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ESTUDIO DE UN SUELO ARCILLOSO EXPANSIVO DEL VALLE CENTRAL OCCIDENTAL DE COSTA RICA PARA SU USO COMO SUBRASANTE.Esteban Castro Muoz William Vargas Monge ResumenEn este artculo se caracterizan las propiedades fsicas de los suelos arcillosos expansivos presentes en Siquiares y la Gucima, as como sus propiedades mecnicas, principalmente del primero de ellos, para lo cual se efectuaron pruebas de campo y laboratorio. Se resumieron los valores reportados para varios parmetros geotcnicos por diversos estudios para este tipo de suelos, comparndolos con los reportados por el Cdigo de Cimentaciones de Costa Rica y los obtenidos en este proyecto. Tambin se realiz la estabilizacin del suelo de Siquiares mediante su tratamiento con cal, realizndose pruebas fsicas y mecnicas para determinar la variacin de sus propiedades y comportamiento. A partir de los resultados obtenidos se evalu la posibilidad de utilizarlo como subrasante, para lo cual se recurri a recomendaciones elaboradas por distintas agencias de diseo acerca de las cualidades que debe poseer un material para su adecuado desempeo como subrasante. Palabras clave: Universidad de Costa Rica, Escuela de Ingeniera Civil, subrasante, arcilla expansiva, Siquiares, La Gucima, propiedades fsicas, propiedades mecnicas, estabilizacin con cal.

AbstractIn this article are characterized the physical properties of the expansive clayey soils presents in Siquiares and the Gucima, as well as their mechanical properties, chiefly of the first one of them, for which field and laboratory tests were performed. The values reported for various ground parameters by diverse studies for this type of soils were summarized, comparing them with the reported by the Cdigo de Cimentaciones de Costa Rica (CCCR, 1994) and the obtained in this project. Also the stabilization of the soil of Siquiares was carried out by means of its processing with lime, being carried out physical and mechanics tests to determine the variation of its properties and behavior. From the results obtained it was evaluated the possibility to utilize like subgrade, for which resorted to elaborate recommendations by different agencies of design about the qualities that should possess a material for its adequate performance as subgrade.

Keywords: University of Costa Rica, School of Civil Engineering, subgrade, expansive clay, Siquiares, La Gucima, physical properties, mechanical properties, stabilization with lime.

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INTRODUCCIN

La importancia de este estudio reside en que en la zona de estudio existen diversos tipos de suelo cuyas propiedades fsicas y mecnicas impactan de forma negativa el diseo, construccin y factibilidad econmica de las obras de infraestructura. Desde hace algunos aos la zona occidental del valle central ha experimentado un desarrollo industrial y econmico acelerado, el cual se ha incrementado producto de la apertura de la autopista a Caldera as como de gran cantidad de parques industriales lo cual se ve reflejado en un aumento del trnsito y cambio del tipo de vehculos que circulan por las vas de dicha regin. Por lo tanto es importante analizar diferentes alternativas para contrarrestar o mejorar aquellas propiedades del suelo que representan un problema para un adecuado nivel de servicio durante la vida til de la infraestructura. El objetivo principal de este trabajo fue caracterizar las propiedades fsicas y mecnicas de un suelo arcilloso expansivo de la zona Occidental del Valle Central y evaluar la posibilidad de su uso como subrasante.

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METODOLOGA Y MATERIALES EMPLEADOS

Para la realizacin de este proyecto primero se inici con la recopilacin de informacin, en la cual se investig acerca las arcillas, los agentes qumicos que son utilizados para su estabilizacin, y el mdulo resiliente. Con los datos obtenidos se definieron preliminarmente los lugares en los que se iban a tomar las muestras, especficamente Siquiares y la Gucima. Luego se visitaron los sitios de estudio, con el fin de corroborar la presencia de arcillas expansivas y realizar los ensayos de campo y la toma de muestras para la realizacin de los ensayos de laboratorio. En primera instancia se abarcaron las pruebas correspondientes a la clasificacin de los materiales concluyndose con las pruebas efectuadas al material estabilizado.

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2.1 Fundamentos tericosComo parte de los fundamentos tericos del trabajo deben tratarse dos temas principales. Las Arcillas: Existen diferentes tipos de minerales arcillosos los cuales influyen en gran medida en el comportamiento y propiedades de este tipo de suelos. Entre los principales minerales arcillosos cristalinos se encuentran la caolinita, que es muy estable ante la presencia de agua por lo que presentan poca plasticidad, las illitas que tienden a formar grumos por lo que presentan menor rea superficial que otro tipo de minerales arcillosos y las montmorillonitas que presentan una configuracin inestable ya que la unin entre molculas es ms dbil permitiendo al agua ingresar fcilmente. Las arcillas expansivas son arcillas compuestas principalmente por minerales de montmorillonita, que se caracterizan por presentar grandes cambios volumtricos al entrar en contacto con el agua. La Subrasante: Es el material que conforma la cimentacin de la estructura de pavimentos, por lo que debe poseer una buena capacidad de soporte y presentar poca deformabilidad.. Se utilizan como materiales de subrasante suelos naturales con buena capacidad de soporte, suelos estabilizados o materiales de prstamo compactados. Algunos de los problemas que se pueden observar producto de la utilizacin de una mal material como subrasante son los hundimientos, abultamientos, ahuellamientos, entre otros.

2.2 Caracterizacin de los sitios de muestreoEl primer sitio de muestreo se localiza en Siquiares aproximadamente a 1 km de la rotonda que comunica la ruta 721 con la va a Caldera, mientras que el segundo sitio se ubica en la Gucima, prcticamente frente al autdromo. En ambos sitios las condiciones climticas son muy regulares. En general se pueden establecer dos periodos uno lluvioso, que va desde el mes de mayo a octubre, y uno seco, el cual comprende los meses de noviembre hasta abril.

4 El tipo de topografa de la Gucima y Siquiares corresponde a planicie, presentando zonas poca pendiente y por lo tanto mal drenaje. Segn Denyer et al estos sitios se encuentran dentro de la unidad geolgica denominada formacin Lahares y cenizas. Desde el punto de vista geotcnico estos suelos se identifican como suelos arcillosos de alto potencial de expansin (Arc).

2.3 Seleccin de la cal y caracterizacin de la zona de extraccinLa cal utilizada se produce en la zona de Nicoya, Guanacaste especficamente en Quebrada Honda. La cal es producida en la calera llamada Caliza Nicoyana. Se escogi esta cal ya que en estudios anteriores fue la que produjo el mayor grado de estabilizacin y porque se produce de forma semi industrial, lo que en principio representa una menor variacin de sus composicin qumica. La zona de estudio pertenece a la formacin Barra Honda, la cual se compone de calizas pobremente estratificadas.

2.4 Trabajo experimentalEl primer punto corresponde al muestreo, en ambos sitios se tomaron muestras inalteradas y alteradas. Tanto en Siquiares como en la Gucima se extrajeron bloques de suelo y en este ltimo sitio tambin se tomaron muestras inalteradas empleando tubos Shelby de diferentes dimetros. El muestreo en la Gucima se llev a cabo a inicios de la poca lluviosa, mientras que en Siquiares este se efectu en la poca seca. Como muestras alteradas se tom el material excavado. Para poder realizar las pruebas de laboratorio en primera instancia se extendi el material durante aproximadamente una semana en bandejas con el fin de secarlo. Posteriormente se tritur en un quebrador elctrico para reducir el tamao de las partculas y as poder

5 tamizarlo por la malla No. 4. Una vez tamizado el material se almacen en baldes con tapa y por ltimo se siguieron los diferentes procedimientos establecidos en las normas. Con respecto a las muestras inalteradas estas se envolvieron en materiales impermeables y se almacenaron en la cmara hmeda. Para la seleccin del agente estabilizador se sigui el procedimiento descrito por la asociacin nacional de la cal de Estados Unidos, el cual se basa en el tamao de partculas de los materiales y en sus lmites de consistencia. Con el fin de evaluar el nivel de estabilizacin alcanzado por el suelo, se sigui la metodologa de diseo establecida por la National Lime Association (NLA, 2004) aplicando las modificaciones a algunos de los procedimientos descritos en la misma efectuadas por la Unidad de Investigacin Vial del Lanamme UCR.

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RESULTADOS Y SU ANLISIS

3.1 Materiales en su estado natural3.1.1 Caracterizacin de los suelos En este cuadro se presentan algunos de los parmetros geotcnicos principales obtenidos para ambos sitios. Cuadro 1 Parmetros geotcnicos principales de los suelos en estudio Parmetro Geotcnico Humedad en campo (%) Densidad seca in situ (kg/m3) Relacin de vacos (e) Humedad de saturacin (%) Lmite lquido Lmite plstico ndice de plasticidad % Pas. No. 200 %< 0,002 mm Gravedad especfica Clasificacin SUCS Clasificacin AASHTO ndice de grupo Suelo de Siquiares 34,45 1342,82 1,00 37,17 103 33 70 89,44 58,87 2,690 CH A-7-5 73 Suelo de la Gucima 37,12 1264,64 1,07 40,85 111 32 79 94,14 76,96 2,619 CH A-7-5 87

6 Como se puede observar ambos suelos clasificaron como arcillas de alta compresibilidad, poseen lmites lquidos e ndices de plasticidad muy elevados. Sin embargo para el suelo de la Gucima estos tienden a ser mayores ya que posee un 18% ms de partculas de arcilla y un 4% ms materiales finos (pasando la malla 200). A su vez estas condiciones se ven reflejadas en un mayor ndice de grupo para el suelo de la Gucima el cual indica que es menos apto comparado con el de Siquiares para ser utilizado como material de subrasante. En trminos generales los valores presentados en el cuadro para ambos sitios son muy similares, producto de condiciones y procesos de formacin prcticamente iguales. Con el fin de obtener informacin acerca de la composicin mineralgica de las arcillas estudiadas se realizaron pruebas termogravimtricas.

Figura 1 Comparacin de curvas termogravimtricasFuente: Curva de montmorillonita con iones de calcio tomada de Schilling, 1990.

En las curvas de la Gucima y Siquiares se observan dos prdidas principales de peso la primera de ellas entre los 25 y 200 C, corresponde a la evaporacin del agua adsorbida mientras que la segunda, entre los 350 y 800 C, se trata de la prdida de agua por des hidroxidacin segn Schilling. Tambin se nota una prdida de peso de menor magnitud entre los 200 y 350 C que corresponde a la evaporacin de agua qumicamente ligada con iones de calcio intercambiables.

7 En la Figura 1 se puede ver una semejanza entre la curvas termogravimtricas obtenidas y la curva de una montmorillonita con iones de calcio determinada por Schilling, sin embargo las arcillas que se estn analizando son menos estables trmicamente. Luego de efectuar el anlisis termogravimtrico las muestras de suelo de ambos sitios cambiaron de un color gris oscuro a rojo. Este cambio de color es caracterstico en arcillas compuestas en gran medida por montmorillonita. 3.1.2 Propiedades mecnicas A partir de la prueba Proctor estndar efectuada al suelo de Siquiares se obtuvo una

densidad seca mxima es de 1355 kg/m3 con un contenido de humedad ptimo de 33%, el cual es similar al ndice de plasticidad reflejando grandes problemas de trabajabilidad. En general el suelo presenta muy baja capacidad de soporte, con valores de CBR menores a 2. Se comprob la relacin lineal que existe en el valor de CBR y el porcentaje de compactacin. En el Cuadro 2 se muestran los resultados obtenidos para la prueba de compresin

inconfinada. Cuadro 2 Resumen de resultados de las pruebas de Compresin Inconfinada Sitio iquiares Gucima %w 33,92 39,00 37,82 38,68 e 1,04 1,16 1,05 1,15 Resistencia qu (KPa) 377,07 202,02 88,26 126,51 Cohesin (kPa) 188,53 101,01 44,13 63,25

Para el suelo de Siquiares se obtuvieron valores de resistencia a la compresin inconfinada mayores, alrededor de un 37 %, para condiciones similares. En trminos generales la resistencia a la compresin inconfinada determinada para ambos suelos es relativamente baja para su utilizacin con fines viales, sin embargo es bastante alta comparndola con los resultados obtenidos de arcillas expansivas de otros sitios.

8 Del ensayo de cono sueco se determin que en la Gucima la capa blanda posee un espesor de 1,10 m de profundidad, mientras en Siquiares es de 2 m, aproximadamente. Tanto en la Gucima como en Siquiares los valores de Nspt obtenidos para el estrato blando a partir de correlaciones son muy bajos, entre tres y cinco, lo cual indica poca resistencia. A su vez las resistencias a la compresin inconfinada determinadas a partir de correlaciones con los valores de NSPT son mucho menores a las que se determinaron de forma directa, siendo la principal razn la diferencia entre los contenidos de humedad. 3.1.3 Cambios volumtricos A continuacin se muestran los principales parmetros que se obtuvieron de la prueba de consolidacin efectuada al suelo de Siquiares. Cuadro 3 Parmetros de consolidacin para el suelo de Siquiares Parmetro Esfuerzo de preconsolidacin (c) ndice de compresibilidad (Cc) Coeficiente de consolidacin (Cv) Mdulo de compresibilidad volumtrica (mv) Permeabilidad (k) Mdulo confinado Mnimo Mximo 72,8 0,55926 0,19 5,81 2,33 E-04 4,06 E-03 3,78 E-05 0,02 0,25 4,28 Unidades kPa mm2/s m2/kN m/da MPa

En cuanto al comportamiento volumtrico las caractersticas de consolidacin determinadas para la arcilla de Siquiares concordaron con lo esperado para este tipo de materiales. El mdulo de de compresibilidad volumtrica tiende a disminuir conforme se aumenta el esfuerzo aplicado, el coeficiente de consolidacin disminuye hasta llegar al esfuerzo de preconsolidacin a partir del cual tiende a mantenerse constante. En cuanto a la permeabilidad esta tiende a incrementarse con el esfuerzo al igual que el mdulo confinado que es el inverso del coeficiente de compresibilidad y se puede asociar a propiedades de rigidez del material para una relacin de vacos especfica. En los siguientes cuadros se presentan los valores de presin de hinchamiento y expansin libre presentados por ambos suelos.

9 Cuadro 4 Resultados de expansin libre para suelos en su estado natural Sitio Siquiares La Gucima Pastilla 1 2 3 1 %w inicial 33,32 34,72 21,7 36 %S inicial 75,67 84,03 52,87 70,81 e 1,18 1,11 1,10 1,33 Expansin Libre (%) 9,15 10,39 21,89 14,66

Cuadro 5 Resultados presin de hinchamiento para suelos en su estado natural Sitio Siquiares La Gucima Pastilla 1 2 1 %w inicial 35,26 23,45 28,51 %S inicial 89,55 57,13 53,88 e 1,06 1,10 1,39 Presin de Hinchamiento (KPa) 172,89 294,89 129,25 Incremento 70,57

Como lo indica la teora se obtuvieron tanto porcentajes de expansin como presiones de hinchamiento menores conforme mayor era el contenido de humedad del suelo. Considerando los especmenes de Siquiares con mayor diferencia en los contenidos de humedad inicial el incremento en el porcentaje de expansin fue de un 58,2 %, mientras que para la presin de hinchamiento se obtuvo un incremento del 70,56 %. A pesar de que las condiciones iniciales de los especmenes de prueba eran un poco diferentes se observa que el suelo de la Gucima presenta una presin de hinchamiento menor que el suelo de Siquiares, pero un porcentaje de expansin mayor. Los valores de expansin y presin de hinchamiento determinados para ambos sitios son lo suficientemente altos para provocar el levantamiento de estructuras livianas y en general graves daos en estructuras de pavimentos. 3.1.4 Mdulo resiliente En el siguiente cuadro se presenta un resumen de los valores de mdulo resiliente obtenidos para los especmenes ensayados.

10 Cuadro 6 Resultados prueba de mdulo resiliente Prueba Pastilla 1 2 3 1 2 3 1 2 3 %S 92,17 94,97 93,88 86,35 86,84 85,75 95,97 91,83 89,56 e 0,98 1,02 1 1,02 1,01 1,03 1,03 1,06 1,05 MR Mn. (MPa) 68,62 84,72 73,60 80,84 73,20 35,82 31,88 42,49 25,64 MR Mx. (MPa) 72,58 93,86 79,62 92,13 86,15 63,72 42,62 55,224 48,307 Media (MPa) 70,18 91,26 76,40 86,81 81,69 45,48 37,09 48,04 37,41 Percentil Desv. 80 estndar 71,25 92,67 78,93 90,19 84,94 54,20 40,19 51,83 46,08 1,21 2,26 2,07 3,55 3,87 8,51 3,43 3,76 8,25

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Los especmenes con contenidos de humedad ptimo y con elevados porcentajes de compactacin presentaron mdulos resilientes mayores a los esperados para este tipo de material dentro del rango que normalmente poseen las gravas, entre 70,37 140,74 MPa, indicando un comportamiento bastante rgido. No obstante al observar los resultados obtenidos para los especmenes sometidos a procesos de saturacin se nota una reduccin drstica del MR, llegando hasta 25 MPa. Debido a esto el material no es adecuado para emplearse como subrasante y en el caso de utilizarse se requeriran mayores espesores de capa en la estructura de pavimentos. Existen diversos factores que influyen en los resultados del mdulo resiliente, a partir de las pruebas realizadas se determin que con una disminucin de la densidad seca se produce una reduccin en el valor de MR. Con respecto a la relacin entre el MR y el contenido de humedad del espcimen no se aprecia ninguna tendencia o comportamiento en particular, obteniendo resultados muy variables. Los resultados de mdulo resiliente presentaron una gran variabilidad ya que al ser una propiedad elstica del suelo depende principalmente de la relacin de vacos y del esfuerzo efectivo de confinamiento as como de una gran cantidad de factores, nivel de deformacin, trayectoria de esfuerzos, entre otros, que en el mtodo de prueba y el equipo utilizado no se midieron.

11 En el siguiente cuadro se muestran los valores dentro de los cuales se encuentran algunos parmetros geotcnicos de las arcillas expansivas segn el CCCR, as como los resultados obtenidos en investigaciones previas y en el presente trabajo. Cuadro 7 Comparacin de parmetros geotcnicos principalesParmetro Geotcnico Espesor capa (m) Lmite Lquido Lmite Plstico Lmite de Contraccin ndice plstico IP ndice de liquidez IL % pasando No.200 % partculas < 0,002 mm Gs e Humedad Natural (%) Nspt 3 Densidad seca (kg/m ) Presin de Hinchamiento (kPa) Expansin libre (%) Densidad seca mxima 3 (Prctor, kg/m ) Humedad ptima (Prctor) Cohesin, muy variable con la humedad (kPa) ndice de compresin CBR in situ CBR laboratorio (C=95%) Porcentaje optimo de cal Resistencia CI (kPa) Esfuerzo de preconsolidacin (kPa) CCCR 77 - 150 26 - 50 9-18 51-100 90 - 95 2,63 - 2,70 1,10 - 1,80 40 - 50 3-20 950 - 1100 hasta 686,47 100% o mayor 150 - 1290 25 - 39 39,22 98,07 0,3 - 0,70 Estudios previos Promedio 1,38 98,00 38,00 21,00 60,00 0,32 92,49 68,32 2,67 1,35 51,34 8,00 1141,57 295,44 21,25 1315,21 32,10 34,67 0,38 9,00 0,87 4,51 54,70 92,56 Mn 0,6 82 25 13 38 0,2352 87 22 2,6 1,16 41,67 8 1017,3 55 1,72 1227 30 31 0,2537 9 0,16 0,05 10,79 9 Mx 3 130 76 62 72 0,3899 97,6 83,3 2,73 1,46 63,7 8 1300 652 48,7 1376,62 34,4 40 0,4587 9 1,45 6 80 172 Gucima 111 32 79 94,14 76,96 2,619 1,07 37,12 4 1264,64 129,57 14,66 88,26 Siquiares 103 33 70 89,44 58,87 2,69 1 34,45 4 1342,82 294,4 21,89 1355 33 0,5593 1,8 6 202,24 72,8

En general se observan que en la mayora de los casos los valores se encuentran dentro del rango especificado en el CCCR. Debe destacarse los altos valores de lmite lquido e ndice de plasticidad que presentan este tipo de materiales, a su vez se pueden notar valores de presin de hinchamiento muy elevadas, las cuales son mucho mayores a las obtenidos para los suelos estudiados, lo cual puede deberse al tipo de ensayo empleado. Otra caracterstica importante de resaltar es la baja capacidad de soporte que presentan, la cual es menor a 2.

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3.2 Caracterizacin de la calLa caracterizacin de la cal, particularmente la determinacin de su pureza y el tamao de partculas son de vital importancia ya que de estos factores depende el nivel de mejoramiento y modificacin de las propiedades que experimentar el material. En el Cuadro 3.9 se presentan la composicin de la cal utilizada en este trabajo determinada a partir de un anlisis qumico y uno termogravimtrico. Cuadro 8 Comparacin de la composicin qumica de la cal Anlisis Qumico Termogravimtrico Norma ASTM C977 %CaO %MgO %CO2 5,7 0,1 6,363 Mx. 5% %Xm+CaO 3,41

56,0 0,5 0,91 0,03 69,24 Mn. 90%

Se puede observar en el cuadro anterior una diferencia importante en el porcentaje de CaO, la cual es del 13 %, sin embargo se considera como aceptable ya que gran parte de esta diferencia puede ser producto del proceso de fabricacin y del poco control de calidad. En general se tiene que la cal utilizada no cumpli con los requerimientos establecidos en la norma ASTM C977 en cuanto a pureza de la cal. Cuadro 3.9 Comparacin de la Granulometra de la cal con la especificacin ASTM C977 No. Malla 30 200 mm 0,6 0,075 %Ret. acum 0,62 5,62 %Pas 99,38 94,38 % Ret. especificado < 3% < 25 %

Del cuadro 3 se puede observar que la cal cumpli con los porcentajes mximos retenidos en las mallas No 30 y 200 establecidos en la norma ASTM C977. Esto favoreci la reaccin suelo - cal y la dosificacin correcta de la cal al mezclarla con el suelo.

3.3 Diseo de la estabilizacinEn primera instancia con el fin de corroborar la aplicabilidad de la cal en la estabilizacin en la arcilla de Siquiares se sigui el procedimiento establecido por la NLA antes mencionado.

13 Basado en la granulometra del material este se ubic dentro del grupo 3C en el que para un ndice de plasticidad mayor a 12 se recomienda el uso de la cal. El mtodo utilizado para la determinacin del porcentaje ptimo de cal fue el del pH, a partir de esta prueba se obtuvo un porcentaje ptimo de cal del 6% por peso seco, sin embargo de acuerdo con las recomendaciones brindadas por el departamento de investigacin del Lanamme UCR se empleo un 8% de cal para la estabilizacin del suelo. La densidad seca mxima obtenida del ensayo Proctor fue de 1280 kg/m3 con un contenido de humedad del 36,8%. Al estabilizar el material la densidad seca mxima del ensayo Proctor disminuy mientras el contenido de humedad ptima aument.

3.4 Verificacin de la estabilizacin del sueloA continuacin se presentaran los resultados obtenidos para el material estabilizado y la comparacin de algunos parmetros con los requisitos establecidos por diferentes entidades de transporte y manuales de diseo.

Figura 2. Comparacin de los lmites de consistencia Como se puede observar en la Figura 2 al mezclar el suelo con la cal se present una reduccin en el lmite lquido y un aumento en el lmite plstico, generando una disminucin en el ndice de plasticidad. Estos resultados indican que el material estabilizado presenta menor afinidad con el agua, por lo que los cambios de humedad afectan en menor medida su comportamiento fsico-mecnico

14 Se puede concluir que la estabilizacin tiene como efecto principal que para valores similares de humedad el material tratado se comporte de manera ms rgida y alcance valores mayores de resistencia que el material natural.

Figura 3 Comparacin del LL con valores Recomendados

Figura 4 Comparacin del IP con Valores Recomendados

Como se muestra en las figuras de acuerdo a los valores establecidos en CR 2010 para materiales granulares, el suelo estabilizado no puede emplearse ya sea como material de base o subbase. Tambin se observa que el lmite lquido de la arcilla se encuentra muy por encima del valor recomendado por la agencia de carreteras de Louisiana para su utilizacin como subrasante, y el valor crtico indicado por AASHTO. Debe tenerse en cuenta que con el tiempo de curado es de esperar una reduccin an mayor del ndice de plasticidad, considerndose que a largo plazo el cumplimiento de los requisitos antes mencionados probablemente no sera un problema. De igual manera se observa un mejoramiento en la trabajabilidad, aspecto que es fundamental en la etapa de construccin de cualquier obra civil. Cuadro 10 Reduccin del porcentaje de expansin Suelo Sin estabilizar Estabilizado Sin estabilizar Estabilizado %wprom. 34,02 35,76 21,7 35,39 Expansin Libre prom. (%) 9,77 1,67 21,89 3,87 Reduccin (%) 82,91 82,32

15 Cuadro 11 Reduccin de la presin de hinchamiento Suelo Sin estabilizar Estabilizado Sin estabilizar Estabilizado %wprom. 35,26 33,46 23,45 28,2 Presin de hinchamiento prom. (kPa) 172,89 111,99 294,89 156,12 Reduccin (%) 54,38 88,88

En estos cuadros se muestra como el suelo reduce significativamente su grado de expansin y presin de hinchamiento, esto gracias a la sustitucin del agua interlaminar por cationes de calcio de la cal. La reduccin en el porcentaje de expansin es muy alta indicando la estabilizacin de la arcilla, cumpliendo con el valor mximo recomendado del 2% de expansin para el uso del suelo como subrasante. En el Cuadro 12 se muestra el porcentaje de aumento en la capacidad de soporte del material para un mismo porcentaje de compactacin. Cuadro 12 Incremento del CBR del suelo de Siquiares al ser estabilizado Parmetro Analizado Suelo Natural Suelo Estabilizado Aumento del CBR (%) CBR 90% 1,41 37 96,19 CBR 95% 1,8 61,93 97,09

La capacidad de soporte del suelo una vez estabilizado present un gran incremento producto de la reaccin puzolnica entre la cal y los minerales arcillosos. Los valores de CBR obtenidos para un 95% de compactacin en ambas pruebas se encuentran por encima del valor mnimo establecido en el CR 2010 para utilizar el material como subbase, el cual es de 30. De acuerdo a distintas especificaciones el suelo estabilizado clasifica como excelente, por lo cual podra emplearse como material de base. En la Figura 5 se muestra la comparacin de los resultados de CBR con las especificaciones.

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Figura 5. Comparacin de valores de CBR con especificaciones de propiedades de los materiales para su uso en estructuras de pavimentos Debe mencionarse que las especificaciones del CR 2010, en cuanto a CBR, son para materiales granulares, siendo utilizadas nicamente como parmetro de comparacin. Las pruebas de compresin inconfinada en el suelo estabilizado presentaron valores de resistencia muy elevados, tal y como se muestra en el cuadro. Siendo el valor mnimo de 1,78 MPa. Cuadro 13 Resistencia a la CI de material estabilizado Pastilla 1 2 3 %C 97,77 98,42 99,6 %w final 40,06 36,15 37,47 qu (kPa) 1783,84 2322,23 2002,53

En la figura 25 se observa que basados en los resultados de compresin inconfinada el suelo puede ser utilizado inclusive como material para base superando por un gran margen, 56% en promedio, el valor mnimo solicitado en el CR 2010.

2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Cumplimiento de especificaciones de resistencia a la CI

Esfuerzo (kPa)

Mn. Base Mn. Subbase

Pastilla 1

Pastilla 2

Pastilla 3

Figura 6. Verificacin de cumplimiento de la especificacin de resistencia a la CI del CR 2010

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CONCLUSIONES

Se estudiaron dos sitios de la zona occidental del Valle Central donde se verific la existencia de arcillas expansivas y se evaluaron sus propiedades para uso como subrasante. En primera instancia se tiene que en la zona de Siquiares se encuentra una capa de suelo con un alto contenido de arcilla que ronda los dos metros de profundidad mientras que en la Gucima esta capa posee un espesor aproximado de 1,10 metros. La capa de suelo blando de la Gucima posee un mayor potencial expansivo que el de Siquiares, principalmente por su mayor contenido de partculas de arcilla. El comportamiento del suelo, en ambos sitios, est regido por las fuerzas intermoleculares, ya que un gran porcentaje de las partculas pueden considerarse como coloides por su tamao, de igual manera se determin que el tipo de arcilla predominante en ambos sitios es probablemente montmorillonita, cuya formacin se vio favorecida por las condiciones climticas y el mal drenaje que presentan las zonas de la Gucima y Siquiares. Las propiedades geotcnicas principales de ambos suelos estudiados concuerdan con los valores determinados en diferentes trabajos de investigacin realizados por varios autores en arcillas expansivas de Costa Rica, principalmente de las presentes en el Gran rea Metropolitana. Por los altos porcentajes de expansin y elevadas presiones de hinchamiento los suelos de ambos sitios pueden generar graves daos en obras de infraestructura, principalmente obras livianas. De igual forma poseen muy poca capacidad de soporte lo cual los hace inadecuados para cimentar prcticamente cualquier tipo de estructura. Las propiedades fsico-mecnicas de los suelos de la Gucima y Siquiares, en su estado natural, no cumplen con los requerimientos establecidos por las distintas especificaciones y manuales para carreteras para su uso como material de subrasante.

18 La granulometra de la cal desempea un papel muy importante en la estabilizacin del suelo, el cual podra incluso tener un mayor peso que la composicin de la misma, hasta cierto punto. El tratamiento con cal del suelo de Siquiares es muy efectivo. Se incrementa considerablemente la capacidad de soporte y disminuyen la permeabilidad, plasticidad y potencial expansivo del suelo. Una vez tratado el suelo con cal cumple con la mayora de requerimientos establecidos para su uso como material de subrasante, en particular los de resistencia, sobrepasando nicamente los valores mximos recomendados para el lmite lquido y el ndice de plasticidad. Conforme aumente el tiempo de curado se puede esperar una mejora de las propiedades del material en cuanto a la disminucin de plasticidad, por lo que se considera como una buena opcin el uso del suelo de Siquiares estabilizado con cal como subrasante.

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RECOMENDACIONES

Las arcillas expansivas presentan grandes dificultades en cuanto a la realizacin de pruebas de laboratorio. Por tal motivo se considera necesario realizar modificaciones principalmente en el procedimiento de compactacin cuando los suelos son muy plsticos. Para un adecuado anlisis de las propiedades de rigidez de los materiales, en especial suelos, representadas por el MR deben efectuarse modificaciones a la cmara triaxial existente o adquirirse una nueva con el fin de poder saturar especmenes en la misma y tomar lecturas de presin de poros durante la prueba. En el caso de la cal debe realizarse un estudio qumico avanzado en el cual se logre determinar con certeza de forma cuantitativa la composicin qumica de la misma a partir de la curva obtenida del anlisis termogravimtrico. Esto traera grandes ventajas en cuanto a la rapidez con la que se puede evaluar la pureza de la cal que ser utilizada en un determinado proyecto.

19 Se recomienda la realizacin de pruebas qumicas para determinar de forma ms exacta la composicin mineralgica de las arcillas de la Gucima y Siquiares, lo cual permitira una mejor interpretacin de las curvas termogravimtricas obtenidas. Debe realizarse un anlisis econmico que compare diferentes alternativas para la solucin de problemas geotcnicos que afectan la estructura de pavimentos, considerando aspectos ambientales y beneficios a largo plazo. Para la aplicacin del mtodo de estabilizacin con cal en campo se recomienda consultar las guas y manuales publicados por distintos organismos, dentro de los cuales se pueden mencionar la Asociacin Nacional de la Cal (NLA por sus siglas en ingls), el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de los Estados Unidos de Amrica (USACE por sus siglas en ingls), as como del Departamento de la Marina, el Ejrcito y la Fuerza Area, tales como Soil Stabilization for Pavements (2004) y Manual de estabilizacin de suelo tratado con cal (2004) Con el fin de evaluar especficamente el mejoramiento de las propiedades fsicas del material al ser tratado con cal, entre las que se destaca la trabajabilidad, se recomienda efectuar investigaciones empleando porcentajes de cal menores al porcentaje ptimo determinado en este trabajo. A partir de dichas investigaciones se podra establecer el porcentaje de cal necesario para alcanzar un determinado propsito, lo cual implica menores costos. Se recomienda realizar el diseo de sistemas de drenaje con una profundidad igual al espesor de la capa de arcilla expansiva del sitio, mximo dos metros, los cuales deben complementarse por un sistema de aislamiento con el fin de disminuir las variaciones de humedad en la capa de arcilla y por consiguiente los cambios volumtricos. Para el diseo se recomienda emplear un espesor mximo de 20 cm de material estabilizado, principalmente por la dificultad en la compactacin del material una vez tratado.

20 Se recomienda no emplear el material tratado como base, producto de la gran variabilidad que presentan las propiedades de los materiales a lo largo del trazado y la composicin qumica de la cal.

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