Suelo cemento Suelo cemento o suelo estabilizado con cemento es una mezcla en seco de suelo o tierra con determinadas características granulométricas, cemento portland y, en su caso, aditivos. A la mezcla se le adiciona una cierta cantidad de agua para su fraguado y posteriormente se compacta. Regularmente, el porcentaje de cemento portland puede variar entre el 7 al 12% dependiendo del tipo de suelo. Al producto ya curado o fraguado se le exigen unas determinadas condiciones de insusceptibilidad al agua (impermeabilidad, insolubilidad), resistencia, durabilidad y apariencia.
Desarrollo histórico El hombre ha usado tanto la cal como diversos aglomerantes puzolánicos en la estabilización de suelos cohesivos. En civilizaciones como la Inca o la Azteca los caminos estabilizados fueron clave para el desarrollo de diversas actividades. Ya en el siglo XX se lograron avances en la producción de conglomerantes y en el desarrollo de equipos de construcción y técnicas de ejecución. Con el tiempo, se crearon las condiciones óptimas para la realización de muchos experimentos en mezclas de suelo y cemento que mostraron las posibilidades de aprovechamiento de los suelos existentes, modificados en mayor o menor grado por la mezcla de los mismos con cemento Portland y agua y su posterior compactación. La aplicación del suelo-cemento empezó a estudiarse metódicamente entre 1910 y 1920. En Inglaterra, en 1917, Brooke Bradley empleó con éxito una mezcla de cemento con suelos arcillosos en la construcción de carreteras. Sin embargo, a pesar de los excelentes resultados, la técnica no fue usada posteriormente. En los Estados Unidos, el uso del suelo - cemento se incrementó a partir de la patente de Joseph Hay Amies en 1917, de una mezcla de suelo con cemento llamada Soilamies. El esfuerzo conjunto de la Portland Cement Association (PCA), el Bureau of Public Roads y el Highway Department del estado de Carolina del Sur contribuyó al desarrollo tecnológico de la estabilización de suelos con cemento, realizando diversos tramos experimentales de carreteras entre 1930 y 1940.
El suelo-cemento en la actualidad Existen diversas razones que actualmente determinan un mayor uso del suelo-cemento en la construcción de estructuras de pavimentos. Tanto consultores como entidades encargadas de la administración vial coinciden en que la demanda de un transporte de calidad requiere una mayor durabilidad de los materiales, estructuras de pavimentos y subrasantes. Para lograr la misma, es indispensable contar con estructuras de pavimento con capas de elevada capacidad de soporte y resistentes a los agentes atmosféricos. Otra razón para usar suelo-cemento en carreteras es el aspecto de protección del medio ambiente, el cual cada vez impone mayores limitaciones para la búsqueda y explotación de bancos de materiales, práctica por muchos años utilizada. Finalmente, la posibilidad de reducir espesores de capas que conforman la estructura del pavimento sin disminuir la capacidad estructural de la misma, es uno de los logros que pueden obtenerse de las características que tiene el suelocemento, debido a su relativamente elevado módulo de elasticidad. Esto se traduce en ahorros de materiales y aumento en los rendimientos de construcción. Debido a las múltiples ventajas que tienen los suelos tratados con cemento, diversos países lo aplican de forma casi generalizada. Por ejemplo, en El Salvador, el 95% de los caminos rurales pavimentados tiene base de suelocemento y en los últimos 10 años, el 100% de nuevas vías urbanas e interurbanas y pisos industriales tienen bases de suelocemento.
Ventajas y limitaciones Material durable: Numerosos registros de comportamiento indican que el suelo-cemento tiene mayor durabilidad que otros materiales de pavimentos de similar costo inicial. Mayor uso de materiales locales: El suelo-cemento permite el uso de gran cantidad de tipos de suelo para su elaboración, con lo que se consiguen reducir considerablemente los costos de transporte de material de aporte y aumentar los rendimientos de construcción. Reducido impacto ambiental: Pues existe menor necesidad de explotación de bancos de material. Mayor rigidez y mejor distribución de las cargas aplicadas al pavimento: Las propiedades de las mezclas de suelo-cemento permiten que la carga aplicada se distribuya en un área mayor que en el caso de una capa granular; por tanto, a igualdad de capacidad de soporte es posible contar con estructuras de pavimentos de menor espesor robustas o con un menor número de capas.
Resistencia a los agentes atmosféricos: Es notable su prolongada durabilidad bajo condiciones adversas. Por ello se ha usado en lugares con condiciones climáticas muy desfavorables. Aumento de resistencia y menos intervenciones de mantenimiento: Las propiedades mecánicas del suelo-cemento se incrementan con el tiempo lo que favorece que el mantenimiento del pavimento sea mínimo, obteniéndose prolongada vida útil y una reducción en el total de la estructura del pavimento.
Las limitaciones que presenta el suelocemento son: • Es un material en el que se producen grietas de contracción, las cuales pueden reflejarse en las capas bituminosas superiores. Sin embargo, es posible controlar considerablemente dicha contracción mediante uso de cementos adecuados, mezclas de cal, cemento y/o técnicas de prefisuración. • Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el número de pruebas necesarias antes de pretender construir capas de suelo-cemento con suelos de mediana alta plasticidad. • El tiempo para ejecutar el mezclado, conformación y compactación está limitado por el del fraguado del cemento. • Tiene una reducida resistencia al desgaste. Por ello, las bases de suelo-cemento precisan capas de rodadura de concreto asfáltico, tratamientos superficiales o capas de rodadura de concreto hidráulico.
Suelo-cemento Se define al suelo-cemento como un material elaborado a partir de una mezcla de suelos finos y/o granulares, cemento y agua, la cual se compacta y se cura para formar un material endurecido con propiedades mecánicas específicas. El contenido de cemento en peso suele ser del orden del 3 al 7% en peso de materiales secos y a largo plazo, su resistencia a compresión suele ser superior a 4 MPa. El contenido de agua se elige para obtener mezclas de consistencia seca que permitan su compactación con rodillo. El suelo-cemento se usa normalmente como capa de apoyo de otros materiales tratados con cemento o de concreto hidráulico o bien como capa resistente, bajo capas bituminosas. Puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse in situ.
Suelo estabilizado con cemento
Se usa también en subrasantes o explanadas, especialmente en estructuras de pavimentos para tráficos pesados. Es una mezcla de suelo, cemento y agua, con un contenido mínimo de conglomerante en peso del 2%, a fin de obtener un material dotado de una cierta rigidez y resistencia mecánica.
Base granular tratada con cemento
La PCA la define como una mezcla de agregados pétreos, cemento Portland y agua, que endurece después de ser compactada y curada para formar un material de pavimento durable. Se usa como capa de base en estructuras de pavimentos, siendo necesaria una capa de rodadura bituminosa o de concreto hidráulico. Las propiedades estructurales de bases granulares tratadas con cemento dependen de los agregados, del contenido de cemento, de las condiciones de compactación y curado, y de la edad. Son usuales valores de resistencia a la compresión de 3 a 6 MPa, módulo de ruptura (resistencia a flexotensión) de 0,7 a 1 MPa y de módulo de elasticidad 7,000 a 14,000 MPa. Es importante mencionar que las bases granulares tratadas con cemento son conocidas también con los nombres de bases tratadas con cemento a bases de agregados estabilizados con cemento.
Pavimentos unicapa de alto desempeño Son una estructura de pavimento formada por una sola capa usando el suelo existente en el camino, mezclado con un porcentaje de cemento Portland de entre 11 y 20% en peso, que compactada al porcentaje de diseño es capaz de soportar las cargas y el desgaste producido por el tráfico, proporcionando a la vez una superficie de rodaje adecuada. La filosofía de este pavimento es similar a la del concreto compactado, pero empleando un suelo natural como material de partida en vez de agregados procesados. Este tipo de pavimento tiene un campo de aplicación específico en la red vial no pavimentada y constituye una alternativa a las tradicionales intervenciones de colocación de balasto que se hacen dos veces por año (antes y después de la época lluviosa). Las propiedades estructurales de los pavimentos unicapa, dependen del tipo de suelo y del contenido de cemento así como de la energía de compactación y del curado. Los valores usuales de resistencia a compresión varían entre 5 y 13 MPa, el módulo de ruptura entre 1 y 2.3 MPa y el módulo de elasticidad entre 10,000 y 20,000 MPa.
Pavimentos reciclados con cemento
Las razones para optar por la solución de reciclado con cemento son varias. Normalmente se trata de pavimentos flexibles agrietados o fisurados debido al volumen de tráfico pesado, al final de su vida útil de servicio, o bien por problemas de drenaje y ahuellamientos. Frente a otras soluciones de rehabilitación, el reciclado de estos pavimentos con cemento permite el aprovechamiento de las capas deterioradas logrando recuperar y aumentar la capacidad de soporte y características mecánicas en general, lo que se traduce en una mejora del nivel de servicio. Técnicamente se consigue un pavimento mucho más duradero y con
Suelo Básicamente cualquier suelo puede estabilizarse con cemento a excepción de los suelos muy plásticos, orgánicos o con altos contenidos de sales que puedan afectar el desempeño del cemento. Existen diversos criterios en varios países, que limitan y especifican las características que debe tener un suelo para considerarse aceptable en la elaboración de una mezcla de suelo-cemento. Si se comparan dichos criterios entre sí, existen diferencias respecto a ciertos requerimientos; sin embargo, todos coinciden en limitar aspectos relativos a la granulometría del suelo, proceso constructivo y cumplimiento de requerimientos del diseño de mezcla y de la estructura del pavimento. Una comparación de requisitos granulométricos exigidos para algunas entidades se presenta en tablas en este documento. El objetivo de limitar características del suelo, principalmente el índice de plasticidad y los requerimientos granulométricos, es obtener una mezcla económica en términos de la cantidad de cemento y de buen comportamiento estructural. Los suelos estabilizados con cemento, no deben considerarse como materiales inertes. La adición de agua y cemento al suelo hace que reaccione químicamente, produciéndose cambios a través del tiempo y modificando sus propiedades físicas a corto, medio y largo plazo. Dichas reacciones químicas se explican al final de este artículo. Otras consideraciones que deben tomarse en cuenta para la selección del suelo a utilizar en mezclas de suelo-cemento, son los aspectos constructivos y de cumplimiento de los requisitos estructurales, ya que algunos suelos presentan mayor facilidad de mezclado y de compactación que otros.
Cemento Los requerimientos del cemento varían en función de las propiedades deseadas en la mezcla y del tipo de suelo a utilizar, mientras que el contenido de cemento a emplear depende de si el suelo va a ser modificado o estabilizado. Se han usado con éxito cementos hidráulicos con adiciones (blended cements) de acuerdo con la norma ASTM C 595 o bien los cementos hidráulicos por desempeño tipo HE o GU según la norma ASTM C ll57. Muchos autores opinan que la tendencia al agrietamiento en general, aumenta con el contenido de cemento y con el uso de suelos finos y plásticos, disminuyendo la resistencia del conjunto. Para estos suelos es viable emplear para su estabilización cal o mezclas de cal y cemento. En principio, cualquier cemento puede usarse en la estabilización de suelos, siempre y cuando se analice previamente en un diseño de mezcla. Debe tenerse cuidado con suelos ricos en sulfatos, puesto que los estudios han mostrado que contenidos de sulfatos mayores de 0.2% se traducen en una reducción de la resistencia a compresión. Los cementos tipo V de ASTM C l50 han resistido favorablemente.
Aditivos y adiciones
La mayor parte de las informaciones sobre uso de aditivos en mezclas de suelo-cemento, están orientadas al uso de retardadores de fraguado, utilizado en la mayoría de los casos cuando la mezcla es elaborada en planta y transportada al sitio de la obra en condiciones climáticas desfavorables o a distancias considerables. Las adiciones, como por ejemplo puzolanas y cenizas volantes según ASTM C 618, han sido usadas en mayor cantidad que los aditivos químicos. Este tipo de adiciones puede incrementar la resistencia a largo plazo de las mezclas, optimizar la dosificación de cemento y mejorar en algunos casos la trabajabilidad de las mezclas. Agua La mayoría de especificaciones y literatura técnica relacionadas con los requisitos que debe tener el agua a utilizar en mezclas de suelocemento se limitan a indicar que ésta debe ser potable o relativamente limpia así como libre de álcalis, ácidos o materia orgánica.
Suelo-cemento plástico Consiste en una mezcla de suelo fino, cemento y agua o aditivos suficientes para conseguir una consistencia fluida. Este material se engloba dentro de los denominados Materiales de Resistencia Controlada por el Comité 229R del American Concrete Institute (ACI). Una de las aplicaciones de este material es en la construcción de bases de pavimentos, en cuyo caso se usan mezclas plásticas y no fluidas, diseñadas de tal forma que se puedan colocar y enrasar fácilmente teniendo además la menor contracción posible. Los valores de resistencia a compresión simple sugeridos por el ACI en capas de base de suelo-cemento plástico varían entre 3 y 8,5 MPa.
Suelo mejorado o modificado con cemento Se usa en subrasantes o explanadas y se define como una mezcla de suelo y una cantidad pequeña de cemento, generalmente inferior al 2% en peso, añadida con el fin de mejorar algunas propiedades de los suelos. Al contrario que el suelo-cemento, la mezcla resultante sigue teniendo la estructura de un material suelto, al menos a corto plazo. La mejora o modificación con cemento se usa generalmente con suelos de grano fino, plásticos y a veces con humedades naturales excesivas con dificultades de compactación, expansividad y baja capacidad de soporte. El conglomerante modifica sus características a corto y largo plazo de forma moderada, pasando a ser suelos utilizables. Por su limitada o nula resistencia mecánica se recomienda su uso en subrasantes de pavimentos de tráficos ligeros y medios. Para el caso de tráfico pesado y de alto volumen, se sugiere colocar una subrasante de mayor capacidad de soporte sobre el suelo modificado con cemento.
Características mezcla • El Suelo Cemento es una mezcla de tierra tamizada (malla de medio cm aproximadamente), arena común y cemento Portland, de modo que la relación volumétrica entre los primeros dos sea 2:1. • Los dosajes de cemento se calculan como porcentaje en peso del material seco. • La humedad de la tierra durante el apisonamiento puede ser del 18 % base húmeda. • La combinación ideal del suelo es: • 70-80% de arena. • 20 a 30% de limo. • 5 a 10% de arcilla. • Si los suelos son muy arenosos, van a requerir la incorporación de más cemento y a los arcillosos hay que agregarles más arena. Los suelos limosos con un 50 % de arena se estabilizan con un 10% de cemento. • La humedad debe ser similar a la que tenía el suelo antes de ser excavado
Pared de suelo apisonado • Para construir una pared de suelo apisonado o tapial, es necesario construir previamente un armazón o encofrado que sirva de molde con la suficiente resistencia mecánica para resistir el empuje lateral que se produce al compactar el suelo con el pisón. • El rellenado se hace en capas de 2 dm, que se reducen a la mitad, tras el apisonamiento. Este se hace mediante dos pisones: Uno metálico de 8,3 kg, y base rectangular de 336 cm 2, y uno de madera (especialmente para los ángulos y zonas de más difícil acceso), de 4,2 kg y 56 cm 2de sección. • Apisonar una sección de 0,35 m 2 requiere promedio unos 130 golpes de pisón por capa, desde una altura promedio de 0,35 m . Esto representa una energía de apisonamiento de 1,69 J/cm 2 si los pisones se dejaran caer por su propio peso. En el caso del pisón de madera (que aportaría el 32 % de ese valor), los operarios deben arrojarlo hacia abajo, de modo que la energía disponible sea algo mayor. • El armado de un encofrado doble requiere 4 operarios durante 2 horas. Su apisonamiento, la misma cantidad de operarios durante 4 horas. Tamizar la tierra demanda 1 operario trabajando 4 horas. • Ejemplo: se requiere construir un tabique interior de 4 dm de espesor de 2,5 m de largo, 2,4 m de alto. Para la mitad inferior del mismo se utiliza suelo tamizado puro, y en el resto se adiciona arena común en igual proporción que para el suelo-cemento. Se recomienda la inclusión de cañas (bambú, tacuara) colocadas horizontalmente entre algunas capas de apisonado para controlar el fisuramiento. Esta es una opción cuando la pared va a quedar resguardada del agua. Para prevenir posibles deterioros por la intemperie durante el proceso de construcción se sugiere revocarla.
Uniones con mampostería común • Las uniones de las paredes de tierra y suelo-cemento con otras de mampostería convencional no ofrecen dificultades, como tampoco los empotramientos de aberturas (en su mayoría en premarcos de madera colocados en los encofrados o como topes de los mismos durante el apisonamiento) ni cañerías, excepto por la gran dureza alcanzada por el suelo-cemento fraguado.
Otros usos
• La represa de Chochiti, situada en el centro norte del Estado de Nuevo México, una hondonada de 10,7 m de profundidad con esquistos arenosos de baja resistencia ubicada debajo de los conductos de descarga a construir, fue reemplazada por 44.100 m3 de suelo cemento. Con la colocación de este volumen de suelo cemento se reemplazó un material poco resistente por otro de propiedades físicas similares a las de los esquistos arenosos circundantes, minimizando el riesgo de asentamientos diferenciales a lo largo de los conductos de descarga. La resistencia a la compresión del suelo cemento a los 28 días fue de 7 MPa, similar a la de los esquistos arenosos. • En 1984 el suelo cemento fue usado, en lugar de hormigon en masa, para la cimentación de un aliviadero de 385 m de ancho en la presa de Bichland Greek cerca de Forth Worth, texas. Alrededor de 3 m de sobrecarga sobre un estrato de roca sólida fue retirado y reemplazado por 80.890 m 3 de suelo cemento. Para satisfacer el requerimiento de resistencia a la compresión de 7 MPa, el suelo cemento llevó un contenido de 10 % de cemento. La utilización de suelo cemento en sustitución de hormigón en masa conllevó un ahorro de 7,9 millones de dólares.
Resistencia a compresión simple
La resistencia a compresión simple en las mezclas de Suelo-cemento es un indicador del grado de reacción del suelo con el cemento y el agua. La resistencia a compresión simple aumenta progresivamente con el tiempo. Los valores obtenidos dependen de muchos factores, entre los que pueden destacarse: el contenido y tipo de cemento; la energía de compactación aplicada; la eficiencia lograda en el mezclado; el tipo y cantidad de materia orgánica, sales y materiales deletereos existentes en el suelo; la cantidad y calidad del agua; el tiempo transcurrido después de realizado el mezclado y compactación; la duración y forma de hacer el curado; las características y eficacia de los aditivos o adiciones utilizadas y el tamaño y forma del espécimen de ensayo. Es importante mencionar que la resistencia a compresión simple aumenta apreciablemente con el tiempo. La resistencia a compresión simple aumenta considerablemente en los primeros 90 días, de una a tres veces más que a los 7 días, según el tipo de suelo, tipo y contenido de cemento, mientras que a edades posteriores se ha observado en general un crecimiento mucho más lento.
Resistencia a flexión EI comportamiento del Suelo-cemento respecto a su resistencia a la flexión se ha conocido directa e indirectamente a través de diversos ensayos. En general se distinguen dos grupos o conjuntos de valores: los correspondientes a los suelos finos y los obtenidos en mezclas con suelos granulares. Se ha observado que la resistencia a la flexión varía directamente con la resistencia a la compresión simple y con el peso volumétrico seco máximo de la mezcla. En este sentido, diversos autores coinciden que la resistencia a la flexión puede variar de 1/3 a 1/5 de la resistencia a la compresión del Suelocemento. Ello proporciona una idea de la rigidez y la gran capacidad de distribución de cargas que pueden obtenerse en estructuras de pavimentos utilizando este tipo de mezclas. En lo referente a la evolución de la resistencia a la flexión con la edad, se puede afirmar, que su crecimiento es más moderado que el de la resistencia a compresión.
Contracción La contracción en las mezclas de Suelo-cemento es el resultado de la pérdida de agua por secado y de las reacciones ocurridas durante la hidratación del cemento. Los factores que influyen en el grado de agrietamiento como consecuencia de la misma son numerosos y complejos, entre ellos están: el tipo y cantidad de cemento utilizado; el contenido de agua aplicado en el campo; las propiedades de los agregados; los procedimientos de curado realizados; las condiciones de clima; el tiempo de colocación y el rozamiento entre la capa de Suelo-cemento y la subyacente.
Módulo de elasticidad
En el diseño estructural de un pavimento es importante que tenga una capacidad suficiente de soporte para distribuir de forma adecuada las cargas impuestas por el tráfico vehicular, generando las menores deformaciones posibles. Esto se logra teniendo altos módulos de elasticidad en una a dos capas de la estructura de pavimento. El tratamiento de suelos con cemento eleva considerablemente los módulos de elasticidad, generando una rigidez tal que puede ser aprovechada en beneficio de una conveniente distribución de carga y un buen desempeño de la estructura del pavimento durante la vida de diseño. Los valores del módulo de elasticidad, tanto estático como dinámico y del coeficiente de Poisson son muy variables, dependiendo del tipo de suelo y contenido de cemento en la mezcla. En general dichos valores de los módulos son bajos comparados con los del concreto y muy altos con respecto a los de los suelos naturales compactados. Los valores típicos a 28 días del módulo de elasticidad estático en mezclas de Suelocemento elaboradas con suelos con una cierta proporción de elementos granulares varían entre 4,000 y 7,000 Mpa. Cabe decir, que la determinación de los módulos de elasticidad dinámicos a estáticos no es una práctica habitual en el diseño y construcción de capas de Suelo-cemento en la mayoría de los países; por lo general, este tipo de ensayos se ha realizado en trabajos de investigación.
Resistencia al desgaste Esta propiedad no es evaluada en el Suelo-cemento cuando se utiliza en estructuras de pavimentos, ya que tal como lo ha demostrado la experiencia y diversas investigaciones, es un material excelente para soportar esfuerzos perpendiculares a la superficie, pero muy deficiente para resistir las fuerzas abrasivas del tránsito circulando directamente sobre el. En este tipo de aplicaciones se recurre a proteger las capas de Suelo-cemento colocando sobre ella una capa de rodadura de concreto hidráulico, concreto asfáltico, o tratamientos superficiales asfálticos. Se ha observado una mejora en la resistencia al desgaste cuando se incrementa el contenido de cemento y se utilizan suelos granulares no plásticos. EI Suelocemento presenta una mayor resistencia al desgaste provocado por la acción erosiva de las lluvias, que por la acción erosiva del tráfico vehicular. Los pavimentos unicapa de alto desempeño presentan una mejor resistencia al desgaste que el Suelo-cemento ordinario. Los concretos compactados también pueden soportar directamente el paso continuado de vehículos. Es importante mencionar que un material resistente al desgaste bajo una capa de rodadura de concreto hidráulico ayuda a reducir problemas de bombeo de finos y escalonamiento.
Permeabilidad La permeabilidad de la mayoría de suelos se disminuye con la adición de cemento Portland. Dicha reducción de la permeabilidad, depende principalmente del tipo de suelo, contenido de cemento y de una compactación adecuada. Cuando se diseñan mezclas de Suelocemento con fines de impermeabilización, como el caso de cimentaciones de rellenos sanitarios, estanques u otro tipos de obras para almacenamiento permanente o temporal de agua. Las mezclas de Suelo-cemento elaboradas con suelos finos son las que presentan y mantienen con el tiempo una menor permeabilidad. Los valores típicos del coeficiente de permeabilidad K de mezclas de Suelo-cemento elaboradas con suelos areno-limosos, varían entre 0.4 x l 0 y 3 x 10 cm/s. EI porcentaje de cemento en estos casos suele ser inferior al 5% en peso.
Generalidades del diseño de mezclas
Existen diversos métodos para realizar el diseño de mezclas de Suelocemento. La mayoría de ellos tienen como requerimiento principal el cumplimiento de una resistencia a compresión y de algunos aspectos relacionados con la durabilidad. El procedimiento general o común en los métodos de diseño de mezclas se puede resumir en los siguientes pasos: 1. Determinar la granulometría del material a estabilizar Los resultados de la granulometría del material a utilizar en la mezcla de Suelocemento se comparan con granulometrías específicas recomendadas. En el caso de que no cumplan, deben adaptarse a partir de los métodos tradicionales de mezcla de materiales granulares. Adicionalmente, para que la mezcla trabaje de una forma óptima deben controlarse los contenidos de materia orgánica, sulfatos y otras sustancias que pueden influir en la reacción del cemento, con el material a estabilizar.
2. Seleccionar un contenido de cemento inicial Se elige en función de recomendaciones según el método a utilizar en el diseño de la mezcla. Por lo general el contenido inicial de cemento se selecciona en función del tipo de suelo. En algunos casos se exige un contenido mínimo para garantizar una adecuada homogeneidad de la mezcla. El informe ACI 230.1 R recomienda una serie de porcentajes de cemento en función del tipo de suelo. Estos no deben considerarse como valores de diseño, sino como una estimación inicial del contenido de cemento en un procedimiento de proporcionamiento y diseño de mezclas. 3. Ejecutar pruebas de humedad-densidad Se realizan para obtener el contenido óptimo de humedad que garantice la máxima densidad seca y cumpla con los requisitos de resistencia y durabilidad. En la actualidad existe una tendencia a utilizar ensayos con una energía de compactación elevada.
4. Realizar ensayos de resistencia a compresión y en caso necesario, de durabilidad Esta etapa tiene como objetivo verificar a través de ensayos que la mezcla de Suelo-cemento se comporte adecuadamente en las condiciones reales. Para ello se realizan pruebas de compresión simple, así como ensayos de durabilidad (por ejemplo, pruebas de humedecimiento y secado) siempre y cuando el Suelo-cemento este sometido a condiciones climáticas adversas durante su operación. 5. Seleccionar el contenido óptimo de cemento Se elige de acuerdo a las pruebas de resistencia a compresión simple y durabilidad. Corresponde al porcentaje mínimo de cemento que cumple los requerimientos de acuerdo a las recomendaciones de los diferentes métodos.
Las reacciones del cemento con el suelo son de naturaleza físico-química. La reacción química producida depende de las características de los componentes químicos que existen en la mezcla; de sus concentraciones; tiempo; tipo de suelo; tipo de agua; tipo y cantidad de cemento y los aditivos o adiciones utilizadas, así como del curado de la mezcla. La reacción química entre el cemento y los suelos granulares no plásticos es menos compleja que con los suelos finos y plásticos, en este último caso la reacción del cemento con la arcilla no se puede considerar como la reacción de un cementante con un material inerte; por el contrario, los minerales arcillosos reaccionan y cambian durante el proceso, alterando su estructura interna. Registros de diversas fuentes coinciden que en los Suelos-cementos obtenidos a partir de suelos plásticos, el cemento no se hidrata completamente hasta después de 43 días, valor que se reduce a unos 28 días con suelos granulares no plásticos. En resumen, la dosificación de un Suelo-cemento debe de realizarse partiendo de valores orientativos especificados o sugeridos por la metodología de diseño de mezcla a utilizar, por ejemplo en función del tipo de suelo.
Diseño de espesores Los fundamentos de los diversos métodos de diseño de espesores son diferentes. Algunos están basados en criterios obtenidos mediante la observación del comportamiento real de diversos pavimentos durante su periodo de servicio, mientras que otros se fundamentan en conceptos de fatiga y esfuerzos admisibles. En la actualidad se encuentran en fase de desarrollo algunos métodos avanzados de cálculo basados en teorías mecanicistas o empíricomecanicistas, en los que se hacen intervenir parámetros como el clima de la zona y los módulos dinámicos de los materiales de las distintas capas del pavimento: este es el caso, por ejemplo, de la Guía de Diseño AASHTO 2002. Finalmente, es importante mencionar la existencia de catálogos de estructuras normalizadas de pavimentos, los cuales han sido desarrollados y aplicados con éxito en países como España y Francia. Todos estos métodos han proporcionado buenos resultados cuando el diseño estructural del pavimento se ha realizado adecuadamente. Es muy importante destacar este aspecto, ya que la determinación del espesor de Suelo-cemento es solamente una parte del diseño estructural total del pavimento. EI buen juicio en el diseño de las restantes capas que conforman también el pavimento y una interrelación adecuada entre todas ellas influirán en el buen desempeño del mismo.
Procedimiento general de diseño
Como en la mayoría de los métodos de diseño de pavimentos, para el cálculo de espesores de Suelocemento se suelen precisar los siguientes datos generales: Volumen y tipo de tráfico; período de diseño y capacidad de soporte de la subrasante. De acuerdo con el procedimiento particular de cada método de diseño, se han generado ecuaciones, gráficas y programas computacionales que permiten procesar la información y proporcionar un resultado confiable del espesor de Suelocemento a colocar, en función generalmente de algunos de los parámetros de resistencia mecánica discutidos en este documento.
Método racional de diseño según la experiencia colombiana
EI Manual de Diseño de Pavimentos para Bogota DC(2002) incluye un procedimiento mecanicista que utiliza como parámetro de verificación la rotura por fatiga de la parte inferior de la capa del material tratado. Para ello se hace necesario adoptar leyes de fatiga que determinen el esfuerzo de tensión admisible en función del número de repeticiones de las cargas. Adicionalmente, para la utilización de esta metodología racional, es necesario estimar los parámetros elásticos de los materiales tales como el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson. De acuerdo con el Manual de Diseño, el esfuerzo a tensión admisible del Suelo-cemento puede determinarse mediante la siguiente ecuación: s =s6 •(N/106 )b donde: s: tensión a tensión admisible del Suelo-cemento para N aplicaciones de carga. s6=resistencia a flexión para 106 aplicaciones de carga. N: número de aplicaciones de carga provocando una tensión de tensión s. b: constante que es función del valor de la pendiente a de la ley de fatiga para 106 ciclos de carga y que se calcula mediante la expresión. b=-0.5 log ((1+5a) / (1+7a)). El valor de a varía entre 0.6 y 0.85.
Con el análisis racional de diseño de espesores se logra optimizar el comportamiento estructural que tendrá el Suelocemento, ya que se conoce previamente su desempeño ante un número limitado de repeticiones de carga. Cabe decir que muchas bases de Suelo-cemento de estructuras de pavimentos de carreteras secundarias, calles y aeropuertos de tráfico ligero son de 15 cm de espesor. Para calles residenciales y estacionamientos de vehículos ligeros los espesores más comunes están entre 10 y 13 cm. No obstante, los valores anteriores se consideran como espesores mínimos propensos a experimentar fatiga prematura si el tráfico experimenta un aumento en volumen y/o peso. Los espesores colocados con mayor frecuencia en carreteras de tráfico pesado y autopistas varían entre 18 y 25 cm. Para tráficos más pesados pueden ser necesarios espesores de hasta 35 cm.
Otras propiedades
En los suelos a utilizar para la construcción de pavimentos, algunas propiedades o parámetros de interés para el diseño estructural se ven mejoradas o incrementadas con la adición de cemento, por ejemplo, el coeficiente de capa o de aporte estructural, conocido como a, que se utiliza en el diseño estructural de pavimentos de acuerdo con el método AASHTO 1993. Según el informe ACI 230.1 R, dicho coeficiente puede alcanzar valores entre 0.18 y 0.23 para mezclas con resistencia a compresión simple entre 2.5 y 4.5 MPa respectivamente. Asimismo, existen distintas correlaciones para la determinación de dicho coeficiente de aporte a en función de la resistencia a compresión.
Referencias • http://www.imcyc.com/ct2008/abr08/ingenieria.htm • Cortés,A. (1996) "Ensayos para el Aprovechamiento de Tierra Cruda en la construcción con utilización de Energía Solar en la Zona Pampeana". Revista Energías Renovables y Ambiente. • Suelos estabilizados con cemento. Orden FOM 891/2004 (España). • Varios artículos y aplicaciones en Argentina del Instituto Portland Del Cemento Argentino.