentaciones en congresos sobre investigaciones relacionadas con estabilización de suelos e ingeniería de caminos. FUNDAMENTOS TECNICOS TECNICOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON TECNOLOGÍA TECNOLOGÍA PROES®

arcillas, luego el aditivo líquido genera un ambiente ácido que permite la ionización de las partículas, aumentando la cohesión y disminuyendo el efecto del agua sobre las arcillas en forma permanente. Estos aditivos se definen en función a las características mineralógicas de las partículas de suelos inestables, en cuanto a tipo y dosificación (esta dosificación se representa en los gráficos con la sigla SP). Este proceso se encuentra patentado en los países ya mencionados. Al estabilizar el suelo con la Tecnología PROES® se obtiene un nuevo material con comportamiento de baja permeabilidad, estable, flexible y dúctil 2 que permite aumentos considerables en la capacidad estructural, aumentando en varias veces el CBR, Módulo Elástico y otros ensayes del suelo existente. Un factor a considerar, es que el efecto de la reacción es permanente y no tiene un deterioro en el tiempo por efectos distintos a las solicitaciones del tráfico. En otras palabras, no se oxida (carbonata) ni pierde sus propiedades. Además, parte importante de los fundamentos de la Tecnología PROES® radican en que su reacción química genera bases que no tienen comportamiento rígido ni presentan el efecto de retracción.

3. ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS DE LABORATORIO Y TERRENO En los más de 15 años de trabajo y aplicación de la Tecnología, se ha recogido una cantidad importante de información empírica sobre el desempeño de los pavimentos estabilizados, los que sumados a los ensayos realizados durante la ejecución del proyecto INNOVA, nos permiten realizar un completo análisis que sustenta el comportamiento de la estabilización. Como una forma de evaluar la estabilización en circunstancias exigentes, se trabajó con materiales finos y plásticos cuyas características se presentan en la Tabla 1. Tabla 1: Características típicas de suelos utilizados en estudios con Tecnología Proes® Norma

Granulometría MC 8.102.1-LNV 105 Límites de Atterberg MC 8.102.3-LNV 89 MC 8.102.4-LNV 90 Densidad Aparente MC 8.202.19-LNV 67

2

Característica o Propiedad

Pasante malla 4 (% ) Pasante malla 40 (% ) Pasante malla 200 (%) Límite líquido o LL (% ) Límite plástico o LP (% ) Índice de plasticidad o IP (% )

Proctor Modificado MC 8.102.3-LNV 89

Densidad aparente suelta (t/m3) Densidad aparente compactada (t/m3) Densidad aparente (t/m3) Densidad máxima compactada húmeda (t/m3) Humedad óptima de compactación (% )

MC 8.102.11-LNV 92

Densidad máxima compactada seca (t/m3) CBR al 95% de la DMCS (% )

Arcilla

99.4 61.5 51.0 53.3 33.5 19.8 1.470 1.506 1.541 2.093 13.5 1.844 7

Arena: Arcilla 1 : 1

99.3 34.7 21.8 36.7 19.3 17.4 2.190 9.5 2.000 28 32

Concepto de ductilidad asociado a la capacidad de deformarse sin fallar. FUNDAMENTOS TECNICOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON TECNOLOGÍA PROES®

Además, se evaluaron 3 tipos de aditivo sólido para identificar las diferencias y similitudes entre ellos. A continuación, se presentan algunos resultados del proyecto INNOVA. 3.1 Ensayo Razón de Soporte California (CBR) En el proyecto INNOVA los ensayos CBR se realizaron luego de permitir una reacción de 7 días de duración. Los resultados de CBR para suelos naturales sin estabilizar y para suelos estabilizados se presentan en la Figura 1. El efecto de la estabilización con Tecnología PROES® es evidente, alcanzando valores de CBR en promedio mayores a 100%. En la Figura 1 además se incluye el valor de una base granular de buena calidad (CBR=80%) como referencia.

Figura 1: Resultados de ensayos CBR a los 7 días para una arcilla y una mezcl a arcilla/arena 3.2 Módulo de Resiliente Triaxial (MrTx) El módulo resiliente se define como el cociente entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga. El ensayo para medir el módulo resiliente consiste en someter una probeta a un estado de tensiones compuesto por una presión de confinamiento y un esfuerzo desviador dinámico. Los esfuerzos aplicados tienen por objetivo reproducir la condición al que se encuentra sometido el material en el pavimento cuando éste es solicitado por las cargas de los vehículos. En el proyecto INNOVA se evaluaron mezclas de arcilla y arena/arcilla estabilizadas a 7, 14 , 28 y 365 días, obteniéndose a partir de los resultados (Figura 2) que el módulo resiliente promedio a los 7 días de edad para todas las mezclas estudiadas es de 470 MPa, superior al de una base granular de buena calidad que fluctúa entre 250-350 MPa. Al igual que en los ensayos reportados anteriormente, la mezcla que más reacciona a la estabilización es la arcilla con arena. Durante los ensayos se registró una tenso-dependencia del módulo, es decir, para distintas condiciones de carga se obtuvieron distintos módulos, característica similar a las de un material granular.

FUNDAMENTOS TECNICOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON TECNOLOGÍA PROES®

Figura 2: Resultados de ensayos de Módulo Resiliente Triaxial (MrTx) a los 7, 14, 28 y 365 días de reacción para una arcilla y una mezcla arcilla/arena Es importante notar que el cambio de materiales y aditivos puede generar un cambio en los resultados obtenidos en estos ensayos, y que el aumento de módulo resiliente es importante en el largo plazo, incluso duplicando los valores obtenidos a 7 días. Esto se puede ver reflejado en la Figura 3, donde utilizando la fórmula de regresión se obtiene que, a 7 días el módulo es el 50% del módulo en largo plazo:

Figura 3: Evaluación del incremento del Módulo Resiliente Triaxial (MrTx) Otro efecto importante que se observó, es su buen comportamiento frente al agua (Figura 4), con módulos retenidos sobre un 70%, indicando que el material en este tipo de ensayo tiene una baja susceptibilidad después de sumergido. Un módulo retenido de un 70-80% es aceptada en materiales de alta calidad en pavimentos.


1800

Natural

) a 1600 P M ( l 1400 a i x 1200 a i r T 1000 e t n e i 800 l i s e 600 R o l u 400 d ó 200 M

Saturado

0 Arena/Arcilla + SP1

Arena/Arcilla + SP2

Arena/Arcilla + SP3

Figura 4: Resultados de ensayos de Módulo Resiliente Triaxial (MrTx) en condición natural y saturada a los 365 días de confección para una mezcla arcilla/arena 3.3 Ensayo de Deformación Permanente Triaxial (PdTx) El ensayo de Deformación Permanente Triaxial (PdTx) tiene por objetivo medir la deformación plástica o permanente de un material sometido a un gran número de repeticiones de carga. Este es un ensayo similar al de módulo resiliente triaxial, donde se utiliza la misma probeta cilíndrica de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura que se monta dentro de la celda triaxial. La principal diferencia es que en el ensayo PdTx se aplican en total 40,000 ciclos de carga, manteniendo una presión de confinamiento c constante (50 kPa) pero con distintas fuerzas verticales o desviador de tensiones d que representan el efecto repetitivo del tránsito en el largo plazo (Figura 5). Deformación Permanente Triaxial 15000 c

G1 Granular + Arcilla (6:4) S60L30

d

G2 Granular + Arcilla (8:2) S60L30 12500

G7(1)

G3 Granular + Arcilla (6:4) S100L30

G6(1)

= 50 kPa d = 550 kPa c

G4 Granular + Arcilla (8:2) S100L30 )

= 50 kPa = 650 kPa

G5

10000

( e t n e n a 7500 m r e P n ó i c 5000 a m r o f e D 2500

Arcilla + Arena (5:5) S100L30

G6 Arcilla + Arena (5:5) S60L30

G6(2)

G7 Arcilla + Arena(6:3) S90L30

G5(1) G7(2) G5(2)

= 50 kPa d = 450 kPa c

c d

= 50 kPa = 350 kPa

G3(1) G4(2) G3(2) G1(1) G2(1) G2(2)

10,000 c icl os

10,000 c icl os

10,000 ci clos

G4(1)

10,000 ci clos

0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Número de Ciclos de Carga

Figura 5: Resultados de ensayos de Deformación Permanente Triaxial (PdTx) FUNDAMENTOS TECNICOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON TECNOLOGÍA PROES®

Este ensayo normalmente se realiza hasta los 30,000 ciclos de carga en materiales granulares de base y subbase. Sin embargo, dado el buen comportamiento observado en los suelos estabilizados con Tecnología PROES® se agregó una cuarta etapa con un desviador de t ensiones alto (650 kPa, ver en Figura 4 entre 30,000 y 40,000 ciclos de carga) donde se observó que pese a que los materiales estabilizados experimentaron mayor deformación, no fallaron. Como referencia, una base granular de buena calidad llega a 8000-10,000 me de deformación permanente al final de la tercera etapa de carga (30,000 ciclos) y fallan en la cuarta etapa con un desviador de tensiones de 650 kPa . En términos generales, estos resultados permiten señalar que, a diferencia de un material rígido, un suelo estabilizado con la Tecnología Proes® es capaz de deformarse durante miles de ciclos de carga sin fallar. Se observa también que la deformación que pueda tomar el material dependerá de la dosis y tipo de suelo estabilizado. 3.4 Módulo de Rigidez a la Tracción Indirecta (ITSM) El ensayo de Módulo de Rigidez por Tracción Indirecta ( Indirect Tensile Stiffness Modulus , ITSM), consiste en aplicar carga diametral vertical controlada sobre una probeta cilíndrica y medir las deformaciones horizontales. La relación entre la tensión inducida en la probeta (calculada mediante teoría lineal elástica) y las deformaciones medidas permiten calcular el módulo de rigidez de la probeta. Este ensayo es normalmente realizado sobre mezclas asfálticas. Los resultados sobre los suelos tratados con Tecnología PROES® se presentan en la Figura 6.

Figura 6: Resultados módulo de rigidez por tracción indirecta Uno de los objetivos en la realización del ensayo, es determinar, indirectamente, la resistencia a la tracción. Con estos resultados, es posible clasificar como ligado o semi ligado a los materiales estabilizados, siendo los primeros aquellos que presentan mayor resistencia a la tracción indirecta y por ende son más frágiles y concentran mayores tensiones, las que se asocian a la generación de grietas. Los semi ligados son aquellos que tienen un aumento significativo de resistencia pero siguen


presentando características similares a los materiales granulares, es decir, una dependencia de la tensión de trabajo y una relativa baja resistencia a la tracción indirecta. El hecho de contar con una relativa baja resistencia a la tracción no es en este caso algo negativo, ya que es justamente este parámetro el causante de grietas y fisuras, como en el caso del cemento que alcanza altos valores de resistencia a la tracción. Los resultados de la Figura 5 indican que las mezclas tratadas tienen un comportamiento al menos semi ligado en el tiempo, y son capaces de deformarse elásticamente para deformaciones similares a las del ensayo (del orden de 50 micrones). Por otra parte, los resultados indican un aumento de módulo entre los 7 y 60 días, similar a lo planteado en el módulo Triaxial dinámico. 3.5 Ensayo de Resistencia Compresión No Confinada (UCS) El ensayo de resistencia a la compresión no confinada (UCS) consiste en aplicar una carga en la dirección axial de una probeta cilíndrica de dimensiones 100 mm de diámetro y 200 mm de alto hasta lograr una carga máxima. Generalmente se fabrican tres probetas hermanas para el ensayo de forma tal de tener un valor representativo de la resistencia. Los resultados de estos ensayos (Figura 7) indican que las resistencias promedio fluctúan entre 791 kPa y los 3157 kPa a los 60 días de curado.

Figura 7: Resultados resistencia a la compresión no confinada (UCS) Como era esperado, hubo un aumento de resistencia a medida que aumentó la edad de ensayo (en igual proporción al caso del módulo triaxial) y en general la variabilidad de los ensayos fue baja, con coeficientes de variación menores a un 30%. Se estima que un buen ma terial granular podría tener una resistencia a la compresión no confinada del orden de 50 0 kPa.


3.6. Levantamiento estructural de Terreno con Deflectómetro de Impacto En el marco del proyecto se realizaron mediciones con FWD a varios caminos construidos con la Tecnología PROES® (más de 300 mediciones), donde se observó que el comportamiento semi-ligado observado en laboratorio se repite en terreno, dado que se observan módulos elevados (mayores a 1000 MPa) sin la presencia de fisuras ni agrietamiento de la superficie debido a retracción o comportamiento frágil de la capa de asfalto. En la Figura 8 se presentan los resultados sobre caminos que ya han cumplido su vida útil de diseño, y han seguido operando de manera adecuada entre 5 y 11 años después de su construcción. Se observa además que pese a haber cumplido su vida útil, los módulos obtenidos del retrocálculo son al menos iguales o superiores al de una base granular de buena calidad.

Figura 8: Resultados del retroanálisis de mediciones de FWD sobre caminos estabilizados con Tecnología PROES® que ya han cumplido su vida útil (5-11 años en servicio) Del estudio realizado, se observa que los coeficientes estructurales y módulos de terreno son más cercanos a una base granular que a una base cementada. Por lo tanto, en general se recomienda utilizar correlaciones para el cálculo de parámetros estructurales de bases granulares por sobre las de bases cementadas para la caracterización estructural de bases Proes. Como resultado de las mediciones se pudo determinar además que: i.

Existe una buena correlación entre el módulo de una base estabilizada (en MPa) con la Tecnología PROES® medida en terreno y su coeficiente estructural (Figura 9), representado por la siguiente fórmula: Coeficiente estructural = 0,0129 * (Módulo PROES) ^ 0,3933


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