La subbase de una carretera puede parecer firme antes del invierno y perder su capacidad de soporte cuando el deshielo primaveral hace que el agua vuelva a penetrar en sus poros. Para un contratista, ese cambio es más importante que el comportamiento del suelo en un día seco. Fibras de polipropileno (PP) puede ayudar a que un suelo compactado conserve su resistencia durante los ciclos de congelación y descongelación, pero la longitud adecuada de las fibras y la dosis correcta dependen del suelo, el agua, el grado de compactación y la resistencia deseada.
En Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd., suministramos fibras Ecocretefiber™ para materiales cementosos y otros materiales de ingeniería. Cuando el equipo de un proyecto se plantea utilizar fibra de PP para el suelo, comenzamos por analizar el suelo del emplazamiento y realizamos un ensayo controlado. Una comparación de laboratorio publicada sobre suelos blandos modificados con fibras ofrece un ejemplo útil. También muestra por qué un resultado prometedor de 0,3% debería servir de guía para los ensayos, en lugar de convertirse en una fórmula universal.
¿Por qué el ciclo de congelación-descongelación debilita la subbase de una carretera?
Para que se produzca la acción de las heladas, se necesita un suelo sensible a las heladas, condiciones de congelación y agua. El Directrices geotécnicas de la Administración Federal de Carreteras distingue entre el debilitamiento provocado por el deshielo primaveral y el levantamiento invernal como problemas distintos. El agua puede desplazarse hacia una zona de congelación y formar lentes de hielo. Cuando ese hielo se derrite, el suelo puede quedar húmedo y tener menor capacidad para soportar cargas.
Una fibra modifica la forma en que parte del esqueleto del suelo resiste la deformación. Los filamentos distribuidos aleatoriamente pueden atravesar zonas locales en las que las partículas tienden a separarse. Las partículas del suelo se adhieren a la superficie de la fibra, y esta puede soportar tensión cuando el propio suelo tiene una resistencia a la tracción limitada. Esta es una explicación práctica del refuerzo, pero su alcance depende de la interfaz de la fibra, su orientación, su mezcla y su confinamiento.
La conservación de la resistencia no es lo mismo que el control del levantamiento por heladas. Un ensayo de compresión tras el deshielo puede demostrar que una probeta reforzada sigue soportando carga. Sin embargo, por sí solo no mide el levantamiento vertical, la migración del agua, la permeabilidad ni el movimiento a largo plazo del pavimento. Un pavimento en una región fría sigue necesitando un drenaje adecuado, una nivelación correcta, un diseño que tenga en cuenta la profundidad de congelación y una sección estructural apropiada. Las directrices de la FHWA describen esas medidas más amplias relativas a la subbase, incluido el efecto de la disponibilidad de agua en el levantamiento. Consulta el análisis de la FHWA sobre las heladas y el agua.
Qué se evaluó realmente en el experimento sobre el suelo y la fibra
Un estudio de 2020 realizado por Li Junfa en la revista Revista de la Universidad Tecnológica de Wuhan (Ciencias e Ingeniería del Transporte) Se utilizó un suelo blando extraído a una profundidad de 3,5 m en la parte oriental de la llanura de Songliao. Según los datos, su límite líquido era de 42,8%, su límite plástico de 28,2%, su densidad seca máxima de 1,768 g/cm³ y su contenido óptimo de agua de 18,6%. El equipo de ensayo compactó muestras cilíndricas hasta alcanzar un objetivo de 98% y utilizó seis especímenes en cada grupo de ensayo.
Los investigadores compararon el valor nominal longitudes de las fibras de 6, 9 y 12 mm y con contenidos de 0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4% y 0,5%. Esos porcentajes corresponden a la masa de fibra dividida por la masa de suelo seco. Por ejemplo, 0,3% significa 3 kg de fibra por cada 1.000 kg de tierra seca. No se trata de 0,3% de tierra húmeda ni es una dosificación concreta en kg/m³.
En cada ciclo de congelación-descongelación, la muestra se mantuvo a -15 °C durante 12 horas y, a continuación, a 20 °C durante 12 horas. Los grupos se sometieron a 0, 5, 10, 15 o 20 ciclos. Los investigadores midieron el comportamiento al cizallamiento mediante ensayos de compresión triaxial no consolidada y no drenada bajo presiones de confinamiento de 50, 100 y 200 kPa. También realizaron ensayos de compresión no confinada. El diámetro de la muestra era de 39,1 mm y su altura, de 80 mm.
| Variable del ensayo | Valores utilizados en el experimento | Por qué es importante |
| Contenido de fibra de PP | De 0,11 TP3T a 0,51 TP3T de masa de suelo seco | Modifica la cantidad de refuerzo y el riesgo de una dispersión deficiente |
| Longitud de corte de la fibra | 6, 9 y 12 mm | Cambios en el posible anclaje y la facilidad para obtener una mezcla homogénea |
| Exposición a ciclos de congelación-descongelación | 0, 5, 10, 15 y 20 ciclos | Muestra cómo varió la resistencia sometida a ensayo bajo este programa térmico concreto |
| Medición de la fuerza | Cizallamiento triaxial UU y compresión no confinada | Responde a dos preguntas relacionadas entre sí, pero diferentes, sobre la fuerza |
Las muestras y los tipos de fibra utilizados en ese experimento determinan sus resultados. El estudio no estableció una especificación universal para todos los tipos de suelo ni para todas las fibras de PP disponibles. Además, la especificación de la fibra no debe sustituir a la ficha técnica de un producto Ecocretefiber™.
¿Qué ocurrió cuando las muestras se congelaron y se descongelaron?
Para un contenido de fibra y una longitud de corte determinados, las resistencias al cizallamiento y a la compresión registradas disminuyeron, en general, a medida que aumentaba el número de ciclos. Los cambios más significativos se produjeron al principio de la secuencia. Los investigadores observaron una respuesta más estable a partir de unos 15 ciclos en su montaje.
Los resultados detallados y las conclusiones indican que la resistencia media al corte de la suelo modificado con fibra era 10,71 TP3T menos tras 15 ciclos que antes del ciclo. A los 20 ciclos, la reducción media fue de 12,11 TP3T. En cuanto a la resistencia a la compresión no confinada, los resultados detallados muestran reducciones medias de 34,51 TP3T tras 15 ciclos y 38,01 TP3T tras 20 ciclos. Por lo tanto, en este experimento, la compresión mostró un porcentaje de pérdida mucho mayor que el cizallamiento.
Estos porcentajes describen la variación con respecto a las muestras modificadas con fibra correspondientes a cero ciclos. No cuantifican la ventaja respecto a un suelo de control sin reforzar. Esa distinción es importante cuando en una licitación o en un informe de diseño se pregunta: “¿En qué medida es mejor este producto que el suelo sin tratar?”. Para responder a esa pregunta en relación con el suelo del proyecto, es necesario realizar una comparación directa con un control sin tratar.
El resumen y el cuerpo detallado del artículo presentan discrepancias en cuanto al porcentaje de resistencia a la compresión en el ciclo 15. Nos basamos en los resultados detallados y en la conclusión, que indican ambos un valor de 34,51 TP3T, y recomendamos consultar el registro experimental original antes de citar esa cifra en una especificación formal. La diferencia no altera la tendencia principal: el ciclo de congelación-descongelación siguió debilitando el suelo modificado con fibra sometido a ensayo.
Una tendencia estable tras 15 ciclos de laboratorio no garantiza que dichos 15 ciclos representen todas las condiciones climáticas o la vida útil prevista. Las temperaturas sobre el terreno, el aporte de humedad, la velocidad de congelación y el tráfico difieren de esta exposición controlada. El acondicionamiento adecuado en laboratorio y el umbral de aceptación deben figurar en el plan de ensayos geotécnicos del proyecto.
Por qué la dosis que mejor resultado dio en las pruebas fue del 0,3 %
Para una longitud fija y en condiciones de ensayo comparables, la resistencia aumentó primero y luego disminuyó a medida que los investigadores añadían más fibra. Tanto los resultados del cizallamiento como los de la compresión no confinada alcanzaron su valor máximo en 0,31 TP3T de masa de tierra seca entre los cinco productos analizados. Un mayor contenido en fibra no significaba necesariamente que fuera mejor.
Cuando el contenido aumentó de 0,1% a 0,3%, los aumentos medios de resistencia al corte observados dependieron de la longitud de la fibra y de la presión de confinamiento. Fueron de al menos 3,2% en todas las comparaciones descritas por los investigadores. Los aumentos medios de la resistencia a la compresión no confinada fueron de 136% para la serie de 6 mm, de 82% para la serie de 9 mm y de 79% para la serie de 12 mm. Cada aumento compara dos reforzado con fibra mezclas utilizadas en el experimento. No debe describirse como una mejora respecto al suelo sin tratar.
Con el mismo número de ciclos y la misma duración, la mezcla 0,3% también presentó una resistencia a la compresión media 9,8% superior a la de la mezcla 0,4% en la comparación descrita. Una posible interpretación desde el punto de vista de la ingeniería es que, a medida que se añaden filamentos, resulta cada vez más difícil distribuirlos de manera uniforme y compactarlos. El estudio no aisló ningún mecanismo microscópico, por lo que confirmaríamos esa interpretación examinando los aglomerados, los poros, el contenido de agua y la densidad en un nuevo ensayo.
Utiliza 0.3% como centro de ensayos clínicos cuando el suelo y la fibra del proyecto se asemejen al sistema sometido a ensayo. Realiza un ensayo con un nivel inferior y otro superior junto a él. Si un suelo diferente requiere una cantidad diferente, sigue el resultado medido. Anota el porcentaje en relación con la masa seca en cada hoja de ensayo, para que el operario de la planta no lo confunda con kg/m³ de hormigón.
La longitud de la fibra influye de forma diferente en el cizallamiento y la compresión
En esta comparación, la resistencia a la compresión no confinada aumentó en general a medida que la longitud de corte pasaba de 6 a 9 y a 12 mm. La mejora de 9 a 12 mm fue relativamente pequeña. En las cinco series de dosificación, las mejoras medias registradas para ese último paso fueron de 7,61 TP3T, 2,91 TP3T, 4,31 TP3T, 4,31 TP3T y 5,41 TP3T.
El resultado del ensayo de cizallamiento mostró un patrón diferente. Con un menor contenido de fibra, la resistencia al corte alcanzó su máximo a los 9 mm y luego disminuyó a los 12 mm. Con contenidos de 0,3% o superiores, la resistencia al corte observada siguió aumentando, en general, con la longitud. Los investigadores originales recomendaron 9 mm como longitud equilibrada para su suelo y las condiciones de ensayo.
Una fibra más larga puede cubrir una mayor distancia, aunque también puede dificultar la mezcla uniforme o alterar la forma en que se compacta el material. Una fibra corta puede dispersarse fácilmente, pero ofrece un anclaje menos eficaz. Para un proyecto in situ, elige la longitud en función de los requisitos de resistencia exigidos y de la capacidad del equipo para distribuirla por toda la capa compactada.
Ecocretefiber™ cuenta actualmente con fibra de PP monofilamento en varios longitudes de corte, incluyendo 6, 9 y 12 mm. En la página web del producto se indica una densidad de 0,91 g/cm³ y una gama de diámetros. El artículo experimental mencionaba una densidad de fibra diferente y otras propiedades del producto. El hecho de que la longitud de corte coincida no significa que las dos fibras sean idénticas ni que vayan a ofrecer la misma resistencia al suelo. Pide a nuestro equipo la ficha técnica actualizada de granulometría y comprueba la idoneidad del material elegido para tu propio suelo.
Cómo convertir los resultados en un ensayo útil
Comienza con una muestra representativa de la zona de construcción. Determina su granulometría, plasticidad, contenido natural de agua, curva de compactación y susceptibilidad a las heladas, si procede. Un suelo blando de una región puede comportarse de forma diferente a un terraplén limoso, un relleno granular o un suelo tratado con cal. Si en el proyecto se utiliza un aglutinante, considéralo como una nueva mezcla y realice los ensayos correspondientes.
Prepara un grupo de control claro. Incluye el suelo sin tratar con el mismo nivel de humedad y compactación deseados, y a continuación comparar las longitudes de las fibras y el contenido de masa seca en las mismas condiciones de acondicionamiento. Registrar la masa seca del suelo, la masa de las fibras, el agua añadida, la humedad real y la densidad seca obtenida para cada lote. Establecer un orden de mezcla que permita que las fibras se separen sin formar grumos. La secuencia exacta debe validarse en el equipo previsto.
Compacta las probetas mediante un método controlado y mide su densidad real. Igualar la dosis nominal de fibra sin igualar la densidad puede dar lugar a una comparación de resistencia engañosa. Acondiciona las probetas paralelas siguiendo el programa de ciclos de congelación-descongelación seleccionado para el proyecto y protégelas contra la pérdida o ganancia incontrolada de agua. Realiza ensayos en series sin ciclos y con ciclos, y documenta cualquier fisura o cambio de forma.
Elige el indicador de rendimiento antes de ver los resultados. ASTM D2166/D2166M-24 abarca la resistencia a la compresión no confinada de suelos cohesivos adecuados. ASTM D2850-26 Abarca la compresión triaxial no consolidada y no drenada con confinamiento. Los métodos abordan diferentes condiciones de esfuerzo y sus resultados numéricos no deben intercambiarse. Siga la edición vigente del contrato y el procedimiento aprobado por el laboratorio.
A la hora de diseñar el pavimento, hay que tener en cuenta si el proyecto también requiere datos empíricos sobre el levantamiento y el debilitamiento por descongelación. El producto descatalogado ASTM D5918-13e1 Históricamente se han abordado esos resultados, pero se retiró en 2022. No lo presente como una norma de aceptación vigente. Acuerde un programa de ensayos adecuado y actualizado con el diseñador geotécnico y el propietario. Un resultado de resistencia tras el deshielo, por sí solo, no basta para garantizar el control del levantamiento del terreno.
Mezcla y comprobaciones in situ antes de la colocación a gran escala
Una fibra solo resulta útil cuando llega al suelo de manera uniforme. Comprueba si la fibra seleccionada se desmenuza fácilmente en la mezcladora correspondiente. Examina varias muestras de un mismo lote, incluyendo material del principio y del final de la descarga. Busca aglomeraciones y zonas con una densidad inusualmente alta contenido en fibra. A continuación, comprueba que la mezcla aún se pueda extender y compactar con el espesor previsto para esa capa.
Mantén visible la base de masa seca en el cálculo sobre el terreno. Si un lote contiene 2.000 kg de tierra seca, 0,31 TP3T equivale a 6 kg de fibra. La masa de tierra húmeda puede ser mayor y varía en función de los cambios en el contenido de agua. Por lo tanto, el equipo de obra debería calcular el objetivo a partir de la masa seca medida o de una densidad seca y un volumen de lote acordados, en lugar de hacer estimaciones basadas en el peso nominal de la carga del camión.
En la zona de pruebas, mide la humedad y la densidad in situ, y comprueba la superficie acabada. Toma muestras o núcleos siguiendo un plan de muestreo acordado. Un buen resultado de laboratorio no salvará una capa con una compactación deficiente, zonas húmedas o una distribución desigual. El diseño del drenaje y del pavimento sigue formando parte de la solución contra las heladas, tal y como indica la FHWA en su Directrices para el tratamiento de la subbase lo deja claro.
Shandong Jianbang puede proporcionar muestras de fibra y las especificaciones actuales para una prueba de homologación. Indíquenos la clasificación del suelo, la longitud de fibra deseada, el equipo de mezcla previsto, el rango de humedad y los ensayos necesarios. Podemos ayudarle a seleccionar un tipo de PP para la prueba, mientras que el ingeniero del proyecto establece los criterios de aceptación.
Preguntas que suelen plantear los compradores y los ingenieros
¿Significa el 0,3 % que son 0,3 kilogramos por metro cúbico?
No. En este estudio, significa 0,3 kg de fibra por cada 100 kg de tierra seca, o 3 kg por cada 1.000 kg de tierra seca. La dosificación en kg/m³ depende de la densidad seca compactada. Las normas de dosificación de fibra para el hormigón no deben aplicarse a un ensayo con tierra.
¿Evitó la fibra el levantamiento por heladas?
El experimento presentó los resultados de los ensayos de corte y compresión realizados tras el ciclo. No proporcionó una medición directa del levantamiento por heladas ni un grupo de control sin tratar que permitiera cuantificar los beneficios del tratamiento. Esos resultados deben evaluarse por separado en el marco del proyecto.
¿Deberían todos los proyectos en regiones frías utilizar 15 ciclos de congelación-descongelación?
No. Los cambios en la resistencia observados se redujeron tras unos 15 ciclos según un protocolo de laboratorio. En un proyecto deben seleccionarse normas de exposición y aceptación que reflejen su clima, las condiciones del agua, los materiales y los requisitos del contrato.
¿Son mejores los 12 milímetros que los 9 milímetros?
Depende del objetivo. El estudio reveló una pequeña ganancia media de compresión, de entre 9 y 12 mm, mientras que las tendencias de cizallamiento dependían del contenido y del confinamiento. Los investigadores recomendaron, como opción equilibrada para el suelo de ensayo, una fibra de 9 mm. Confirme la elección mediante una prueba en el proyecto.
¿Se puede colocar directamente en el suelo una fibra de PP para hormigón?
Es posible que un producto destinado al hormigón esté disponible en una longitud de corte adecuada, pero es necesario comprobar su superficie, diámetro, dispersión y comportamiento en el suelo. Antes de especificarlo, consulte la ficha técnica del producto y realice un ensayo de mezcla y resistencia específico para el suelo en cuestión.
Conclusión
La lección más útil es la naturaleza de la respuesta. En el suelo blando sometido a ensayo, las repetidas ciclos de congelación y descongelación redujeron la resistencia; un contenido medio de fibra ofreció los mejores resultados entre los cinco niveles de ensayo, y la longitud de corte óptima dependía de si la principal preocupación era el esfuerzo cortante o la compresión. La dosificación de suelo seco 0,3% y la recomendación de 9 mm son buenos puntos de partida para un análisis comparable juicio, y no valores de diseño garantizados para otro tipo de suelo o para un grado de Ecocretefiber™.
Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. suministra Ecocretefiber™ Opciones de fibra de PP y puede ayudar al equipo del proyecto a seleccionar muestras para su análisis en laboratorio y sobre el terreno. Ponte en contacto con nuestro equipo junto con los datos del suelo, el plan de acondicionamiento y los objetivos de aceptación. Un ensayo reproducible ofrece una base mucho más sólida para la compra y para la especificación de la subbase.
