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• Ana Cecilia Quintana Navarro

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XIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL PUNO – PERU 05 AL 09 DE NOVIEMBRE DE 2,001 EL SUELO-CEMENTO AUTOCOMPACTADO (SCA) Autor: Ing° CIP Germán Vivar Romero1 1.

RESUMEN

El ACI 116R define al suelo-cemento como “una mezcla de suelo y cantidades medidas de cemento portland y agua, compactada a una densidad elevada”. De una manera mas amplia, el ACI 230.1R-90 define al suelo-cemento como “un material producido por mezcla, compactación y curado de una mezcla de suelo/agregado, cemento portland, posiblemente aditivos incluyendo puzolanas; y agua, para formar un material endurecido con propiedades ingenieriles específicas. Las partículas de suelo/agregado están unidas por la pasta de cemento, pero a diferencia del concreto, las partículas individuales no están completamente revestidas con la pasta de cemento”. El ACI 229R-99, trata sobre los Materiales de Baja Resistencia Controlada (CLSM por sus siglas en inglés) como “aquellos materiales cementados, autocompactados, usados principalmente en terraplenes, como alternativa a los rellenos compactados”. De un modo mas amplio, el ACI 116R define a los CLSM como aquellos que tienen una resistencia a la compresión máxima de 8.3 MPa (1200 psi), estando la mayor parte de las aplicaciones alrededor de 2.1 MPa (300 psi), lo que constituye un requisito necesario para poder efectuar excavaciones futuras. De lo anterior, se distinguen dos productos que sin llegar a ser propiamente un concreto, buscan claramente cumplir con ciertas funciones específicas: a) Los suelo-cemento compactados (SCC), que requieren de materiales a contenidos de humedad cercanos al óptimo y se utilizan principalmente como Base o Sub-rasante Estabilizadas; y b) Los suelo-cemento autocompactados (SCA), conocidos también como Relleno o Concreto Fluido, que en nuestro país han tenido muy pocas aplicaciones en ingeniería civil y muchas mas en minería, con el nombre de Relleno Hidraulico. La diferencia objetiva mas destacable es que los SCC se colocan como suelo y luego se comportan como concreto, mientras que los SCA se colocan como concreto y luego se comportan como suelo.

1

Consultor-Asesor. Director-Gerente de GEOTECNIA & PAVIMENTOS Presidente del Instituto para el Desarrollo de los Pavimentos en el Perú (IDPP) Presidente de la Sociedad Peruana de Geosinteticos (IGS-PERU). 1

En esta ponencia, se exponen las experiencias obtenidas en la primera aplicación a gran escala en carreteras del Perú, de los suelo-cemento autocompactados2, utilizados en reemplazo de los rellenos de suelos compactados colocados sobre el Mineroducto de Antamina y que fallaron provocando el hundimiento de los pavimentos construidos sobre ellos. 2.

INTRODUCCION

Para hacer un distingo mas claro entre SCC y SCA, se muestran algunas aplicaciones típicas de cada tipo de material: Pavimento

Concreto

Base Estabilizada

Suelo-cemento Compactado (SCC)

Subrasante Estabilizada

Suelo-cemento Compactado (SCC)

Relleno Excavable

Suelo-cemento Autocompactado (SCA)

Figura 1. En las carreteras del Perú no hay casos reportados del uso de SCA, sin embargo, se encuentra alguna literatura técnica publicada para los SCC, relacionada con los aspectos normativos3, de control de calidad4, de investigación5,o como mezclas de bajo costo empleando materiales locales6. Un hito importante en la promoción del uso del SCC en nuestro país, es la publicación a partir del año 1998, de la Sección 306 de las Especificaciones Técnicas Generales del MTC, referente a las “Base Estabilizadas con Cemento”, las que han sido ampliadas a “Suelos Estabilizados con Cemento Portland” en las especificaciones correspondientes del año 2000 (EG-2000). Sin embargo y como se ha dicho, no hay referencias previas en el país sobre el SCA.

2

GEOTECNIA & PAVIMENTOS E.I.R.Ltda. (2001) “Estudio Definitivo para la Reparación de los Asentamientos sobre el Mineroducto de Antamina”. 3 Floriano Palacios León (1976). “Estabilización Suelo-cemento en la Construcción de Pavimentos”. 1er. Congreso Nacional de Ingeniería Civil. Lima. 4 Yolanda Herrera Chávarry (1978) “Estudio de Métodos de Control de Construcción de Suelos Estabilizados con Cemento” III Congreso Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. 5 Germán Gallardo Zevallos y César Arévalo Pardo (1990). “Investigación de las Bases estabilizadas con Cemento”. VIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil.. Piura. 6 ASOCEM (1988). “El “Econocreto” en Pavimentación”. Boletín Técnico N° 36. 2

3.

DESARROLLO

3.1

EL SUELO-CEMENTO AUTOCOMPACTADO (SCA)

El SCA está descrito en el reporte ACI 229R-99, con el nombre de Materiales de Baja Resistencia Controlada. También se le conoce con los nombres de Rellenos sin Contracción, Rellenos de Densidad Controlada, Morteros Fluidos, Cenizas Volantes Fluidas, Slurry de Cenizas Volantes, Suelo-cemento Plástico y Slurry de Suelo-cemento. Sin embargo, los nombres que mas lo caracterizan en los países de habla hispana son los de Relleno Fluido7 y Concreto Fluido8, por su apariencia al momento de colocarlo (Fotografía 2). 3.1.1

Materiales

Los SCA, consisten de agua, cemento portland, aditivos y agregados. La selección de los materiales estará regida principalmente por la disponibilidad, costo, tipo de aplicación y características deseables de la mezcla como fluidez, resistencia, densidad y facilidad para la excavación, antes que por requerimientos específicos de calidad como en el caso del concreto o del SCC. a) Agua: toda agua aceptable para la fabricación de concreto de cemento es aceptable para suelocemento autocompactado. b) Cemento: en la mayor cantidad de aplicaciones se usan cementos Tipos I ó II, conformes con la especificación ASTM C1509, aunque se pueden usar otros tipos de cementos, siempre que las pruebas previas demuestren resultados aceptables. c) Aditivos: los aditivos mas usados para proveer de la característica mas notoria del SCA, la fluidez, son las cenizas volantes, las mismas que pueden ayudar a incrementar la resistencia, reducir la exudación, la contracción y la permeabilidad. Las cenizas volantes usadas con las mezclas de SCA no precisan conformar las especificaciones Clases F ó C de ASTM C61810. Para tal fin, solamente se requiere preparar mezclas de prueba a fin de verificar si la mezcla resultante cumplirá los requerimientos especificados de un proyecto en particular. Otros aditivos comunmente usados, dependiendo de las circunstancias, son los incorporadores de aire y los agentes espumantes. La incorporación de aire, además de controlar las propiedades térmicas, puede ayudar a mejorar la trabajabilidad, reducir la contracción, anular la exudación, minimizar la segregación, reducir el peso unitario y controlar el desarrollo de la resistencia.

7

CEMEX “Catálogo de Fichas Técnicas”. México. 2do Congreso Interamericano de Pavimentos de Concreto (2000). Cartagena de Indias. Colombia. 9 Specification for Portland Cement 10 Specification for Fly Ash and Raw 8

3

Fotografía 2.

Colocación del Suelo-cemento Autocompactado en la Ruta 2-14, en

reemplazo del relleno de suelo mal compactado sobre el Mineroducto de Antamina Para evitar tiempos de fragua largos, se pueden usar también acelerantes, en cuyo caso se requiere hacer ensayos previos para su aceptación. d) Agregados: son el mayor constituyente de los SCA. En principio, se puede usar todo material que cumpla con ASTM C3311, sin embargo, también se pueden usar los “materiales marginales” (no apropiados) para la elaboración del concreto normal y todos los materiales granulares obtenidos de las propias excavaciones, incluyendo arenas limosas con un máximo del 20% pasando por la malla N° 200 y sub-productos de voladuras con un tamaño máximo de 3/8”. Los suelos arcillosos presentan problemas de reacciones expansivas, fragua, contracciones y resistencias variables, por lo que no se recomienda su uso. 3.1.2 PROPIEDADES

11

Specification for Concrete Aggregates 4

Los SCA se colocan como concreto y después del fraguado tienen comportamiento de suelo, por lo que sus propiedades están comprendidas entre ambos límites, dependiendo la edad a la que se evalúan. A tempranas edades prevalecen sus propiedades plásticas y luego sus propiedades en servicio. a) Propiedades Plásticas a.1) Fluidéz: es la propiedad que caracteriza a los SCA, pues les permite autocompactarse y rellenar los vacíos inaccesibles a las herramientas y equipos de obra. La fluidez se mide en los ensayos de flujo modificado (ASTM D610312), en el cono estandar (ASTM C 14313) y en el cono de flujo (ASTM C 93914). Un revenimiento (slump) sin segregación menor de 6” indica baja fluidez, entre 6” y 8” indica una fluidez normal y mayor de 8” una fluidez alta (Fotografía 3). a.2) Segregación: es la separación de los constituyentes de la mezcla como consecuencia de una fluidez elevada, originada en el exceso de agua. La segregación se neutraliza con un apropiado diseño de mezcla y el uso adecuado de cenizas volantes o hasta un 20% de finos no cohesivos. a.3) Subsidencia: es la reducción de volumen debido a la pérdida del agua en exceso y del aire atrapado durante el proceso de consolidación (autocompactación) de la mezcla. Un valor típico reportado para mezclas con alto contenido de agua es de 3 a 6 mm por cada 30 cm de espesor. a.4) Tiempo de Endurecimiento: es el período de tiempo necesario para que el SCA pase de un estado plástico a un estado endurecido, con suficiente resistencia para soportar a una persona. Depende directamente del tipo y cantidad del cementante utilizado. También depende de la permeabilidad y del grado de saturación del material circundante, así como del espesor del relleno. El tiempo de endurecimiento normal es de 3 a 5 horas y se puede medir según la norma ASTM C40315. Dependiendo de la aplicación, el valor de la penetración puede variar entre 500 y 1500. a.5) Bombeabilidad: El SCA puede ser bombeado como el concreto, debiendo para ello tener especial cuidado con el diseño de mezcla. Un relleno inadecuado de los vacíos puede provocar la segregación de la mezcla dentro de la tubería de conducción con el consiguiente bloqueo. La presión de la bomba también es un factor crítico, puesto que un incremento puede causar una pérdida en el contenido de aire y una reducción de la bombeabilidad. b) Propiedades en Servicio b.1) Resistencia (Capacidad de Carga): Normalmente se utiliza la Resistencia a la Compresión No Confinada para medir la Capacidad de Carga de un SCA. El rango 0.3 a 0.7 MPa (50 a 100 psi ó 12

Test Method for Flow Consistency of Controlled Low Strength Material Test Method for Slump of Hydraulic Cement Concrete 14 Test Method for Flow of Grout for Preplaced-Aggregate Concrete 15 Test Method for Time of Setting of Concrete 13

5

3.5 a 7 kg/cm2) corresponde a un suelo bien compactado. La idea de usar esos niveles de resistencia es conseguir un material que posteriormente pueda ser fácilmente excavado. Cuando se utiliza el SCA en reemplazo de materiales de Sub-rasante o como Sub-base o Base de pavimentos, el valor de resistencia utilizado debe ser el CBR.

Fotografía 3.

Medición del revenimiento en el SCA

b.2) Densidad: La densidad de un SCA recién colocado normalmente está en el rango 1800 a 2300 kg/m3, equivalente a la de los suelos compactados. Sin embargo, se pueden obtener valores mas bajos usando cenizas volantes y/o agregados ligeros, elevados contenidos de aire incorporado y mezclas espumantes. b.3) Permeabilidad: Es similar a la de los rellenos granulares compactados y está en el rango de 10-4 a 10-5 cm/sg, pudiendo llegar incluso a valores de 10-7 cm/sg. b.4) Asentamiento y Agrietamiento: Los asentamientos después de endurecido el SCA son prácticamente nulos y los agrietamientos que se presentan en la superficie después de la fragua son micrométricos y se resuelven retirando la capa superficial agrietada.

6

b.5) Resistencia a la Excavación: Es la dificultad que se opone a la excavación. En general, un SCA con una resistencia de 0.3 Mpa (50 psi ó 3.5 kg/cm2) o menos, puede excavarse manualmente. Cuando la resistencia es de 0.7 a 1.4 MPa (100 a 200 psi ó 7 a 14 kg/cm2), se requiere de una retroexcavadora. La resistencia a la excavación también aumenta cuando la cantidad de piedras y gravas es mayor. 3.1.3 DOSIFICACION La manera de dosificar un SCA es por el procedimiento de prueba y error, hasta conseguir que la mezcla cumpla con las propiedades deseadas de flujo, densidad y resistencia. Las proporciones normalmente usadas son: a) Cemento: entre 30 y 120 kg/m3. b) Cenizas Volantes: A veces se utilizan cenizas volantes de Clase F, hasta 1200 kg/m3. Cuando se emplean cenizas volantes Clase C, la dosificación puede llegar hasta 210 kg/m3. c) Agregados: Lo recomendable es usar solamente agregados finos en cantidades comprendidas entre 1500 y 1800 kg/m3. Cuando se utilizan agregados gruesos, su contenido deberá ser aproximadamente igual al de los agregados finos, no obstante se pueden usar los materiales provenientes de las excavaciones propias, con tal que su contenido de arcilla no sea elevado. d) Agua: El contenido de agua normalmente está entre 190 y 340 kg/m3 para SCA sin cenizas volantes. Cuando se emplean cenizas volantes de Clase F, el contenido de agua puede llegar hasta 590 kg/m3 para conseguir una buena fluidéz. En general, el contenido de agua será mayor cuanto mayor sea el contenido de finos. e) Aditivos: Normalmente se usan aditivos incorporadores de aire y acelerantes de fragua. 3.2 EL PROYECTO DE REPARACIÓN DE LOS ASENTAMIENTOS DEL PAVIMENTO SOBRE EL MINERODUCTO DE ANTAMINA. 3.2.1 BREVE DESCRIPCIÓN DE LA OBRA16 Consistió en la colocación de SCA en el tramo Km 95 al Km 115 de la Carretera Pativilca-Huaraz (Ruta 2-14) y en algunos sectores de la Carretera Conococha (Km 0) – Antamina (Km 120), en reemplazo de los rellenos de suelo compactado colocados sobre el Mineroducto que va de Antamina hasta Huarmey, los mismos que fallaron por asentamiento.

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Informe # 1. Proyecto: Reparación de Carretera Conococha-Antamina – Mineroducto. Empleo del Relleno Fluido como alternativa al Suelo Compactado Convencional. Jorge Llerena Arias. Planta Conococha. Huallanca, 16 de agosto de 2001. 7

La reparación estuvo bajo la dirección de la Asociación que contrató con la empresa UNICON S.A., el reemplazo de los materiales fallados, mediante la colocación inicial de 3000 m3 de SCA, los que debido a los excelentes resultados obtenidos en comparación con los SCC, se ampliaron a 30,000 m3 para ser colocados en un plazo de 90 días. Las zanjas resultantes de remover los tramos críticos, varían desde 0.80 m hasta 2.50m de profundidad y tienen un ancho de 0.50m en promedio. 3.2.2 DESARROLLO DEL PROYECTO 3.2.1

Diseño de mezcla

El diseño de la mezcla se llevó a cabo en el Laboratorio del Departamento de Investigación y Desarrollo de UNICON, en Lima, basados en los conceptos y experiencias previas adquiridas en la colocación de rellenos fluidos en Lima17. En el Cuadro 1 se muestran los diseños empleados. CUADRO 1. DISEÑOS Cemento Cemento Polyheed

MB-VR-

Hormigón- Agua-

-Kg

-bls

N-lts

lts

kg

lts

Diseño 1

80

1.88

0.56

0.48

1500

270

Diseño 2

106.25

2.5

0.60

0.60

1700

260

Diseño 3

148.75

3.5

1.20

0.60

1700

260

Diseño 4

106.25

2.5

0.70

0.60

1700

240

Diseño 5

127.5

3.0

0.90

0.60

1700

245

Se empleó el material obtenido de la excavación o uno similar de una cantera cercana como agregados globales. El cemento empleado fué del tipo IPM, suministrado por Cemento Andino en bolsas de 42.5Kg. El agua fué obtenida de ríos o lagunas de la zona, muestras de las cuales fueron enviadas a Lima para su evaluación. Para el suministro se emplearon camiones cisterna o bombas que extraen el agua del río. Inicialmente se adoptó un diseño con un contenido de cemento de 80 Kg/m3 que cumpliera las exigencias de los 0.50 MPa a los 28 días; sin embargo y a pesar de haber cumplido los objetivos de la resistencia, se probó un nuevo diseño tal que le permitiera colocar la Base Granular a los pocos días de colocado el relleno fluido, para ello se creó una gama de diseños siendo el de mayor producción el de 106.25 Kg/m3 de contenido de cemento (equivalente a 2.5 bolsas de cemento/m3). 17

Colectores de Comas, Fábrica de Cementos Lima, Bases para Pavimentos en Surquillo y Miraflores, Planta de Industrias Plásticas en Lima y Mjeoramiento del Sistema de Alcantarillado de SEDAPÁL en el Cercado de Lima. 8

El aditivo empleado fue el plastificante Polyheed N, suministrado por Master Builder Technologies (MBT). Se observó un buen desempeño de este producto haciendo a la mezcla mas trabajable, sin embargo al momento no se ha evaluado su influencia en la resistencia. El aditivo inclusor de aire fue el MB-VR también suministrado por MBT. Su desempeño es variable a decir de los resultados tomados en la planta con el Equipo de Washington. 3.2.2

Equipos de Producción

a) Planta N°1 - Km 90: Planta Coneco-Versa.- Cuenta con una dosificadora semiautomática, una tolva de 7 toneladas de capacidad, un dosificador de aditivos y una faja transportadora. Su capacidad real de producción diaria es de 200 m3, siendo el ciclo por unidad de 10 minutos. La planta está instalada a 4200 msnm. b) Planta N° 2 - Km 56: Planta Unicón – Tolva Pesadora. Cuenta con una dosificadora semiautomática, una tolva de 5 Ton de capacidad, un dosificador de aditivos y una faja transportadora. Su capacidad real de producción diaria es de 100 m3. Se redujo el tiempo de carguío de mas de 20 minutos a un promedio de 15 minutos. Está instalada a 4300 msnm. c) Planta N°3-Km38: Planta Coneco-Cibi.- Cuenta con una dosificadora automática, una tolva de 15 toneladas, una faja transportadora, un gusano para el cemento, un dosificador de aditivos. Su capacidad real de producción es de 250 m3 diarios. El tiempo de carguío por camión es de 10 minutos el cual será menor al reducir el tiempo de alimentación del cemento. Está instalada a 3800 msnm. Debido a las condiciones climatológicas en el área de producción de las tres plantas, se hicieron algunas correcciones o adiciones al equipo instalado: •

Cisterna de agua: se la forró con fibra de vidrio en todo su perímetro, se le tapó con planchas de triplay forradas con fibra de vidrio; se cubrió la bomba de agua la cual se congelaba durante la noche y retrazaba el inicio de sus operaciones; se instalaron resistencias adicionales para calentar el agua desde las 02:00 de la mañana, obteniendo al inicio de las operaciones una temperatura de 20°C.

•

Cemento: con las bolsas del cemento ya empleado se formó una cama para el lote de cemento que llegaba (el interior de la bolsa cuenta con un forro plástico), se les cubrió con una lona plástica para aislarlas de la humedad y de las precipitaciones.

•

Testigos, las muestras son tomadas en la planta, guardadas en el interior de la caseta del operador y cubiertas con fibra de vidrio. Después de cuatro días se les cura en la poza. A pocos días de instalada la poza de curado, se está evaluando el mejor método para mantener una temperatura estable de 20°C (la lectura normal es de 10°C). 9

d) Camiones: Camiones Volvo NL-10, con capacidad para 7.0 m3 y Camiones Iveco 330, con capacidad para 7.0 m3. 3.2.3

Proceso Constructivo

Antes de la colocación del relleno, en las zonas mas críticas, con temperaturas que bordean los 5°C y con precipitaciones durante el día, se cubrieron las zanjas con láminas plásticas de tal modo de protegerlas de la lluvia, a la vez de evitar su congelamiento durante la noche. Complementariamente se emplearon láminas de color oscuro, para poder captar el máximo de calor durante el día. Para la producción en planta se requiere que la temperatura ambiente bordee los 5°C y la temperatura de la mezcla esté encima de los 10°C. Ya que la producción y el comportamiento del SCA están influenciados fuertemente por el clima, se optó por trabajar con mezclas que tengan un slump de 5 pulgadas y evitar así el congelamiento del agua de mezcla después de la colocación. Con el slump mencionado se pierde trabajabilidad, lo cual se compensa con vibradores y operadores para acomodar el material. Después de la colocación del relleno se cubre la superficie con bolsas de cemento y láminas plásticas encima de ellas, para evitar que el material pierda calor durante el proceso de hidratación del cemento y además para aislarla del frío externo que puede congelar el agua de mezcla. 4.

RESULTADOS

El objetivo de usar el SCA fue para alcanzar un CBR comprendido entre 5% y 40% a los pocos días del vaciado y con ello el Contratista pueda avanzar en la colocación de la Base Granular. En el Cuadro 2 se muestra la relación del CBR con la resistencia a la compresión. Allí se puede apreciar que una dosificación de 2.5 bolsas/m3, es suficiente para los fines perseguidos en el proyecto de rehabilitación. CUADRO 2. Diseño 1

80 Kg/m3 (1.9 bolsas/m3)

Edad (días)

CBR (%)

5 7

13.85 14.42

Resistencia (Kg/cm2) -3.2

10

Diseño 2 Tiempo (días) 3 5 6 9 14 Diseño 3 Tiempo (días) 1 4 5 7 14

5.

106.25 Kg/m3 (2.5 bolsas/m3) CBR (%) 32 -44.6 48.7 92.4

Resistencia (Kg/cm2) 4.6 8.7 -8.7 10

148.6 Kg/m3 (3.5 bolsas/m3) CBR (%) 27 58.2 63.2 79.4 115.4

Resistencia (Kg/cm2) 3.2 7.3 10.1 11.4 --

CONCLUSIONES

5.1 El Suelo-cemento Autocompactado (SCA) es una técnica reconocida por el ACI con el nombre de Materiales de Baja Resistencia Controlada, desarrollada específicamente para reemplazar a los rellenos compactados de suelo y muy poco usada en nuestro país, principalmente por confundirla con el suelo-cemento tradicional de materiales compactados (SCC). 5.2 La principal diferencia del SCA con el suelo-cemento compactado tradicional (SCC) es que este se coloca como suelo y posteriormente se comporta como concreto, mientras que aquél se coloca como concreto fluido y se comporta posteriormente como suelo (excavable). 5.3 En el Proyecto de Rehabilitación de los Pavimentos construidos sobre el Mineroducto de Antamina, fallados por el asentamiento de los rellenos construidos con materiales propios, se hicieron pruebas con ambos tipos de técnicas, encontrando que el SCA producía los mejores resultados en términos de costo y rendimiento, para los fines de alcanzar por lo menos el CBR de diseño en cuestión de horas, además de las ventajas evidentes de no requerir maquinaria de compactación alrededor de las alcantarillas y otras Obras de Arte. 5.4 Se exhorta a la comunidad profesional en general y a la universitaria en particular a efectuar una mayor investigación acerca de las limitaciones y aplicaciones de este producto.

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