,INGENIERIA,DOCENCIAE

INVESTIGACIÓN

Estadodelarte Luz ELENASANTAELLAVALENCIAPH, D ,1

RODRlGO SALAMANCA CORREA2

delrelleno

bases

El artículo recoge una parte del estado del artedel proyecto de investigación "Diseño del

mortero fluido para remplazar la subbase y basegranular" patrocinado por la Universidad MilitarNueva Granada y Concretos PremezcIados S.A..Elgrupo de investigación esta conformado por lainvestigadora principal, la Ingeniera CivilLuzEle-na Santaella Valencia Ph.D egresada de la Univer-sidad Francisco de Paula Santander (Cúcuta) ydocente de medio tiempo de la UMNG.Coinves-tigador, Rodrigo Salamanca Correa, Ingeniero Ci-vil de la Universidad Nacional de Colombia ydirector de los laboratorios de la Universidad Mi-litar Nueva Granada. Coinvestigador, el IngenieroCivilHernán Pimentel, Jefe del Área Técnica de laempresa Concretos PremezcIados. Investigadora,Luz Yolanda Morales, Ingeniera Civil, egresadade la Universidad Militar Nueva Granada, quiense ha desempeñado como Jefe del Centro de In-vestigación de la Facultad de Ingeniería de laUMNG.También se encuentran dentro del grupoocho estudiantes de noveno y décimo semestredel programa de Ingeniería Civil.

fluidopara

subbasesy

granulares

(Primeraparte)

Rcvista Cicncia c Ingcnicría NcogranadinaISSN 0124-8170 No. 12 - julio dc 2002

(Págs. 9 -22)

Ing. Civil. Coordinadora de la línea de investigación en concreto.Facultad de Ingeniería. Universidad Militar Nueva Granada.

2 Ing. Civíl, Docentede la Facultad de Ingenieríay Director de laborato-ríos de la Facultad de Ingeniería, UniversídadMilitar NuevaGranada.

--

Luz ELENASANTAELLAV. & RODRIGOSALA.MANCAC.

RESUMEN

El artículo presenta una recopilación de in-formación actualizada sobre el tema de los Relle-nos Fluidos, normalmente conocidos en laliteratura técnica como 'materiales de baja densi-dad y de baja resistencia controladas'. Lafinalidadde tal información es sentar una conceptualizaciónbásica sobre el tema, de modo que sirva comopunto de partida para un proceso investigativoquese emprende conjuntamente entre la UniversidadMilitar"NuevaGranada"y Concretos Premezclados,S.A.. En este trabajo se pretende optimizar tantoel conocimiento como el diseño y el uso aplicadode tal material a las bases y sub-bases de pavimen-tos, bajo las condiciones de desarrollo tecnológi-co, y de disponibilidad específica de materialeslocales. En consecuencia, se presenta informaciónsobre: generalidades del tema; conceptos básicosy las aplicaciones del relleno fluido; los materialescomponentes; los criterios de dosificación;las pro-piedades tanto en estado fresco como endurecido;los conceptos de m-ezclado, transporte y coloca-ción del producto; criterios sobre el diseño estruc-tural del pavimento, y sobre la construcción de lospavimentos, utilizando bases en relleno fluido; elcontrol de calidad, y las ventajas y desventajas aso-ciadas a la aplicación propuesta.

Palabras clave: Materiales de baja resisten-cia controlada (CLSM),relleno fluido sin encoge(RFSE),mortero o relleno fluido, mortero fluido.

SUMMARY

,

II

The article presents an updated compile on'Fluid Fillers', better known in technical reportsas 'controlled low density and low strength ma-terials'. The purpose of the article is to build abasic conceptualisation as a starting point of aresearch process jointly managed by UniversidadMilitar "Nueva Granada" and Concretos Premez-cIados, S.A..It is the objective to optimise knowl-edge, design and application of material to baseand sub-base in pavements, under local conditionsof technical development and available row ma-terials. Consequently, information is given as fol-

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low: introduction; basic concepts and applicationsof fluid fillers; components; dosage criteria; prop-erties in fresh and hard status; mix, transport andplacing concepts; criteria on structural design ofpavement, and their construction using fluid filler;Quality Control; advantages and disadvantages ofproposed application.

Key Words: controlled low strength mate-rial (CLSM),backfilling, flowability, flowable fill.

INlRODUCOóN

Para la construcción de un pavimento rígi-do o flexible se utiliza el material granular para laconformación de la base y subbase, mientras queel concreto hidráulico o el asfalto constituyen lacapa de rodadura. El material granular de la baseo subbase puede presentar grandes deflexiones oincluso hundimientos superiores a 10cm. con elpaso de los vehículos, debido a factores, talescomo: la utilización de materiales inadecuados se-gún las especificaciones de las normas, unacompactación incorrecta por los grandes espeso-res de capas, equipos inadecuados y deficiente con-trol de calidad (28).

Cuando el material granular no cumple conlas especificaciones de la norma, se puede esta-bilizar con materiales químicos tales como: ce-mento, cal, cenizas volantes, asfalto, etc, ocompactando la arena y la grava con medios me-cánicos, hasta conseguir 100%del valor solicita-do, todo esto retrasa la construcción de la obraencareciendo su costo (28).En consecuencia, el re-lleno fluido es adecuado para reemplazar la basey subbase granular de un pavimento, aumentan-do su durabilidad y disminuyendo los costos deconstrucción y mantenimiento. Sin embargo, lasmezclas de relleno fluido no son aptas para re-sistir ciclos de hielo-deshielo, fuerzas abrasivaso ataques químicos (19.16).

Este material recibe otros nombres, talescomo: mortero o relleno fluido, suelos líquidos ofluidos, relleno fluido que no encoge (RFSE),mor-

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ESTADODELARTEDELRELLENOrunDO PARASUBBASESy BASESGRANULARES(PRIMERAPARTE)

tero O I)lateriales de densidad controlada, morte-ro o materiales de baja resistencia controlada(CLSM),etc. Lostérminos reseñadosanteriormen-te describen una familia de mezclas para una va-riedad de aplicaciones (191.A continuación, seexpondrán los conceptos básicos, aplicaciones,materiales utilizados, dosificación, manejo y pro-piedades de los rellenos fluidos.

1. Conceptos básicos y aplicacionesdel relleno fluido

Definición. El relleno fluido es un mortero

o concreto, más ligero que los de peso normal,de baja resistencia contJ1olada, que lo haceexcavable y una vez endurecido es capaz de so-portar cargas moderadas sin deformarse. De acuer-do con las características propias del relleno, sepuede clasificar en dos: relleno de baja resisten-cia controlada y relleno fluido de resistencia ydensidad controlada.

Rellenofluido de baja resistencia controlada(CLSM).Es un mortero o concreto de baja resisten-cia, de fácil nivelacióny autocompactante, que sepuede utilizar en aplicaciones tales como: soleraspara tuberías de todo tipo de conducciones o paraenvolver completamente la tubería de agua pota-ble, aguas residuales, gas, teléfono, energía eléctri-ca, etc. Sin embargo, el uso más común del rellenode baja resistencia es como relleno de zanjas, enreemplazo del suelo procedente de la propia exca-vación o de la utilización de materiales granularesde préstamo, colocándolo directamente del camióna lazanja,se acomoda alrededor de las tuberías brin-dando un soporte uniforme, sin necesidad de sercompactado ni vibrado, por lo tanto, las dimensio-nes de la excavaciónpueden ser mínimas. Despuésde 5 horas, se puede trabajar encimadel relleno flui-do, el cual puede alcanzaruna resistencia a la com-presión de 0.35 a 0.7 MPasimilara la capacidad desoporte del suelo de una zanja, permitiendo serreexcavadocon medios manuales.

Otra utilidad del relleno de baja resistenciaes para la subbase y la base de pavimentos, en

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tráfico ligero de vías urbanas, caso en el cual sevierte directamente entre los bordillos previamen-te colocados. Elespesor de la capa de relleno flui-do depende de la resistencia a la compresión delmaterial. Para un rango de resistencias a la com-presión entre 3 y 9 MPalos coeficientes estructu-rales(es una medida de la capacidadrelativadebases y subbases, como un componente estructu-ral de un pavimento flexible) pueden oscilar en-tre 0.16 y 0.28, superior al de las subbase y basesgranulares y similares a los suelos tratados concemento (18)'Además de estos usos, se puedenaplicar para: protección de taludes o cuencosamortiguadores de presas, control de erosión entaludes, canales y zonas costeras, inyección pararelleno de huecos bajo los pavimentos, aceras ylosas de transición en aproximaciones a puentes.

Rellenofluido de resistencia y densidad con-troladas. Si además de la baja resistencia del mor-tero o concreto se requiere baja densidad, (entre400 y 1700 kg/m3)esto se consigue añadiendo unaditivo inclusor de aire o agentes espumantes a lamezcla de cemento, árido yagua, obteniendo asílos rellenos fluidos de baja resistencia y densidadcontrolada. Cuando se adiciona el espumante almortero o concreto, es usualllamarlos concretos omorteros espumados o celulares.

El aire incluido en la mezcla produce unagran cantidad de burbujas con diámetros que vande 20 a 200 micras. Mientras que en las mezclascon aditivos espumantes, 75% de las burbujastienen diámetros entre 0.3 y 1.5mm., por lo tan-to, la estructura y el material endurecido pre-sentan características diferentes, según el aditivoutilizado.

En el relleno de baja resistencia y densidadcontrolada no es aconsejable utilizar áridos grue-sos, por su tendencia a presentar segregación,aunque es posible utilizar áridos ligeros de den-sidad similar al material endurecido. Estos relle-nos se pueden utilizar en todas las aplicacionesanteriores y en otras específicas para reducir elpeso propio de una estructura o en:

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Luz ELENA SANTAElLAV. & RODRIGOSAL'.MANCA C.

· Azoteas para la formación de pendientes y encubiertas como capa aislante.

· Enestructurassubterráneasde pocaprofundidad.

· Tableros de puen~es, para rellenar las zanjasdonde se alojan las tuberías de servicios.

· Pararellenar los espacios detrás de los murosde contención y de los estribos en puentes.

Como este trabajo está enfocado a la utili-zación del relleno fluido para bases y subbases,se tendrán en cuenta los materiales, dosificacionesy las propiedades más importantes para el relle-no fluido de baja resistencia controlada, que es elmás apropiado en este caso.

2. Materiales para relleno fluido de bajaresistencia controlada.

Los materiales más utilizados en las mez-clas de relleno fluido de baja resistencia controla-da son: el cemento portland con o sin adiciones,agua, aditivo espumante o inclusor de aire, agre-gados finos, y cuando se requiera mayor resisten-cia o alta densidad se utilizan agregados gruesos

(IS)' Paraseleccionarlos materialessedebeconsi-derar la disponibilidad, los costos, la aplicación ylascaracterísticasde fluidez, resistencia,densidad,excavabilidad, contenido de aire, etc. (4.19).

Cemento. Esel material que suministra co-hesión y resistencia a la mezcla, siendo utilizadoel cemento con o sin adiciones tipo I y 11especifi-cado en la norma NTC 121(4.19.23).También se uti-lizan los cementOsportland Tipo IV y V,siempre ycuando los resultados sean aceptables. El conte-nido de cemento en un metro cúbico de rellenofluido varía entre 60 y 200 kg, dependiendo delas resistencias requeridas (32.4).

Agua. Debe ser clara y limpia, libre de sus-tancias perjudiciales para el relleno fluido comoaceites, ácidos, álcalis, sales, materia orgánica,etc., es decir, los requerimientos exigidos para elagua que se utiliza en los concretos según la nor-ma NTC3459 son los mismos que para los morte-

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ros de relleno fluido (23).El contenido de agua enun metro cúbico de mezcla de relleno fluido pue-de estar entre 140 y 350 (31).En las mezclas deCLSMcon adiciones de cenizas o con altos conte-nidos de finos, la cantidad de agua aumenta has-ta 620 litros para alcanzar una buena fluidez. Esterango tan amplio se debe principalmente a lascaracterísticas de los materiales usadosen la mez-

cla de CLSMy el grado de fluidez deseado (41.

Cenizas volantes. Proceden de la combus-tión del carbón pulverizado en las centrales térmi-cas y se utilizan las clases F (proceden de lacombustión de antracitas y carbones bituminosos)o C (proceden de la combustión de lignitos y car-bones subbituminosos) en mayor o menor propor-ción, con el fin de mejorar la fluidez, incrementarla resistencia a largo plazo y reducir: la densidad,la exudación, la retracción y la permeabilidad delas mezclas(19,32).El uso de las cenizas no es nece-sario cuando la resistencia del mortero está entre

0.5 y 1.5 MPa (32).La cantidad de ceniza volantepuede estar entre Oy 120 kg/m3(31),

Aditivos químicos. El más utilizado es elinclusor de aire para aumentar la fluidez y reducirtanto la densidad como la resistencia de la mez-

cla. También se mejoran las propiedades aislantes,como por ejemplo en cubiertas, y se disminuye elcontenido de agua en 50%(lS).Cuando la mezclase diseña con suficiente cantidad de finos los con-

tenidos de aire pueden estar entre 15 y 20%para

aumentarla cohesióny evitar la segregaciónt19)'También ~e usan los aditivos espumantes en lasmezclas de los rellenos fluidos para producir den-sidades menores de 1000 kg/m3, en casos dondese necesita un alto aislamiento (13.311.Los aditivosacelerantes y reductores de agua se usan en mez-clas con bajos contenidos de finos, para acelerarel fraguadoy disminuir el asentamiento(lS.19I,

Agregados. Los más adecuados son los quecumplen con las normas NTC 174. Los materialesgranularesde excavaciónhan mostrado variabilidaden laspropiedadesfisicasde la mezcla.Mientrasquelos sueloscon finos de arcilla, demandanmayor can-

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ESTADODELARIT DELREUINO AlJlDO PARASUBBASESy BASESGRANUlARES(PRIMERAPARTE)

tidad de agua,contraccióny resistenciavariabley lamezcla es pegajosa (19).La cantidad de arena oscilaentre los 1400 y 1800 kg/m3 (32,.Cuando se quierenobtener resistencias superiores a 3 MPa, se utilizauna proporción de agregado grueso con respecto al

fino de 1 a 1.4,y siendo el contenido total del agre-gado del orden de 1400-2100 kg/m3 (32,18).Lasgranulometrías de los agregados para rellenos flui-dos que se proponen en el proyecto de norma (23),deben cumplir los requisitos de las Tablas 1 y 2.

Tabla 1. Granulometrías para los agregados utilizados en los rellenos fluidos (23)

(1) Verificar que los finos proceden de la trituración.

Tabla 2. Requisitos que deben cumplir los agregados (23)

Cualquier material que se vaya a utilizar esnecesario ensayarlo antes de su uso para deter-minar su aceptabilidad en las mezclas de rellenofluido. Entre los materiales disponibles que sepueden utilizar y son más económicos, están: ce-nizasvolantes con contenidos de carbón hasta de22%,arena procedente de los procesos de fundi-ción, concreto reciclado, etc. (19).

3. Dosificación de la mezcla

Actualmenteno existe un método específi-co de dosificación para el relleno fluido de baja

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L ..

resistencia cóntrolada (RFBRC);los métodos quese utilizan para morteros y concretos corrientesno son apropiados, por lo tanto, es habitual pro-ceder por tanteos hasta conseguir las propieda-des deseadas.En algunos trabajos se ha utilizadoel método de "Selección de las proporciones paraconcreto normal en peso y masa, (ACl 211)" y seha afirmado que es fiable su uso (4).El diseño dela mezcla varía según los requerimientos de cadaobra, tal como se puede observar en algunos ejem-plos de dosificaciones utilizadas en varias obras(18),realizadas en países como Canadá, EstadosUnidos y México, con diferentes alternativas de

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TAMIZ ARENAPARACONCRETO ARENAPARAMORTEROPulg(mm.) Natural triturado Natural Triturado

Yz" = 12.5 - - - -3/8" = 9.5 100 100 - -W4 = 4.75 95-100 95-100 100 100W8 = 2.36 80-100 80-100 95-100 95-100N°16 = 1.18 50-85 50-85 70-100 70-100N°30 = 0.589 25-60 25-60 40-75 40-75N°50 = 0.297 10-30 10-30 10-35 20-40W 100= 0.149 2-10 2-10 2-15 10-25N°200 = 0.074 0-5 0-7 0-5 0-10 f11

REQUISITOS VALORMÁXIMO PERMITIDO

Módulo de finura 1.7

Absorción (%) 2.5Material pasa noo (%) 7

Materia orgánica Escala de color 3Partículas deleznables /%) 1Reactividad potencial a los álcalis del cemento. Ver NTC174y ASTMC289

-Luz ELENA SANTAEu.AV. & RODRIGOSAWMNCA C.

Tabla 3. Dosificacíonesde RFSEutilizadas en cuatro proyectos(/31.CANTIDADESDhLOSMATERIALES

Caso2 Caso3 Caso4120 60 60

1540 1420 1400145 175 175115 115 11520 30 30

8 - -

aplicación como se puede observar en algunosde los proyectos que se exponen a continuación:

Caso 1. En Toronto Canadá, el contratistaELESDONreal!zó un relleno en el paso subterrá-neo Spadina, debajo de la autopista Halen, queera importante reabrir al tráfico en el menor tiem-po posible. La excavación se hizo a más de 15metros con un volumen total de 7.700 m3de re-lleno. Para reducir el tiempo de construcción seutilizó el "relleno fluido que no encoge" (RFSE),con la dosificación que aparece en la Tabla 3 (13).

Caso 2. Se disponía de .cuatro horas pararellenar una zanja en una calle de alto tráfico enSan Francisco (California).El relleno fluido que noencoge cuya dosificación aparece en la Tabla3, secolocó a una profundidad de 1.5 m por encima dela tubería, después de treinta minutos se colocoel geotextil y encima de este, una capa de concre-to de 30 cm., que al fraguar lo suficiente, permi-tió abrir la calle al tráfico a las cuatro horasestipuladas (13).

Caso 3. En las Vegas, se realizó el rellenode una zanja en la cual se colocó una tubería dePVCde 20 cm. de diámetro, para proteger unoscables eléctricos que se encontraban dentro deesta. Se utilizó el relleno fluido que no encoge,con un contenido de aire en la mezcla de 30%yuna densidad de 1600 kg/m3,con el fin de mante-ner los tubos sumergidos hasta conseguir el fra-guado inicial; la dosificación utilizada se puedeapreciar en la Tabla 3 (13).

MATERIALES

Cemento (Kg)Arena (Kg)Agua (Its)Darafil (mI)

Contenido de airej9&Acelerante /Its)

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Caso 4. En el sótano del edificio de correosen Boston se quitó un tanque oxidado de combus-tible. Se extrajeron 615m3 de tierra contaminadaque se reemplazaron con relleno fluido que noencoge (RFSE),que permitió la autonivelación y laapertura del correo en corto tiempo; la dosifica-ción utilizada se puede apreciar en la Tabla3 (13).

La masa total de la mezcla se calcula comola suma de las masas de los componentes. Launi-dad de medida que se utiliza en las plantas demezclado para la venta es el metro cúbico de lamezcla de relleno fluido fresco (23).

4. Propiedades del relleno fluido

Las propiedades más importantes en lasmezclas de relleno fluido de baja resistencia con-trolada, para bases y subbases de pavimentos son:gran capacidad de soporte estructural, estabilidadde volumen, gran facilidad de colocación y mane-jo, no se erosiona en presencia de agua (20).

Las propiedades de una mezcla de relle-no fluido de baja resistencia controlada (RFBRC)es un híbrido entre un suelo y un concreto, porque se fabrica con los materiales usados en elconcreto y se coloca de igual manera, pero enservicio sus propiedades se parecen él la de lossuelos de calidad controlada. No obstante, losmateriales y su dosificación afectan las propie-dades de la mezcla de RFBRC,por lo cual, exis-te un gran rango de valores para los parámetrosque lo caracterizan (19).

Caso125

136514011528

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IS 4.1 Propiedades en estado fresco sistencia fluida superior a 200mm. y con un tamañomáximo de árido de 6.35mm.. El tiempo recomen-dado en este método es de 30:!::5 segundos (19.23).

El ensayo de flujo modificado se determinaen las mezclas fluidas con predominio de arenasmenores a 19mm. (3/4"), cuando el tamaño de laarena es superior a 19mm., el ensayo se realizacon el pasante del tamiz de 19mm. y se utiliza uncilindro recto de hierro, plástico u otro material noabsorbente, abierto en los extremos, cuyas dimen-siones son: 7.62cm. de diámetro y una altura de15.24cm.. Se mide el diámetro del material espar-cido, que para los CLSMfluidos, el promedio deldiámetro de la torta típica es de 20 a 30cm. (8.19).

Elensayo propuesto por el Cuerpo de Inge-nieros de los E.U.en la norma CRD-C611-80"Mé-todo de ensayo para flujo de grout", se utilizapara mezclas fluidas con agregados inferiores a6.35 mm. y el tiempo recomendado en este mé-todo es de 12 s (19).

Tiempo de fraguado. Es el tiempo necesariopara que el relleno fluido cambie del estado plásti-co al endurecido hasta obtener la resistencia parasoportar el peso de una persona. El tiempo de fra-guadodependedel tipo y calidaddel cemento,do-sificaciónyfluidezdel relleno, temperatura ambientey de la mezcla, la humedad y el espesor del relleno.En condiciones normales, el paso de personal ymáquinas se puede realizar de 3 a 5 horas, y parapoder soportar el tráfico normal se requiere de 24 a36 horas (32):para su determinación se realiza el en-sayo de penetración, según la norma NTC890 que asu vez nos proporciona la capacioad de soporte delrelleno fluido, siendo la más adecuada una penetra-ción entre 500 y 1500 (19).

Contenido de aire. Los contenidos de airesuperiores a 20% disminuyen significativamentela resistencia a la compresión y facilitan lareexcavación de los rellenos (13).

Segregación. Las mezclas de alta fluidezobtenidas con altos contenidos de agua, pueden

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;-aoa1-

Entre ellas se discutirán la consistencia ofluidez, el tiempo de fraguado, el contenido deaire, la segregacióny contracción.

)

Consistencia o fluidez. Permite que el relle-no fluya, se autocompacte y autonivele, sin re-querir la ur"ilizaciónde equipos como sucede conlos materiales granulares que se colocan por ca-pas y se compactan mecánicamente. Por lo tanto,laconsistencia del relleno fluido puede variar des-de plástica hasta fluida, el relleno de consistenciaplástica cuyo rango de asentamiento recomenda-do está entre 15 y 20 cm.. en el cono de Abrams(191,se coloca en las subbases y bases del pavi-mento que requieren pendientes cercanas a 2%para el manejo del agua en la superficie del pavi-mento, y el relleno de consistencia fluida que esautonivelante, el rango de asentamiento es supe-rior a 20 cm. en el cono de Abrams y se aplica enzanjas (19.20).

Sin embargo, se debe considerar que unrellenomuy fluido ejerce una presión hidrostática;para evitarla, es mejor colocarlo en capas que sedejanendurecer antes de colocar la siguiente. Exis-ten diferentes métodos para determinar la con-sistenciao fluidezde los RFBRC,que son: el conode Abrams, el cono de flujo y el ensayo del flujomodificado (19).

El ensayo con el cono de Abrams se utilizade acuerdo con lo especificado en la norma NTC396 "Asentamiento de concreto de cementoportland", cuando la consistencia esperada esmenor de 200mm. y se enmarca dentro de lossiguientes intervalos (19.18):

· Baja fluidez = 15 cm. o menos

· Fluidez normal = entre 15 y 20 cm. .· Alta fluidez = superior a 20 cm.

El ensayo con el cono de flujo según la nor-ma ASTMC939 "Flujo de grout para concreto conagregadosprecolados",se utilizaen mezclasde con-

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--Luz ELENASOOAEUAV. & RODRIGaSALAMANCAC.

provocar la separación de los componentes; paraevitarlo es necesario realizar una adecuada dosi-ficación, utilizando materiales finos tales comocenizas volantes o limas hasta un 20%del totalde los agregados, para que suministren cohesión.También se pueden emplear conglomerantes congran contenido de cenizas volantes (18,19).Se de-ben evitar los finos plásticos que incrementan laretracción de la mezcla (19).

Contracción. Se presenta un cambio de vo-lumen por la evaporación del agua, debido a latemperatura o a la acción del viento, y a la pérdi-da del agua que es absorbida por el terreno adya-cente o es exudada a la superficie, durante elproceso de endurecimiento de la mezcla. El valortípico de contracción en mezclas con altos conte-nidos de agua, está entre 3.1 y 6.35 mm. por cada30 cm. de profundidad (19,18).

4.2 Propiedades en estado endurecido

Entre ellas se verán la resistencia, módulode rotura, módulo de elasticidad, módulo diná-mico, valor relativo de soporte, contracción, re-tracción, aislamiento térmico, excavabilidad,permeabilidad y densidad.

Resistencia. Para determinar la capacidadque tiene el relleno fluido de distribuir cargas,serealiza el ensayo de resistencia a compresión, lacual debe estar entre 20 y 85 kg/cm2para subbasey bases de pavimentos (19).Según González (16)yAlonso (3),la resistencia a la compresión de unasubbase debe estar entre 7 y 14 kg/cm2 con unvalor relativo de soporte (VRS)igual o superior a50%y la resistencia de las basesestá entre 15y 25kg/cm2con un valor relativo de soporte (VRS)igualo superior a 80%(28).Se permite el uso de un relle-no fluido de 85 kg/cm2en aquellos sitios dondese presume que no se hará una excavaciónfutura,como puede ser el caso de un relleno estructuralbajo excavaciones(16).En los RFBRCse debe con-trolar que la resistencia a largo plazo no alcanceun valor alto, para que pueda ser reexcavadopos-teriormente en caso necesario (18).

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En los suelos granulares,una resistencia de50 kg/cm2es elevada,ya que la capacidadportantede un suelo granular bien compactadotiene una re-sistenciaa la compresión de 6 a 8 kgtcm2,mientrasque un relleno fluido su resistenciaa la compresiónmáxima especificadaes de 85 kgtcm2.La resistenciadel relleno también afectaa los coeficientesestructu-rales (capacidadrelativa de basesy subbases)queoscilan entre 0.16 y 0.28 para una resistencia a lacompresión desde 28-84 kgtcm2(19,20).

Enconsecuencia,la resistenciadel relleno flui-do puede ser igual o superior a la del materialgranular compactado de la subbase y base de unpavimento. El relleno fluido con una resistenciamenor o igual a la del material granular que se de-seacambiar,se puede colocar en aquellos casosenque se deban mantener los espesoresde diseño,yun relleno fluido de mayor resistenciaa la del mate-rial granular que se va cambiar,se colocaen el casoque se requiera disminuir los espesoresde excava-ción. Parael cálculo del espesorde una placade re-lleno fluido se deben considerar: las cargas detránsito,CBR,nivel freático, la resistencia,etc. (201.

Una capacidad de soporte de 0.5 Mpa essimilar a la de un relleno de tierra con una capaci-dad de resistencia de aproximadamente 70 kg/cm2.En clima caliente, el tiempo para soportar el pesode una persona es de 5 a 8 horas y para soportarlas cargas del tráfico es de 24 a 36 horas (13).

El valor de la resistencia a la compresión ala edad estipulada debe ser el resultado del pro-medio de por lo menos.dos cilindros normaliza-dos. La elaboración, curado y rotura de loscilindros se debe hacer conforme con la normaNTC673, pero reduciendo la velocidad de cargade la prensa a 0.6 KN/seg(231.

Módulo de rotura (Mr). En el caso de la re-sistencia a la flexión del relleno fluido, se ha en-contrado que los valores pueden variar entre 10Y20%de la resistencia a la compresión. El valor delmódulo de rotura para el relleno fluido, se puedeestimarcon la siguiente ecuación(14):

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ESTADODELARTEDELRELLENOFWIDO PARASUBBASESy BASESGRANULARES(PRIMERAPARTE)

Mr= 0.14*(/e)Donde:

/e = Resistencia a la compresión del relleno fluido (kg/cm2)

Módulo de elasticidad (Me). Según González

(16) los valores del módulo de elasticidad parasubbases y bases en relleno fluido se encuentranentre 16000 y 67000 kg/cm2,se miden en cilin-dros de 15 cm. de diámetro y 30 cm. de altura yse puede aproximar mediante la siguiente expre-sión, que es válida para determinar 'el módulo deelasticidad de rellenos fluidos con densidadesentre 1750 y 1950 kg/m3(14):

I ,Me = 10235-, f e

Donde:

/e = Resistenciaa lacompresióndel rellenofluido (kg/cm2)

Módulo dinámico (E). Según González (16)

los valores del módulo dinámico para subbases ybases en relleno fluido se determinan conformecon la norma ASTMC469, pero debido a la com-plejidad del equipo pocas veces se realiza, por locual son más utilizadas las correlaciones basadasen la resistencia a la compresión y tracción que secalculacon las siguientes ecuaciones:

E = 57000~ /e para esfuerzos de compresión

E = 6670*(MR) para esfuerzos de tracción

Donde:

/e = Resistenciaa la compresión del relleno fluido (psi)

MR= Módulo de rotura (psi)

Valorrelativode soporte (VRS)o CBR.Estevalor es superior a 100%a los siete días (según elcontenido de cemento) de haber colocado el re-lleno fluido 116).Pero según González (16)el valorrelativode soporte (VRS)de una subbase debe serigualo superior a 50%yla de la base igualo supe-rior a 80%,dependiendo de las condiciones deltránsito 1281.La correlación entre el valor relativode soporte y la resistencia a la compresión del

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relleno fluido, se puede calcular mediante la ex-presión 114):

VRS = 2.377 */e + 30.25Donde:

f'e =Resistenciaa lacompresióndel rellenofluido(kg/cm2)

Contracción. Al contrario que en los relle-nos granulares compactados, se ha comprobadoque el relleno fluido no presenta asentamientouna vez se ha endurecido (19). El encogimiento tí-pico del relleno fluido está entre 0.022 y 0.05%,por lo tanto, no afecta su comportamiento (19,18).

Aislamiento térmico. En este caso se fabri-ca una mezcla con baja densidad y alta porosi-dad, para lo cual es apropiado utilizar agregadoslivianos y un aditivo espumante, con el fin de uti-lizarlos para la formación de pendientes en cu-bierta y en los rellenos que rodean cables deenergía eléctrica (19,18).

Excavabilidad. Esta posibilidad se debe con-siderar en los proyectos, pensando en futurasreparaciones o renovaciones de servicios (conduc-ciones de agua, gas, electricidad, cables de fibraóptica, etc.), teniendo en cuenta que un rellenofluido con una resistencia a la compresión de 3.5kg/cm2o menos se puede excavar manualmente,y con una resistencias a la compresión de hasta14 kg/cm2es necesario utilizar para su excavaciónuna retroexcavadora, martillos neumáticos o hi-dráulicos. Las mezclas de rellenos fluidos de ba-jas resistencias con altos contenidos de áridosgruesos son dificiles de excavar'a mano (19,18,13),

Permeabilidad. La del relleno fluido es pa-recida a la de los materiales granulares biencompactados cuyos valores se encuentran entre10-4Y 1O-scm/sg y los de mayor resistencia y con-tenidos más altos de finos se obtienenpermeabilidad es bajas de 10.7cm/sg. Lapermeabi-lidad aumenta a medida que se reduce el conteni-do de cemento y se aumenta el contenido deagregados que pasan por el tamiz de 80 J.1m(19),

17

r -Luz ELENA SANTAELLAV. & RODRIGa SALAMANCAC.

Densidad. Se determina "in situ" con eldensímetro nuclear, cuyos valores se encuentranentre 1800 a 2350 kg/m3que es superior a la ma-yoría de los materiales granulares bien compac-tados (18.19.31).Con un contenido de aire de 15 a30%, se producen densidades húmedas de 1550a 1950 kg/m3 cuyo valor en concretos normaleses de 2300 a 2500 kg/m3, siendo muy apto apli-carlo en 'zanjas (13.22).Cuando se utilizan agrega-dos ligeros, cemento yagua las densidades estánentre 1441 y 1602 kg/m3(19).

5. Mezclado, transporte y colocación

Para el procedimiento de mezclado, trans-porte y colocación de las mezclas de relleno flui-do de baja resistencia controlada, por lo generalse tiene en cuenta el método establecido en la

norma ACI304. Sin embargo, existen otr.os méto-dos que se han utilizado con resultados acepta-bles, en los cuales se tiene en cuenta que el rellenosea uniforme, consistente y que cumpla con lascaracterísticas esperadas del proyecto (4).

Mezclado. Se puede realizar en centrales demezclado, plantas de concreto y en camionesmezcladores de concreto. Se debe seguir la mis-ma secuencia y procedimiento de cargue de losmateriales en todas las bachadas, para asegurarla calidad y uniformidad del relleno fluido, tenien-do en cuenta los siguientes pasos (23,4):

1. Añadir de 70 a 80%del agua requerida.

2. Añadir 50%de los agregados finos.

3. Añadir toda la cantidad de cemento y ceni-za volante requerida.

4. Añadir la cantidad restante de los agrega-dos finos.

5. Añadir la cantidad restante de agua.

Se debe verificar con antelación el tiempode mezclado para asegurar la calidad y uniformi-dad del relleno fluido (23).Es fundamental realizarun buen amasado de la mezcla por un tiempomínimo de cinco (5) minutos para conseguir la

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dispersión del aditivo aireante y lograr la fluidezy estabilidad del material (32).

Transporte. Se realiza con camionesmezcladoresy/oagitadores.El CLSMrequierequela mezcla se agite cOlTstantemente con el fin deque los componentes sólidos permanezcan ensuspensión, durante el transporte y en el tiempode espera para la descarga. Para distancias cortasy cantidades inferiores a 0.5m3,el CLSMse hatransportado en equipos sin agitación como ca-miones de volteo (23.18)a pesar de que los camio-nes de mezclado suministran un efecto a la mezcla

Colocación. Se puede realizar de forma si-milar a la de los morteros y concretos corrientes,con los equipos disponibles en las obras, es decir,vertido directo por la canaleta de la mixer,utiliza-ción de baldes, cintas o incluso con bombeo abaja presión o con bombas rotativas (32).

6. Diseño estructural del pavimento

Los proyectos de pavimentos se han dise-ñado con el método de la AASHTO-93,reempla-zando la subbase granular por un material cuyomódulo resiliente es de 1.000.000 Ib/pulg2paraconseguir un resultado aproximado a la estructu-ra requerida. Pero el método AASHTO-93no tie-ne en cuenta para sus estructuras analizadas unmaterial similar al relleno fluido, por ser un mé-todo empírico (16).

En Colombia se ha utilizado el programaDEPAVde la Universidad del Cauca, cuyo procedi-miento de diseño se basa en los principios de lamecánica racional de los materiales y la presenciade varias capas (16). .

El ayuntamientode Guadalajarasacó a con-curso en 1998 la pavimentación de varias calles,cuya estructura estaba compuesta por una carpe-ta de 10cm. de espesor de concreto hidráulico Mr= 50 kg/cm2,sobre una base de 10cm. de espesorde relleno fluido de F'c= 25 kg/cm2. Cemex deMéxico realizó la obra, para la cual determinó elnúmero estructural del pavimento original y eldefinitivo, teniendo en cuenta los datos que apa-recen en la Tabla4 (3).

REVISTACIENCIAE INGENIERíANEOGRANADINANo./2 -JULIO2002

colocó el relleno fluido y curando con agua, porlo menos dos veces al día, hasta que se colocarala capa de rodadura (3).

Cuando la capa de rodadura se construyeen concreto hidráulico, previamente se debe sa-turar con agua la base de relleno fluido para pre-venir la pérdida de agua del concreto hidráulico yevitar el fisuramiento plástico. También se debeasegurar la adherencia entre estas capas median-te la limpieza de las partículas sueltas y polvo dela superficie del relleno, previo a la colocación dela capa de rodadura. Se recomienda colocar rápi-damente la capa de rodadura para proteger el re-lleno fluido del medio ambiente y del tránsito depersonas y vehículos (3).

Por lo tanto, para evitar la erosión del relle-no fluido durante el tiempo que permanezca des-cubierto, se debe tener en cuenta lo siguiente:cerrar los poros del relleno extendido con una lIa-na de aluminio o magnesio hasta obtener una

FACULTADDE INGENIERíA- UNIVERSIDADMILITAR "NUEVA GRANADA"

El relleno fluido, por ser un material congran cantidad de propiedades y usos, requiere uncontrol de calidad de acuerdo con la importanciade la obra, nivel de calidad deseada y de la expe-riencia que se tenga con el material, para verificarel ajuste de la mezcla con las especificaciones orequisitos.

Para el control de calidad, es necesario rea-lizar los procesos de muestreo, ensayos de con-trol, elaboración y curado de' las muestras. Elproceso de muestreo lo debe realizar un tomadorde muestras, avalado por una entidad certificada;de igual manera, el laboratorio que efectué losensayos debe tener la capacidad de asegurar lacalidad y confiabilidad de los resultados de losensayos, y debe estar certificado por la Super-intendencia de Industria y Comercio (23).

Los proyectos de relleno fluido se realizanmediante un diseño de mezclas, empleando las

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j

ESTADODELARTEDELRElliNOR.UIDOPARASUBBASESy BASESGRANULARES(PRIMERAPARTE)

Tabla4. Estructurapropuestapara lospavimentoscompuestos(31.

Número Coeficiente capa a(i) Coeficiente de drenaje Espesorde capa (t) a(WCd8tcapas (Cd)

Estructuraoriginal propuesta] 0.50 1.00 2.95 1.482 0.31 1.00 1.97 0.613 0.10 0.95 5.91 0.5.6

Númeroestructural (SN)= 2,65Estructurafinal1 0.50 1.00 3.94 1.972 0.22 1.00 3.94 0.87

Númeroestructural (SN)= 2,84

-Luz ELENASANTAELLAV. & RODRIGOSALAMANCAC.

materias primas existentes, las cuales para serevaluadas en estado fresco y endurecido, el pro-ductor y el cliente definen el programa de ensa-yos y establecen los parámetros, condiciones yrangos de aceptación 119,23).

Posteriormente, la verificación en campose puede realizar visualmente o mediante la rea-lización de ensayos, siendo los más comunespara controlar la calidad del relleno fluido fres-co la consistencia, la temperatura, la masa uni-taria, el contenido de aire, la elaboración y elcurado de los cilindros. En ob'ra, los cilindrosse deben realizar aleatoriamente cada 40 me-tros cÚbicos de relleno fluido y mínimo una vezal día. El control de calidad, en estado endure-cido se realiza mediante la resistencia, que debeser el promedio de por lo menos dos cilindrosnormalizados y representativos de una mismamezcla. El ensayo no se tiene en cuenta cuan-do la diferencia de los resultados de los cilin-dros de una misma muestra, ensayados a unamisma edad, con los mismos procedimientos,equipos y operarios, supere 10%de la resisten-cia media de la muestra (19,231.

La variación de una bachada se determinapara cada propiedad como la diferenciaentre el va-lor más alto y más bajo, obtenidos de las diferentes

En el transporte de las muestras de ensayohacia el laboratorio o sitio de ensayo, se debeevitar el deterioro o alteración de las muestrasdebido a golpes, vibraciones, pérdida de hume.dad u otro agente que altere los resultados deensayo (23),

9. Ventajas y desventajas del relleno fluidocomo base y subbase del pavimento

Debido a la facilidad y rapidez de coloca-ción del relleno fluido fresco y a las resistenciassuperiores del material endurecido con respectola los rellenos granulares, se ha podido disminuirl!las dimensionesde las subbasesy bases parapa-

Ivimentos, disminuyendo la profundidad de exca-vación de las mismas, permitiendo que sulutilización disminuya los costos y tiempos de eje'lcución de la obra 114),

El Instituto de Desarrollo Urbano (IDU)delBogotá está implementando actualmente el uSOIdel relleno fluido en reemplazo de la subbase Y'

I

'base granular de los pavimentos, debido a laslventajas que este ofrece, tales como:

Gran capacidad de soporte estructural. Esmayor que los rellenos granulares, garantizandol

un soporte estructural superior a 100%, a los 7ildías de fundido 116).También es menos. permeable¡y tiene mayor resistencia a la erosión (31),

Excavable. Propiedad que depende de lalresistencia a la compresión de la mezcla de relle'l

niformidaddelrellenofluido (23).I

MÁXIMA DIFERENCIA PERMITIDAENSAYO

Consistencia por el cono de Abrams +/- 38 mm.Consistencia por cilindro de flujo 30 +/- 5 sDensidad en estado fresco, Kg/m3 16Contenido de aire, método de presión, % 2

Resistencia promedio a 7 días, % 7,5.

20 REVISTA CIENCIA E INGENIERíA NEOGRANADINA No.12 - JULIO 2002;

ESTADODELARTEDELREllENO FLUIDOPARASUBBASESy BASESGRANULARES(PRIMERAPARTE)

no fluido, que se puede excavar utilizando herra-mientasmanuales como picos o equipos mecáni-cos (taladros, retroexcavadoras, etc.).

Dispo~ibilidad. Lo fabrica cualquier plantade concreto con materiales locales; el volumenrequerido se transporta hasta la obra en camio-nes mezcladores y/o agitadores, eliminando elacopio de material en las vías que permiten lacirculacióndel tráfico y peatones (32).

Puesta en obra. Se puede colocar concanaletas, rampas, bandas transportadoras, bom-bas o baldes, no requiere vibración ni compac-tación; esto se traduce en rapidez, con grandesahorros en mano de obra y eliminación de losequipo de extendido y compactación (32,19).

Apertura rápida al tráfico. Por la rapidez enla colocacióny capacidad de endurecer, se puedeaceptar el tráfico normal, 36 horas después.

Menos controles. Se requieren menos en-sayos para comprobar la idoneidad del material,sobre todo cuando este presenta modificacionesen la obra (19,32).

Homogeneidad de la mezcla: Se obtienedebido al proceso de fabricación industrial y alos métodos de ensayos que evalúan su calidade idoneidad (19,32).

La desventaja que presenta el relleno flui-do es de tipo económico, ocasionado por el costode los materiales, pero que se podría equipararcon la subbase y base granular si las estimacio-nespresupuestales consideraran el mantenimientoque se hace al pavimento mal ejecutado y la re-duccióndel espesor de las capas de subbase y base119,32).Otra desventaja que presenta, es la falta dedisponibilidad en las plantas de concreto del re-llenofluido para utilizarloen horas nocturnasydías festivos, debido a los horarios de trabajo deestas plantas.

FACULTADDE INGENIERíA-UNIVERSIDADMILITAR "NUEVA GRANADA"

CONCLUSIONES

Larevisión del tema de los rellenos fluidos,los alcances de su utilización, la experimentaciónmuy variada que sobre ellos se ha efectuado enmuy diversos países, y la base documental y bi-bliográfica que se presenta, sirven para definir unplan del trabajo de investigación, haciendo énfa-sis en algunos aspectos, así:

· La necesidad de realizar ensayos, cuyos resul-tados prácticos sean aplicables en todo a lascondiciones reales de uso en Colombia; prácti-cos, en cuanto se diseñen y evalúen con losmateriales locales,y prácticos también desdeel punto de vista comercial, y a costos razona-bles, para su implementación por parte de laconcretera involucrada en la investigación.

· Los resultados esperados después de realizarvarios proyectos de investigación relacionadoscon el relleno fluido, son: 1) definir una meto-dología para el diseño de las mezclas de relle-no fluido con propiedades similares a unasubbase o base granular de un pavimento rígi-do o flexible, 2) implementar una serie deensayos, que por ser frecuentes en otros mate-riales, tienen normativa y procedimientos muyextendidos, pero sin desconocer las particula-ridades inherentes a este nuevo material, queapenas se desarrolla.

· Se prevé, de acuerdo con la literatura revisa-da, y con los antecedentes encontrados, quela utilización del relleno fluido puede ser muyamplia, y técnicamente muy competitiva, parausarse en reemplazo de las bases y subbasesgranulares de pavimentos.

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