Guía para la estabilización de suelos con Cal en el sector construcción

En el sector de la construcción, el éxito de un proyecto depende en gran parte de la calidad de los suelos. Aquellos suelos con presencia de arcilla y agua son inestables y suponen una dificultad añadida a la hora de desarrollar las estructuras y pavimentos. Con técnicas de construcción apropiadas como la estabilización de suelos con cal se pueden transformar suelos inestables en suelos aprovechables. La estabilización de suelos con cal es un proceso mediante el cual se añade cal al suelo para mejorar sus propiedades, tales como la densidad, la capacidad de carga, y además, aporta los siguientes beneficios:

• Incrementa la acción impermeable del suelo.

• Se disminuye la expansión y compresión que tenía la arcilla anteriormente antes de la aplicación de la Cal

• Aumenta la eficiencia de los recursos al mejorar la calidad de los materiales in situ y reducir la necesidad de comprar otros materiales más costosos.

• Aumenta la durabilidad en el tiempo de los caminos y carreteras realizadas, reducieno el costo de mantenimiento.

• Demuestra buenas prácticas al minimizar los costos y la demanda de recursos.

• Minimiza la expansión y compresión que tenía la arcilla antes de la aplicación

Introducción a la estabilización de suelos con cal

La estabilización de suelos con cal puede lograrse aplicando al suelo una dosis controlada de cal viva o cal hidratada.

La cal viva se utiliza habitualmente para reducir el contenido de humedad de los suelos mediante el proceso de hidratación que absorbe químicamente el agua y, a través del calor generado por la reacción de hidratación, provoca la evaporación de la humedad. El suelo tratado puede entonces modificarse más fácilmente con otros aglutinantes si fuera necesario.

Los suelos arcillosos se modifican de forma permanente mediante la adición de cal para obtener un material más granular que pueda compactarse fácilmente, incrementando así la capacidad de soporte, esto sucede por la reacción química del suelo/cal.

Existen diferentes tratamientos que se adaptan a prácticamente cualquier tipo de suelo y que pueden producir una gama de resistencias diferentes según el uso.

Una ventaja significativa de la mejora de los suelos con productos de cal es el uso de materiales in situ. Esto elimina la necesidad de retirar el material fuera de la obra y ahorra los costos de transporte y eliminación. El tratamiento de los materiales con cal in situ suele tener un impacto positivo en el cronograma de construcción, ya que suele ser más rápido tratar los suelos in situ que excavar, retirar e importar materiales de sustitución adecuados.

Mecanismos de estabilización del suelo con cal

Secado: Una vez que la cal viva se mezcla con el suelo húmedo, se produce una reacción exotérmica que libera y produce calor. En una mezcla homogénea, la cal viva reacciona con la humedad presente en el suelo. Esta reacción exotérmica genera importantes cantidades de energía calorífica que secan el suelo con temperaturas que pueden superar los 100ºC y además ligan químicamente su propio peso de agua en forma de hidróxido.

Modificación: La modificación sólo se produce en los suelos arcillosos. Cuando se añade cal viva o cal hidratada a un suelo arcilloso, las plaquetas de la arcilla pasan por un proceso de intercambio de iones, que introduce calcio en la superficie de la arcilla y provoca un cambio en la forma en que se alinean las plaquetas de la arcilla. Este proceso aumenta la resistencia del suelo y normalmente se produce con bastante rapidez aunque siempre dependerá de las condiciones del lugar.

Estabilización: El contenido de sílice y alúmina de los suelos arcillosos reacciona con el calcio presente en la cal viva o la cal hidratada para formar hidratos de silicato de calcio o hidratos de aluminato de calcio. Estas reacciones son similares a las que se producen en el endurecimiento del cemento pues son de larga duración y la ganancia de resistencia puede continuar durante muchos años.

El proceso de estabilización de suelos con cal

La estabilización de suelos con cal puede llevarse a cabo en una amplia gama de proyectos, debe tenerse en cuenta: el tipo de suelo que se pretende estabilizar, definir el porcentaje de aplicación de la cal en el suelo, normalmente la proporción óptima de suelo y cal para la estabilización del suelo se determina mediante pruebas de características específicas del suelo estabilizado, como la resistencia a la compresión o el índice de plasticidad. La mezcla de la Cal normalmente se realiza in situ con la maquinaria pertinente que ofrezca el mayor rendimiento. Compactar, según los resultados del laboratorio, se puede usar rodillos neumáticos, vibratorios o pata de cabra. Finalmente, se debe curar la capa varios días, según el clima, antes de poder aplicar la capa superior.

Los productos de cal se introducen en los suelos y se mezclan a fondo. El proceso más común es tratar los suelos en capas horizontales en el emplazamiento.

También es posible excavar el suelo sin tratar en una pila y luego introducir el material en un procesador de mezclas donde se añade la cal. El material mezclado puede entonces colocarse en el lugar donde se requiera, listo para la siguiente etapa.

El material mezclado de cal y suelo se deja fraguar, donde las reacciones de estabilización continúan ocurriendo y la mezcla cambia de características, volviéndose más rígida. Si fuera necesario, se pueden introducir otros aglutinantes como tratamiento adicional para aumentar la resistencia y rigidez finales.

En el caso de que se utilice el método de mezcla, la siguiente etapa es la compactación del material para producir una superficie competente con la capacidad de carga diseñada. El proceso de estabilización es el mismo que el de la estabilización de un terreno.

Factores que afectan a la estabilización del suelo calcáreo

Los factores que afectan a la estabilización del suelo con cal se analizan brevemente a continuación:

1. Tipo de suelo

   El tipo de suelo utilizado en la estabilización debe ser de tipo reactivo para que reaccione con el contenido de cal cuando se añade.

   Para reaccionar con la cal, el suelo debe contener puzolana en buena cantidad. Cuando se añade cal al suelo puzolánico en presencia de agua, el hidróxido de calcio de la cal reacciona con los materiales silíceos y aluminosos del suelo y forma una mezcla con propiedades de adhesión y cohesión. Esta reacción se denomina reacción puzolánica.

   Esta reacción aumentará la resistencia de la mezcla de cal y suelo y el aumento de la resistencia se incrementa gradualmente con el tiempo, ya que la reacción puzolánica continúa durante períodos muy largos.

2.  Tipo de cal

   La cal viva (CaO) es más eficaz que la cal hidráulica (Ca(OH)2), pero sólo hay una pequeña diferencia en los resultados finales.

   Si se utiliza cal rápida, los trabajadores deben tener cuidado ya que una mala manipulación puede producir quemaduras en la piel. Por lo tanto, en la mayoría de los casos la cal hidráulica se utiliza en forma de polvo seco o mezclando agua.

3. Contenido de cal

   Cuando el contenido de cal se añade al suelo en presencia de agua, el límite plástico aumenta y el índice de plasticidad disminuye.

   Cuando se añade más contenido de cal, después de cierto punto el límite plástico empieza a disminuir. Este punto se denomina punto de fijación de la cal.

   Para obtener la estabilidad deseada, el índice de plasticidad debe ser muy bajo o nulo, lo que significa que la arcilla o el suelo son materiales no plásticos. La adición de una cantidad adecuada de cal también aumenta el límite de contracción y el hinchamiento también puede minimizarse aumentando el contenido de cal en el suelo.

4. Compactación

   Para obtener una mayor resistencia de la mezcla de cal y tierra, la densidad de la mezcla debe ser mayor.

   La mezcla cal-suelo debe ser compactada a un contenido de humedad óptimo (OMC), en el cual el suelo obtiene la máxima densidad de compactación.

5. Curado

   El curado es también un factor importante para conseguir una buena mezcla estabilizada de cal y tierra.

   Se debe proporcionar un curado adecuado a la mezcla, especialmente durante las etapas iniciales, en las que la tasa de aumento de la resistencia es rápida. Esta ganancia de resistencia depende de la temperatura de la zona, para las regiones de baja temperatura la tasa de ganancia de resistencia es muy baja mientras que en las zonas de congelación es casi nula.

   La humedad también afecta al curado y a la tasa de aumento de la resistencia de la mezcla de cal y tierra.

Por tanto, la estabilización de suelos con cal es adecuada para estabilizar permanentemente materiales que no cumplen con las propiedades necesarias para funcionar como base ya que aumenta el límite plástico y reduce el índice de plasticidad, lo que finalmente resulta en un aumento de la estabilidad del suelo. Por ejemplo, las mezclas estabilizadas con cal son útiles para estabilizar permanentemente el suelo fino empleado como una subrasante o subbase, porque crean una capa con un valor estructural significativo en el sistema del pavimento para carreteras y caminos de tránsito pesado.