ESTABILIZACIN

Suelo-Cemento Equipo #1: Pavimentos.

01 JUNIO DEL 2.011

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA: CIVIL

DEPARTAMENTO: VIALIDAD.

EVALUADO POR: Prof. Isandra Villegas

ELABORADO POR: Arias, Zorimar.

Durn, Estefana.

Pastor, Nicolle.

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Desarrollo Histrico.

El hombre ha usado tanto la cal como diversos aglomerantes puzolnicos en la

estabilizacin 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 produccin de conglomerantes y en el desarrollo de

equipos de construccin y tcnicas de ejecucin. Con el tiempo, se crearon las

condiciones ptimas para la realizacin 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 compactacin.

La aplicacin del suelo-cemento empez a estudiarse metdicamente entre

1910 y 1920. En Inglaterra, en 1917, Brooke Bradley emple con xito una mezcla de

cemento con suelos arcillosos en la construccin de carreteras. Sin embargo, a pesar

de los excelentes resultados, la tcnica no fue usada posteriormente. En los Estados

Unidos, el uso del suelo - cemento se increment 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 contribuy al desarrollo

tecnolgico de la estabilizacin de suelos con cemento, realizando diversos tramos

experimentales de carreteras entre 1930 y 1940.

Despus de la Segunda Guerra Mundial se inician en Espaa y Latinoamrica

las primeras experiencias con suelo-cemento aplicado en carreteras, siendo Argentina,

Colombia y El Salvador ejemplos de pases con ms de 50 aos de experiencia en la

construccin 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 colocacin. An existen

retos por superar referente al conocimiento de este material, si bien el trabajo de

investigacin contina en diversos pases.

Tramo La Flecha La Herradura, en El Salvador, construido en 1953

utilizando base de suelo-cemento.

Pruebas de campo en el tramo La Flecha La Herradura.

Proyecto de investigacin realizado en 1995

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Definicin: Suelo-Cemento.

El trmino 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 ms 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 mecnicas especficas.

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 compresin suele ser superior a 4

MPa. El contenido de agua se elige para obtener mezclas de consistencia seca que

permitan su compactacin con rodillo. El suelo-cemento se usa normalmente como

capa de apoyo de otros materiales tratados con cemento o de concreto hidrulico

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 pequea de cemento, generalmente inferior al 2% en peso, aadida 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 modificacin con cemento se usa generalmente

con suelos de grano fino, plsticos y a veces con humedades naturales excesivas

con dificultades de compactacin, expansividad y baja capacidad de soporte. El

conglomerante modifica sus caractersticas a corto y largo plazo de forma

moderada, pasando a ser suelos utilizables.

Por su limitada o nula resistencia mecnica se recomienda su uso en sub-rasantes

de pavimentos de trficos ligeros y medios. Para el caso de trfico pesado y de alto

volumen, se sugiere colocar una sub-rasante de mayor capacidad de soporte

sobre el suelo modificado con cemento. Suelo estabilizado con cemento:

Se usa tambin en sub-rasantes o explanadas, especialmente en estructuras de

pavimentos para trficos pesados. Es una mezcla de suelo, cemento y agua, con

un contenido mnimo de conglomerante en peso del 2%, a fin de obtener un

material dotado de una cierta rigidez y resistencia mecnica.

Suelo-cemento plstico: 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 Comit 229R del

American Concrete Institute (ACI). Una de las aplicaciones de este material es en la

construccin de bases de pavimentos, en cuyo caso se usan mezclas plsticas y no

fluidas, diseadas de tal forma que se puedan colocar y enrasar fcilmente

teniendo adems la menor contraccin posible. Los valores de resistencia a

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compresin simple sugeridos por el ACI en capas de base de suelo-cemento

plstico varan entre 3 y 8,5 MPa.

Base granular tratada con cemento:

La PCA la define como una mezcla de agregados ptreos, cemento Portland y

agua, que endurece despus 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

hidrulico. Las propiedades estructurales de bases granulares tratadas con

cemento dependen de los agregados, del contenido de cemento, de las

condiciones de compactacin y curado, y de la edad. Son usuales valores de

resistencia a la compresin de 3 a 6 MPa, mdulo de ruptura (resistencia a

flexotensin) de 0,7 a 1 MPa y de mdulo de elasticidad 7,000 a 14,000 MPa. Es

importante mencionar que las bases granulares tratadas con cemento son

conocidas tambin con los nombres de bases tratadas con cemento a bases de

agregados estabilizados con cemento.

Pavimentos unicapa de alto desempeo: 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 diseo es capaz de soportar

las cargas y el desgaste producido por el trfico, proporcionando a la vez una

superficie de rodaje adecuada. La filosofa 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 aplicacin especfico en la red vial no pavimentada y constituye una alternativa

a las tradicionales intervenciones de colocacin de balasto que se hacen dos

veces por ao (antes y despus de la poca lluviosa). Las propiedades estructurales

de los pavimentos unicapa, dependen del tipo de suelo y del contenido de

cemento as como de la energa de compactacin y del curado. Los valores

usuales de resistencia a compresin varan entre 5 y 13 MPa, el mdulo de ruptura

entre 1 y 2.3 MPa y el mdulo de elasticidad entre 10,000 y 20,000 MPa.

Pavimentos reciclados con cemento: Las razones para optar por la solucin de reciclado con cemento son varias.

Normalmente se trata de pavimentos flexibles agrietados o fisurados debido al

volumen de trfico pesado, al final de su vida til de servicio, o bien por problemas

de drenaje y ahuellamientos. Frente a otras soluciones de rehabilitacin, el

reciclado de estos pavimentos con cemento permite el aprovechamiento de las

capas deterioradas logrando recuperar y aumentar la capacidad de soporte y

caractersticas mecnicas en general, lo que se traduce en una mejora del nivel de

servicio. Tcnicamente se consigue un pavimento mucho ms duradero y con

menor susceptibilidad al agua.

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Objetivos

Permitir el aprovechamiento de suelos de la traza de deficiente calidad,

evitando su extraccin y transporte a vertedero as como el tener que aportar

otros diferentes que en ocasiones pueden hallarse a distancias importantes.

Reducir la sensibilidad al agua de los suelos, y con ello aumentar su resistencia

a la erosin, a la helada, y a otros agentes climticos.

Permitir la circulacin por terrenos intransitables.

Obtener una plataforma estable de apoyo del firme que colabore

estructuralmente con el mismo.

Caractersticas

Al mezclar un suelo con cemento, se produce un nuevo material, duro, con

mejores caractersticas que el usado como agregado.

Esta estabilizacin no es tan sensible a la humedad como la hecha en asfalto.

Pueden usarse todos los suelos para efectuarla, excepto los altamente orgnicos,

aunque los ms convenientes son los granulares, de fcil disgregado.

Los limos, las arenas, limosas y arcillas, todas las gravas y las arenas, son agregados

adecuados para producir este material suelo-cemento, el cual tiene excelentes

cualidades, que respecto a la de los suelos granulares son:

Es ms resistente y como capa base reparte las cargas a una mayor rea,

permitiendo as reducir el espesor de las capas. Espesor de suelo-cemento = 0.6

espesor suelo granular.

Tiene mayor mdulo de elasticidad.

Es ms impermeable.

Es muy resistente a la erosin del agua.

En presencia de la humedad, en lugar de perder resistencia, la aumenta

bastante.

Al secarse no pierde compactacin, como muchos suelos granulares.

Su resistencia aumenta bastante con el tiempo. Es mayor ese incremento que

en el concreto normal.

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Limitaciones

Suelo:

Bsicamente cualquier suelo puede estabilizarse con cemento a excepcin de los

suelos muy plsticos, orgnicos o con altos contenidos de sales que puedan afectar

el desempeo del cemento.

Existen diversos criterios en varios pases, que limitan y especifican las

caractersticas que debe tener un suelo para considerarse aceptable en la

elaboracin de una mezcla de suelo-cemento. Si se comparan dichos criterios entre

s, existen diferencias respecto a ciertos requerimientos; sin embargo, todos coinciden

en limitar aspectos relativos a la granulometra del suelo, proceso constructivo y

cumplimiento de requerimientos del diseo de mezcla y de la estructura del

pavimento.

Una comparacin de requisitos granulomtricos exigidos para algunas entidades

se presenta en tablas en este documento. El objetivo de limitar caractersticas del

suelo, principalmente el ndice de plasticidad y los requerimientos granulomtricos, es

obtener una mezcla econmica en trminos de la cantidad de cemento y de buen

comportamiento estructural. Los suelos estabilizados con cemento, no deben

considerarse como materiales inertes. La adicin de agua y cemento al suelo hace

que reaccione qumicamente, producindose cambios a travs del tiempo y

modificando sus propiedades fsicas a corto, medio y largo plazo. Dichas reacciones

qumicas se explican al final de este artculo. Otras consideraciones que deben

tomarse en cuenta para la seleccin 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

compactacin que otros.

Cemento:

Los requerimientos del cemento varan en funcin 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

xito cementos hidrulicos con adiciones (blended cements) de acuerdo con la

norma ASTM C 595 o bien los cementos hidrulicos por desempeo tipo HE o GU

segn 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 plsticos, disminuyendo la resistencia del conjunto. Para estos suelos es

viable emplear para su estabilizacin cal o mezclas de cal y cemento. En principio,

cualquier cemento puede usarse en la estabilizacin de suelos, siempre y cuando se

analice previamente en un diseo 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 reduccin de la resistencia a compresin. Los

cementos tipo V de ASTM C l50 han resistido favorablemente.

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El cemento mezclado con el suelo mejora las propiedades de ste desde el punto

de vista mecnico.

Siendo los suelos por lo general un conjunto de partculas inertes granulares con

otras activas de diversos grados de plasticidad, la accin que en ellos produce el

cemento es doble. Por una parte acta como conglomerante de las gravas, arenas y

limos desempeando el mismo papel que en el hormign. Por otra parte, el hidrato de

calcio, que se forma al contacto del cemento con el agua, libera iones de calcio que

por su gran afinidad con el agua roban algunas de las molculas de sta interpuestas

entre cada dos laminillas de arcilla. El resultado de este proceso es la disminucin de la

porosidad y de la plasticidad as como un aumento en la resistencia y en la

durabilidad.

Se pueden utilizar todos los tipos de cementos, pero en general se emplean los de

fraguado y endurecimiento normales. En algunos casos, para contrarrestar los efectos

de la materia orgnica son recomendables los cementos de alta resistencia y si las

temperaturas son bajas se puede recurrir a cementos de fraguado rpido o al cloruro

de calcio como aditivo.

Este tipo de estabilizacin es de uso cada vez ms frecuente y consiste

comnmente en agregar cemento Portland en proporcin de un 7% a un 16% por

volumen de mezcla.

Al mejorar un material con cemento Portland se piensa principalmente en

aumentar su resistencia, pero adems de esto, tambin se disminuye la plasticidad, es

muy importante para que se logren estos efectos, que el material por mejorar tenga un

porcentaje mximo de materia orgnica del 34%.

Casi todos los tipos de suelo que encontramos pueden estabilizarse con cemento

con excepcin de los que contienen altos porcentajes de materia orgnica. Por otra

parte, los suelos de arcilla o limo requerirn un mayor porcentaje de cemento para

lograr los resultados esperados.

Por lo general, la capa que se estabiliza tiene un espesor de 10 a 15cms. y podr

coronarse con una capa de rodadura de poco espesor (ya sea para trnsito ligero o

medio); tambin podr servir de apoyo a un pavimento rgido o flexible de alta

calidad.

Para la utilizacin del cemento, lo que tiene verdadera importancia es que el suelo

no contenga materias que perjudiquen el fraguado o la resistencia. Interesa tambin

para la economa de la obra limitar el porcentaje de cemento necesario y prever el

comportamiento de las arcillas.

En este orden hay que tomar en cuenta las aptitudes intrnsecas del suelo para la

estabilizacin como son la Granulometra, lo que implica que los suelos a mejorarse no

deben contener piedras de tamao superior a 60mm (es decir, que el porcentaje que

pasa por el tamiz #200 sea menor del 50%); y la Plasticidad, lo que determinar la

calidad de las arcillas, estableciendo un Lmite Lquido menor de 50% (

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Ventajas.

Ventajas medioambientales El empleo de suelos de la traza evita explotar nuevos yacimientos y disminuye

la necesidad de vertederos.

La eliminacin del transporte de los suelos disminuye las emisiones de CO2 y

otros contaminantes y reduce el dao que generan los combustibles y aceites,

as como los impactos colaterales (polvo, erosiones y otros) que provoca sobre

las carreteras y flora adyacentes.

Se trata de una tcnica especialmente adaptada al empleo de cementos

con alto contenido de adiciones. Esto se traduce en una disminucin de las

emisiones durante su fabricacin, al reducir la cantidad de clinker empleado e

incorporar subproductos industriales como escorias o cenizas volantes, lo que

favorece el cumplimiento del protocolo de Kioto y de los compromisos de

desarrollo sostenible.

Es una tcnica en fro que consume poca energa. Se disminuyen con ello

notablemente la contaminacin y las emisiones de vapores nocivos.

c cemento

Ventajas tcnicas

Permite el empleo de los suelos de la traza, mejorando sus caractersticas hasta

el grado deseado.

Proporciona una elevada capacidad de soporte a la explanada,

disminuyendo las tensiones que llegan a las capas del firme, con lo que

aumenta la vida de servicio del mismo.

Asegura la estabilidad de los suelos, tanto por la reduccin de su sensibilidad al

agua y a la helada, como por el incremento de su resistencia a la erosin.

Puede permitir en ciertos casos el paso inmediato del trfico de obra.

Se disminuyen las molestias por el trfico de obra y los daos a la red de

carreteras adyacentes debido a que se evita transportar los suelos a vertedero

y aportar otros nuevos.

Ventajas econmicas El empleo de los suelos de la traza y la eliminacin del transporte suponen una

reduccin

importante de costes.

La obtencin de cimientos de mayor calidad permite una economa en los

firmes y en el volumen total de ridos empleados en los mismos.

Se reducen los plazos de ejecucin dado que la estabilizacin se realiza con

equipos de alto rendimiento y que se disminuye el espesor total de la

explanada frente a las alternativas con suelos sin tratar.

Las ventajas tcnicas y ambientales citadas tambin se traducen en beneficios

econmicos.

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Desventajas.

Las limitaciones que presenta el suelo-cemento son:

Es un material en el que se producen grietas de contraccin, las cuales pueden

reflejarse en las capas bituminosas superiores. Sin embargo, es posible controlar

considerablemente dicha contraccin mediante uso de cementos adecuados,

mezclas de cal, cemento y/o tcnicas de prefisuracin.

Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el nmero de

pruebas necesarias antes de pretender construir capas de suelo-cemento con

suelos de mediana alta plasticidad.

El tiempo para ejecutar el mezclado, conformacin y compactacin est

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 asfltico, tratamientos superficiales o

capas de rodadura de concreto hidrulico.

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Dosificacin del Cemento.

Si mediante el anlisis granulomtrico y la determinacin de los lmites de Atterberg se

ha procedido a la clasificacin del suelo de acuerdo a la H.R.B. (Highway Research

Board o Departamento de Investigacin Sobre Carreteras) se puede adoptar la

dosificacin de cemento de la siguiente tabla:

Tipos de Suelo Suelo Estabilizado Suelo-Cemento

A-1 y A-3 3-8 5-8

Lmite de A-3 y A-2 5-10 6-10

Lmite de A-2 y A-4 7-12 9-14

A-5 y A-6 8-15 No econmico

A-7 10-16

Existen dos formas o mtodos para estabilizar con cemento Prtland, una es la llamada

estabilizacin del tipo flexible, en el cual el porcentaje de cemento vara del 1 al 4%,

con esto solo se logra disminuir la plasticidad y el incremento en la resistencia resulta

muy bajo, las pruebas que se les efectan a este tipo de muestras son semejantes a las

que se hacen a los materiales estabilizados con cal.

Otra forma de mejorar el suelo con cemento, se conoce como estabilizacin rgida, en

ella el porcentaje de cemento vara del 6 al 14%, este tipo de mejoramiento es muy

comn en las bases, ya que resulta muy importante que stas y la carpeta presenten

un mdulo de elasticidad semejante, ya que con ello se evita una probable fractura

de la carpeta, ya que ambos trabajan en conjunto; para conocer el porcentaje

ptimo a emplear se efectan pruebas de laboratorio con diferentes contenidos de

cemento.

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Proceso

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Suelo-Cemento en la Actualidad.

Existen diversas razones que actualmente determinan un mayor uso del suelo-

cemento en la construccin de estructuras de pavimentos. Tanto consultores como

entidades encargadas de la administracin vial coinciden en que la demanda de un

transporte de calidad requiere una mayor durabilidad de los materiales, estructuras de

pavimentos y sub-rasantes. Para lograr la misma, es indispensable contar con

estructuras de pavimento con capas de elevada capacidad de soporte y resistentes a

los agentes atmosfricos.

Otra razn para usar suelo-cemento en carreteras es el aspecto de proteccin

del medio ambiente, el cual cada vez impone mayores limitaciones para la bsqueda

y explotacin de bancos de materiales, prctica por muchos aos 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 caractersticas que tiene el suelo-cemento, debido a su

relativamente elevado mdulo de elasticidad. Esto se traduce en ahorros de

materiales y aumento en los rendimientos de construccin. Debido a las mltiples

ventajas que tienen los suelos tratados con cemento, diversos pases 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 ltimos 10 aos, el 100% de nuevas vas urbanas e interurbanas

y pisos industriales tienen bases de suelo-cemento.

Conclusiones

1. La estabilizacin de suelos con cemento para mejorar sus caractersticas y

permitir su aprovechamiento es una tcnica moderna, econmica y sostenible.

2. La incorporacin de la misma a la normativa vigente y el gran nmero de

equipos de ltima generacin disponibles ha facilitado su desarrollo en todo el

territorio nacional, siendo actualmente una solucin ampliamente contrastada

por sus ventajas tcnicas, econmicas y medioambientales.

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Referencias

Prescripciones Tcnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes PG-3,

artculo 512: Suelos estabilizados in situ. O.C. 10/2002, de 30 de septiembre. Direccin General de Carreteras, Ministerio de Fomento.

Manual de estabilizacin de suelos con cemento o cal. ANCADE, ANTER, IECA.

Madrid, 2008.

Ponencias del 1er, 2 y 3er Simposio Internacional de Estabilizacin de

Explanadas y Reciclado de Firmes (Salamanca, 2001; Paris, 2005; Antigua

Guatemala, 2009).

Ponencias de IV a VIII Congresos Nacionales de Firmes. Junta de Castilla y Len,

AEC (Segovia,1998; Len, 2000 y 2004; vila, 2006 y Valladolid, 2008).