Efecto del intemperismo sobre las propiedades fisicoquímicas, el desempeño y la durabilidad de suelos viales aditivados con estabilizantes químicos (2021)
RESUMEN: El desarrollo de un país está asociado al estado de su infraestructura vial, factor potencializador de la conectividad nacional y regional, y diferenciador de la competitividad en bienes y servicios de los distintos sectores que integran su dinámica socio-económica, toda vez que es considerada como un componente del desarrollo y la integración interregional. La construcción de infraestructura vial, como gran consumidor de materiales, ha explotado un sin fin de recursos naturales para responder a los estándares requeridos en los distintos procesos constructivos, tanto desde el diseño estructural como el de los mismos materiales, los cuales dan forma, soporte, resistencia al deterioro y debe garantizar durabilidad y una apropiada respuesta mecánica. Una de las limitaciones que enfrenta el desarrollo de la infraestructura vial es el constante deterioro de los recursos naturales que son la principal fuente de materiales; su explotación y uso irracional han provocado su agotamiento progresivo y legislaciones más estrictas tendientes a proteger y mantener estos recursos. Ante la escasez de materiales y recursos para satisfacer las necesidades asociadas al desarrollo de la infraestructura vial de las sociedades modernas, han surgido variadas opciones que buscan aminorar costos e impactos, entre ellas se encuentra la estabilización química como una alternativa de solución para transformar los materiales existentes en cada región a través de procesos fisicoquímicos que mejoren sus propiedades de resistencia y durabilidad, aportando así a metodologías y procesos que pueden resultar más eficientes, económicas, amigables y sostenibles con el ambiente. El creciente auge e interés por la estabilización química de suelos viales en los últimos años, se ha evidenciado en una proliferación de productos químicos comerciales que pretenden brindar soluciones duraderas de estabilización para todo tipo de suelos, sin embargo los estudios de desempeño y durabilidad de estos productos son limitados. Por tanto se hace necesario profundizar en el conocimiento de los fenómenos tanto físicos como químicos presentes en los procesos de estabilización, así como la correlación que existe entre esta fenomenología y la durabilidad que pueden presentar tanto los productos estabilizantes como los sistemas aditivados. Los aditivos químicos que vienen siendo empleados para el mejoramiento de suelos pueden clasificarse, según su naturaleza química, en: polímeros, aceites sulfonados, silanos, puzolanas y enzimas. Estas alternativas para el mejoramiento de suelos han sido usualmente orientadas a caminos sin pavimentar de mediano y bajo volumen de tránsito, donde el desgaste y la durabilidad de los materiales es debido principalmente a factores climáticos y de intemperismo natural. El intemperismo deteriora los materiales expuestos al exterior produciendo cambios de color, superficies más rugosas, fisuramiento, agrietamiento, pérdida de cohesión y fragmentación, lo que finalmente se traduce en una pérdida de resistencia, efectividad y funcionalidad de estos materiales. El intemperismo acelerado es una metodología que permite evaluar en periodos cortos de tiempo la evolución de las propiedades fisicoquímicas de un material y predecir su comportamiento a largo plazo, mediante la combinación de las condiciones ambientales más desfavorables a las que estaría expuesto el material durante un período de tiempo relativamente prolongado. Para este propósito, se realizan pruebas empleando una cámara de envejecimiento acelerado, en la cual los materiales se exponen a ciclos alternados de luz ultravioleta (UV) y humedad, todo ello a temperaturas elevadas y controladas. De acuerdo a lo anterior, es posible desarrollar una metodología que permita evaluar en períodos cortos de tiempo el comportamiento y durabilidad de este tipo de materiales bajo las condiciones ambientales naturales a las que pueden estar expuestos y predecir su desempeño a largo plazo. De esta forma sería posible evaluar la evolución de sus propiedades en el tiempo y estimar un tiempo de vida útil. Inicialmente para este estudio se seleccionó y caracterizó un suelo natural de una vía de bajo volumen de tránsito, lo que permitió establecer sus propiedades mecánicas, fisicoquímicas y morfológicas. Según la clasificación USCS, se caracterizó como una arcilla magra y en el análisis mineralógico se encontró la presencia de minerales arcillosos como la caolinita y la illita; presentando un IP de 21, un CBR de 5.0% y una capacidad carga de 5.5 MPa. Las características encontradas indican que es un suelo de mala calidad desde el punto de vista geotécnico y que para su uso en aplicaciones de infraestructura vial, requiere de una intervención para mejorar sus propiedades ingenieriles. Posteriormente se seleccionaron siete productos comerciales de diferente naturaleza química usados para el mejoramiento de suelos, e identificados en el desarrollo de este trabajo como: aceite sulfonado, polímero, enzima, organosilano, cal, cemento y zeolita/cemento. Los sistemas mixtos de suelo con cada uno de estos productos químicos fueron evaluados inicialmente y después de 7 días de curado mediante diversos ensayos fisicoquímicos, mecánicos y ambientales. Estos materiales demostraron desempeños adecuados para objetivos de mejoramiento en las propiedades ingenieriles del suelo; de manera general se presentaron mayores resistencias mecánicas, destacándose los resultados obtenidos para los sistemas mixtos suelo-cemento y suelo-zeolita/cemento los cuales aumentaron significativamente la capacidad de carga del suelo, alcanzado valores de 47 y 56 MPa, así como valores de CBR superiores al 100%. Para los sistemas mixtos de suelo aditivado con los productos líquidos, se encontraron cambios favorables en las propiedades fisicoquímicas respecto al suelo natural, como la reducción en la porosidad de los materiales y resistencia al agua que presentan. Entre los aditivos químicos se destacan el organosilano y el polímero con coeficientes de conductividad hidráulica de 1.08 x 10-11 m/s y 7.33 x 10-11 m/s respectivamente, menores que el valor obtenido para el suelo natural de 1.36 x 10-09 m/s. La caracterización ambiental realizada a los sistemas mixtos de suelo con los aditivos químicos muestra que los productos evaluados como estabilizantes de suelos viales, no presentan afectaciones para el ambiente en términos de toxicidad, biodegradabilidad y generación de material particulado. Es de resaltar que los resultados obtenidos para los sistemas mixtos de suelo con los aditivos líquidos son muy similares a los del suelo natural, mientras que para el caso de los productos sólidos se encuentra que sí hay una alteración de los parámetros evaluados, específicamente por la incorporación de calcio al sistema con la consecuente alcalinización del medio, obteniendo lixiviados con un pH entre 11 y 12. No obstante, esta alteración no representa afectación ambiental en tanto que el calcio es un componente natural de los suelos y se espera que en el tiempo, al completar las reacciones puzolánica, el sistema tienda a la neutralidad. Después de esta valoración inicial, los materiales estudiados fueron sometidos y evaluados a diferentes condiciones de intemperismo, lo que permitió correlacionar su desempeño y durabilidad a condiciones ambientales aceleradas y a condiciones naturales. Estas correlaciones se expresan en términos de los factores de aceleración establecidos para cada material, para de esta forma estimar la evolución de las propiedades fisicoquímicas, ambientales y mecánicas de los materiales en el tiempo. Los mejores resultados de desempeño, en términos de capacidad de carga, se obtienen para los sistemas mixtos suelo-aceite sulfonado y suelo-zeolita/cemento, que luego de 540 h de intemperismo acelerado su resistencia está alrededor de 48 MPa, que es un buen resultado respecto al obtenido para el suelo natural que presentó una capacidad de carga de 18 MPa. Finalmente, se evaluaron a escala real dos de los aditivos químicos estudiados en este trabajo: enzima y zeolita/cemento, mediante la construcción de tramos de prueba de un kilómetro de longitud por cada producto, ubicados en una vía de bajo volumen de tránsito. Los resultados obtenidos en la implementación y evaluación de los tramos piloto, evidencian el efecto positivo de los aditivos químicos en el suelo, lo que muestra la potencialidad de estas soluciones para el mejoramiento de vías no pavimentadas o de bajo volumen de tránsito del país. Se evidencia en el trabajo de campo, que los procesos constructivos no son complejos y solo requieren de un kit básico de maquinaria: máquina motoniveladora, retroexcavadora y vibrocompactador, tanto para aditivos líquidos como sólidos, encontrándose además una buena relación de costo beneficio susceptible de mejora en la medida que estas tecnologías se estandaricen y regulen para ser implementadas en el país. Los resultados obtenidos en este trabajo de investigación están asociados a la necesidad de profundizar en el conocimiento de los fenómenos tanto físicos como químicos presentes en los procesos de estabilización química, así como a la determinación de correlaciones existentes entre esta fenomenología y la durabilidad que pueden presentar tanto los productos estabilizantes como los sistemas aditivados. Estos resultados se constituyen en una herramienta para la evaluación del desempeño de productos y/o tecnologías alternativas para carreteras no pavimentadas o vías de bajos volúmenes de tránsito, lo que conducirá indudablemente a potenciar y estandarizar el uso de estos materiales como soluciones pertinentes para el mejoramiento de la infraestructura vial rural.