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• Danilo Perez Silva

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SUELO-CEMENTO INTRODUCCIÓN La sociedad moderna en la ultimas décadas ha alcanzado un desarrollo tecnológico que le brinda la posibilidad de generar nuevos materiales que satisfagan sus incesantes requerimientos de construcción. Desde la década de los 40 (1940) el producto endurecido de la mezcla con cemento y agua, llamado SUELO–CEMENTO, ha demostrado beneficios y bondades ingenieriles en la construcción de pequeñas y grandes obras en todo el mundo. El suelo-cemento es un material producto de la mezcla apropiada de suelo, cemento y agua, que se compacta y construye con determinadas técnicas y tiene un campo de aplicación muy amplio; es relativamente fácil de usar y los materiales que lo componen son económicos y muy abundantes. En las notas históricas de la ingeniería el tratamiento de suelo con cemento ha sido considerado como un importante aporte al desarrollo tecnológico, principalmente porque permite la utilización de casi todos los suelos como materiales de construcción. Por ello durante la elaboración de proyectos se presentará frecuentemente la posibilidad de que mediante un tratamiento adecuado de suelo - cemento se logre cumplir con las normas y especificaciones, aprovechando con esto gran parte de los suelos cercanos, que usualmente serían desechados y de escasa utilidad por no satisfacer los requerimientos de diseño. El poder usar bancos cercanos es una ventaja altamente apreciada por los constructores, principalmente cuando con un relativo pequeño esfuerzo se logra un magnifico material con una notable economía y una rápida ejecución de la construcción. Los suelos constituyen una fuente inagotable de materiales de construcción que se tiene a la mano y son un recurso renovable, por tanto son los más baratos y expeditos para usar, ello constituye la principal razón de la aplicación de tratamientos de cemento a los suelos. Este tratamiento tiene su campo de aplicación bien definido, está probado suficientemente y ha sido una magnífica solución en muchas ocasiones. DEFINICIONES “El suelo-cemento es una mezcla íntima de suelo, convenientemente pulverizado, con determinadas proporciones de agua y cemento que se compacta y cura para obtener mayor densidad. Cuando el cemento se hidrata la mezcla se transforma en un material duro, durable y rígido. Se le usa principalmente como base en los pavimentos de carreteras, calles y aeropuertos.” (Portland Cement Association –PCA-) Muchos investigadores entendieron que una mejor formulación sería decir “suelo tratado con cemento” puesto que evita la rigidez en la definición y con ello se tendría la ventaja de una flexibilidad apropiada para hacer clasificaciones más objetivas. Investigadores de prestigio han evitado el término suelo-cemento y prefieren el de Suelo tratado con Cemento, es de connotación amplia y permite clasificarlo según el tipo de suelo, clase de tratamiento y cemento utilizado, lo cual es más conveniente. Sin embargo, todas las referencias coinciden en afirmar que el suelo-cemento es un material que presenta características propias, que no corresponden ni a las de un concreto, ni a las de un suelo sin mezclar aunque no indican cuales son. En adelante se considerará el breve término de suelo-cemento simplemente como un sinónimo del término Suelo Tratado con Cemento.

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CLASIFICACIONES Según las proporciones de cemento, suelo y agua que entren a formar parte en el suelo tratado con cemento se distinguen por su comportamiento real los siguientes tipos:  Suelo-Cemento Compactado  Suelo-Cemento Plástico  Suelo Modificado con Cemento SUELO-CEMENTO COMPACTADO El suelo-cemento compactado comúnmente llamado suelo-cemento, requiere de una cantidad que varía entre el 4 y 25% aproximadamente. Para darle mayor dureza y densidad se compacta la mezcla. Ese es el tipo que más se usa. SUELO MODIFICADO CON CEMENTO El Suelo Modificado con Cemento lo define la PCA como: “Una mezcla, dura o semidura, íntima de suelo pulverizado, agua y pequeñas cantidades de cemento que se compacta.” Por lo que se distingue del suelo-cemento compactado exclusivamente en la menor cantidad de cemento que se adiciona. La cantidad de cemento en peso varía entre el 1 y 4%. Se le utiliza principalmente cuando se requiere:  Obtener mayor resistencia del suelo, aunque no muy alta.  Compactar el terreno en condiciones más favorables.  Hacer más impermeables determinados suelos. SUELO-CEMENTO PLASTICO El suelo-cemento Plástico es considerado por la PCA como: “La mezcla de cemento con un suelo fino muy húmedo en estado plástico. Cuando se le coloca tiene la consistencia de un mortero plástico. Frecuentemente se usa en zonas difíciles donde no es posible compactar. Requiere una cantidad de cemento mayor que el tipo compactado y no se compacta” El suelo-cemento puede ser hecho con suelos nativos como: Suelo granular limpio. Mezcla de suelos granulares y finos, predominantemente limosos. Mezcla de suelos granulares y finos, predominantemente arcillosos. Suelos limosos. Suelos arcillosos. RESEÑA HISTORICA 1914 – 1915 Joseph Hay Aimes desarrolla las tres primeras patentes 1917 el Ing. H.E. Brooke-Bradley mezcla exitosamente suelos arcillosos con cemento en la población de Salisburu Plain en el condado de Wilrshire – Inglaterra. La técnica no fue muy utilizada debido al bajo tráfico de la época que consistia en coches tirado de caballos. 1921 en el estado de California – E.U.A., se usa el suelo-cemento para estabilizar suelos arcillosos. 1932 el Departamento de Caminos Estatales de Carolina del Sur – E.U.A., creo laboratorios para su estudio e impulso científicamente su estudio. 1935 cerca de Johnsonville en Carolina del Sur – E.U.A. se hizo la primera construcción con técnica moderna. Considerado un hito en el desarrollo de esta tecnología. A partir de esta fecha el Departamento de Caminos Estatales de Carolina del Sur junto con otros departamentos estatales de E.U.A., la Portland Cement Association, la Highway Research

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Board y la Transport Research Board, se han distinguido como sus activos divulgadores y promotores de investigación, tanto en los E.U.A. como en otros países. 1940-1945 Durante la segunda guerra mundial las fuerzas militares alemanas construyeron eficientemente con este método 130 aeropuertos en Europa, buen número de estos en la U.R.S.S. y otros en la Europa Central donde ocurren condiciones climáticas sumamente severas de congelación e invierno. La principal razón por la que se recurrió a este método fue por la escasez de asfaltos que siempre ha existido en la Europa Central y la ausencia inmediata y cercana de materiales granulares de préstamo. Pasada la guerra el sorprendente buen estado que guardaban las pistas a pesar del uso constante y los intensos bombardeos a que fueron sometidas, conllevo a su implementación masiva en la construcción de modernos aeropuertos y carreteras en Alemania y en la Naciones más desarrolladas. 1960 E.U.A. y Canadá juntos habían construido 39.000 Km de caminos. 1969 existía una construcción mundial de unos mil millones de metros cuadrados de carreteras y aeropuertos. 1970 en E.U.A. se construían anualmente 5.500 Km de caminos con este material, y el mismo año se reporta que había alcanzado más de 137.000 Km de vías en un ancho de 7 metros en promedio. 1990 E.U.A. cuenta con más de 160.000 Km de pavimentos equivalentes de 7 metros de ancho en promedio PRINCIPALES USOS DEL SUELO-CEMENTO           

Carpeta para caminos rurales (poco tráfico). Base de caminos, carreteras, calles, aeropuertos y estacionamientos. Subbases para pavimentos rígidos y flexibles. Reconstrucción de bases falladas (reciclaje). Reconstrucción y reciclamiento de pavimentos flexibles fallados. Protección de terraplenes contra la lluvia. Construcción de accesos para los puentes Estabilización de taludes y muros de tierra armada. Pisos Construcción de gaviones. Revestimiento de canales.

Es bastante atractivo su uso en la reparación de bases falladas por su fácil aplicación, ya que se permite reaprovechar íntegramente el material usado para hacer una nueva base. La reutilización de material colocado es económica y rápida de hacer, obteniéndose después de tratada una base dura y rígida. En general para estas reparaciones no se requieren grandes cantidades de cemento. Los pavimentos viejos pueden reusarse escarificándolos y pulverizándolos para aplicarles el cemento y el agua para su posterior compactación. Por su relativo bajo costo en la construcción de bases para pavimentos con tráfico industrial muy pesado, el suelo-cemento ha sido utilizado mundialmente para hacer terminales portuarias de minerales y contenedores, terminales de ferrocarriles, terminales de vehículos muy pesados, patios de almacenamiento industrial pesado y para soportar la carga de vehículos con ruedas de acero. Actualmente el suelo-cemento se la han encontrado múltiples y diversos usos. Los hechos han demostrado convincentemente que puede ser aplicado con ventajas en muchos tipos de estructuras, por lo que ya se está utilizando mundialmente en sistemas hidráulicos,

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protecciones de márgenes de ríos y mares, protecciones de taludes de embalses, pantallas impermeables, silos enterrados, cimentación de plantas nucleares y como material para el respaldo de accesos para puentes entre otros. EXPERIENCIA COLOMBIANA En Colombia, la experiencia es relativamente escasa antes del año 90, más aun en la utilización de estructuras de pavimento, tan sólo se tienen algunos antecedentes de vías como el sector entre Planetarrica – La Ye , un sector entre Vía Cali – Popayán, la vía Ibagué – Villanueva, trabajos de vías en el departamento de Caldas, Boyacá y la Guajira, calles del municipio de Arauca, vías urbanas en Medellín y Bogotá y en los aeropuertos de Cartagena, Cúcuta, Montería y San Andrés. A partir del año 90 se han obtenido mejores resultados en la utilización del suelo-cemento para pavimentos, en obras como Manaure – Uribia en la Guajira, donde se estabilizaron 41 km./carril; en Barranquilla, donde a partir del año 94, por decreto municipal, las especificaciones para vías determinan la utilización de bases de suelo-cemento, con lo cual se han venido colocando aproximadamente 46 km./carril por año desde 1994; por último, la más reciente experiencia se presenta en la ciudad de Bogotá, en la rehabilitación de las avenidas El Dorado, Boyacá, 127 y 68, donde se colocarán 48 km./carril de bases de suelocemento y en la reconstrucción de la plataforma del terminal aéreo Simón Bolívar, donde se colocaron 20.000 m2 de base de suelo-cemento. De acuerdo con lo anterior, se evidencia, el incremento que se ha obtenido en la década de los 90 en cuanto a utilización de suelo-cemento para pavimentos, sin embargo, es bastante inferior al compararlo con la experiencia de países vecinos, en los que se ha adoptado con absoluto éxito. Trabajos actuales en Colombia: Vía Zipaquira Briceño Vía Uribia 4 vías, 9 kilómetros en 11 metros de ancho Troncal Caracas desde la Calle 51 Sur hasta el cruce con al Avenida Boyacá, reciclaje del pavimento existente y base granulas para continuación del Transmilenio con capa de rodadura en concreto. Vía Pacho Vías de Filandia, Quimbaya y Armenia en el Departamento del Quindio, estabilizando cenizas volcánicas. Vías de Caño Limón en el Departamento de Arauca. VENTAJAS  

Durabilidad, más resistente que otras soluciones a las temporadas de lluvias, alargando su vida útil, disminuyendo mantenimientos por bacheos y reparaciones posteriores. Maximiza la transferencia de carga de las juntas del pavimento rígido, por ser una superficie estable y no presentar bombeo. Al igual que en los pavimentos flexibles.

BOMBEO Pavimento Rigido

Base Granular

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ESCALONAMIENTO Pavimento Rígido

Base Granular

FILTRACION DE HUMEDAD Pavimento Flexible

Base Granular

BOMBEO Pavimento Flexible

Base Granular



Menor transmisión de presión de las llantas a la subrasante que las bases de gravas. Rodadura asfáltica Base asfáltica Base granular Subbase granular

Concreto Subbase granular

Concreto Suelo Cemento

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

Menores espesores que los de una estructura de pavimento con material granular.

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25 SUEL O - CEMENTO

10

20 SUEL O GRANULAR

8 15 6 10 4 5

C AR GA TOTA L, TON

C A R G A T O T A L , 10 0 0 L B S

CIL INDRO DE 12 in (300 mm) DE DIAM ET RO, @ 0.05 in (1.3 mm) DE DEF LEXION

2

0

0

4 in (10 cms)

7 in (17.5 cms)

10 in (25.0 cms)

ESPESOR DE LA BASE

Capacidad de carga en bases de suelo-cemento y granular (PCA)



 

RESISTENCIA A LA COMPRESION, 1000 psi

    

Al utilizar el suelo nativo de la vía, reduce el IMPACTO AMBIENTAL causado por la explotación de canteras. Especialmente importante en áreas ecológicamente sensibles, como paramos, Zonas de bosque nativo entre otros. Ahorro en costos de rehabilitación de áreas degradadas por explotación de canteras. Considerable reducción de los tiempos normales de construcción. No requiere de cimbra o formaleta. 18 Es un procedimiento constructivo continuo. 3 años 20 En Laboratorio Emplea el parque de maquinaria actual: Motoniveladoras, recicladoras, vibrocompactadores y carrotanques de agua. En servicio Apertura de tránsito inmediata. 1 año El aumento de resistencia que va adquiriendo con el paso del 15 tiempo favorece en que su mantenimiento sea mínimo y tenga una prolongada vida útil. 2 17 años

10 20 años

1 28 días

S. CAROLINA

28 días 7 días

WAYOMING

ILLINOIS

28 días

5

RESISTENCIA A LA COMPRESION, MPa



WISCONSIN

Comparativa de resistencias a la compresión en laboratorio y en servicio (PCA)

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MATERIALES CEMENTO En principio cualquier cemento puede utilizarse en la estabilización de suelos, sin embargo el mayormente empleado es el TIPO I, además es el que permite a la mezcla de suelo-cemento alcanzar mayor resistencia por su contenido de silicato tricálcico e hidróxido de calcio (portlandita). La cantidad de cemento puede variar entre el 2 y 25 por ciento del peso seco de la mezcla. El promedio es del 10 % y se procura que no pase del 15% por razones económicas. T ABLA No . 1

R EQ U ER IM IEN T O S D E C EM EN T O P A R A V A R IO S T IP O S D E S U EL O S

C la s ific a cio n

C la s ific a ció n d e

d e s u e lo s

s u e lo s AAS H T O

AS TM G W , G P , G M,

A-1 -a

SW, SP, SM

C o n te n id o

C o n te n id o d e C e m e n to

de

p a ra p ru e b a d e H ú m e d a d

C o n te n id o d e C e m e n to p a ra p ru e b a s d e

C e m e n to * ,

- P e s o Vo lu m é tric o

D u ra b ilid a d (AS T M D 5 5 9

% en Pes o

(AS TM D 5 5 8 ), % e n p e s o

y D 5 0 6 ), % e n p e s o

3 -5

5

3 -5 -7 4 -6 -8

A-1 -b

G M, G P , S M, S P

5 -8

6

A-2

G M, G C , S M, S C

5 -9

7

5 -7 -9

A-3

SP

7 - 11

9

7 - 9 - 11

A-4

C L , ML

7 - 12

10

8 - 10 - 12

A-5

ML , MH , C H

8 - 13

10

8 - 10 - 12

A-6

CL, CH

9 - 15

12

10 - 12 - 14

A-7

MH , C H

10 - 16

13

11 - 13 - 15

* N o aplic a para s uelos poc o reac tivos ó c on m ateria orgánic a. A dem ás puede s er req ue rido una c antidad adic ional de c em ento p ara c ondic iones de ex pos ic ión m ás s everas , t ales c om o protec c iones de t aludes .



Requerimientos típicos de cemento para varios tipos de suelos, fuente ACI comite 230

AGUA Puede emplearse cualquier agua potable ó relativamente limpia, libre de cantidades dañinas de álcalis, ácidos ó materia orgánica. El agua tiene como funciones principales:  Hidratar el cemento para producir la aglutinación de las partículas sólidas.  Producir la lubricación entre las partículas para facilitar la compactación.

3 PESO VOLUMÉTRICO SECO, lb/ft

125

SUELO

PESO VOLUMÉTRICO MAXIMO

120

HUMEDAD ÓPTIMA 115

110

105

100 5

10

15

20

25

CONTENIDO DE HUMEDAD, EN PORCENTAJE

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FIG. 3 Curva típica de contenido de agua - peso volumétrico.

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En teoría cualquier tipo de suelo puede estabilizarse con cemento, a excepción de los suelos con bastante contenido de sales que afecten al cemento como de substancias orgánicas o materiales deletéreos. Sin embargo, en el campo de aplicación práctica, los suelos que se pueden utilizar se encuentran limitados por:  Granulometría adecuada de las partículas: El límite del tamaño máximo de las partículas debe ser una tercera parte del espesor de la capa compactada. Máximo %PT200 = 50%, LL máximo 50% e IP máximo 25%. La PCA propone que %RT#4 máximo 45% y TM de 3”, y acepta suelos granulares mal gradados. También recomienda no utilizar suelos con muchas gravas, preferiblemente con menos del 15% de arcillas, que la suma de arcillas y limos varíe entre 20 y 45% y que tenga arena entre el 55 y 80%. Por otra parte, la PCA considera que no resultan adecuados los suelos cohesivos cuyo LL es mayor de 45% y su LP mayor de 20%.  Consideraciones constructivas: Se deben tomar en cuenta, entre otros factores: La facilidad para realizar el mezclado del suelo con el cemento y el agua. Los suelos con muchos finos pueden ser muy difíciles de mezclar. La facilidad para hacer la compactación. El adecuado contenido natural de agua del suelo en el banco y en la obra para su tratamiento. Evitar tratamientos costosos de los materiales de los bancos.  Condiciones ambientales: Es conveniente tomar en cuenta el efecto de la temperatura ambiente, la humedad relativa, la temperatura de la mezcla y la velocidad del aire, durante la mezcla y el fraguado por que su efecto es significativo sobre la rapidez de la evaporación de la humedad especialmente en climas cálidos.  Requerimientos de diseño: Prever la posibilidad de que se alcancen las características deseadas una vez realizado el mezclado.  Consideraciones sobre los requerimientos del producto terminado: Suelos con contenidos apreciables de finos plásticos pueden presentar agrietamientos.  Desventaja con respecto a otros tipos de estabilización, para el problema dado: Algunos tratamientos pueden ser más ventajosos, ya que cada uno tiene su campo de aplicación donde resultan ser mas adecuados. Por ejemplo, en muchos casos la utilización de cal en vez de cemento puede ser la más apropiada cuando existen suelos con mucho contenido de finos plásticos.  Consideraciones de costo: Los suelos con contenidos apreciables de finos requieren mayor contenido de cemento y más tratamientos.  Tipos de suelos: Los suelos tratados para su estabilización pueden considerarse en los siguientes grupos:  Granulares limpios.  Granulares con cantidades apreciables de finos.  Mezclas de finos y granulares.  Suelos predominantemente arcillosos.  Suelos predominantemente limosos Los tres primeros son los que casi exclusivamente se utilizan para el suelo-cemento y los dos últimos se procuran desechar. Incluso algunos autores consideran a los últimos como materiales no aptos para hacer suelo-cemento.  Existencia de cantidades apreciables de sales que atacan el cemento: En las regiones desérticas o semidéserticas en las que la evaporación del agua provoca grandes concentraciones de sales en la superficie de los suelos pueden existir cantidades apreciables de sulfatos que ataquen al cemento y destruyan finalmente el material tratado.  Existencia de cantidades apreciables de materia orgánica.

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

Influencia de la composición mineralógica: Los suelos tratados no pueden considerarse como un material inerte. La adición de agua-cemento y aditivos hará que reaccione químicamente, cambiando a través del tiempo al ir modificando sus propiedades físicas a corto, mediano y aun a largo plazo. En conclusión, en la literatura se considera unánimemente que de los factores anteriores el suelo es el factor más importante. Si el suelo es inadecuado poco podrá hacerse para que el comportamiento del suelo-cemento sea satisfactorio. TAB LA N o. 2

C LASIFIC AC IÓN D E LA AASH O PR EP AR AD A P AR A EL D ISE Ñ O D E S U E LO-C EMEN TO GR U P OS D E S U E LOS GR AN U LAR E S

A NA LIS IS GRANULOME TRICO

( 35 % ó m enos pasa la malla # 200 )

% que pasa la

A -1 A -1-a

A -3 A -1-b

Malla # 10

50 max

Malla # 40

30 max

50 m ax

51 m ax

Malla # 200

15 max

25 m ax

10 m ax

A -2 A -2-4

A - 2 -5

A -2-6

A -2-7

35 m ax

35 max

35 max

35 max

40 m ax

41 max

40 max

41 max

10 m ax

10 max

11 mín

11 mín

CARACTERISTICA S DE LA FRACCIÓN QUE P ASA LA M ALLA No. 200 Lím ite líquido Índice de plás ticidad

6 m ax

N.P .

GR U P OS D E S U E LOS LIMO - AR C ILLOSOS

A NA LIS IS GRANULOME TRICO

( M ás del 35 % s e retienen en la m alla # 200 )

% que pasa la

A -4

A -5

A -6

Malla # 200

36 min

36 m in

36 m in

A -7

A -7-5 y

A - 7 -6

36 min

CARACTERISTICA S DE LA FRACCIÓN QUE P ASA LA M ALLA No. 200 Lím ite líquido

40 max

41 m in

40 m ax

41 min

Índice de plás ticidad

10 max

10 m ax

11 m in

11 min

MATERIA ORGANICA La materia orgánica se encuentra casi siempre en la superficie de leso suelos hasta profundidades que alcanzan unos 1,50 m. En un banco, si existen cantidades apreciables pueden hacer inservible al suelo para su tratamiento con cemento. En general, se considera el 2% de materia orgánica es un límite superior que no conviene pasar, a menos que se realicen las pruebas de laboratorio pertinentes que determinen el comportamiento con cantidades mayores. Conviene considerar que un alto contenido de materia orgánica no necesariamente indica que el cemento reaccionará desfavorablemente. El tipo de materia orgánica es difícil de probar en el laboratorio; en cambio determinar su cantidad es muy simple. Una buena prueba es hacer una pasta de suelo-cemento con un 10% de cemento en peso a la que se le determina el pH, una hora después de que se agregó el agua. Sí el pH es menor que 12,1 el suelo se rechaza, ya que esto indica la presencia de materia orgánica capaz de alterar las propiedades del cemento. Se ha determinado que la materia orgánica y el exceso de sal, especialmente de sulfatos de calcio o magnesio, pueden retardar o evitar la hidratación del cemento. Por otra parte la materia orgánica que tiene bajo peso molecular, como los ácidos nucleicos y la destroza, actúan como retardadores del cemento y provocan bajas resistencias.

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LA CAL La adición previa de pequeñas cantidades de cal en suelos plásticos, 2% aproximadamente del peso seco, casi siempre favorece el resultado de las reacciones del cemento con el suelo. La adición de cal en arcillas causa su fluoculación debido al incremento de electrolitos en su contenido de agua y al intercambio catiónico de las partículas de arcilla con los calcios disueltos. La fluoculación y el intercambio catiónico ocurren en poco tiempo; en cambio, la reacción lenta de la cementación puede ocurrir en años. Esta adición de cal generalmente aumenta la resistencia a la compresión simple en suelos que contengan mormorillonita. Por otra parte, como la adición de cal provoca la fluoculación de las arcillas y la formación de grumos, esto se aprovecha para facilitar el mezclado del cemento con los finos. Los suelos finos compuestos de arcillas muy plásticas han sido exitosamente tratados, previamente a su construcción en obra, añadiéndoles un poco de cal. La vertiente inglesa recomienda que para trabajos de pavimentación se adiciones cal cerca del 1% en peso seco del material por cada 10% de arcilla contenida en el suelo y que no se exceda este valor antes de hac4er cuidadosas consideraciones. ADITIVOS Los aditivos más usados son: 1. ADITIVOS HIGROSCOPICOS: Azúcar, clorhidro de socio, clorhidro de calcio. 2. ADITIVOS PARA REDUCIR EL CONTENIDO DE AGUA DURANTE EL MEZCLADO: Ligno-sulfatos 3. AGENTES FLUOCULANTES: Cal 4. AGENTES REDUCTORES DEL CALOR DE HIDRATACION DE LA MEZCLA: Fly-Ash y carbonatos de sodio 5. AGENTES ENDURECEDORES Y SELLADORES DE SUPERFICIE: Sales de sodio, silicatos de sodio, hidróxidos de sodio, silicatos de sodio 6. ADITIVOS EXPANSIVOS: Sulfatos de sodio, Sales, Aluminatos 7. CEMENTOS EXPANSIVOS: Cemento Portland tipo IV 8. AGENTES PARA FAVORECER LA LIGA ENTRE CAPAS DE SUELO CEMENTO: Lingnosulfato de calcio y ácido carboxílico hidroxilatado La efectividad de cada aditivo es función del tipo se suelo y de las condiciones ambientales. Generalmente existe una cantidad óptima de aditivo que producirá el mejor resultado. En la literatura se reportan muchos casos en los que la calidad del suelo-cemento ha mejorado por el uso de aditivos y también se reportan algunos casos en los que no se han obtenido mejorías apreciables; más aun, en ciertos casos reportados la calidad en lugar de aumentar disminuyó sensiblemente, Por los que respecta a la resistencia a la compresión simple en la literatura se señalan casos en los que la adición de determinados aditivos no produjeron mejoría. Los resultados más alentadores se han obtenido para reducir el agrietamiento, disminuir el ataque de los sulfatos y facilitar su construcción. Resultados de diferentes investigadores: Catton M. D. Y Felt E. J. concluyeron que en muchos casos suelos arenosos que reaccionaron mal con el cemento mejoraron con la inclusión del uno por ciento de cloruro de calcio, cloruro de sodio o de agua de mar. Rderichh G. L. y Huston M. T. determinaron que la inclusión de sulfatos de sodio aparentemente acelera la reacción inicial del cemento produciendo rápidamente resistencias mayores. T. W. Lambe encontró que adicionando pequeñas cantidades de compuestos de sodio se beneficiaba notablemente la capacidad de resistir esfuerzos compresivos. Los silicatos de sodio han tenido éxito para evitar el ataque de los sulfatos, endurecer y reducir la

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permeabilidad de los suelos-cementos. Estos silicatos han dado mejores resultados en suelos granulares que en suelos finos. Los aditivos que han mostrado ser más beneficiosos para reducir el agrietamiento son, de orden de importancia: Cal Cenizas Volantes (Fly-ash) Pozzolith Clorhidro de calcio Sulfatos de magnesio, sodio y calcio Cementos expansivos Hidróxidos de sodio (solamente en caolonitas) En suma, con la inclusión de aditivos de puede obtener ventajas y en algunos casos desventajas. Son tantos los tipos de suelos que existen que generalizar conclusiones sin un examen riguroso con laboratorios y técnicos competentes propiciaría cometer no pocos errores. Debe tenerse cuidado y considerarse que la mayoría de los reportes de investigación fueron hechos en laboratorios y por consiguiente pueden ser representativos de las condiciones de campo. DISEÑO Es fundamental que los parámetros de diseño del suelo sean el fruto de conceptos estadísticos, garantizando así que sean verdaderamente representativos del suelo a tratar y de los trabajos futuros, derivando en resultados positivos. En primera instancia debe determinarse la granulometría y las propiedades índices del suelo a tratar. Los parámetros fundamentales para establecer el contenido de cemento son la durabilidad y la resistencia a la compresión a los 7 días. El procedimiento básico para diseñar la mezcla consiste en determinar la humedad óptima para compactar; luego, para determinar el contenido de cemento, se preparan probetas con la humedad óptima y 3 contenidos de cemento, partiendo de los sugeridos por las tablas de PCA, se fallan a la compresión y se les hace el ensayo de durabilidad a las probetas, escogiendo el contenido de cemento que cumpla con los requisitos especificados. COMPACTACION Mediante el ensayo de Proctor estándar se determina el contenido optimo de humedad, teniendo en cuenta de realizar el ensayo con el contenido de cemento de cada uno de los contenidos seleccionados, para tener en cuenta el efecto de los finos sobre el mecanismo de compactación. Con este ensayo se obtiene un contenido óptimo de humedad mayor que con el Proctor Modificado. El contenido óptimo de humedad varía generalmente entre el 10 y el 13% del peso seco del suelo. Hay dos procedimientos alternativos para este ensayo, los cuales dependen de la granulometría del suelo, y más específicamente de la cantidad de material retenido en la malla N° 4. Si todas las partículas del suelo pasan esta malla de requiere una muestra de 3 kg., si el material es más grueso son necesarios 5 kg. Los ensayos se hacen en un cilindro de aproximadamente 100 mm de diámetro por 120 mm de altura. DURABILIDAD La idea básica de este ensayo es tratar de evaluar la durabilidad del material tratado, simulando la expansión y el encogimiento a que estará sometido cuando se sature y se seque durante su vida útil. La probeta se debe someter a 12 ciclos de humedecimiento y

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secado, entre los cuales se le hace un cepillado para remover las partículas sueltas. Con el cepillado de la muestra de ensayo después de cada ciclo se obtuvieron resultados más homogéneos en el ensayo, por lo cual fue normalizado así. La norma AASHTO T 135 contiene el procedimiento detallado del ensayo, que dura mínimo 40 días por lo que en muchos países han tratado de emplear otro criterio de diseño, entre los cuales está la resistencia a la compresión. CONGELAMIENTO Y DESCONGELAMIENTO Es un ensayo que trata de simular la expansión y el encogimiento que sufre el material durante las estaciones; no es muy necesario en regiones tropicales, a pesar de que en muchos casos se diseña cumpliendo con los requisitos establecidos para este ensayo. Consta también de 12 ciclos de cepillado intermedio. La norma AASHTO T 136 contiene el procedimiento detallado para el ensayo. Para los dos ensayos de durabilidad también existen dos procedimientos alternos según la granulometría del material a tratar. RESISTENCIA A LA COMPRESION Durante este ensayo de someten las probetas a un curado húmedo durante 7 días y luego se sumergen en agua 5 horas antes de fallarlas a compresión inconfinada. Esta regulado por la norma ASTM D1633. Las probetas que se fallan son cilíndricas, de 100 mm de diámetro por 120 mm de altura, o sea con una relación altura / diámetro (h/d) = 1,15. Si se ensayan las probetas usadas para la mayoría de ensayos de concreto, las cuales tienen una relación h/d = 2,0, y si se requiere hacer comparaciones entre los resultados es necesario aplicar la siguiente fórmula de corrección: R1, 15=1,10 R2, 0. La relación h/d = 2,0 es mejor desde el punto de vista técnico, porque reduce la ocurrencia de condiciones complejas de esfuerzos que se presenta cuando de fallan las probetas de h/d = 1,15. METODOS DE DISEÑO DE LAS MEZCLAS Para el diseño de mezclas se han desarrollado varios criterios. Los más comunes son los siguientes:  Método detallado propuesto por la Portland Cement Association: Se fundamenta en las pruebas de DURABILIDAD ( Humedecimiento - Secado y Congelamiento – Descongelamiento), según la PCA la dosificación adecuada de cemento es la mínima que cumple las condiciones siguientes: 1. La pérdida de material desagregado durante los 12 ciclos, tanto de ensayos de Humedecimiento - Secado y Congelamiento – Descongelamiento no deben ser mayores de: 14% para suelos A-1-a, A-1-B, A-3, A-2-4 y A-2-5, 10% para suelos A-26, A-2-7, A-4 y A-5 y 7% para suelos A-6 y A-7. 2. El aumento de volumen en las muestras no debe exceder en más del 2% del volumen inicial. 3. El máximo contenido de agua no debe ser mayor que el necesario para llenar los huecos del suelo-cemento una ves terminado de compactar.  Método corto de la Portland Cement Association: El método corto no siempre indica el mínimo contenido de cemento con que tratar el suelo arenoso. Pero, casi siempre proporciona un contenido de cemento dentro de la seguridad; que estará cercano al obtenido por el método detallado de la PCA. El método corto es aplicable únicamente para suelos predominantemente arenosos que tenga la granulometría siguiente: 1. El contenido de finos inferior al 50% 12

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2. El contenido de arcilla inferior al 20% 3. El retenido en la malla #4 menor del 45% 4. No existan cantidades apreciables de substancia orgánica 5. No se aplica en caliches, margas, cretas, carbones, cenizas, jales de minas y escoria. El método corto tiene dos variantes: la “variante A” para materiales que pasan totalmente la malla N° 4; y para los que se retienen en esta malla N° 4 la “variante B”. El procedimiento general es el siguiente: 1. Se determina la granulometría del suelo 2. Se determina el peso volumétrico del material retenido en la malla N° 4 3. Si el suelo cumple los requisitos para aplicar el método, entonces se escogerá la variante que proceda. Método rápido de la Portland Cement Association: Se utiliza para obras de emergencia y para obras de poca importancia. Consiste en: 1. La elaboración de especímenes que se compactan con la humedad óptima Proctor y peso volumétrico máximo. La cantidad de cemento inicial aplicada variará en un amplio rango. 2. Después de uno o dos días de curado se someten las probetas a piquetes con punzón o picahielo. Si no es posible penetrar en el espécimen más de 0,6 cm. Y si al golpearlo se escucha un sonido claro y sólido, se considera que el contenido de cemento es adecuado. Métodos basados en proporcionar el contenido de cemento de acuerdo a su clasificación granulométrica: Consiste en clasificar el suelo y utilizar tablas preparadas de antemano para establecer la proporción de cemento. METODOS DE LA PCA PARA PROYECTOS DE TRATAMIENTOS DE SUELOS CON CEMENTO PROYECTOS IMPORTANTES

PROYECTOS PEQUEÑOS Y URGENTES

MUESTREO Y PREPARACION

MUESTREO Y PREPARACION

DE SUELOS

DE LOS SUELOS

PRUEBAS PARA LA IDENTIFICACION DE SUELOS SUELOS TODO TIPO DE ARENOSOS SUELOS

METODO CORTO

METODO DETALLADO

1. Prueba de Compactación

1. Prueba de Compactación

2. Determinación de la proporción de cemento por gráficas preparadas por la PCA

2. Prueba de humedecimiento y secado

3. Pruebas de resistencia a la compresión simple

3. Prueba de resitencia a la compresión simple

METODO BASADO EN LA CLASIFICACION

METODO RAPIDO 1. Prueba de Compactación

Se emplea una cantidad de cemento de acuerdo a experiencias previas

2. Ensayos de "punzonamiento" y "golpe seco"

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PROPIEDADES     

Resistencia a la compresión saturada no confinada: 21 a 56 Kg./Cm² Módulo de Rotura: 5 a 11 Kg./Cm² Módulo de elasticidad estático a flexión: 42.000 a 140.000 Kg./Cm² Coeficiente de Poisson: 0,20 a 0,30 Radio de Curvatura Crítico: 100 a 200 metros

PROCESO CONSTRUCTIVO Las principales operaciones constructivas después del levantamiento topográfico y de los trabajos iniciales normales son: 1. Corrección de la subrasante 2. Preparación inicial:  Limpia de la zona  Perfilas el terraplén transversal y longitudinalmente  Escarificar  Pulverizar el suelo  Retiro de sobretamaños mayores a 3” (papeo)  Prehumedecer el suelo si fuese necesario  Reperfilar 3. Proceso de mezclado. Cuando se hace con premezclado o mezclado en el sitio:  Dosificación del cemento  Prehumidificación o secado (buscar 2% por debajo de la humedad óptima)  Distribución del cemento en sacos o a granel  Extendido del cemento  Aplicación de agua si es necesario (buscar humedad óptima)  Mezclado de los materiales  Extendido de la mezcla  Compactación de la mezcla  Acabados 4. Trabajos de compactación 5. Construcción de juntas 6. Trabajos de liga entre diferentes capas (para espesores mayores a 20 cm.) 7. Realización de curados 8. Pruebas de laboratorio para control de calidad 9. Control general METODOS COMUNES DE CONSTRUCCION 1. Mezclado en el sitio 2. Premezclado 3. Por medio de plantas mezcladoras viajeras En general, por economía y rapidez se acostumbra a usar principalmente el método de “mezclado en el sitio”. El método de “premezclado” permite un mayor control sobre el producto y es recomendable cuando se tienen préstamos no muy lejanos. El método que requiere de “las plantas mezcladoras viajeras” necesita de maquinaria bastante cara por lo que sólo se justifica económicamente para grandes obras.

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EQUIPO REQUERIDO 1. Motoniveladoras 2. Recicladoras – estabilizadoras 3. Compactadores: Rodillos pata de cabra para suelos predominantemente arcillosos o limosos, Rodillos neumáticos o patas de cabra para suelos arenosos con finos, Rodillos con sistemas vibratorios acoplados para suelos predominantemente granulares, Rodillos simples para los acabados 4. Carrotanques de agua CURADO La mayoría de los suelos-cementos se curan con riegos asfálticos; aunque otros materiales como agua, papel, plásticos, arena húmeda, membranas parafinicas, etc., pueden dar resultados satisfactorios. Lo importante es hacer el curado completo (7 días) y adecuado, ya que tiene mucha influencia en la calidad del producto terminado. En general, cuando se requiere dar al servicio inmediato, la mejor opción es el riego de una emulsión asfáltica de rompimiento lento (dos horas) y riego de arena, comúnmente conocido como riego negro, con esto se evita que las llantas de los vehículos se lleven la emulsión asfáltica y se garantiza un curado homogéneo. SUPERFICIE PROTECTORA El suelo-cemento sin superficie protectora tiende a deteriorarse rápidamente cuando se somete a tráfico intenso; se forman huecos y puede resultar destruido por el uso continuo. Se han encontrado satisfactorias superficies asfálticas de 3 a 7,50 cm. , o el uso de Tratamientos Superficiales Dobles (TSD) o Slurry Seals. La superficie protectora también es útil para disminuir el paso del agua a la capa subrasante a través del agrietamiento natural del suelo-cemento. Además es útil para sellar la superficie durante el período de curado del suelo-cemento. CONCLUSIONES El empleo del suelo-cemento ofrece ventajas costo por sus características probadas de:      

Bajo costo Construcción Fácil y simple de con un mínimo de equipo. Factibilidad de ser empleado en distintos tipos de suelos. Posibilidad de aceptar un tránsito ininterrumpido. Larga vida con protección y mantenimiento adecuados. Es el primer paso ideal para un sistema de Pavimentación Progresiva, garantizando transitabilidad en cualquier época del año, sin altos costos de mantenimiento y con un nivel de servicio y seguridad adecuados. Técnicamente se puede complementar con una pavimentación definitiva en etapas posteriores en la medida que el tráfico generado así lo requiera. Esto hace parte de una política de optimización de los recursos presupuestales.

Preparado por Iván Ricardo Sánchez Acevedo, 28 de Marzo de 2001.

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