El alto contenido de agua y la presencia de arcilla en los suelos dificulta los trabajos de construcción. Pero la cal aporta una solución rápida, además de económica, a estos problemas.
Hablar de la estabilización de la arcilla con cal no es nada nuevo. Son muchas las ventajas, tanto económicas como medioambientales, que ofrece la cal en la estabilización de suelos.
Qué es el bombeo en los pavimentos
El bombeo es la expulsión mecánica de agua y partículas finas de suelo en suspensión desde la subrasante, subbase o base a través de juntas, grietas o bordes de losa del pavimento, impulsada por la deflexión dinámica repetida de la losa de concreto bajo cargas de ruedas en movimiento.
El Manual de Identificación de Deterioros del Programa de Rendimiento de Pavimentos a Largo Plazo (LTPP) de la FHWA define formalmente el bombeo como «la expulsión de material por agua a través de juntas o grietas, causada por la deflexión de la losa bajo cargas que pasan» y lo clasifica bajo el Tipo de Deterioro JCP 16, Exudación de Agua y Bombeo para pavimentos de concreto de cemento portland (PCC) con juntas, y el Tipo de Deterioro ACP 15 para pavimentos con superficie de concreto asfáltico.
El término «bombeo» se originó por la analogía con un mecanismo de bomba: la losa de concreto actúa como el pistón, el agua atrapada entre la losa y la fundación actúa como el fluido de trabajo, y la abertura de la junta sirve como la válvula de descarga.
Cada carga que pasa completa un ciclo de bombeo. La investigación realizada en la Universidad de Purdue y publicada por el Proyecto Conjunto de Investigación de Carreteras definió el bombeo en pavimentos rígidos como «la expulsión de agua y material de la subrasante, subbase o berma a través de juntas, grietas y bordes del pavimento» y estableció que el mecanismo requiere que tres elementos ocurran simultáneamente: agua libre, carga dinámica y una vía de expulsión.
Cómo se produce el bombeo
El mecanismo fundamental del bombeo en pavimentos rígidos sigue una secuencia bien establecida.
Cuando una carga de rueda pesada se aproxima a una junta transversal, la losa de aproximación se deflecta hacia abajo bajo la carga aplicada.
Si hay agua libre presente en la interfaz losa-subrasante o losa-subbase, típicamente por infiltración de lluvia a través de juntas no selladas o dañadas, ascenso capilar desde un nivel freático alto, o acumulación de agua superficial, la deflexión hacia abajo presuriza el agua atrapada.
Esta presión fuerza el agua, junto con partículas finas de suelo erosionadas de la subrasante o subbase, a través de la abertura de la junta y hacia la superficie del pavimento.
A medida que la carga de la rueda pasa y la losa rebota, un efecto de succión puede atraer agua adicional de vuelta al vacío, movilizando aún más partículas de suelo.
El Documento Técnico de la FHWA sobre Erosión de Subbase y Subrasante (FHWA/TX-09/0-6037-1) señala que «la mayoría de los tipos de pavimentos de concreto manifestarán alguna evidencia de bombeo si hay agua presente a lo largo de la interfaz entre la losa y la subbase o subrasante y el material de la subbase o subrasante es erosionable bajo carga dinámica repetida».
La erosionabilidad del material de la subrasante o subbase es un factor crítico, los suelos de grano fino como limos y arcillas son más susceptibles al bombeo porque su pequeño tamaño de partícula les permite permanecer en suspensión en el agua, mientras que los materiales granulares bien graduados con bajo contenido de finos son generalmente resistentes al bombeo.
Proceso de erosión hidromecánica
La erosión del material de la subrasante debajo de una losa de concreto durante el bombeo es un proceso hidromecánico complejo gobernado por la interacción de la presión hidráulica, la mecánica de suelos y la carga cíclica.
El proceso puede dividirse en cuatro fases distintas que se repiten con cada aplicación de carga de rueda.
Fase 1: deflexión de la losa y presurización del agua
A medida que la carga de la rueda se aproxima a la junta, la esquina o borde de la losa se deflecta hacia abajo.
La magnitud de la deflexión depende del espesor de la losa, el módulo de elasticidad del concreto, la rigidez del soporte de la subrasante (valor k), la magnitud de la carga y la presencia o ausencia de transferencia de carga a través de la junta.
Las deflexiones en pavimentos susceptibles al bombeo típicamente varían de 0.25 a 1.0 mm en la esquina de la losa.
El desplazamiento hacia abajo de la losa reduce el volumen disponible para el agua atrapada en el espacio de la interfaz, generando presión hidráulica.
La presión máxima es función de la tasa de deflexión, la viscosidad del agua y la permeabilidad del espacio entre la losa y la subrasante.
Fase 2: expulsión de agua y arrastre de partículas
El agua presurizada busca la ruta de menor resistencia, que típicamente es la abertura de la junta.
A medida que el agua fluye a través del espacio hacia la junta, alcanza una velocidad suficiente para arrastrar partículas finas de suelo de la superficie de la subrasante.
La velocidad de corte crítica requerida para iniciar el movimiento de partículas depende del tamaño, densidad y cohesión de la partícula.
Para suelos de subrasante típicos de limo y arcilla, la velocidad de corte crítica es relativamente baja, lo que significa que incluso gradientes hidráulicos moderados pueden iniciar la erosión.
La mezcla de agua y partículas es expulsada a través de la abertura de la junta hacia la superficie del pavimento, donde los finos se depositan como una mancha o acumulación.
Fase 3: formación y agrandamiento de cavidades
Cada ciclo de bombeo elimina una pequeña cantidad de suelo debajo de la losa.
A lo largo de miles de aplicaciones de carga, esta erosión incremental crea un vacío o cavidad debajo de la losa en la junta.
La cavidad típicamente se inicia en la esquina de la losa y se propaga a lo largo de la junta.
La profundidad de la cavidad puede alcanzar 25 a 50 mm o más en casos avanzados.
Una vez que existe un vacío, la losa ya no está uniformemente apoyada, y las deflexiones aumentan drásticamente, un ciclo de retroalimentación positiva que acelera la tasa de erosión.
Fase 4: recuperación de la losa y entrada de agua
A medida que la carga de la rueda pasa más allá de la junta y la losa rebota, la cavidad debajo de la losa crea una presión negativa (succión) que atrae agua de vuelta a través de la abertura de la junta.
Esto repone el suministro de agua para el siguiente ciclo de carga.
En pavimentos con mal drenaje, el vacío puede permanecer lleno de agua entre eventos de carga, manteniendo un suministro constante de agua presurizada para el siguiente ciclo.
Cómo reconocer el bombeo en la superficie
La evidencia visual del bombeo en la superficie del pavimento es distintiva y diagnóstica.
El reconocimiento de estos signos durante los estudios de condición del pavimento es esencial para la detección temprana y la intervención.
El Manual de Identificación de Deterioros del LTPP de la FHWA y la ASTM D6433 (Práctica Estándar para Estudios de Índice de Condición de Pavimentos en Carreteras y Estacionamientos) proporcionan orientación sobre la identificación del bombeo.
Manchas superficiales
La evidencia visual más común es la decoloración o manchado de la superficie del pavimento adyacente a juntas o grietas.
El color de la mancha depende del tipo de material de la subrasante o subbase que se está expulsando.
- Las subrasantes arcillosas producen manchas rojizas, marrones u oscuras.
- Las subrasantes limosas producen manchas gris claro o marrón claro.
- Las subrasantes arenosas producen depósitos más claros y granulares.
El patrón de manchas típicamente se extiende de 100 a 500 mm desde la junta en ambos lados, con la mayor concentración en la abertura de la junta.
Las manchas suelen ser más visibles cuando la superficie del pavimento está seca, ya que el contraste entre los finos depositados y la superficie de concreto limpia se vuelve más evidente.
Deposición de finos
En el bombeo activo, se acumulan depósitos visibles de material fino de suelo en la superficie del pavimento en la junta.
Estos depósitos pueden aparecer como una película delgada en etapas tempranas o como una acumulación de material de varios milímetros de espesor en casos avanzados.
El material depositado a menudo puede limpiarse con un dedo, revelando la superficie de concreto limpia debajo.
Durante el clima húmedo, el material depositado aparece como una lechada fangosa alrededor de la junta.
Humedad en las juntas
La humedad visible o mojado en las juntas durante períodos de clima seco indica que hay agua debajo de la losa y que está siendo forzada hacia arriba por las cargas del tráfico.
Esto es distinto de la acumulación de agua superficial, que afectaría a las juntas uniformemente.
La humedad relacionada con el bombeo típicamente se localiza en juntas específicas donde el mecanismo de bombeo está activo.
Daño en el sello de la junta
El sello de la junta debe identificarse como defectuoso antes de que pueda decirse que existe bombeo, según la definición del LTPP de la FHWA.
Este es un criterio de diagnóstico crítico.
Si el sellador de la junta está intacto y funcional, el agua no puede entrar a la junta desde arriba y no puede ocurrir el bombeo.
Por lo tanto, la presencia de evidencia de bombeo indica automáticamente que el sellador de la junta está dañado, ausente o ha fallado.
Los inspectores deben anotar la condición del sellador de juntas en las juntas afectadas por bombeo como parte de la evaluación del deterioro.
Deterioros asociados
El bombeo rara vez es un deterioro aislado.
La siguiente evidencia asociada debe documentarse durante la inspección:
- escalonamiento, entendido como desplazamiento vertical medible a través de la junta;
- roturas en esquinas, con grietas aproximadamente a 45 grados desde la intersección de la junta;
- asentamiento de la losa en el lado de salida de la junta.
El Manual de Identificación de Deterioros de la FHWA (Quinta Edición, FHWA-HRT-13-092) enfatiza que el bombeo en pavimentos de PCC «puede ocurrir tanto en grietas como en juntas» y que «las manchas superficiales y el material de base o subrasante en el pavimento cerca de juntas o grietas son evidencia de bombeo».
El manual también señala que «no se definen grados de severidad» para el bombeo, es suficiente indicar que el deterioro existe.
El manual LTPP de la FHWA distingue el bombeo de la exudación de agua, señalando que la exudación de agua es la expulsión de agua clara sin partículas de suelo visibles, mientras que el bombeo implica la expulsión de agua con finos en suspensión.
Clasificación del bombeo según FHWA LTPP
El programa de Rendimiento de Pavimentos a Largo Plazo (LTPP) de la FHWA proporciona el estándar más utilizado para la clasificación del bombeo en estudios de condición de pavimentos.
El Manual de Identificación de Deterioros (DIM) del LTPP, ahora en su Quinta Edición (FHWA-HRT-13-092, revisado en mayo de 2014), clasifica el bombeo tanto en la sección de pavimentos de PCC con juntas como en la sección de pavimentos de concreto asfáltico.
Pavimentos de PCC con juntas
Para pavimentos de PCC con juntas (JCP), el bombeo se clasifica como Tipo de Deterioro JCP 16, Exudación de Agua y Bombeo dentro de la categoría de Deterioros Misceláneos (Categoría D).
Las unidades de medida son número de juntas o grietas afectadas y longitud total en metros de juntas afectadas por bombeo.
El manual de la FHWA establece que «no se definen grados de severidad» para el bombeo, el deterioro se registra como presente o ausente.
La definición requiere específicamente que «el sello de la junta debe identificarse como defectuoso antes de que pueda decirse que existe bombeo».
| Elemento de clasificación | Especificación LTPP |
|---|---|
| Tipo de Deterioro | JCP 16, Exudación de Agua y Bombeo |
| Categoría | D, Deterioros Misceláneos |
| Unidad de Medida | Número de juntas/grietas afectadas, metros de juntas afectadas por bombeo |
| Niveles de Severidad | Ninguno definido |
| Regla Diagnóstica Clave | El sello de la junta debe ser defectuoso para que exista bombeo |
| Método de Medición | Observación visual durante estudio de condición |
El protocolo LTPP requiere que los inspectores distingan entre exudación de agua (solo agua clara, sin partículas de suelo visibles) y bombeo (agua con partículas finas en suspensión).
En la práctica, ambas condiciones indican la presencia de agua debajo de la losa y deben registrarse.
El manual señala que la exudación de agua a menudo precede al bombeo, una vez que los finos comienzan a aparecer en el agua expulsada, la erosión subsuperficial está en marcha.
Pavimentos de concreto asfáltico
Para pavimentos de concreto asfáltico (ACP), el bombeo se clasifica como Tipo de Deterioro ACP 15, Exudación de Agua y Bombeo dentro de la categoría de Deterioros Misceláneos.
La definición sigue un principio similar: «la expulsión de agua y material fino de la estructura del pavimento a través de grietas».
En pavimentos flexibles, el bombeo se considera un indicador más grave porque típicamente ocurre en etapas avanzadas de agrietamiento por fatiga y falla estructural.
El protocolo LTPP no requiere medición directa del volumen de vacío o deflexión para la clasificación del bombeo, la evidencia visual es suficiente.
Sin embargo, el manual recomienda que las observaciones de bombeo se correlacionen con períodos de clima húmedo, ya que el deterioro es más evidente durante e inmediatamente después de la lluvia, cuando la subrasante está saturada y la actividad de bombeo está en su punto máximo.
Consecuencias del bombeo no controlado
Las consecuencias del bombeo no controlado siguen una progresión predecible desde las manchas superficiales hasta la falla estructural.
Comprender esta progresión es esencial para las decisiones de gestión de pavimentos y la priorización de reparaciones.
Pérdida de soporte
Cada ciclo de bombeo elimina material fino debajo de la losa, creando un vacío o cavidad en la interfaz losa-fundación.
El vacío típicamente se inicia en la esquina de la losa adyacente a la junta y se expande a lo largo de la junta.
El área de pérdida de soporte puede extenderse de 0.3 a 1.0 m desde la junta hacia el interior de la losa en casos moderados, y a través de todo el ancho de la losa en casos severos.
La FHWA señala que la pérdida de soporte debajo de las esquinas de la losa es la condición más crítica porque crea una condición de carga en voladizo en la esquina de la losa, lo que induce tensiones de tracción que superan con creces las de una losa uniformemente apoyada.
Escalonamiento
El escalonamiento es el desplazamiento vertical diferencial de la superficie del pavimento a través de una junta o grieta, medido como la diferencia de elevación entre la losa de aproximación y la losa de salida.
El bombeo causa escalonamiento al eliminar material debajo de la losa de salida (la losa en el lado opuesto de la junta a la dirección del tráfico), permitiendo que se asiente en relación con la losa de aproximación.
El escalonamiento de 3 a 6 mm se vuelve notable para los ocupantes del vehículo como un golpe o sacudida.
El escalonamiento que excede 10 a 13 mm se clasifica como severidad Alta en el sistema FHWA LTPP e indica pérdida severa de soporte.
El escalonamiento también induce carga de impacto dinámico que acelera el deterioro del pavimento y aumenta los costos operativos del vehículo.
Roturas en las esquinas y efectos del alabeo
A medida que se desarrollan vacíos debajo de las esquinas de la losa, la esquina de la losa sin soporte queda sometida a mayores tensiones y puede sufrir roturas.
Los cambios en las dimensiones de las losas que conducen al alabeo son con mayor frecuencia debidos a variaciones en la temperatura y la humedad de la losa.
El alabeo hacia arriba de los bordes (alabeo cóncavo) es provocado por el encogimiento de la losa debido al secado o enfriamiento relativo de la parte superior respecto de la parte inferior de la misma (gradiente negativo).
También pueden ocasionar alabeos en las losas diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior de la losa, debido a que la parte superior expuesta durante el día a la radicación solar se expandirá en relación con la porción inferior con menor temperatura provocando con ello un alabeo hacia debajo de los bordes.
En la noche cuando las bajas temperaturas del ambiente enfrían la parte superior de la losa haciendo que esta se contraiga respecto a la parte subyacente cálida lo que provoca un alabeo cóncavo con el consecuente levantamiento hacia arriba de los bordes.
Por otro lado, debido a que los hormigones empleados en la actualidad tienen una tendencia mayor a ser especificados con resistencias a la compresión mayores, en muchos casos lo que generan con esto es una mayor retracción del hormigón dado el aumento en las dosis de cemento empleadas para cumplir este requerimiento, y poseen además un módulo de elasticidad mayor lo que trae por consecuencia facilitar el alabeo y levantamiento de los bordes.
Durante mucho tiempo el análisis de tensiones por alabeo en las losas se han estudiado por parte de muchos investigadores basados en el desarrollo de Westergaard, quien determinó las ecuaciones con las cuales es posible calcular las tensiones respectivas en un pavimento de hormigón (Huang, 2004).
Estas ecuaciones han evolucionado en lo que se refiere a la definición de condiciones de frontera y los supuestos tales como el perfil lineal de temperatura en el espesor de la losa.
El tema del alabeo en ciertas circunstancias puede llegar a ser muy crítico, por lo tanto, se debe procurar minimizar la existencia del mismo en pavimentos, en especial en donde la existencia de un gran flujo vehicular conducirá a una mayor exposición y probabilidad de que se presenten problemas de agrietamiento.
Por qué estabilizar el suelo con cal
Son muchas las ventajas, tanto económicas como medioambientales, que ofrece la cal en la estabilización de suelos.
Por ejemplo, el hecho de estabilizar los suelos de una construcción con cal, permite aprovechar los materiales de la propia traza de obra, evitando los costes de gestión de dicho material, que si no fuese estabilizado con cal debería ser sustituido por material adecuado de préstamo.
La cal puede actuar sobre el suelo mediante tres efectos principales:
- secado del suelo;
- modificación del suelo;
- estabilización del suelo.
Secado del suelo
La cal viva (óxido de calcio) es muy efectiva para el secado de cualquier suelo con humedad.
Tras el mezclado con la tierra arcillosa la cal viva absorbe el agua mediante una reacción exotérmica, reduciendo drásticamente la humedad del suelo por hidratación y evaporación.
La bajada de humedad variará en función la cal añadida y las condiciones ambientales, pero puede oscilar un 2% y un 5%, según.
Modificación del suelo
Al añadir la cal al suelo, el reparto de cargas en la superficie de las partículas del suelo arcilloso se modifica, dándose un intercambio iónico entre el Sodio (Na) del suelo y el Calcio (Ca) de la Cal.
Este proceso sucede también inmediatamente tras la adición de la cal.
Estabilización del suelo
En este caso el efecto se produce más a medio plazo y de una manera gradual.
La arcilla del suelo (que contiene sílice y alúmina) en contacto con la cal es capaz de formar silicatos y aluminatos cálcicos hidratados.
En Calcinor ofrecemos toda una gama de productos destinada a la estabilización de suelos arcillosos con cal.
Relación entre la estabilización con cal y el bombeo
La presencia de arcilla y el alto contenido de agua favorecen las condiciones que pueden conducir a la erosión hidromecánica y al bombeo.
El secado del suelo reduce drásticamente la humedad del suelo por hidratación y evaporación, mientras que la modificación del suelo cambia el reparto de cargas en la superficie de las partículas del suelo arcilloso.
La estabilización posterior permite que la arcilla del suelo, que contiene sílice y alúmina, forme silicatos y aluminatos cálcicos hidratados en contacto con la cal.
La selección del tratamiento debe considerar las condiciones ambientales, el contenido de agua, la presencia de arcilla y la capacidad de la subrasante o subbase para resistir la acción de las cargas dinámicas repetidas.
Estabilización de suelos arcillosos con cal
Uso de lignina en pavimentos asfálticos
Un equipo de investigadores UC busca transformar la industria de la construcción vial mediante la incorporación de lignina, un residuo de la industria papelera, en la fabricación de pavimentos asfálticos.
“Uno de los principales problemas de la mezcla asfáltica es su oxidación, lo que genera grietas en el pavimento y requiere constantes reparaciones.
El profesor de Ingeniería y Gestión de la Construcción de la Universidad Católica, precisó que la lignina es un subproducto de la industria papelera que normalmente se quema para generar energía eléctrica dentro de las mismas plantas de la industria.
“La investigación evalúa la viabilidad de usar lignina en mezclas asfálticas y su impacto en el pavimento.
Esta innovación permitiría reemplazar hasta un 20% del asfalto derivado del petróleo, cumpliendo la normativa vial.
“Nuestra investigación no sólo busca mejorar la infraestructura vial, sino también fomentar la economía circular mediante la reutilización de residuos industriales.
Los pavimentos de asfalto constituyen más del 90% de las redes viales a nivel mundial y el 85% en Chile.
La lignina es un polímero orgánico que se encuentra en la estructura de las plantas y es especialmente abundante en la madera.
En la industria papelera, la lignina se separa de la celulosa durante el proceso de fabricación de pulpa y, en la mayoría de los casos, se quema como fuente de energía.
La investigación en curso busca dar un nuevo uso a este subproducto industrial, transformándolo en un componente clave para la fabricación de biopavimentos asfálticos que sean más resistentes y sustentables que los tradicionales.
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