Estabilización de suelos para carreteras con cal o cemento ¿Cuál método es mejor?

En las obras de infraestructura del transporte donde las exigencias de calidad son superiores por tener que soportar mayores cargas de tráfico, es recomendable hacer uso de la mayor cantidad posible de suelos presentes en la propia obra. Sin embargo, los suelos no siempre poseen las características y resistencia mecánica adecuadas. Afortunadamente, a día de hoy existen diferentes técnicas de estabilización de suelos con el objetivo de reducir su sensibilidad al agua y aumentar su resistencia a la deformación bajo cargas.

Los elementos más utilizados como conglomerantes son los cementos con adiciones y el óxido de Cal. Ambos pueden usarse tanto en polvo como en forma de lechada. Se mezclan con el suelo, se compactan enérgicamente y se curan.

A continuación veremos qué tratamientos funcionan mejor en función de las características del suelo, así como los factores que afectan a cada tipo de estabilización y sus ventajas e inconvenientes:

Estabilización de suelos con cal vs cemento

En el caso de la estabilización de suelos para carreteras con cal o con cemento se persigue fundamentalmente un aumento de la capacidad de soporte para conseguir la máxima presión de contacto tal que no se produzcan un fallo del suelo y una disminución de la sensibilidad frente al agua y otras condiciones medioambientales desfavorables, así como en muchos casos un incremento de su resistencia mecánica.

Si la fracción granular del suelo es elevada, bastará con un porcentaje moderado de conglomerante para obtener un material estable y capaz de resistir a largo plazo las deformaciones ocasionadas por el tráfico.

Para estabilizar un suelo, se usará cemento como conglomerante si el suelo es poco plástico, mientras que si es fino y cohesivo debe utilizarse óxido de Cal, aunque en ocasiones puede convenir un tratamiento mixto, primero con cal para restar plasticidad y después con cemento, para aumentar la capacidad de soporte o alcanzar resistencias.

En este caso, la contribución estructural de una capa estabilizada es notable, y por eso se emplea mayoritariamente en explanadas de infraestructuras que soportan tráfico pesado. Por otra parte, los suelos granulares con finos y plasticidad limitados son excelentes materiales para la ejecución de capas de suelo-cemento en firmes semirrígidos.

Estabilización del suelo para carreteras con cal

La estabilización de suelos para carreteras con cal se utiliza para desarrollar una resistencia permanente a largo plazo en suelos de grano fino con alto contenido de Cal y arcilla. La estabilización con el uso de cal y puzolanas, estás últimas se encuentran presentes de forma natural en los suelos arcillosos,  generan enlaces cementicios que fortalezcan permanentemente un suelo. Las puzolanas, como la sílice y la alúmina, reaccionan con el calcio, aportado por la cal, y el agua para formar hidratos de calcio-silicato (C-S-H) y de calcio-aluminato (C-A-H).  El C-S-H y el C-A-H son los mismos productos responsables de la resistencia en materiales como el hormigón.

¿Qué cal se utiliza en la estabilización de suelos para carreteras?

Para la estabilización de suelos se utiliza cal viva o cal hidratada. Químicamente, la cal viva es óxido de calcio (CaO) y la cal hidratada es hidróxido de calcio (Ca(OH)₂).

La cal viva puede ser de dos tipos, de alto contenido en calcio y dolomítica. La alta en calcio es casi completamente óxido de calcio (CaO), mientras que la cal viva dolomítica contiene una parte de óxido de magnesio junto con el óxido de calcio. Mientras que algunas aplicaciones industriales, como el acero, necesitan el componente de magnesio para ciertos procesos, para fines de construcción la cal viva y la dolomítica son prácticamente indistinguibles.

La cal hidratada es una cal viva que ha sido cuidadosamente hidratada con la cantidad adecuada de agua y agitación para producir un producto muy fino y de gran pureza.  La cal hidratada puede seguir suministrando el calcio que es esencial para estabilizar ciertos suelos mediante la formación de enlaces cementicios.  Sin embargo, como el material ya ha sido hidratado, minimiza gran parte de su capacidad de secado que se desea en obras húmedas. Además, la cal hidratada sólo está disponible en algunas zonas y su procesamiento tiene un costo adicional.

El polvo de horno de cal, se obtiene como un subproducto durante el proceso de fabricación de la cal viva. Está formado por las partículas de tamaño fino que se capturan en el filtro de mangas de una planta de cal.  Estas partículas son de alto contenido en calcio o cal dolomítica más puzolanas procedentes del combustible utilizado para encender el horno de cal. Al contener tanto cal como puzolanas, el polvo de horno de cal es un híbrido entre la cal y el cemento. Como se ha mencionado anteriormente, la cal funciona muy bien con suelos de grano fino mientras que el cemento, funciona muy bien con suelos de grano más grueso. El polvo de horno de cal tiende un puente entre ambos.

Factores que afectan a la estabilización  y mecánica de suelos con cal

Los siguientes factores afectan al proceso de estabilización de suelos para carreteras con cal:

• Tipo de suelo: La estabilización con cal es útil para la estabilización de suelos arcillosos, pero no es eficaz para los suelos arenosos.
• Cantidad de cal: La cantidad de cal necesaria para la estabilización varía entre el 2 y el 10% del suelo.
• Relación entre las cenizas volantes y la cal: La relación entre las cenizas volantes y la cal varía generalmente entre 3 y 5. Las cenizas volantes utilizadas son del 10 al 20% del peso del suelo.
• Diferentes tipos de cal: La cal rápida es más eficaz, pero por seguridad y comodidad de manejo se suele utilizar la cal hidratada.

Ventajas e inconvenientes de la estabilización de suelos para carreteras con cal

Algunas de las ventajas de la estabilización del suelo con cal son las siguientes:

• El suelo se vuelve más manejable.
• En general, se mejora la resistencia.
• La estabilización con cal aumenta la resistencia a la compresión, a veces hasta 60 veces.
• Es eficaz para los suelos.

La estabilización con cal tiene también algunas desventajas y son las siguientes:

• • No es eficaz para los suelos arenosos.
  • La cantidad de cal requerida es limitada, entre el 2 y el 10% del suelo.

Estabilización del suelo con cemento

La estabilización con cemento del suelo se realiza mezclando tierra pulverizada y cemento portland  con agua. Luego se compacta la mezcla para obtener un material resistente. El material obtenido al mezclar tierra y cemento se conoce como suelo-cemento. El suelo-cemento se convierte en un material estructural duro y duradero a medida que el cemento se hidrata y desarrolla su resistencia.

La estabilización con cemento se realiza mientras continúa el proceso de compactación. Durante el proceso de compactación se utiliza cierta cantidad de cemento. Se puede encontrar algún espacio vacío en las partículas del suelo. El cemento es como una pata, por lo que el cemento puede llenar el espacio vacío del suelo fácilmente. Como resultado, la proporción de vacíos del suelo puede reducirse. Después de estas tareas primarias, cuando añadimos agua en la compactación, el cemento reacciona con el agua y se vuelve duro. Por lo tanto, el peso unitario del suelo también puede aumentar. Debido al endurecimiento del cemento, la resistencia al cizallamiento y la capacidad de carga se incrementan. Debido a la estabilización, la permeabilidad del suelo puede disminuir.

¿Qué es el cemento Portland?

El cemento Portland es el tipo de cemento más común. Sus componentes básicos son el calcio, la sílice, la alúmina y el hierro derivados de la piedra caliza, la arena y la arcilla. Todos ellos se procesan, se cuecen en un horno y se pulverizan hasta obtener un polvo fino. El producto final es lo que llamamos cemento Portland. Cuando se expone al agua, se hidrata químicamente dando lugar a un gel que forma una matriz entrelazada alrededor de las partículas. A medida que se cura, se endurece dando fuerza al sistema.

Pequeñas variaciones producen diferentes tipos de cemento. Los cambios en las líneas de producción, las diferencias en las materias primas y/o las alteraciones al final del proceso de fabricación del cemento definen el tipo de cemento producido. Cualidades como el arrastre de aire, o los millones de minúsculas burbujas de aire que resisten la tensión debida a la congelación y descongelación, se distinguen claramente.

Factores que afectan a la estabilización del suelo con cemento

Durante la estabilización con cemento del suelo afectan los siguientes factores:

• Tipo de suelo: La estabilización con cemento puede aplicarse en suelos finos o granulares, sin embargo los granulares son preferibles para la estabilización con cemento.
• Cantidad de cemento: Se necesita una gran cantidad de cemento para la estabilización con cemento.
• Cantidad de agua: Se necesita una cantidad adecuada de agua para la estabilización.
• Mezcla, compactación y curado: Se necesita una mezcla, compactación y curado adecuados para la estabilización con cemento.
• Adhesivos: El cemento tiene algunos aditivos importantes que le ayudan a crear una unión adecuada. Estos aditivos desempeñan un papel vital en caso de reacción entre el cemento y el agua.

Ventajas e inconvenientes de la estabilización con cemento

• Está ampliamente disponible.
• Es muy duradero.
• El cemento para suelos es bastante resistente a la intemperie y fuerte.
• Los suelos granulares con suficientes finos son ideales para la estabilización con cemento, ya que requieren la menor cantidad de cemento.
• El suelo-cemento reduce las características de hinchamiento del suelo.
• Se suele utilizar para estabilizar suelos arenosos y otros suelos de baja plasticidad. El cemento interactúa con las fracciones de limo y arcilla y reduce su afinidad por el agua.

Las desventajas de la estabilización con cemento son las siguientes:

• Pueden formarse grietas en el cemento del suelo.
• Es perjudicial para el medio ambiente.
• Requiere mano de obra adicional.
• La cantidad de agua debe ser suficiente para la hidratación del cemento y para que la mezcla sea viable.

En resumen, el tipo de suelo y su estado hídrico, las condiciones climáticas del entorno y las prestaciones requeridas son los factores principales para seleccionar el conglomerante más apropiado para la estabilización de suelos para carreteras con cal o la estabilización con cemento. En los casos dudosos, un estudio de laboratorio ayudará a marcar las diferencias.