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REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

CON ENZIMAS

Horacio Carro

C.I.: 4.212.254-9

2

ÍNDICE

Introducción................................................................................3

Métodos no tradicionales de estabilización................................5

Estabilizadores de enzimas........................................................7

Estudios realizados con estabilizadores de enzimas..................12

Materiales de testeo................................................................12

Resultados...............................................................................16

Conclusiones..............................................................................23

Referencias bibliográficas...........................................................24

3

INTRODUCCIÓN.

Un suelo se considera estable cuando posee la resistencia suficiente para no sufrir

grandes deformaciones ni excesivo desgaste por acción de las condiciones climáticas

y de servicio variables que se puedan presentar. Estas propiedades además las debe

de conservar a través del tiempo. Un suelo natural puede tener a veces la composición

granulométrica, la plasticidad y el grado de humedad adecuada, para que, siendo

únicamente compactado, presente las características mecánicas que lo hacen

utilizable como cimentación por ejemplo de una vía o de un camino, capaces de

soportar los efectos del tránsito y del ambiente con excelente durabilidad. No obstante,

si no se logra un adecuado equilibrio entre el rozamiento inter-partículas y su

adhesión, no se logrará tener la estabilidad esperada. Por tanto la estabilización de un

suelo debe ser un proceso que permite una mejora significativa de la resistencia

mecánica y de la durabilidad de un suelo. Con los procesos de estabilización se puede

además modificar una o más propiedades del suelo: controlarse la expansión,

incrementar la resistencia, reducir la plasticidad, disminuir la permeabilidad, prevenir la

erosión, entre otras propiedades. Los métodos de estabilización de suelos pueden

clasificarse en: mecánicos (compactación, granulometría), físicos-químicos (cal,

cemento portland, cenizas, asfalto, sales, polímeros, iónicos, enzimas) y otros

(drenaje, eléctrica, calor, calcinación).

La estabilización mecánica consiste en compactar el suelo de forma estática o

dinámica para aumentar su densidad, su resistencia mecánica, disminuir su porosidad

y su permeabilidad. Puede incluir también previamente la mezcla de suelos de

diferente graduación para obtener la especificación apropiada. Los objetivos

ingenieriles de dicho procedimiento son principalmente: aumentar su capacidad

portante, disminuir el asentamiento de las estructuras, controlar cambios volumétricos

indeseables, reducir la permeabilidad al agua, y aumentar la estabilidad de los taludes

(1). La compactación de un suelo depende de la energía de compactación, el tipo y

graduación del suelo, y del grado de compactación que depende del contenido de

humedad y el peso unitario seco.

La estabilización física consiste en modificar las propiedades de los suelos mediante la

intervención en algunas de sus propiedades para aportarle características

estructurales nuevas. Entre los procedimientos físicos se encuentran el uso de los

materiales denominados geosintéticos, tales como los geotextiles, fabricados

generalmente de fibras sintéticas como el poliéster o polipropileno; las geomallas,

estructuras tridimensionales pero con la característica de ser mono o bi-orientadas y

fabricadas en polietileno de alta densidad; las geomembranas, láminas poliméricas

impermeables fabricadas en cloruro de polivinilo (PVC), o polietileno de alta o baja

densidad (PEAD/PEBD); el geocompuesto, diseñado específicamente para

estabilización de suelos donde se requiere tanto refuerzo como separación de una

base granular y un subsuelo muy fino, este se produce uniendo un geotextil no tejido a

una geomalla, lo que permite una gran interacción con el suelo reforzado; y las

geoceldas, que son sistemas tridimensionales de confinamiento celular fabricadas en

paneles de polietileno o polipropileno, muy resistentes para el confinamiento de cargas

(2).

4

La estabilización química consiste en añadir al suelo otros materiales, o productos

químicos, que modifican sus propiedades, ya sea por una reacción fisicoquímica, o

mediante la creación de una matriz que aglomere las partículas del suelo (3 y 4).

Algunos autores como Bahar (3) y Billong (4) recomiendan la combinación de dos

métodos, el de estabilización por métodos mecánicos de compactación y vibración y el

de estabilización por métodos químicos, para obtener mayor resistencia y durabilidad.

Algunos autores como (5) clasifican a los estabilizadores en dos categorías generales:

tradicionales y no tradicionales. Los primeros corresponden a los conocidos cemento,

cal y productos asfálticos, cuyo mecanismo de estabilización ha sido investigado y es

conocido ampliamente. Por otro lado, se tienen los estabilizadores no tradicionales, los

cuales generalmente son productos orgánicos o químicos, cuya interacción con el

suelo o agregados ha sido objeto de investigación en al menos los últimos 10 años.

Estos productos son generalmente comercializados por fabricantes que los ofrecen

como estabilizadores y reductores de polvo, sin embargo, como indica Jones &

Surdahl (6), generalmente ofrecen poca información acerca de sus componentes

químicos, mecanismos de estabilización mecánica o las condiciones donde funcionan

mejor (materiales, clima, volumen de tránsito, geometría del camino y otros).

Estos estabilizadores no tradicionales según su origen y cómo actúan en contacto con

los suelos se clasifican en: iónicos, polímeros y enzimas, entre otros. En los siguientes

apartados se tratará el tema de la estabilización de suelos a través de enzimas

biológicas.

5

MÉTODOS NO TRADICIONALES DE ESTABILIZACIÓN.

La estabilización de los suelos, especialmente en pavimentación de la subrasante y los

materiales base se ha basado tradicionalmente en el tratamiento con cal, cemento

portland y cenizas volantes. Los criterios para determinar las tasas de aplicación

apropiadas de estos estabilizadores se derivan de años de experiencia de campo

demostrada con estos materiales, varias agencias estatales y nacionales han

desarrollado pautas técnicas para tratar los suelos de las carreteras con estos

materiales (las pruebas de los suelos tratados y no tratados pueden incluir la medición

de los límites de Atterberg, la relación de carga de California, el potencial de

expansión, la resistencia a la compresión no confinada o la durabilidad en los ciclos

húmedo-seco o congelación-descongelación). Con estos tratamientos se logra mejorar

la trabajabilidad durante la compactación, se crea una mejor superficie de trabajo para

el equipo de pavimentación, se aumenta la resistencia y la rigidez de la capa de

cimentación, se reduce las contracciones y las expansiones potenciales debido a los

cambios de humedad y/o la acción de las heladas, y se controla el polvo en caminos

sin pavimentar.

Las carreteras son vitales para el crecimiento económico de un país. Mantener el

equilibrio entre rendimiento y costo de las carreteras y al mismo tiempo cumplir con la

normativa ambiental se está convirtiendo en un desafío para el sector público y

privado. Los estabilizadores de suelos utilizados tradicionalmente (cal, cemento) se

están volviendo costosos, además de que la producción del cemento portland ha sido

íntimamente relacionada con el calentamiento global asociado a las altas temperaturas

utilizadas en el proceso de producción, el excesivo consumo energético y de recursos

naturales (7). Este escenario ha llevado a una necesidad urgente de identificar e

introducir nuevos materiales para mejorar el rendimiento de las carreteras y mantener

el costo a un nivel asequible. En este sentido existen estudios a nivel internacional que

han investigado los mecanismos químicos y físicos de estabilización de suelos

mediante la utilización de estabilizadores no tradicionales, así como el rango de

aplicación de cada uno. Tingle (5) clasifican los estabilizadores no tradicionales en

siete categorías: iónicos, enzimas, sulfato de lignina, sales, resinas de petróleo,

polímeros y resinas de plantas.

Generalmente suministrados como líquidos concentrados, estos productos se diluyen

en agua en el sitio del proyecto y se rocían sobre el suelo a tratar antes de la

compactación. La inyección a presión se usa a veces para tratar capas de suelo más

profundas.

Los estabilizadores químicos líquidos pueden funcionar a través de una variedad de

mecanismos, que incluyen la encapsulación de minerales arcillosos, intercambio de

cationes entre capas, ruptura del mineral arcilloso con expulsión de agua de la doble

capa, o la expansión entre capas con el subsiguiente atrapamiento de humedad (8, 9).

6

Además de reducir los costos de transporte, estos productos si no contienen calcio son

un alternativa potencialmente atractiva para el tratamiento de suelos con alto

contenido de sulfato, ya que la experiencia de campo ha demostrado que el

tratamiento de suelos ricos en sulfato con estabilizadores a base de calcio, como cal y

cemento, puede provocar una hinchazón y una agitación excesiva (10). Tales fallas

ocurren cuando los sulfatos y la alúmina libre en el suelo natural reaccionan con el

calcio en el estabilizador para formar minerales cristalinos altamente expansivos, tales

como ettringita y taumasita.

Sin embargo, pesar de las ventajas potenciales ofrecidas por varios estabilizadores de

suelos no tradicionales, especialmente para el tratamiento de suelos ricos en sulfato,

la mayoría de los ingenieros se resisten al uso de estos productos. Esta falta de

aceptación se puede atribuir a varios problemas: una de las causas principales es la

falta de estudios independientes publicados de estabilizadores sin calcio (11). Los

resultados de las pruebas proporcionados por los proveedores de productos no son

necesariamente imparciales y se ven con escepticismo. Hay una falta de métodos de

prueba de laboratorio estándar que puedan usarse de manera efectiva para predecir el

desempeño en el campo, los datos sobre el desempeño de campo son particularmente

escasos, por lo tanto la mayoría de las agencias de transporte dudan en colocar estos

estabilizadores líquidos no tradicionales. Los resultados positivos o negativos

obtenidos en el laboratorio a veces se cuestionan como predictores del rendimiento de

campo, porque la preparación de la muestra de laboratorio puede no simular

completamente las condiciones de campo. Por ejemplo, es posible lograr una mezcla

más completa del agente químico en muestras de suelo de laboratorio pulverizadas de

lo que es posible en el campo. Sin embargo, si una sustancia química no presenta

resultados positivos en una muestra de laboratorio bien pulverizada, es difícil ver cómo

se obtendrían mejores resultados con una mezcla menos completa en el campo. En

algunos casos, las tasas de aplicación recomendadas en la literatura del producto

están mal definidas o son inconsistentes. Por otro lado los proveedores y productos

aparecer y desaparecen o cambian de nombre con cierta regularidad, lo que dificulta

que una agencia pueda desarrollar cierta confianza con un producto dado a largo

plazo.

7

ESTABILIZADORES DE ENZIMAS.

Las enzimas son moléculas orgánicas que actúan como catalizadores de reacciones

químicas, es decir aceleran la velocidad de las reacciones. Comúnmente son de

naturaleza proteica, pero también de ácido ribonucleico. Las enzimas modifican la

velocidad de reacción, sin afectar el equilibrio de la misma, ya que una enzima hace

que una reacción química transcurra a mayor velocidad, siempre y cuando sea

energéticamente posible. En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas

moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en moléculas diferentes

denominadas productos. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina

reacciones enzimáticas.

Los estabilizadores de enzimas, son materiales orgánicos que se extraen por ejemplo

de la fermentación de verduras y de la caña de azúcar. Así, las enzimas son

materiales degradables que se rompen y se disuelven con el paso del tiempo.

Estas se suministran como líquido concentrado y actúan como catalizadores

orgánicos, que al ser incorporadas al suelo actúan aumentando el grado de

aglutinamiento y compactación de las partículas del suelo, como consecuencia de un

intercambio catiónico (capacidad que tiene un suelo para retener y

liberar iones positivos, gracias a su contenido en arcillas y materia orgánica) en la

estructura del suelo que da lugar a un proceso de cementación acelerado. Algunos

fabricantes de enzimas (ejemplo: Enzimas internacionales S.A, con su producto

Perma-Zyme, Soil Stabilizer, Terragestión con su producto Terrazyme, etc) afirman

que sus productos son eficaces y respetuosos con el medio ambiente (no tóxico),

rentable y cómodos de usar. Mejoran la resistencia a la compresión, reducen el

esfuerzo de compactación y aumentan la densidad reduciendo así también la

permeabilidad. Pero los estudios sugieren que estas afirmaciones deben verificarse

mediante pruebas de laboratorio independientes antes de utilizar estos productos en el

campo. Debido a la ausencia de pruebas independientes e imparciales de estas

enzimas, los ingenieros deben confiar únicamente en la información y los informes

proporcionados generalmente por los fabricantes. Además, las enzimas son

generalmente reformulaciones de otros productos, por lo que es imperativo realizar

pruebas específicas para una enzima determinada (12).

La idea de utilizar la estabilización enzimática para carreteras se desarrolló a partir de

productos enzimáticos utilizados para el tratamiento del suelo para mejorar las

aplicaciones hortícolas. Una modificación del proceso produjo un material, que era

adecuado para la estabilización de suelos pobres para el tráfico rodado. Cuando se

agrega al suelo, las enzimas aumentan la capacidad de humectación y unión de las

partículas del suelo. La enzima permite que los materiales del suelo se mojen más

fácilmente y se compacten más densamente. Además, mejora la unión química que

ayuda a fusionar las partículas del suelo, creando una estructura más permanente que

es más resistente a la intemperie, el desgaste y la penetración del agua.

8

Algunos autores (5) describen a las enzimas estabilizadoras como se muestra a

continuación:

- Las enzimas son estabilizadores orgánicos que se utilizan generalmente en bajas

dosificaciones y catalizan reacciones químicas específicas dependiendo del tipo de

suelo.

–Requieren de un medio de movilidad que generalmente es el agua libre (la que ocupa

los poros), un medio de reacción (que lo da la química del suelo) y tiempo para que se

extienda la reacción.

–Las partículas de enzimas cargadas positivamente, rodean la superficie cargada

negativamente de las arcillas para neutralizar su afinidad por humedad como se

muestra en la Figura 1.

–Su efecto se mantiene en el suelo hasta que no exista alguno de estos elementos

para que se catalice la reacción.

–Funcionan mejor en suelos arcillosos de alta plasticidad y no tanto en suelos limosos,

arenas o gravas.

Figura 1

Para entender mejor la respuesta de los suelos finos a la estabilización a través de las

enzimas es importante conocer los aspectos físico químicos de estos. Entender

correctamente las propiedades de la arcilla, del agua, y de las fuerzas de atracción

entre las mismas son esenciales para descifrar claramente cómo trabajar para

estabilizar los suelos arcillosos o gravo-arcillosos. Para ello, es necesario realizar una

breve caracterización de los suelos arcillosos.

Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados,

presentando además, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros

metales, también hidratados. Estos minerales tienen casi siempre, una estructura

cristalina definida, cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variedades de

dichas láminas: la silícica y la alumínica.

9

La primera, de tales láminas, está formada por un átomo de silicio, rodeado de cuatro

de oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro, tal como se muestra en

la Figura 2. Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo

de oxígeno de nexo entre cada dos tetraedros.

Figura 2

Un esquema de una unidad hexagonal se muestra en la Figura 3. Las unidades

hexagonales repitiéndose indefinidamente, constituyen una reticular laminar.

Figura 3

Las láminas alumínicas están formadas por retículas de octaedros dispuestos con un

átomo de aluminio al centro y seis de oxígeno alrededor, tal como aparece en la Figura

4. También ahora es el oxígeno el nexo entre cada dos octaedros vecinos, para

constituir la retícula.

10

Figura 4

De acuerdo con su estructura, los minerales de arcilla se clasifican en tres grupos:

caolinitas, montmorillonitas e illitas. En general, se considera, que las partículas

arcillosas tienen un tamaño del orden de 2 micrones o menor y presentan una

actividad eléctrica importante, que rige su comportamiento dada su gran superficie

específica en relación con su volumen y aún su masa.

Una de las teorías más aceptadas, hasta ahora desarrolladas, para explicar la

estructura interna de las arcillas es la que menciona que la superficie de cada partícula

de suelo posee carga eléctrica negativa. La intensidad de la carga depende de la

estructuración y composición de la arcilla. La partícula atrae a los iones positivos del

agua (H +) y a cationes de diferentes elementos químicos, tales como Na+, K+, Ca++,

Mg++,Al+++,Fe+++, etc., se tiene entonces, en primer lugar, al hecho de que cada

partícula individual de arcilla se ve rodeada por una película de agua que permanece

adherida o adsorbida en la superficie de la arcilla. El agua adsorbida o doble capa le

da a las partículas de arcilla su plasticidad. En algunos casos, la arcilla puede

hincharse y el tamaño de la doble capa aumenta.

Las moléculas de agua son dipolos, lo que significa que tienen un polo negativo en un

extremo, donde está el oxígeno, y un polo positivo, donde está el hidrógeno, lo cual

significa que cada molécula de agua actúa como una barra magnética, la cual puede

alinearse a sí misma con las fuerzas o campos electromagnéticos. Es está propiedad

que le da al agua su tensión superficial. Es también esta propiedad la que también

permite que el agua sea electrostáticamente atraída por las cargas superficiales de las

partículas de arcilla. En algunas arcillas la presión alcanzada en la atracción

electrostática entre el agua y la arcilla valores por encima de 10 000 atmósferas. Esto

es una de las razones del porque la expansión de algunas arcillas puede levantar

edificios fuera de sus fundaciones y el por qué el proceso normal de humedecimiento y

secado de bases, sub-bases y sub-rasantes frecuentemente causan el fallo de los

pavimentos viales.

Al ligarse las moléculas de agua a las partículas de arcilla por su carga (+), el polo de

carga (-) queda en posibilidad de actuar como origen de atracción para otros cationes

positivos. Los propios cationes atraen moléculas de agua gracias a la naturaleza

polarizada de éstas, de modo que cada catión está en posibilidad de poseer un

11

volumen de agua en torno a él. El agua adsorbida por cada catión aumenta con la

carga eléctrica de éste y con su radio iónico (13).

Por lo anterior, cuando las partículas del suelo atraen a los cationes, se ve reforzada la

película de agua ligada a la partícula. El espesor de la película de agua adsorbida por

el cristal de suelo depende, no solo de la naturaleza del mismo, sino también del tipo

de los cationes atraídos.

Los cristales de arcilla pueden cambiar los cationes absorbidos en su película

superficial; por ejemplo, una arcilla hidrogena (con cationes H+) puede transformarse

en sódica, si se hace que circule a través de su masa, agua con sales de sodio en

disolución. En realidad lo que ocurre es un intercambio de cationes entre el agua y las

películas adsorbidas por las partículas minerales, algunas veces en reacción rápida.

Los cationes intercambiables más usuales son Na+, K+, Ca++, Mg++, H+ y (NH4)+.

En el gráfico siguiente (Figura 5) se puede apreciar la característica especial de un ion

intercambiable en una montmorillonita:

Figura 5

Para mejorar realmente las propiedades del suelo, es necesario reducir

permanentemente el espesor de doble capa. Los procesos de intercambio catiónico

pueden lograr esto a través de la utilización de enzimas estabilizadoras en gran

cantidad. Estos estabilizadores del suelo catalizan las reacciones entre la arcilla y los

iones catiónicos orgánicos y acelerar el intercambio catiónico sin convertirse en parte

del producto final.

Las enzimas reemplazan el agua adsorbida con cationes orgánicos, por lo que

neutralizan la carga negativa en una partícula de arcilla provocando el efecto de

encubrimiento, que evita una mayor absorción de agua y la pérdida de densidad,

reduciendo el espesor de la doble capa, permitiendo que los suelos tratados con

enzimas se compacten mejor. Las enzimas resisten ser reemplazadas por agua,

reduciendo así la tendencia de algunas arcillas a hincharse.

12

Las enzimas también pueden ser absorbidas por coloides, lo que les permite ser

transportadas a través del medio electrolítico del suelo. Las enzimas también ayudan a

las bacterias del suelo a liberar iones de hidrógeno, lo que da como resultado

gradientes de pH en las superficies de las partículas de arcilla, que ayudan a romper la

estructura de la arcilla. (Scholen 1992).

ESTUDIOS REALIZADOS CON ESTABILIZADORES DE ENZIMAS.

Scholen sometió distintos proyectos emprendidos por el Servicio Forestal de EE.UU.

donde varios de estos productos se utilizaron para estabilizar carreteras sin

pavimentar a una serie de ensayos (8,14).

Se realizaron pruebas de suelo estándar de laboratorio para medir los cambios en las

propiedades de ingeniería de cinco suelos arcillosos cuando se tratan con un producto

químico líquido de enzimas. Las pruebas incluyeron tres arcillas de referencia

(caolinita, illita, montmorillonita), dos arcillas naturales de alta plasticidad y un

estabilizador líquido representativo enzimático (en el estudio también se utilizaron

estabilizadores poliméricos e iónicos pero no se advertirán los resultados en esta

monografía).

En este estudio, se realizaron pruebas de laboratorio geotécnico estándar de ASTM

para observar los efectos del producto estabilizante líquido representativo sobre las

propiedades de ingeniería de las cinco arcillas de muestra descriptas anteriormente.

Los suelos se mezclaron con el producto a las tasas de aplicación recomendadas por

el proveedor, luego se compactaron y curaron siguiendo un protocolo específico de

preparación de muestras de 10 pasos. Cada suelo tratado y no tratado se caracterizó

en términos de los límites de Atterberg y el peso unitario compactado, la expansividad

se evaluó mediante pruebas de expansión libre unidimensionales, mientras que la

resistencia al corte se evaluó mediante pruebas de compresión triaxial no consolidada

y sin drenaje. Se realizaron múltiples pruebas en muestras preparadas de manera

idéntica para permitir la caracterización de la variabilidad experimental.

• MATERIALES DE TESTEO o Productos estabilizadores

Teniendo en cuenta los estabilizadores de suelos líquidos más fácilmente disponibles,

se eligió para la evaluación un producto representativo de los estabilizadores líquidos

de enzimas. El nombre del producto específico no se identificó para evitar la

promoción de productos en particular.

Se indican las tasas de dilución y aplicación del producto en la Tabla 1; estas son las

proporciones generalmente recomendadas por el proveedor para el producto para el

tratamiento de todos los suelos. Aunque a veces se mencionan tasas de aplicación

ligeramente diferentes en la literatura del producto, no parece que las tasas de

aplicación óptimas se determinen normalmente para diferentes proyectos o tipos de

suelo. Debido a que varios proveedores a menudo expresan las tasas de aplicación

13

recomendadas utilizando diferentes terminología y unidades, es conveniente definir los

siguientes términos:

La relación de masa de dilución (DMR) es la relación de masa del producto químico

concentrado en agua, utilizado para expresar la dilución del producto en agua antes de

la aplicación al suelo.

La relación de masa de aplicación (AMR) es la relación de masa del producto químico

concentrado en el suelo tratado.

Estos términos distinguen claramente la tasa de dilución (cuánto producto concentrado

se mezcla con agua) de la tasa de aplicación (cuánto producto se mezcla con una

determinada cantidad de suelo). Estas definiciones también reducen la posible

confusión al determinar tasas de aplicación equivalentes para operaciones de campo y

muestras de prueba de laboratorio. Ambos el DMR y AMR se expresan como

relaciones de masa por conveniencia en preparación de probetas de laboratorio,

donde los materiales se dosifican en balances de masa. Convertir las tasas de

aplicación recomendadas por los proveedores, en términos de volumen de producto

por volumen de suelo a un AMR equivalente requiere una estimación de la unidad de

suelo tratado en peso, en este estudio se asumió un peso unitario seco del suelo de 16

kN / m3 como se indica en la Tabla 1.

El AMR es un parámetro clave, porque expresa la concentración del químico

estabilizador en el suelo tratado. Las tasas de aplicación recomendadas para el

producto líquido en estudio es bastante baja, por lo que es conveniente expresar la

AMR como una proporción (última fila de la Tabla 1). Sin embargo, la AMR es

equivalente a una tasa de aplicación expresada como el porcentaje en peso de

estabilizador al suelo seco, como se usa tradicionalmente con estabilizadores de suelo

a granel como la cal. Las AMR recomendadas expresadas como porcentaje (Tabla 1)

se pueden comparar con las tasas de aplicación mucho más altas generalmente

utilizadas para la cal (1.5% a 8%) y cemento (3 a 16%) (16,17).

TABLA 1: Tasas de dilución y aplicación del producto estabilizador evaluado (15)

Tipo de estabilizador Enzima

Gravedad específica 1,07

del producto concentrado

Dilución recomendada por el proveedor

1/1000 (volumen de producto concentrado por

volumen de agua)

Relación de masa de dilución equivalente (DMR) 1/935

Rango de aplicación recomendado por proveedor

1 galón del producto

corresponde una 165yd3 de

material

Tasa de aplicación equivalente (% por peso seco 0,002%

del suelo)

Relación de masa de aplicación equivalente (AMR) 1/50000

Cálculo asumiendo un peso típico del suelo de 16 KN/m3

14

o Suelos de prueba

Se seleccionaron cinco suelos arcillosos, enumerados en la Tabla 2, para el programa

de pruebas. Los dos primeros suelos enumerados son suelos arcillosos naturales de

alta plasticidad de mineralogía mixta obtenidos de ubicaciones en Texas. Se cree que

la arcilla de mezquite tiene un alto contenido de sulfatos, aunque no se cuantificó el

contenido de sulfato. Los Otros tres suelos están compuestos cada uno

predominantemente de un mineral de arcilla: caolinita, illita y montmorillonita de sodio.

Estas muestras de arcilla de referencia se eligieron para probar los efectos de cada

producto en los minerales de arcilla más comunes. Las propiedades del índice y la

clasificación de cada suelo de prueba se resumen en la Tabla 2 (15).

o Preparación del espécimen

Las muestras de prueba se mezclaron con suelo pulverizado secado al aire y agua

desionizada. Las muestras tratadas se prepararon siguiendo el protocolo de 10 pasos

que se describe en el siguiente párrafo. Las muestras de control no tratadas se

prepararon de la misma manera pero sin la adición del producto estabilizador.

Pasos de preparación:

1. Utilizando la prueba de compactación Proctor modificado (ASTMD1557-91), se

determinó el contenido de agua óptimo (OWC) para la compactación del suelo sin

tratar. Estos valores se enumeran en la Tabla 2.

2. Sobre la base de la documentación del producto, se determinaron para cada

producto estabilizador los valores de DMR y AMR. Estos valores se enumeran en la

Tabla 1.

3. El producto estabilizador concentrado se diluyó en agua desionizada hasta el DMR

recomendado.

15

4. El suelo de prueba se prehumedeció hasta un contenido de agua inicial de OWC -

(AMR / DMR). El suelo se mezcló de manera óptima en este punto para permitir el

agua que se agregaría con el estabilizador diluido en el Paso 7.

5. Se dejó que el suelo prehumedecido se ablandara durante al menos 16 horas en un

recipiente sellado.

6. Se midió la masa de estabilizador diluido necesaria para lograr la AMR y el OWC

recomendados en la muestra tratada.

7. El estabilizador diluido se mezcló completamente con el suelo de muestra, que

luego se dejó reposar durante 1 hora en un recipiente tapado. Si no hubo pérdidas por

evaporación, el contenido de agua del suelo ahora sería igual a la OWC.

8. El suelo tratado se compactó usando el ensayo de Proctor modificado (ASTM D 155

7-91), se extruyó del molde de compactación y se selló en una bolsa de plástico.

9. El suelo compactado se curó en una bolsa de plástico sellada en la habitación de

temperatura durante 7 días.

10. La muestra curada se recortó a un tamaño apropiado para pruebas. Si el contenido

de agua de la muestra fue superior al 3% o por debajo del OWC, se prepararon

nuevas muestras utilizando un ajuste del contenido de agua inicial. Casi todas las

muestras de prueba estaban dentro de + -2% de el OWC objetivo.

Se seleccionó un período de curado de 7 días como un tiempo razonable para permitir

reacciones entre el estabilizador y el suelo antes de realizar las pruebas de

evaluación. Evaluaciones de laboratorio de estabilizadores de suelos a menudo suelen

incluir una cura de 28 días después del tratamiento; las 3 semanas adicionales puede,

dependiendo del estabilizador, producir cambios adicionales en las propiedades del

suelo. Sin embargo, se espera que cambios significativos debido a un tratamiento

eficaz del suelo debe poder medirse a los 7 días.

Hay que tener en cuenta que todas las muestras, ya sean tratadas o no tratadas, se

compactaron con el mismo contenido óptimo de agua (Tabla 2), de modo que el efecto

del estabilizador sobre las propiedades medidas del suelo pudiera distinguirse de los

efectos de variar el contenido de agua. Hubiera sido conveniente que para la

evaluación de los estabilizadores químicos, se hubiera determinado un contenido de

agua óptimo para la compactación de las muestras de suelos tratados y no tratados,

porque se informa que algunos estabilizadores afectan las características de

compactación del suelo.

16

• RESULTADOS o Límites de Atterberg

Los límites de Atterberg para los suelos tratados y no tratados se determinaron

siguiendo la norma ASTM D4318-95a. Las muestras de suelo tratadas fueron curadas

durante 7 días antes de la prueba, pero no se compactaron. Los resultados se

representan en la Figura 6 (15). No se observó que el estabilizador aumentara o

disminuyera significativamente el índice de plasticidad (IP) de los cinco suelos de

prueba.

o Compactación

Las curvas de peso unitario seco en función de la humedad para los cinco suelos de

prueba no tratados se determinaron utilizando el ensayo de compactación Proctor

modificado (ASTM DIS 57-91). Esto estableció un OWC (humedad óptima de

compactación) (Tabla 2) para preparar todos las muestras de suelo compactado para

pruebas posteriores de expansión y compresión triaxial. En la Figura 7 (15), se

representan juntas el contenido de agua, el peso unitario seco y la proporción de

vacíos de todas las muestras de ensayo tratadas y sin tratar, junto con las condiciones

óptimas basadas en la compactación del suelo sin tratar. Si bien el contenido de agua

en muchas muestras fue un poco por debajo del objetivo óptimo, debido a pérdidas por

evaporación durante la mezcla, no parece haber un efecto significativo de los

tratamientos del estabilizador sobre el peso del suelo compactado o la relación de

vacíos.

17

18

o Expansión libre

Para medir la expansividad potencial de los suelos tratados y no tratados, se

realizaron pruebas de expansión libre de acuerdo con ASTM D4546-96.

Las muestras de suelo compactadas y curadas se recortaron en anillos de 63 mm de

diámetro hasta un espesor de 19 mm; los especímenes de montmorillonita recortados

tenían 10 mm de espesor para permitir una expansión mucho mayor. Después de la

aplicación de una presión de asentamiento vertical de aproximadamente 2,4 kPa, el

suelo se inundó con agua, que podría filtrarse en la muestra a través de piedras

porosas superiores e inferiores.

En la Figura 8 (15) se muestra un ejemplo de los datos de expansión libre en el suelo

de Bryan.

Las expansiones libres medidas en todas las pruebas se comparan en la Figura 9 (15).

El producto parece haber reducido la expansión potencial de la illita en

aproximadamente un 5%, mientras que la expansión libre de la montmorillonita en

aproximadamente un 10%. El producto enzimático pareció reducir la expansión en el

suelo de Bryan, pero un examen más detenido de los datos mostró que las muestras

tratadas con enzima estaban inicialmente un 2% más húmedas que las otras muestras

de Bryan, lo que podría explicar la expansión inferior. El producto parece haber

inducido significativamente más expansión en la caolinita; este efecto adverso puede

haber resultado de una expansión anormalmente baja en la caolinita no tratada. Si

bien se observaron reducciones de la expansión en algunas arcillas el tratamiento con

este producto no produce reducciones consistentes y sustanciales en la expansión del

suelo.

19

o Resistencia a la cizalladura

La resistencia del suelo al corte, se realizó mediante pruebas de compresión triaxial no

consolidada y sin drenaje siguiendo la norma ASTM D2850-95. La resistencia al corte

de los materiales de las carreteras se caracteriza a menudo mediante pruebas de

compresión no confinadas, pero las pruebas en una celda triaxial producen una

medida de resistencia más confiable. Las muestras de suelo compactado y curado se

dividieron en muestras de ensayo que medían 38 mm de diámetro por 95 mm de alto.

Durante el cizallamiento, las deformaciones volumétricas se miden a partir de cambios

en el volumen del líquido celular. El área de la sección transversal de cada muestra se

corrigió usando las deformaciones axiales y volumétricas y asumiendo una forma de

cilindro circular recto. Se realizaron de tres a cuatro pruebas en cada combinación de

suelo, utilizando presiones de confinamiento en el rango de 35 a 140 kPa. Los

resultados típicos, de las pruebas en la arcilla de Bryan, se representan en la Figura

10 (15).

20

La falla de la muestra se definió como la tensión axial máxima o, cuando no se alcanzó

el pico, al 15% de deformación axial. Los resultados para cada uno de los suelos

tratados y sin tratar se ajustaron utilizando Mohr-Coulomb modificado (p — q), las

gráficas se muestran en la Figura 11 (15). Los valores c y F correspondientes son

dados en la Tabla 3 (15). En el estudio se observó que los niveles de saturación más

altos dieron envolventes de resistencia no drenados más planas. Por ejemplo, las

muestras de caolinita sin tratar y tratadas con enzima estaban saturadas en más del

90% y proporcionaron envolturas de resistencia esencialmente planas, otras muestras

menos saturadas daban como resultado ángulos de fricción superiores. Por lo tanto se

concluyó que pequeñas variaciones en las propiedades iniciales de las muestras

compactadas, que no parecían resultar del tratamiento químico, pueden conducir a

parámetros de resistencia significativamente diferentes.

Dado que las resistencias al cizallamiento variaron con la presión, las resistencias al

cizallamiento relativas del material tratado y no tratado se comparan mejor a un nivel

de estrés común.

Esta comparación se realizó a una tensión normal arbitraria de 700 kPa, que se

seleccionó para minimizar la extrapolación de las envolventes de resistencia

ajustadas. Por lo tanto, se calculó una resistencia al corte de referencia (Sref) como

S ref = c + 700kPa * tanF

donde c y F se toman de las envolventes de resistencia ajustadas (Tabla 3 (15)). Los

valores de (Sref) para todos los suelos de prueba se representan juntos en la Figura 12

(15).

21

Aunque la fuerza de la caolinita parece ser significativamente mayor después del

tratamiento con el producto estabilizante, este cambio aparente se explica en parte por

la saturación ligeramente más alta de las muestras de caolinita sin tratar. Asimismo, la

aparente disminución de la resistencia de los suelos tratados con Bryan e illitas se

debe en parte a que tienen una menor saturación en las muestras no tratadas. En

general, dada la variabilidad en las muestras de prueba compactadas, no se puede

identificar una mejora sustancial en la resistencia al corte de estos suelos en base al

tratamiento con el estabilizador.

22

23

CONCLUSIONES

Si bien en el estudio realizado con el estabilizador de enzimas existieron algunos

cambios en las propiedades de los suelos tratados con respecto a las muestras de

prueba, los resultados no mostraron cambios consistentes y significativos en las

propiedades de estos suelos como resultado del tratamiento con el producto

estabilizante. No obstante las tasas de aplicación más altas pueden producir

resultados más favorables. Por lo tanto claramente, se justifican las evaluaciones de

laboratorio independientes con los suelos específicos del proyecto antes del uso de

estos estabilizadores líquidos patentados en el campo.

Las pruebas de laboratorio de estabilizadores químicos de suelo a veces son

criticadas por no simular con precisión las condiciones de campo o predecir las

mejoras del suelo reportadas en la obra. Sin embargo, a falta de estudios de casos de

campo bien documentados, las pruebas de laboratorio están claramente justificadas.

Además, las mejoras sustanciales en el desempeño en campo deberían traducirse en

cambios notables en las propiedades del suelo al ser medidas en el laboratorio. Si las

pruebas de laboratorio indican que un producto en particular produce una mejora

significativa del suelo, entonces las pruebas de laboratorio pueden utilizarse como

base para determinar las tasas óptimas de aplicación en el campo.

24

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