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Introducción
El presente artículo corresponde a una publicación de revisión; su objetivo es el de plantear una discusión referente a los rangos recomendados en la metodología PCA para la adición de cemento, a las mezclas suelo cemento en las cuales se incorporaron materiales no biodegradables como vidrio templado, PEHD, PET, EPS y grano de caucho.
Cuadro 1 Características de los materiales no biodegradables empleados para modificar mezclas suelo cemento
| Material | Definición | Volumen generado por año (Ton) | Tiempo de descomposición años | Dato de interés |
|---|---|---|---|---|
| Grano de caucho | Se obtiene a través de un proceso que se utiliza por trituración mecánica y separación de los materiales que conforman las llantas. Es un producto no tóxico, de forma granular y suave olor que caracteriza al caucho. (Ramírez. N, 2006) | 61000 (Ministerio de Ambiente-Colombia, 2010) | 600 | Para el 2008 en Colombia se consumían 4’493.092 llantas, solamente 5% de ellas es reciclado o renovado, el 2% es utilizado para generar energía y otro 2% son utilizadas en artesanías, lo que deja un 91% de llantas que se quedan como basura. (Revista Dinero, 2009). |
| Tereftalato de polietileno | Es un tipo de plástico muy usado en envases de bebidas y textiles. El PET en general se caracteriza por su elevada pureza, alta resistencia y tenacidad. De acuerdo con su orientación presenta propiedades de transparencia y resistencia química. (Tecnología de los plásticos, 2011). | 60000 | 100 a 1.000 | Las aplicaciones más conocidas del tereftalato de polietileno están en cajas para bebidas, donde su vida útil es de 5 a 7 años aproxima-damente, bolsas plásticas con vida útil menor a un año y películas de invernadero con vida útil de 2 a 3 años. (Ministerio de Ambiente-Colombia, 2004). |
| Poliestireno expandido | Es un material plástico espumado, derivado del poliestireno y utilizado en el sector del envase y la construcción. (ANAPE, 2017) | 6000 | 500 a 1.000 | Los residuos de poliestireno en los rellenos sanitarios ocupan un espacio bastante significativo ya que el volumen equivalente a una tonelada de poliestireno es el mismo para 100 toneladas de otro tipo de materiales. (Junca. I, 2014). |
| Polietileno de alta densidad | El polietileno de alta densidad es un polímero resultado de la polimerización del etileno. Es posiblemente el plástico más popular del mundo. (M&M Plásticos, 2012). | 75000 | 500 | El peso promedio de una botella de dos litros ha pasado de 120 gramos en la década del 70 a 67 gramos en la década del 90. De los desechos que llegan al relleno sanitario Doña Juana (Bogotá) 5,8% corresponden a residuos de PEHD. (Álzate S. & Tafur F. 2006). En 2015 en Colombia se recuperaron entre 3.000 y 3.500 toneladas de envases PEHD, lo que representa tan solo 26% del total. (Zarta D. 2016) |
| Vidrio |templado | Es un tipo de vidrio de seguridad procesado por tratamientos térmicos o químicos, para aumentar su resistencia en comparación con el vidrio normal. (Twenergy, 2012). | 52000 | 400 | La industria vidriera en Colombia recicla hasta el 51% del total que se utiliza. Al año reciclan 120.000 toneladas de vidrio de más de 100 referencias distintas, equivalentes a 500 millones de envases. (Twenergy, 2012). |
Los materiales que se trabajaron en las investigaciones previas de mezclas suelo cemento modificadas, corresponden a aquellos que han tenido mayor impacto en el medio ambiente, debido a la contaminación que generan, tiempo de descomposición y el volumen que ocupan sus desechos (Cuadro 1). “En Colombia de las 11.6 millones de toneladas de residuos que se generan al año, solo se aprovecha un 17%, caso contrario a países como Holanda y Alemania donde se aprovechan el 99% y 98% de los residuos respectivamente” (Rojas, 2016).
Se efectuó el estudio comparativo de los resultados para las diferentes mezclas a través de la revisión de las fuentes bibliográficas y trabajos de investigación. Bajo esta perspectiva, se realizó un análisis de las propiedades y características de estas mezclas, las cuales cumplen con los requerimientos establecidos en la Tabla 350-2 del artículo 350 del Invías, y en la metodología PCA (ACI, 1997). Sin embargo, aunque se lograron alcanzar las resistencias y durabilidades deseadas, en algunos casos estos valores estuvieron fuera de los rangos sugeridos de adición de cemento según la metodología PCA, esto plantea una necesidad de realizar una adaptación de la metodología para permitir la innovación e incorporación de nuevos materiales.
El método de diseño para mezclas suelo cemento PCA, evalúa el comportamiento de esta mezcla, cuyo principal requisito es resistir las variaciones de las condiciones climáticas. De este modo, el elemento básico de una mezcla suelo - cemento, es la cantidad de cemento requerida para producir una mezcla que resista los esfuerzos producidos en los ensayos de durabilidad por humedecimiento y secado.
Metodología
Se realizó una recopilación bibliográfica de las investigaciones en mezclas suelo cemento modificadas con materiales no biodegradables (Acero y Mogollón, 2015), (Buitrago y González, 2015), (Cruz y Díaz, 2015), (Infante, 2015), (Meneses y Fuentes, 2015), (Ochoa y Valderrama, 2012), (Sarmiento y Bustos, 2016), (Velandia y Parra, 2016), que fue organizada de acuerdo al tipo de suelo y al método de modificación (adición o sustitución) según se presenta en el Cuadro 2.
Cuadro 2 Características de composición de las mezclas suelo cemento modificadas
| Clasificación | Material no biodegradable | Nombre asignado a la mezcla | Método de modificación | % material no biodegradable (sustituye o adiciona) | Franja granulométrica | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AASTHO | USCS | Sustitución | Adición | Pasa tamiz | Retiene tamiz | ||||||
| A-1-a | GW | PET | PT2 | ü | X | 0 - 25 - 50 - 75 - 100 | N° 4 | N° 16 | |||
| A-2-4 | SM | Grano de caucho | C1 | ü | X | 0 - 25 - 50 - 75 - 100 | N° 30 | N° 80 | |||
| A-2-4 | SM | Grano de caucho | C2 | ü | X | 0 - 25 - 50 - 75 - 100 | N° 8 | N° 16 | |||
| A-2-4 | SM | PET | PT1 | X | ü | 0 - 5 - 10 - 15 | No aplica, adición en peso. | ||||
| A-2-4 | SM | Vidrio templado | V | X | ü | 0 - 5 - 10 - 15 | No aplica, adición en peso. | ||||
| A-2-6 | SM | EPS | P | ü | X | 0 - 12.5 - 25 - 37.5 - 50 | N° 10 | N° 20 | |||
| A-2-6 | SM | PEHD | PD | ü | X | 0 - 25 - 50 - 75 - 100 | N° 4 | N° 10 | |||
| A-4 | CL | Grano de caucho | C3 | X | ü | 0 - 5 - 25 - 50 | No aplica, adición en peso. | ||||
Nota: (Se realizó, (No se realizó.
Los procesos de adición y sustitución en las mezclas fueron hechos siempre por peso exceptuando el del EPS, el cual fue realizado por volumen.
Los materiales granulares patrón (primera columna del cuadro presentados en el Cuadro 3; los ensayos enlistados no fueron 2), y las mezclas fueron evaluadas bajo los requerimientos del efectuados a todas las mezclas, pues el objeto de cada trabajo artículo 350-13 del Invías, conformando un grupo de ensayos de investigación era variable.
Cuadro 3 Ensayos realizados a los materiales granulares patrón y las mezclas
| Código de la norma | Nombre del ensayo | Valor requerido |
|---|---|---|
| INV E 121 - 13 | Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida por ignición | 1% máx. |
| INV E 122 - 13 | Determinación en laboratorio del contenido de agua(humedad) de muestras de suelo, roca y mezclas de suelo- agregado | - |
| INV E 123 - 13 | Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos | - |
| INV E 125 - 13 | Determinación del límite liquido de los suelos | - |
| INV E 126 - 13 | Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos | - |
| INV E 133 - 13 | Equivalente de arena de suelos y agregados finos | 30% Mín. |
| INV E 142 - 13 | Relaciones de humedad - peso unitario seco en los suelos (ensayo modificado de compactación) | N/A |
| INV E 148 - 13 | CBR de suelos compactados en el laboratorio y sobre muestra inalterada | 60% Mín. |
| INV E 211 - 13 | Determinación terrones de arcilla y partículas deleznables en los agregados | 2% Máx. |
| INV E 218 - 13 | Resistencia a la degradación de los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1 ½”) por medio de la máquina de los ángeles | 500 Rev.: 40%Máx. |
| 100 Rev.: 8%Máx. | ||
| INV E 220 - 13 | Solidez de los agregados frente a la acción de soluciones de sulfato de sodio o magnesio | 18% Máx. |
| INV E 227 - 13 | Porcentaje de partículas fracturadas en un agregado grueso | 50% Mín. |
| INV E 230 - 13 | Índices de alargamiento y aplanamiento de los agregados para carreteras | - |
| INV E 235 - 13 | Valor de azul de metileno en agregados finos | 10 Máx. |
| INV E 238 - 13 | Determinación de la resistencia del agregado grueso a la degradación por abrasión utilizando el aparato micro-deval | 30% Máx. |
Las mezclas suelo cemento con material no biodegradable, fueron iseñadas según las dosificaciones de cemento estipuladas por la PCA (Cuadro 4).
De acuerdo con la organización de los datos se iniciaron las comparaciones mostrando las variaciones de las propiedades de resistencia a la compresión, porcentaje de cemento óptimo, durabilidad, humedad óptima y masa unitaria seca, estas comparaciones se muestran a través de figuras, donde se evidencia que algunas mezclas pueden ser más factibles de implementar como materiales de construcción.
Cuadro 4 Metodología de diseño PCA para mezclas suelo cemento. (ACI, 1997).
| Clasificación de suelo AASHTO | Clasificación de suelo ASTM | Rango de cemento típico requerido % por peso | Contenido de cemento típico para el ensayo de humedad densidad (ASTM 558) % por peso | Contenido de cemento típico para el ensayo de durabilidad (ASTM D559 Y D506) % por peso |
|---|---|---|---|---|
| A-1-a | GW, GP, GM, SW, SP, SM | 3-5 | 5 | 3-5-7 |
| A-1-b | GM, GP, SM, SP | 5-8 | 6 | 4-6-8 |
| A-2 | GM, GC, SM, SC | 5-9 | 7 | 5-7-9 |
| A-3 | SP | 7-11 | 9 | 7-9-11 |
| A-4 | CL, ML | 7-12 | 10 | 8-10-12 |
| A-5 | ML, MH, CH | 8-13 | 10 | 8-10-12 |
| A-6 | CL, CH | 9-15 | 12 | 10-12-14 |
| A-7 | MH, CH | 10-16 | 12 | 11-13-15 |
A continuación, se grafican los resultados obtenidos de las 350 del Invías (Figura 1), mostrando que para el porcentaje de probetas con mayor porcentaje de cemento (valor máximo cemento sugerido hay mezclas que no alcanzan la resistencia sugerido por la PCA y por ende mayor resistencia a la solicitada en el artículo.
Según los parámetros establecidos por la PCA y los valores mrequeridos por el artículo 350 del Invías 2013, las muestras trabajadas con materiales como C1, C2, C3 y P no cumplen con la resistencia mínima de 2.1 MPa, caso contrario a lo que ocurre en las muestras trabajadas con PT1, PT2 y V, que cumplen con los valores mínimos establecidos para la resistencia a la compresión en todas las mezclas trabajadas, probablemente en la mezcla PT2 el cumplimiento del requerimiento obedezca a las características del material granular, que corresponde con una grava bien gradada.
Una vez analizada la resistencia a la compresión, se define el porcentaje óptimo de cemento que alcance la resistencia mínima, según lo requerido en el artículo 350; cuando no se alcanzaba esta resistencia dentro del rango analizado de los porcentajes de cemento adicionados a las mezclas según las indicaciones de la PCA, fue necesaria la extrapolación de datos para obtener el contenido óptimo de cemento de cada mezcla. A continuación, se presenta la comparación de los diferentes tipos de suelos utilizados (Figuras 2 a 4) versus el rango de cemento utilizado para cada caso presentado en el Cuadro 4.
Se puede notar que el suelo A-1-a por sustitución, y A-2 por adición (para V, y parcialmente para PT1) alcanzan la resistencia mínima requerida dentro del rango del contenido de cemento sugerido por la PCA. Analizando el comportamiento de las adiciones para el suelo A-2, respecto al diseño de referencia (0% de material no biodegradable) se observa un comportamiento lineal considerando los porcentajes de adición utilizados de los modificadores V y PT1 (5%, 10% y 15%), lo que permite observar que para valores que para el primer modificador V para porcentajes entre el 5% y el 15% de adición coincidiría con el rango de la PCA, mientras que para el modificador PT1 esto se cumpliría para el rango entre el 7% y el 14%.
Para el suelo A-2 por sustitución y A-4 por adición, es necesaria la extrapolación para obtener el contenido óptimo de cemento para lograr la misma resistencia.
Otra de las propiedades evaluadas, fue la de durabilidad o máxima pérdida de masa de la mezcla compactada en la prueba de humedecimiento y secado (Figura 5), según lo permitido en el artículo 350 para cada tipo de suelo.
Según la Figura 5, los suelos de mejor calidad (Figura 5b) al ser modificados cumplen con el máximo de pérdida permitido según el artículo 350 (línea púrpura), pero en el caso de suelos arenolimosos o limoarcillosos, la pérdida presentada con la modificación es mayor que la máxima permitida, en este caso se debe observar que el material natural sin modificación estabilizado con cemento (0% material no biodegradable) presenta una pérdida muy cercana al límite máximo (Figura 5a).
El ensayo de compactación es uno de los más importantes procedimientos de estudio y control de calidad de un terreno, en los trabajos analizados en este documento emplearon el ensayo de compactación Proctor Standard. A través de él es posible determinar la densidad seca máxima de un terreno en relación con su grado de humedad, a una energía de compactación determinada (Chamba, 2014), la comparación del porcentaje de humedad óptima para las mezclas evaluadas se encuentra en la Figura 6, a su vez los resultados y comparación de la masa unitaria se encuentran en la Figura 7.
Figura 5 Máxima pérdida de masa de la mezcla compactada en prueba de humedecimiento y secado. a) Suelos A-2-6 y A-4. b) Suelos A-1-a y A-2-4
Figura 6 Porcentaje de humedad óptima evaluada en mezclas suelo cemento con material no biodegradable
En general la variación de la humedad óptima de compactación del suelo natural y de las mezclas modificadas es de aproximadamente 2%, lo cual indica que el material modificador no afecta en gran medida este parámetro, sin embargo, la curva de PT2 no se muestra en la gráfica ya que presenta un comportamiento diferente a las demás, en este caso se siguiere y hace parte de las recomendaciones realizar más pruebas para validar los resultados obtenidos.
Adicionalmente la relación entre el material modificador de la mezcla y la masa unitaria es inversamente proporcional, esto es debido a que los materiales modificadores son livianos por lo cual a mayor porcentaje de material modificador en la mezcla menor es su masa unitaria, caso contrario ocurre con el V ya que su densidad es de 2500 kg/m3 ocasiona que la masa unitaria de la mezcla presente un incremento.
Resultados
De la revisión bibliográfica inicial, se plantea el estado de las diferentes condiciones que aún no han sido estudiadas y donde se requiere seguir realizando investigación para validar los resultados respecto a nuevos rangos que se proponen en este artículo. Los cuadros 5, 6 y 7, presentan respectivamente una relación conforme a los materiales y suelos que se han estudiado a la fecha en cuanto a las mezclas suelo cemento modificadas, y por tanto las posibles variaciones e investigaciones que surgen para realizar un estudio más detallado. Los materiales se representan con colores, para su fácil identificación, así:
En los cuadros anteriores todas las casillas en blanco son posibles investigaciones que se pueden realizar a futuro, con el fin de tener una base de datos más amplia. En la Tabla 5, se presenta la relación del método de modificación y las propiedades evaluadas en las mezclas, donde la PT2 es la mezcla a la que se le realizaron más ensayos; así mismo se presentan en las Tablas 6 y 7, la relación entre los rangos de valores de las dosificaciones y la franja granulométrica con los diferentes suelos, donde estos pueden tener diferentes variaciones y combinaciones.
Partiendo de la comparación realizada, se definen fronteras de cambio con el fin de tener en cuenta la inclusión de estos materiales alternativos en futuras investigaciones, dichas fronteras se proponen en una tabla con rangos de dosificación similares a los establecidos por la PCA (Tabla 8), donde se indica el porcentaje de cemento a adicionar sugerido; la recomendación se hace en función del material modificador y el método de inclusión en la mezcla con el fin de alcanzar la resistencia de 2.1 MPa y con la cual se diseñaron las probetas que se trabajaron en las investigaciones analizadas.
Cuadro 8 Dosificaciones de diseño sugeridas para la inclusión de materiales no biodegradables.
| Clasificación AASHTO | Clasificación ASTM | Rango del cemento para el ensayo de durabilidad (ASTM D 559 y D506) % por peso según PCA | Material no biodegradable | Metodología de inclusión para material no biodegradable | Propuesta del rango para encontrar el contenido de cemento óptimo con material no biodegradable (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| A-1-a | GW, GP, GM, SW, SP, SM | 3-5-7 | PT2 | Sustitución | * |
| A-2-4 | GM, GP, SM, SC | 5-7-9 | C1, C2 | Sustitución | 14-27-41 |
| PT1 | Adición | 3-6-10 | |||
| V | Adición | * | |||
| A-2-6 | GM, GP, SM, SC | 5-7-9 | PD | Sustitución | 13-28-43 |
| P | Sustitución | 30-33-36 | |||
| A-4 | CL, ML | 8-10-12 | C3 | Adición | 13-17-21 |
Nota: * No se propone nada porque la resistencia mínima a la compresión se logra dentro del rango de la PCA.
Conclusiones
En la Tabla 8, de los 5 tipos de materiales no biodegradables que modificaron las mezclas, fue posible lograr la resistencia mínima requerida por el artículo 350 del Invías, dentro del rango de cemento sugerido por la PCA para el PET y el vidrio. En el caso del PET, la validación de la PCA, se da para los dos métodos de modificación (adición o sustitución).
Para el grano de caucho por método de modificación de sustitución, el nuevo rango sugerido en los porcentajes de cemento para la fabricación de las probetas, es muy diferente al planteado por la PCA. En el caso del mismo modificador por el método de adición, el nuevo rango también es diferente al de la PCA, pero no tan distante; esto puede implicar que para una mezcla modificada por un material liviano como el PEHD la metodología no se ajusta.
Referente a lo anterior, para los modificadores EPS y PEHD, se puede concluir lo mismo, por tratarse de materiales de muy baja densidad, la resistencia a la compresión de 2.1 MPa no se logra para los porcentajes de cemento recomendados, al igual que la máxima pérdida permitida por efecto de la evaluación de durabilidad por la prueba de humedecimiento y secado, por lo que se proponen unos nuevos rangos de cemento óptimo. De acuerdo con esto se concluye que las bajas densidades de materiales alternativos, ocasionan que la metodología PCA para diseño de mezclas suelo cemento modificadas no se ajuste.
Dada la cantidad de datos utilizados en este documento de acuerdo con las tablas presentadas del estado del conocimiento actual para las mezclas suelo cemento modificadas, es necesario seguir ampliando la investigación de manera que a futuro se pueda proponer una metodología similar a la PCA con nuevos valores y que estos estén validados con suficiencia estadística.
