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CARRETERAS DE SUELO CEMENTO


Suelo - Cemento
1a parte

La Federación Interamericana
del Cemento (FICEM), en su afán de
profundizar y difundir el conocimiento del
estado actual del uso del suelo-cemento en
estructuras de pavimentos, encomendó la preparación del documento que presentamos al Instituto Salvadoreño
del Cemento y del Concreto (ISCYC).

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El ISCYC ha usado la información dada por institutos miembros de la FICEM y la experiencia propia, para hacer un documento que expone el estado de la práctica que tiene el suelo-cemento en diversos países, y que reúne y analiza los resultados más significativos, procedentes de investigaciones que son la base para una mejor comprensión y conocimiento en el uso de este tipo de material, específicamente en estructuras de pavimentos.

En este sentido, se agradece la colaboración de los Institutos del Cemento y Concreto miembros de FICEM así como de entidades privadas y gubernamentales del país y de profesionales amigos del ISCYC.

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.

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Tramo La Flecha La Herradura, en El Salvador, construido en 1953 utilizando base de suelo-cemento.

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Pruebas de campo en el tramo La Flecha La Herradura.
Proyecto de investigación realizado en 1995.

Después de la Segunda Guerra Mundial se inician en España y Latinoamérica las primeras experiencias con suelo-cemento aplicado en carreteras, siendo Argentina, Colombia y El Salvador ejemplos de países con más de 50 años de experiencia en la construcción de caminos de este tipo.
En la actualidad existen modernos equipos estabilizadores, recicladores de gran potencia y rendimiento, distribuidores y dosificadores de cemento que facilitan el trabajo en campo y garantizan la calidad de mezclado y colocación. Aún existen retos por superar referente al conocimiento de este material, si bien el trabajo de investigación continúa en diversos países.

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 suelo-cemento, 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 suelo-cemento y en los últimos 10 años, el 100% de nuevas vías urbanas e interurbanas y pisos industriales tienen bases de suelocemento.

Ventajas y limitaciones
Dentro de las ventajas que tiene el suelo-cemento pueden destacarse las siguientes:

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 suelo-cemento 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.

Definiciones
El término suelo-cemento se ha definido desde diversos puntos de vista. Las modificaciones realizadas en el material de partida, el contenido de cemento y el tipo de suelo han generado distintas definiciones y clasificaciones.
Las más reconocidas son:

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 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.

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.

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.

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 menor susceptibilidad al agua.

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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.

Otras consideraciones
que deben tomarse en
cuenta, son los aspectos
constructivos y de
cumplimiento de los requisitos
estructurales.

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 suelo-cemento se limitan a indicar que ésta debe ser potable o relativamente limpia así como libre de álcalis, ácidos o materia orgánica.

 

 


 


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