ESTABILIZACION l
D
C O N
E
S
C E M E N T O
0. COMENTARIOS PRELIMINARES
E N el presente trabajo, se pretende dar al no iniciado una idea resumida de las aplicaciones del cemento Portland a la estabilización de suelos. No se pretende que este trabajo, por sí solo, baste para empezar a construir o a estabilizar suelos con cemento Portland. criterio que se siguió fue más bien el de orientar proporcionando las fuentes más significativas de información. Al mismo tiempo, se cree que servirá como una introducción adecuada a aquel que esté interesado en hacer aplicaciones de suelo-ce-
mento. Se debe mencionar aquí, que la organización y partes del presente resumen son esencialmente del trabajo de Johnson (Ref. 1). El que desee familiarizarse y profundizar en el tema,, por lo menos en los aspectos
básicos que se encuentran ya en la literatura, deberá leer y estudiar atentamente las Refs. l-4. La primera de ellas es el mejor resumen y el más significativo de lo que se conoce sobre suelo-cemento hasta la fecha, hecho por Johnson del Highway Research Board. Las Refs. 2 y 3 son los excelentes manuales sobre laboratorio y construcción
U
E
L
O
S
P O R T L A N D
de pavimentos de suelo-cemento y otras aplicaciones que ha elaborado el personal de la Portland Cement Association. La cuarta referencia es un libro sobre mecánica de suelos aplicada a caminos hecha en el Road Research Laboratory de Inglaterra; se ofrece un crtierio y un punto de vista diferente del americano para la ejecución y el diseño de aplicaciones y estabilización de suelos con cemento Portland. Cabe aquí el subrayar, que en nuestro medio no existe la suficiente información sobre aplicaciones de cemento a la estabili liza zaci ción ón de suelo suelos. s. Es sumame sumament nte e impo imporrtante hacer notar que el primer paso en lograr la aceptación y el uso amplio del cemento para estabilización de suelos nuestro medio, será no solamente el consultar y estudiar la literatura disponible, que resume las experiencias de otros países, sino adquirir por medio de un laboratorio, y también por medio de algún constructor con experiencia, información sobre los distintos tipos de suelos que existen en la República Mexicana, y sus posibilidades de ser estabilizados económicamente con mento. Como en cualquier aplicación práctica de la construcción, nada sustituye a la
Noto:
EL TIPOY CANTIDAD DE MEZCLA DEBEN
DETERMINARSE
con suelo requiere que
A - l - a
5 NO
SE
Lo combinación con éxito de mezclas
POR
NECESITA
A-l-b MEZCLA
.
0
5
10
20
25
30
35
Porcentaje del suelo existente que pasa la malla Figura
I.-Mezclas
estabilizadoras con su malla 200.
sugeridas
experiencia adquirida localmente en el medio en que se va a hacer. Repitiendo, al no iniciado no le bastará con leer la literatura, sino que deberá adquirir experiencia previa de laboratorio y equipo de construcción, antes de lograr aplicar con éxito la estabilización del suelo-cemento. Al final de este trabajo se hace una relación breve de las pocas experiencias que ha habido en México. Este es campo de aplicación que ha producido soluciones económicas en otros países, especialmente Inglaterra, Australia y Estados Unidos. Es evidente que no todos los problemas de estabilización, de ademes u otras aplicaciones, pueden resolverse con cemento Portland y que, como todas las so-
luciones, ésta tiene algunas limitaciones marcadas, especialmente la plasticidad del suelo. En la Fig. 1 se muestra una gráfica que
adecuadas y
para emplearse con suelos canrzaaa que pasa
limita en términos generales el campo económico de acción de los diferentes agentes estabilizadores, según la plasticidad del suelo. Debe decirse que para una aplicación específica es posible salirse de los límites marcados en la Fig. 1, pero se puede observar que el campo del cemento es bastante
amplio. Se cree que en cuanto se adquiera suficiente experiencia constructiva y de laboratorio en nuestro medio, podrá emplearse el cemento para estabilizar suelos económicamente en un gran número de casos en que ahora no se aplica. Se espera que el presente trabajo cumpla su cometido de difundir entre las ventajas y las limitaciones que haya en su caso, de la aplicación del cemento Portland a la estabilización de suelos.
1.
INTRODUCCION
SE
dice que un suelo es estable cuando exhibe una resistencia marcada y sostenida a la deformación bajo cargas repetidas o continuas, en estado húmedo o seco. Cuando se trata un suelo inferior para mejorar su resistencia y durabilidad, se dice que ha sido sido “estabili “estabilizado zado”. ”. Estabilización quiere decir una mejoría en resistencia y durabilidad. La estabilización de suelos, en el sentido moderno, indica que se alcanzan en el suelo valores definidos de ciertas propiedades. Los suelos se pueden mejorar por medios mecánicos, químicos, eléctricos, o térmicos. El grado de estabilización que se alcance puede ser distinto dentro de un mismo método, y para distintos métodos. Ya que los suelos existen en muchos tipos distintos, es evidente que no existirá un solo método de estabilización para todos los suelos, sino que cada suelo específico tendrá su procedimiento óptimo de estabilización. Dentro de todos los procedimientos que se han usado para estabilizar suelos, el que usa cemento Portland es aplicable a una gran variedad de ellos. En este trabajo se tratará únicamente de las propiedades y maneras de estabilizar suelos con cemento Portland. Al mismo tiempo, se darán algunas ideas sobre los límites de la aplicabilidad económica de la estabilización con cemento.
La estabilización con cemento consiste de una mezcla de suelo pulverizado y cantidades medidas de cemento Portland y agua, compactados a una densidad grande y protegidos contra pérdidas de humedad durante un período de curado especificado previamente. Los usos de mezclas de suelo y cemento son muy variad variados. os. De aquí aquí en adelante, adelante, se se usará la palabra para toda una gama grande de tipos de mezcla de suelo y cemento. Algunos de los- usos de cemento y suelos son aplicables a técnicas muy especializadas, como para estabilizar balasto de ferrocarril, y otras. Entre las aplicaciones más importantes del suelo-cemento se encuentran bases y sub-bases
ra caminos, además para canales, zanjas y pendientes; incluso algunas aplicaciones para materiales estructurales, como tabiques, y materiales semejantes.
2. TIPOS DE MEZCLAS DE SUELO-CEMENTO
La posibilidad de controlar las propiedades de la mezcla para una aplicación dada y el grado de estabilización para ‘satisfacer ciertos requerimientos de resistencia y durabilidad, han resultado en una clasificación amplia de los tipos de mezclas de suelo y cemento. En grandes rasgos éstas se pueden clasificar como sigue: a) SueloSuelo-ceme cemento nto.. Estas palabras, palabras, en su sentido restringido, se aplican a una mezcla de suelo pulverizado y cemento, que tiene que satisfacer requisitos mínimos de resistencia durabilidad. Este que se controla cuidadosamente, es el que generalmente se aplica a bases y sub-bases, y algunas veces a carpetas, en carreteras y calles de poco tránsito y buen clima. b) Suelos modificados por cemento. Esta es una mezcla de suelo pulverizado, cemento y agua, en donde los requisitos de resistencia y durabilidad no se controlan tan Aquí, cantidad de cecuidadosamente. mento usada es generalmente menor que la necesaria para un suelo-cemento como se se define en el inciso anterior.
Suelo-ce -cem mento nto plást lástii co. co. Es una mezc) Suelo cla de suelo y cemento que puede colocarse en un estado plástico, que endureciéndose cumple los requisitos de durabilidad y resistencia especificados generalmente para suelo-cemento. Este sería el equivalente de concreto hecho con cemento Portland, excepto que los agregados no cumplen los requisitos para un concreto y el contenido de cemento es menor. d) Lechada de cemento y suelo. Se usa para estabilizar balasto de ferrocarril, pendiente, etc.
3. PROPIEDADES
Las propiedades de mezclas de suelo y cemento varían con diversos factores. Los principales son los siguientes:
Contenido de MATER I AL
a) La naturaleza y cantidades de suelo, cemento y agua, por unidad de volumen de la mezcla compactada.
1.
b) Las condiciones durante el período de hidratación del cemento.
2.
c)
edad de la mezcla.
Entre las propiedades típicas de cemento se pueden mencionar las siguientes: resistencia a la compresión, resistencia a la flexión (módulo de rotura), módulo de elasticidad, cambios volumétricos, y algunas otras propiedades de menor importancia, como la relación de Poisson, propiedades térmicas, etc. El de plasticidad de suelo-cemento es una propiedad que se usa mucho para determinar si un suelo se puede estabilizar económicamente con cemento Portland.
R esi stencia a la compresi ón. Para suelos arenosos se han logrado resistencias a la compresión desde 20 para 7 días, hasta 70 a los 28 días (AASHO grupos Al, A2, A3). Para. suelos limosos estas resistencias disminuyen a 17 para 7 días, y 63 para 28. Finalmente, para suelos arcillosos (AASHO grupos A6, la resistencia oscila de 14 a los 7 días, hasta 42 a los 28. Los anteriores, son valores representativos de las resistencias a la compresión para los tres tipos de suelo más usuales, arenosos, limosos y arcillosos, clasificados como grupos AASHO Al, A2, A5, A6 y A7. El tipo de espécimen para obtener la resistencia a la compresión es generalmente en Estados Unidos, un cilindro de 7 x 14 cm. Antes de ensayarse, los especímenes deben siempre saturarse en agua después de siete o veintiocho días de curado húmedo. Cabe aquí mencionar que los británicos usan la resistencia a la compresión como el princpial criterio para diseñar mezclas de suelo-cemento. En la Tabla 1 se
1
ABLA T
cemento
Arcilla limosa
Arcilla arenosa
R esi stencia la compresión
7 10
25
13
32
7
18
10
27
28
13
3 . Arena
arcillosa
4. Arena limpia muy uniforme 5. Grava (mal graduada)
17 10
20
13
27
10 13
60
10
40
29
tran resistencias a la compresión típicas para distintas mezclas de suelo-cemento. Se puede observar el aumento en la resistencia a la compresión con aumentos en el contenido de cemento. Los valores mostrados en la Tabla 1 no son directamente comparables con los mencionados en párrafos anteriores, ya que están basados en especímenes cúbicos. Sin embargo, las tendencias para los distintos tipos de suelos, y para los contenidos de cemento, son las mismas. La Fig. 1 muestra la correlación que existe entre el contenido de cemento y la resistencia a la compresión, medida en cilindros de 7 x 14 cm, para suelos con curados húmedos de 7, 28 y 90 días. Se muestran cuatro suelos diferentes con las siguientes propiedades: Suelo
líquido de plasticidad Contenido de humedad Densidad máxima AASHO, grupos
1
2
16
17
9.2 132 l-b
10 130 2-4
3
4 26
15 12.2 123 6
15.0 113 4
Valores que se obtuvieron para un contenido de cemento del 10% por peso. 7
SUELO
3 4
SUELO 2
90
6 7.9
14 17.1
3 4
6 7.6
12.6
14 17
Contenido de cemento
SUELO 4
P o r
Por
6
vol.
7.3
11.9
14
10
14
12.2
II
14.7 16.7
Contenido de cemento l.-Resistencia
a la
cemento y edad.
compresión,
Se puede observar también que la resistencia aumenta considerablemente con la edad, aunque cada vez más despacio. Módulo de rotura. La Fig. 2 muestra la correlación del suelo, contenido de cemento, y edad, con el módulo de rotura. Las tendencias de las variables son mismas que para la resistencia a la compresión. Los mismos cuatro tipos de suelo se emplearon para hacer para módulo de rotura, vigas de 10.5 10.5 29 cm, moldeadas y compactadas, a contenido de humedad y densidad óptimos.
tipo
de suelo, contenido de
Módulo de elasticidad. Esta es otra propiedad de mezclas de suelo y cemento que varía con el contenido del cemento, el tipo de suelo, y la edad, de la misma manera que las dos anteriores, módulo de rotura, y resistencia a la compresión. Una gráfica semejante mostraría curvas de igual forma. Cabe mencionar que el módulo de elasticidad varía para el suelo 2 desde 35,000 (suelo 2 a los 7 días, de cemento), hasta 210,000 (suelo a los 28 días por peso de cemento). En general se puede concluir de lo anterior que, para efectos de diseño de
S UE L O 2
g
d
28 7
Por Por vol. 4
3
6 7.9
10 12.8
6 7.8
10
14
10
14
18
18.2
ll
14.7
18.7
14
17.1
3 4
12.6
Contenido de cemento
SUELO 3
Por peso 6 Por v o l . 7 . 3
l l.9
Contenido de cemento
Fig.
de rotura, tipo de suelo, contenido de cemento y edad.
de suelo-cemento, basta con tener una medida cuidadosa de cualquiera de las tres propiedades anteriores. Evidentemente, la más simple de determinar es la resistencia a la compresión. Existen algunas otras propiedades que varían de igual forma con el tipo de suelo, el contenido de cemento, y la edad. Entre ellas se pueden mencionar todas aquellas pruebas, de valor soporte como el CBR, y todas las semejantes donde se determina la carga necesaria para producir una deformación dada en un cierto tamaño de y con un cierto tamaño de placa.
Cambios volumétricos. Los suelos arcillosos compactados a humedad óptima, y a densidad máxima (AASHO usualmente se con mayor humedad y se contraen con pérdidas de humedad. Si se compactan a contenidos de humedad mayores que el óptimo, el aumento de volumen es menor, y la contracción es mayor, mientras que a contenidos de humedad menores que el óptimo, el aumento de volumen es mayor y la contracción menor. Al adicionar cemento, se afectan las propiedades de aumento y disminución de volumen. La manera en que el cemento afecta los cambios de
volumen es compleja, y depende de la naturaleza del suelo, los cambios de humedad, el contenido del cemento, y las condiciones de temperatura, incluyendo heladas. Evidentemente, conviene determinar cambios de volumen para unas mezclas dadas que se han diseñado por otras condiciones. como resistencia a la compresión. Es importante que el diseñador, el constructor, y el laboratorista estén conscientes de los factores que hacen que las mezclas de cemento cambien de volumen. Sin embargo, conviene en todos los casos determinar estos cambios de volumen para algunas mezclas específicas. No se pueden dar reglas generales. Se puede decir, sin embargo, que la contracción volumétrica, en por ciento, aumenta a medida que el contenido de cemento disminuye, y que basta una pequeña cantidad de cemento para disminuir notablemente la contracción volumétrica de un suelo que se contraiga con cambios de humedad sin cemento. En cambio, si se agrega cemento a suelos que normalmente no se contraen, suelos granulados, se pueden encontrar muestras de agrietamiento debido a contracción, ya que la acción cementante con las partículas del suelo hace que éstos se contraigan. Ya que el agrietamiento es una característica natural del suelo-cemento, los ingenieros experimentados observan el desarrollo del agrietamiento durante los períodos tempranos de curado. Cuando se desarrolla el agrietamiento debido, es evidente que la mezcla ha sido humedecida adecuadamente, y compactada y endurecida de Densidad inadecuauna manera da, o la compactación de un suelo excesivamente seco, están asociados con agrietamiento menor. Cada suelo desarrolla su propia configuración de agrietamiento. Las arcillas desarrollan una contracción total mayor, pero grietas menores y más cercanas unas a otras, espaciadas de 30 cm a 3 m. Cemento adicionado a suelos granulares produce menor contracción pero mayores grietas, espaciadas a mayores intervalos, de 3 a 6 m o más. Como el agrietamiento está relacionado con la resistencia, algún control sobre el agrietamiento debe ejercerse por 10
medio del contenido del cemento, pero siempre debe tenerse en cuenta la durabilidad. Como que un cambio en el contenido de cemento para un suelo dado puede cambiar la resistencia al mo, los valores que indican la durabilidad para distintas mezclas pueden determinarse solamente si éstas satisfacen algún criterio tipo, el PCA, por ejemplo. Las pruebas estándar de saturación-secado, y helado-deshelado, se originaron para ensayar la interacción debida a cambios de humedad-densidad. Las pruebas no fueron inicialmente previstas como medidas de la durabilidad. Sin embargo, estos ensayes se han correlacionado con experiencia y producen valores relativos que indican la durabilidad de las mezclas de suelo-cemento que se ensayan. Por lo tanto, una mezcla que satisface el criterio de suelo-cemento. debe también satisfacer ciertos requerimientos mínimos indicativos de durabilidad. En esto, los americanos hacen mucho más énfasis que los británicos. Contenido de humedad óptimo y densidad máxi ma. Se puede decir que, en general y salvo algunos suelos excepcionales, los contenidos de humedad óptimos, y las densidades máximas de suelo-cemento compactado, son aproximadamente iguales que las de suelos sin cemento. Esta es una propiedad valiosa, ya que se simplifica notablemente la determinación de contenidos de humedad óptimos y densidades, que se pueden hacer para el suelo sin cemento. El efecto del cemento será únicamente el me jorar la durabilidad y la resistencia, pero deberá ser compactado casi a la misma humedad que el suelo simple.
4. FACTORES QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES DE MEZCLAS DE SUELO Y CEMENTO Los factores que influyen sobre las propiedades de suelo-cemento pueden clasificarse de acuerdo con: a) la naturaleza de los materiales y las proporciones de la mezcla, suelo, cemento y agua; b) mezclado y
compactado; las condiciones de curado, incluyendo la edad; y d) aditivos. Dentro del suelo se pueden mencionar los siguientes factores que afectan las propiedades del suelo-cemento: el tipo y la clasificación de los suelos, grupo de suelos, el tipo de agregado retenido en la malla 4; el contenido de arcilla; el área, o superficie específica; el límite líquido, y el de plasticidad; la composición química en general, los factores químicos superficiales; materia orgánica; el contenido de sulfatos; el estado del suelo en general, el grado de pulverización, el contenido de humedad al tiempo de la compactación, y el contenido de humedad al tiempo de probar por ciclos de saturación-secado; resistencia y densidad. Los factores anteriores son tan diversos, así como los tipos de suelos, que ninguno se ha encontrado que tenga una influencia predominante. El criterio ingenieril a seguir en una obra es el de tratar de encontrar la mejor mezcla posible para cada caso específico, por medio de ensayes de laboratorio que generalmente son simples de hacer. Una vez que se tengan las propiedades principales de la mezcla que se requiere, habrá que ensayar por algunos de los factores an-
teriores que se sospeche tengan importancia. En los párrafos siguientes se mencionarán las influencias de algunos de los factores anteriores que se consideran más importantes.
Límite líquido e de plasticidad. La plasticidad de un suelo tiene una influencia marcada en las propiedades de las mezclas de suelo-cemento. Sin embargo, otras propiedades del suelo simple ejercen a veces una influencia suficientemente fuerte para que una relación bien definida entre la plasticidad y la naturaleza de la mezcla de suelo y cemento no sea siempre obvia. Se han tendencias generales para ciertos tipos de suelos, y relaciones para suelos de depósitos de suelo uniformes, como La relación para la cual se ha hecho la mejor correlación ha sido entre plasticidad y el contenido mínimo de cemento para satisfacer los criterios para cemento. El de plasticidad disminuye con el tiempo. Se puede observar de la Fig. 3 que la disminución con el tiempo es mayor a medida que el contenido de cemento aumenta.
0 b
C
T i e mpo
Fig.
e
n
de plasticidad y tiempo. ll
E stado del suelo. La calidad de una mezcla de suelo-cemento y su comportamiento en el tiempo dependen en gran parte del estado del suelo durante la mezcla y la pactación. El grado de pulverización limita el grado de mezcla posible. El contenido de humedad tiene una gran influencia, sobre la densidad, y sobre la manera en que la masa está entretejida, tiene cohesión, e influye sobre la hidratación del cemento. La densidad del suelo influye notablemente sobre la resistencia. Una conclusión práctica es que conviene usar el mejor equipo posible para pulverizar el suelo. Todos los resultados de experiencias muestran que la cualidad de suelo-cementos limosos y arcillosos es mayor cuando el cien por ciento del suelo, excluyendo grava o piedra, se pulveriza para que pase la malla 4. Sin embargo, la calidad no se afecta seriamente por la presencia de hasta 30 por ciento de suelo sin pulverizar, siempre que los terrones que se dejen estén húmedos al tiempo de la pactación, a una humedad mayor, o a la óptima. Si los terrones están secos al tiempo de la compactación del suelo-cemento, la cualidad de la mezcla puede ser seriamente dañada. Contenido de humedad. La resistencia a la compresión aumenta a un máximo a una humedad un poco menor que la óptima para un suelo arenoso y un suelo limoso, y a una humedad mayor que la óptima para un suelo arcilloso. El hecho que la resistencia alcanza un máximo y disminuye en una manera algo semejante a la de una curva de densidad, sugiere que el efecto de la densidad es grande. Resultados de ensayes de secado, y ciclos de helar y deshelar, muestran que los suelos arcillosos tienen menor resistencia a humedades menores que la óptima AASHO, y que los suelos limosos tienen menor resistencia a ciclos de helado y deshelado, a contenidos de humedad mayores que los óptimos. Los contenidos de humedad no son tan críticos para suelo arenoso. 12
R esi stenci a húmeda y seca. Se puede decir que el probar mezclas de suelo-cemento en un estado seco valúa el efecto combinado de la cohesión del suelo y la acción cementante. En la naturaleza, la mezcla de suelo y cemento se encuentra casi siempre’ en estado húmedo. Por lo tanto, si se quieren obtener valores realistas de la resistencia, los ensayes deben hacerse con menes húmedos, como se especifica por la ASTM y la AASHO. Densidad. La resistencia y durabilidad de un suelo-cemento están influidas grandemente por su densidad. La relación entre resistencia y densidad es aproximadamente lineal para algunos suelos y contenidos de cemento. Una disminución del 5 por ciento en compactación relativa puede resultar en una reducción en resistencia mayor que si se reduce el contenido de cemento de 10 a 15 por ciento. Debido a lo anterior, el suelo-cemento debe ser compactado la mayor densidad posible en la práctica, preferiblemente por lo menos igual a la que se obtendría de la prueba AASHO T 134. En aplicaciones especiales, donde se tenga equipo para compactar grandemente, puede ser económico usar densidades aún mayores, disminuyendo correspondientemente el contenido de humedad óptimo. La Fig. 4 muestra la relación general que existe entre densidad, contenido de humedad, y resistencia a la compresión. Se puede observar que la relación entre contenido de humedad y densidad es casi lineal para un mismo porcentaje de vacíos. También se puede observar que a medida que la densidad aumenta, la resistencia aumenta para un mismo porcentaje de vacíos. Contenido de cemento. Para un suelo dado, que reacciona normalmente con cemento, el contenido de éste determina la naturaleza de la mezcla de suelo-cemento. La proporción de cemento altera la plasticidad, los cambios volumétricos, las propiedades contra heladas, las propiedades elásticas, la resistencia, etc. Muchas relaciones se han indicado en forma tabular y gráfica, en muchas fuentes.
1.76
Las .
números indican resistencia en --
\ \ \
Cero vacíos
\
1.44
15
20
25
30
35
40
Contenido de humedad
(Cementa
Cal
7 días de curado;
Fig. 4.-Densidad, contenido de humedad y resistencia a la com-
presión.
Las
Figs. 5-7 muestran el efecto de un aumento en el contenido de cemento volumen, sobre la resistencia a varias edades, y en tres suelos distintos, uno arenoso (Fig. una arcilla limosa (Fig. y un limo arcilloso (Fig. 7). Se puede observar también que la resistencia aumenta con la edad hasta un año, en fracciones notables (parte superior de las barras en las (figuras 5-7). Se puede decir que en general, se puede usar tipo 1, y tipo 3 de cemento con el mismo cuidado, y se obtienen los mismos efectos que el usar estos cementos para concreto. Se obtienen mayores resistencias a una edad más temprana usando cemento tipo 3, pero sin embargo, algunas experiencias han mostrado que las resistencias a edades
son menores para el tipo 3 de cemento que para el tipo 1.
Agua. En general, si el agua es potable, es buena para mezclas de suelo y cemento, aunque se ha usado agua de mar con éxito en algunas aplicaciones. En general, el agua que se requiere será la suficiente para la hidratación del cemento, siempre que no se pierda mucha agua por evaporación durante el curado.
Mezclado y compactado. La influencia del equipo de mezcla y compactación, y el tiempo requerido para ello, influyen en la resistencia y la durabilidad de las mezclas del suelo-cemento. El mezclado involucra también grado de mezclado, que se ha llamado 13
EDAD 2 7 días 28
280 ......
120 días 365
SUELO Arcilla
limosa
83% Arena 6% Limo ll
Arcilla
LL= 14
NP GRUPO A-2
.-
105
7c
C
6
14
Contenido de cemento Fig.
14
22
26
30
por volumen)
del contenido de cemento: suelo arenoso.
SUEL O
7-h
EDAD
Arci llo limosa Arena 36% Limo 47% Arcilla LL= 37 18
2
díos 7
28 días
GRUPO A-7 140 E 0 0
105
0 0
70
35
0
14
6
18
22
C o n t en i d o d e c e m e n t o
Fig. 6.-Efecto del
contenido de
26
30
por volum en)
arcilla
limosa.
“uniformidad de mezclado”, y “eficiencia del mezclado”. Es una medida de que también se ha mezclado un suelo con cemento, comparada ésta con un estándar arbitrario. El grado de la mezcla está influido por el equipo y los procedimientos, y está relacionado de cerca con el tipo de suelo, y también con el grado de pulverización, y su contenido de humedad. Asimismo, el grado de la mezcla es una función del tiempo. Ambos, el grado de la mezcla y el tiempo entre la terminación del mezclado húmedo y la terminación de la compactación, influyen las propiedades del suelo-cemento.
especímenes hechos en laboratorio, de la mezcla de campo. La eficiencia de la mezcla se calcula de la resistencia a la compresión promedio de los especímenes mezclados solamente de la mezcla de campo, dividida entre el valor correspondiente para los pecímenes premezclados en laboratorio. Un valor típico de esta relación es aproximadamente por ciento. 0 sea, que si los de laboratorio tienen 28 de resistencia la compresión, los de campo tendrán aproximadamente 17 valor naturalmente varía con el tipo de equipo que se use en el campo.
Grado de Za mezcla. El grado de la mez-
Duración del período de mezclado. Si se
cla se ha medido experimentalmente por dos métodos. Uno mide la uniformidad de la concentración de cemento por medio de un radioactivo. En el otro método, británico, se usa como medida de la eficiencia de la mezcla en el campo, la relación de la resistencia, a la compresión de hechos en el campo a la resistencia de
aumenta el período de mezclado húmedo se dilata la compactación después de la terminación del mezclado húmedo, ralmcnte se aumenta el contenido de humedad óptimo, se reduce la densidad máxima, se reduce la resistencia a la compresión, y se aumentan las pérdidas de cepillo en los ciclos de helar y deshelar, y de
15
secado. Lo anterior quiere decir que el período de mezclado debe ser el mínimo compatible con la obtención de un contenido uniforme de cemento a través del suelo, a la vez que debe usarse el mejor equipo posible, para reducir ese tiempo. Si el mezclado es intermitente, un tiempo total de mezclado de hasta cuatro horas no es muy dañino. Es importante que durante un período del curado no menor, y a veces mayor, de siete días, se prevenga a la humedad de evaporarse de una mezcla ya compactada de suelo-cemento. Se han intentado con éxito diversos medios de mantener la humedad en una mezcla compactada. Entre ellos se pueden citar tierra húmeda, papel, de calcio, asfalto y popoie. En un estudio comparativo que se hizo de los diferentes materiales protectores, comparándolos con una sección que deliberadamente se dejó sin cubrir, se encontró que el papel es prácticamente de una eficiencia nula para evitar que la humedad se evapore. Los demás métodos dieron resultados satisfactorios. Es importante sin embargo, hacer hincapié en que el debe estar humedecido superficialmente antes de colocar el material protector. Curado de campo.
Temperatura. Investigaciones británicas muestran las siguientes influencias de la temperatura en la resistencia de mezclas de suelo-cemento: a ) La resistencia a la compresión a siete días aumenta cuando aumenta la temperatura, de 2 a 2.5 por ciento por grado centígrado cuando la temperatura está cercana a
b) Las mezclas de suelo-cemento se endurecen en clima frío siempre que la temperatura esté sobre 0°C. c) Si la resistencia a la compresión se toma como el único criterio de la calidad de una mezcla de suelo-cemento, se necesita menos cemento en clima caluroso que en clima frío. d) Ya que la temperatura ambiente tiene diferencias, las mezclas de suelo-cemento construidas durante clima caluroso deberán ser de 50 a 100 por ciento más resis16
tentes que mezclas semejantes hechas durante tiempo frío, por lo menos durante los primeros tres meses de la vida de la construcción. mencionó anteriormente que el suelo-cemento continúa aumentando su resistencia con la edad en una manera semejante a la de concreto. En Wisconsin (EX. UU.) se midieron resistencias del orden de a los 28 días, y de 210 a los 18 años de edad, tomadas de de campo. Edad.
Se
han ensayado numerosos aditivos para mejorar las propiedades de suelo-cemento. Se puede hacer aquí una recomendación semejante a la de aditivos para concreto. Antes de usar ningún aditivo, es necesario cerciorarse que la misma mejoría que se persigue no puede lograrse cambiando ligeramente las propiedades de la mezcla de suelo y cemento. Es también muy importante cerciorarse que el aditivo, aparte de mejorar la propiedad que se desea, no tiene ningunas otras consecuencias dañinas para la mezcla, sean resistencia o durabilidad. El primer aditivo que se ocurre, es cambiar artificialmente las proporciones de la granulometría del suelo. Esto no se considera generalmente un aditivo, aunque en el sentido amplio de la palabra pueda caber dentro de ellos. Por ejemplo, en suelos muy material arcillosos, c o n v i e n e no tan fino, aunque siempre a un mayor. Otros aditivos que se han usado han han sido cal hidratada, cenizas muy finas. de calcio, y algunos otros elementos químicos, como cloruro de sodio, cloruro de potasio, perganmannto de hidróxido de potasio, etc. Aditivos.
Se
5. APLICACIONES
Los varios tipos de mezclas de suelos estabilizadas con cemento que se han desarrollado a través de los daños fueron originalmente creados para una cierta Después se fueron extendiendo y
EDAD 2
días
7 210
28
días días
365 175
SUELO
4-d
Arci lla lim osa 140
9% Arena Limo 24% Arcilla LL=34 í4
67%
105
LC=
GRUPO A-4 70
35
C 6
10
22
Contenido de cemento
28
30
por volumen)
Fig. 7.-Efecto del contenido de cemento: arcilla limosa. mando fuerza. Las aplicaciones que se mencionarán a continuación, están clasificadas según los distintos tipos de mezclas de suelo y cemento que se mencionaron en la primera parte de este trabajo. Suelo-cemento. Aquí se incluye mezclas que satisfacen criterios aceptados para resistencia a la compresión, pérdidas por humedad, cambio volumétrico, y pérdidas por cepillado, en los ensayes de saturación-secado, y ciclos de helado y deshelado, cuando alguno de ellos es aplicable. Suelo-cemento dentro de este concepto se ha usado para lo siguiente: Sub-bases y bases para pavimentos rígidos y flexibles, para caminos, calles y aeropuertos. Accesos para carreteras y aeropuertos.
Estacionamientos. para almacén de agregados, materiales y equipos.
Ademes a pendientes sujetas a inundación periódica o acción de las olas. Corazones de presas de tierra. Ademes interiores para tanques. Cimientos para algunos tipos de estruc-
turas.
Mantenimiento, reconstrucción y bacheo de bases granulares. Modificación de suelos susceptibles a las
heladas. Construcciones misceláneas que incluyen drenajes de superficies, alcantarillas, banquetas y caminos, pequeños puentes en arco, tabique o para construcción de edificios, construcción monolítica de edificios pequeños, etc., todos donde las condiciones especiales lo ameriten.
Suelos granulares modi fi cados por cemento. Muchos suelos arenosos y con grava son un poco inferiores como material para bases, sub-bases, para pavimentos 17
bles o rígidos. Pueden contener proporciones excesivas de materiales finos o de materiales plásticos, o ambos, y necesitan mejoría para ponerlos en una calidad aceptable. Esto puede requerir solamente el suficiente cemento para modificar las propiedades plásticas del suelo, o puede requerir suficiente cemento para calificar como solamente un poco inferior que en el suelo-cemento típico. Los suelos granulares modificados por cemento se usan y se han usado en las siguientes aplicaciones: Bases y sub-bases de superficies flexibles para calles, carreteras y aeropuertos, en donde el tipo de material, el tráfico, y las condiciones del clima lo
permiten.
Bases y sub-bases tratadas para soportar pavimento rígido y para prevenir la erosión debida a la acción de bombeo de las losas rígidas. Bacheo y reconstrucción de bases gra-
nulares.
Mantenimiento de bases y sub-bases. Modificación de suelos granulares susceptibles a las heladas.
Suelos limosos y arcillosos modifi cados por cemento. Aquí, el cemento se usa en una proporción menor que para suelo-cemento, para mejorar el comportamiento de la base. Los varios propósitos para los cuales este tipo de mezcla de suelo y cemento se ha usado, son como sigue: Como tratamiento para controlar el agrietamiento y la expansión de suelos su jetos a grandes cambios volumétricos.
se han hundido debido a o erosión de la sub-base. Sin embargo, en la construcción de túneles puede ser necesario el uso de lechadas de suelo-cemento para sellar grietas por medio de lechada a
presión. 6.
EXPLORACION Y MUESTREO PRELIMINAR.
Esta es una etapa muy importante en la construcción de pavimentos y otros USOS del suelo-cemento. Se sugieren en general, los métodos estándar para explorar y trear suelos, de una manera preliminar, así como los métodos ya establecidos para hacer ensayes en mezclas de suelo-cemento. Es importante el hacer los ensayes necesarios que proporcionen el conocimiento de las propiedades de los suelos, y de los suelos en la vecindad de la obra, según se encuentran en las especificaciones estándar AASHO y ASTM. En la Tabla 2 se muestran los ensayes y los tamaños sugeridos de las muestras para suelos mezclados con cemento. En general, a no ser de que se trate de un proyecto muy importante, o de la recolección de información sistemática en algún laboratorio, no será necesario hacer todos los ensayes mencionados en la Tabla 2. Sin embargo, siempre será necesario tener en mente todos los posibles ensayes, para discernir sobre las variables y la mejor mez posible.
Para mejorar la resistencia de sub-bases. Para reducir los efectos de acción de helada en sub-bases. Suelo-cemento plástico. La dificultad en colocar y compactar el tipo usual de suelocemento en superficies no planas a un contenido de humedad óptimo, hizo que se desarrollara el suelo-cemento plástico. Este tipo de mezcla se ha usado en ademes para drenaje y otras aplicaciones semejantes.
7. OBSERVACION Y PRUEBAS PARA IDENTIFICACION, MEZCLAS Y ES PESOR.
Los principales requisitos para mezclas adecuadas de suelo y cemento son en general, los siguientes:
a)
rizado.
Lechadas de suelo-cemento. Las lechadas se usan principalmente en trabajo de carreteras para propósitos de mantenimiento, para subir la rasante en pavimentos que 18
Una proporción adecuada de cemento que se incorpore al suelo pulve-
b)
La proporción adecuada de agua que se disperse a través del suelo-
cemento.
T ABLA 2
TAMAÑOS MINIMOS DE MUESTRAS
Peso de la muestra
ENSAYE Y
a) E nsayes estándar en suelos Análi sis mecáni co (AA SHO
ASTM D422)
115 100
Límite líquido (AASHO T89, ASTM D423) Límite plástico (AASHO
25
ASTM D424)
de plasticidad (AASHO T 91) Factores de contracción (AASHO T92, ASTM
30
Gravedad específica (AASHO
30
ASTM D854
100
Ensayes de verificación Compactación y densidad de suelos (AASHO T99, ASTM D698
5,000
Gravedad específica de agregado grueso (AASHO T84, ASTM C127)
E nsayes su plementari os en su elos Equivalente de arena (AASHO T176)
110
Aumento de volume n (AA SHO T11 6)
650
Presión expansiva (California 301-B, 1956)
5,000
Contracción (ASTM, “Procedures for testing Soils 1950”)
1,000
Impurezas orgánicas (AASHO T21)
450
Retención de glicerol (superficie específica, HRB
198)
10
c) Ensayes estándar en mezclas de suelo y cemento Relación humedad-densidad (AASHO T134, ASTM D558)
5,000
Saturación-secado, 2 especímenes (AASHO T135, ASTM D559)
3,000
Ciclos de helada (AASHO T136, ASTM D560 2 especímenes
3,000
E nsayes
suplementarios en
mezclas de suelo
cemento
Resistencia a la compresión cilindros de 7 x 14 cm (ASTM “Procedures for testing Soils”) de 10 x ll.5
1,500 1,500
Permeabilidad (ASTM “Procedures for testing Soils”)
3,000
CBR (ASTM “Procedures for testing Soils”)
4,200
Contenido de cemento (AASHO T144, ASTM D806
200
Ensayes de inspección (PCA, Soil-Cement Laboratory Handbook 1 Excepto material de malla No. 4 2 Excepto material de malla No. 10
19
c) Que la mezcla de suelo-cemento se compacte a la densidad adecuada. d) Que tada bajas te el
se proteja la mezcla compaccontra pérdidas de humedad y temperaturas excesivas duranperíodo prescrito de curado.
Si se cumplen los requisitos anteriores se habrá obtenido una buena aplicación de suelo-cemento, resistente y duradera. Por medio de los ensayes corrientes se pueden obtener factores para controlar los tres primeros requisitos mencionados anteriormente, así como por medio de observaciones periódicas y cuidadosas del progreso de la obra. En los párrafos siguientes se hace una lista de los distintos tipos de observaciones y ensayes para identificación de suelos y diseño de mezclas. 1. Métodos usuales para suelo-cemento.
a) Tipo de suelo y determinación del horizonte. Sirve para reducir la cantidad de ensayes. Una vez que los contenidos de cemento para una serie dada y horizontes se han determinado por medio de ensayes, no se necesitan hacer ensayes adicionales para suelos del mismo tipo y horizonte, encuéntrense donde se encuentren. b) Pruebas de identificación en suelos. (Límite líquido, límite plástico, análisis me. Sirven para ayudar a establecer las fronteras de los distintos tipos de suelos que se encuentran; para eliminar suelos inferiores, y para seleccionar los suelos que parecen ser los mejores para ensayes mezclados con cemento. Ensayes en suelos di seño preliminar de mezclas. (Gravedad específica y absorción). Sirven para proveer valores para las proporciones por peso, y además se obtienen datos sobre las relaciones de humedad-densidad para mezclas de cemento. c)
d) E nsayes para di seño de mezclas en suelo cemento.
1. Relaciones humedad-densidad. Sirven para proveer valores del contenido de humedad y la densidad para moldeados para ensayes y para control de campo al empezar la construcción. 2. Resistencia a la compresión. Sirven para proveer la información sobre la velocidad y el grado de endurecimiento para todos los suelos; para determinar los requerimientos de cemento para suelos arenosos, y para ayudar en seleccionar los contenidos de cemento para ensayes de saturación-secado y ciclos de helada. También sirven para obtener una base de comparación por medio de la cual la calidad del trabajo de campo pueda ser determinada. 3. Saturación-secado y ciclos de helada. Sirven para obtener información bre los contenidos mínimos de cemento que serán suficientes para soportar el intemperismo.
e) Procedimientos de pr ueba para suelos arenosos. Sirven para nar los contenidos de cemento y iniciales de humedad y densidad construcción.
r ápi dos determivalores para la
f) Ensayes de i nspección. Sirven para juzgar la velocidad de endurecimiento y para seleccionar los contenidos de cemento para otros ensayes. II. Métodos auxiliares y suplementarios.
a) P ruebas de i denti fi caci ón en suelos. 1. Limite de contracción. Cuando se relaciona con el contenido de humedad óptimo, sirve para estimar de un modo preliminar el contenido de cemento. 2. Equivalente de arena. Sirve para estimar el contenido de cemento.
Fig.
seguido por compactación inicial.
se rechace, y para determinar los requerimientos para aditivos.
3. Gravedad específica. Sirve para calcular porosidad. b) Ensayes para diseño preliminar de
4.
medas. 1.
todo rápido para suelos plásticos que tengan menos del 45 por ciento de
Cambios volumétricos. Sirve
para proporcionar una base de juicio sobre la efectividad de un contenido bajo de cemento, en cuanto su control de cambios de volumen.
limo. 5.
para obtener bases de juicio sobre la efectividad del cemento para controlar la per-
Ensayes en mezclas de suelo-cemento. 1.
Relaciones humedad-densidad. Sirve para determinar la densidad y bajos contenidos de humedad, cuando son factibles en la construcción.
3. Contenido de materia orgánica. Sirve para ayudar a una selección preliminar de suelos útiles; para blecer una causa por la cual un suelo
Permeabilidad. Sirve
meabilidad.
2. Susceptibilidad a las heladas. Sirve para formar una base de juicio para la efectividad de la adición de mento y para prevenir efectos nos de las heladas.
Superficie específica. Este es un mé-
2.
Cambios volumétricos. Sirve para determinar los contenidos de
F ig. 11 .-Mezcladora segui da de compactadora, motoconformudora compactadora de rodillos neumáticos al fondo. bre la efectividad del cemento en reducir la plasticidad del cemento, e indica generalmente su efectividad para controlar cambios volumétricos en suelos arcillosos.
to para control de cambios de volumen dentro de prescritos.
3. Susceptibilidad a las heladas, impermeabilidad. Sirve para determinar los contenidos de cemento para aquellas aplicaciones donde el estará en contacto con agua libre y donde no se permiten cambios volumétricos de consideración.
4. Resistencia y propiedades elásticas. Estos ensayes proporcionan información para propósitos de diseño estructural, así como para diseño de mezcla y control de calidad de
5. Límites de Atterberg ‘sobre cemento repulverizado (LL, PL y SL) . Proporcionan información
6.
Absorción de agua, conductividad y otras propiedades térmicas. Sirven para determinar propiedades térmicas para propósitos de edificación, y y para cambios volumétricos.
Lo anterior es un resumen del propósito general de los ensayes mencionados en la 2. En cualquier caso, generalmente habrá que hacer los ensayes que se mencionan en la parte 1. Para algunas aplicaciones específicas, y para proyectos muy importantes, será también necesario hacer alguno o todos los ensayes mostrados en la parte II.
Como resultados generales, puede se que para que un suelo pueda ser estabilizado económicamente con cemento deberá estar dentro de los límites siguientes: (i) Tamaño máximo 3 pulgadas. Más del 50 por ciento deberá pasar la malla de (iii)
Más del 15 por ciento deberá pasar la malla No. 36, y
(iv) Menos del 50 por ciento deberá pasar la malla No. 200. Existen otras dos limitaciones generales muy importantes; que se refieren a la plasticidad del suelo, éstas son: (i) El límite líquido no deberá ser mayor de un 40 por ciento. El de plasticidad deberá ser menor que el 18 por ciento. Sin embargo, de ensayes cuidadosos e información sobre un sitio específico, se puede concluir que se pueda estabilizar
micamente suelos, aunque no cumplan las limitaciones anteriores. Como se dijo antes, los proyectos importantes se planean para permitir tiempo para ensayes. Para proyectos pequeños, el costo de ensayes extensos no es económico, y es deseable estimar los contenidos de cemento y proveer un margen de seguridad en términos de requerimientos aumentados para asegurar que las mezclas de suelo-cemento sean de la calidad debida. En la Fig. 8 se muestra un diagrama en donde se pueden observar los distintos tipos de ensayes para proyectos importantes y pequeños. De la Fig. 8, se puede ver que, en el momento actual en nuestro medio no se tiene toda la información previa necesaria para algunos de los métodos rápidos. Sin embargo, un laboratorio trabajando sistemáticamente en diversos territorios puede lograr dicha información sin ninguna dificultad, usando la experiencia ya establecida en otros países.
PROYECTOS IMPORTANTES
LOS
1. Ensayes de identifica-
ción.
1. Ensayes ción.
identifica-
2. Relación humedad-
densidad.
3. Resistencia a la com-
presión.
4.
Determinación del contenido de cemento por medio de grá-
3. Saturación-secado y ciclos de helada.
1. Ensayes de iden-
tificación.
2. Contenido de cemento de suelo correspondiente estudiado pre-
viamente.
4. Resistencia a la com-
presión.
ficas.
FIG. 8.
entre los distintos métodos
de ensaye,
1. Relación
dad. 2.
inspección.
de
Fig.
superficial de agua para mantener la humedad antes de la compactación final y el acabado.
Algunas de las gráficas que se mencionan en la Fig. 8, se pueden encontrar en el boletín No. 292 del HRB. No tendría caso reproducirlas en este trabajo, ya que probablemente se modifiquen por condiciones locales, y para un empleo directo lo mejor es usar la referencia original.
8.
DE MEZCLAS.
En esta sección se mencionarán y se darán datos sobre los criterios americanos y británicos para diseñar mezclas de cemento. En general, ambos difieren radicalmente. Los americanos requieren de sus mezclas de suelo y cemento que sean diseñadas con base a su durabilidad, mientras que los británicos requieren que sean dise-
ñadas con base a su resistencia a la compresión en cubos de 10 X 10 cm. La Tabla 3 proporciona los requerimientos de cemento usuales para los suelos clasificados según los grupos AASHO. Estos Son el producto de una experiencia de muchos años, con muchos tipos de suelo. En nuestro medio, donde los datos preliminares y experiencias locales son nulas, deberán partirse de estos contenidos de cemento y afinarlos, según la información específica que se vaya obte-
niendo. Los británicos mencionan que las pruebas requeridas de durabilidad para la mayoría de los tipos de suelo-cemento americanos son muy severas y que para las condiciones de clima de las islas británicas bas-
ta con los requisitos mostrados en la Tabla 4. Como se ve, el requisito fundamental de
.
Fig.
dando la forma y secciones finales.
dicha tabla es la resistencia a la compresión, aunque se especifican algunos mínimos para ensayes de durabilidad, saturación-secado y ciclos de helada. De las Tablas 3 y 4 se puede ver que los máximos contenidos de cemento usuales por peso son del orden de 14 a 16 por ciento. Sin embargo, es posible que para alguna aplicación específica sea económico estabilizar con más cemento, hasta del orden de un 20 por ciento. Esto dependerá de las condiciones específicas de costo de la estabilización con cemento y de aguna otra
solución. Criterio para la selección del espesor compactado del diseño y verificación del espesor de construcción. general, el espesor de pavimentos flexibles se determina mediante pruebas de
valor soporte. Existen ya criterios adecuados para encontrar el espesor de pavimentos flexibles que no sean de suelo-cemento. Se puede decir que las profundidades compactadas de suelo-cemento varían desde 10 hasta 20 cm. y que generalmente son un poco mayores que las profundidades equivalentes de otros tipos de pavimento flexible. Otra indicación general que puede darse, es que la relación entre el espesor de un pavimento flexible al espesor de un pavimento de suelo-cemento, variará en relaciones a El dato anterior sería para pavimentos de suelo-cemento a los que no se cubre con una carpeta protectora, que sirven directamente al trafico. Por ligero que sea el trafico, el pavimento de suelo-cemento tiene menor resistencia a la abrasión que otros tipos de recubrimiento
bituminosos.
T ABLA 3 CONTENIDOS DE CEMENTO (USA)
Tiao de Suelo Grupo AASHO
Contenido de Cemen-
Rango Usual del tenido de Cemento % por volumen; por
Contenido de Cemen Para Ensayes con Ciclos de Helada. por peso)
Estimado Para Usarse en Ensayes de Humedad Densidad. por peso)
A-l-a
7
5
5
3
5
7
A-l-b
9
8
6
4
6
8
A-2
7-10
9
7
5
7
A-3
8-12
7-11
9
7
9
ll
A-4
8-12
7-12
10
8
10
12
A-5
8-12
8-13
10
8
10
12
A-6
10-14
12
10
12
14
A-7
10-14
13
10
13
15
Nota: Para horizontes A grises los contenidos de cemento mentarse en 4% y para horizontes A negros en 6%.
incre-
TABLA 4
CONTENIDOS DE CEMENTO (ISLAS BRITANICAS) CLASIFICACION TIPO DE SUELO
GF, SF, GW SW, GP, SP
Suelos arenosos y con grava Efecto del cemento
miento muy marcado
DE
CJ, CL MH
CL CH
Suelos limosos
Suelos arcillosos
Endurecimiento marcado
cimiento sustancial
Resistencia a la compresión mínima aceptable, kg Cubos de 10 cm
18
18
18
Cambio de volumen máximo permisible en pruebas de durabilidad
2
2
2
Pérdida de peso máx i m o admisible en pruebas de durabilidad
14
10
7
Contenido normal de cemento
6-10
8-12
10-15
Pt, OH, OL CH
con mucha arcilla y materia orgánica No pueden tratarse con éxito
- -
Fig.
final con rodillos neumáticos. S e compactor on 5 cm.
9. SUELOS ADECUADOS PARA SER ES-
TABILIZADOS CON CEMENTO.
Casi todos los suelos pueden ser endurecidos con cemento Portland. La aplicabilidad de un suelo puede ser juzgada antes de que se ha ensayado basándose en la graduación y en su posición en el perfil del suelo. Basándose en la granulometría, los suelos para suelo-cemento pueden ser divididos en tres grandes grupos: 1. Suelos arenosos, con gravas, arena y grava, y casi todos los materiales granulares se pueden endurecer con contenidos bajos de cemento, si contienen 55 por ciento o más de material que pase la malla NO. 4 y 100 por ciento del material que pase la malla de 3”. Materiales bien graduados pueden contener hasta 65 por ciento de material retenido en la malla No. 4 y tener suficien-
tes finos para que se endurezcan apropiadamente con el cemento. Los suelos arenosos y con grava, con 10 a 35 por ciento de limo y arcilla, tienen las características más favorables para la estabilización y requieren los menores contenidos de cemento. Estos suelos pueden ser manejados durante la construcción bajo una cantidad grande de condiciones ambiente distintas. 2. Arena de playa, algunos otros tipos de arenas, y arenas glaciales eólicas que son deficientes en finos, producen suelo-cemento de buena calidad, pero requieren un poco mayor contenido de cemento. Generalmente, suelos limosos y arcillosos producen suelo-cemento satisfactorio. Mientras más arcilla tenga el suelo, más difícil es pulverizarlo y mayor es el contenido de cemento requerido. Suelos arcillosos que tengan contenidos de arcillas (menores que
0.005 mm.) en exceso de 35 por ciento, lími líquidos en exceso de 50 por ciento, e de plasticidad en exceso de 20 por ciento son difíciles de pulverizar, y pueden requerir contenidos de cemento que los haga poco económicos para construir. Cuando los suelos tienen contenidos de arcilla y valores de plasticidad por arriba d límites anteriores, deben ser investigados cuidadosamente. Para mezclas de suelo modificadas con cemento, para suelo-cemento plástico, y para lechadas, se pueden aplicar las mismas reglas generales para el diseño anteriormente expuestas, salvo que los contenidos de cemento serán un poco menores dado que la aplicación es de una calidad inferior, excepto para suelo-cemento plástico que tiene las mismas propiedades y se necesita de él la misma calidad que el suelo-cemento típico.
10. CONSTRUCCION. Las actividades asociadas con la construcción de caminos de suelo-cemento, calles, aeropuertos, etc., se dividen en tres grandes campos: a) necesidades anteriores a la construcción, b) equipo de construcción y procedimientos, y c) control de la construcción. El inciso a) involucra especificaciones y estimaciones de costo. El inciso b) involucra el equipo y los procedimientos de construcción. El inciso c) trata sobre el control de las cantidades de materiales, mezclado, compactado acabado y curado para producir mezclas de suelo-cemento de un tipo y calidad predeterminados.
Especificaciones. a) El tipo de cemento, la cantidad y el contenido de cemento por lumen son las especificaciones estándar que se necesitan antes de la construcción. Por ejemplo, se puede especificar que 10 por ciento del cemento por volumen requiere un cierto número de sacos de cemento por metro cuadrado de suelo construido, o alguna otra medida que sea conveniente, se-
gún el tipo de construcción. Se especifica generalmente la calidad del agua, y también se especifica de un modo conveniente la granulometría que debe guardarse en todo el material del suelo durante la construcción. b) Equipo. Los requisitos generales para el equipo son que produzcan los resultados que se requieren para distribuir . el cemento, aplicar el agua, mezclar, compactar, acabar y usar. También es necesario que en ocasiones se use el equipo de pulverización antes de distribuir cemento.
Procedimientos de construcción. Los requerimientos generales son los siguientes: a. Pulverización del suelo de tal modo que al finalizar el mezclado húmedo, el 80 por ciento del suelo exceptuando la grava o la piedra retenida en la malla No. 4 para la malla No. 4 Esto permite una mezcla adecuada de los granos finos del suelo y del cemento. b. Aplicación del cemento uniformemente, restringiéndolo cuando el contenido de humedad excede el óptimo. Para esto es necesario controlar periódicamente el contenido de humedad. Así se puede obtener un mezclado eficiente y se minimizan grumos de cemento. c. Restricciones en el tiempo, para evitar endurecimiento parcial antes de la compactación, o una reducción en resistencia debida a la hidratación del cemento antes de la Debe preverse una operación continua de mezclado, de tal modo que la mezcla no permanezca sin moverse por más de 30 minutos; debe considerarse que toda el agua debe ser agregada a una zona dada de suelo dentro de un período de 3 horas, que exista un tiempo límite entre la distribución del cemento y la que no deberá exceder 6 horas, y también un tiempo límite para la compactación que no debe ser mayor de 2 horas.
d.
El control de la humedad en el tiempo de la compactación debe ser tal que en ningún caso la compactación se haga a menos de una quinta parte de la humedad óptima, para hacer la compactación y la hidratación ade-
precisar o dar una regla general sobre el costo, general, para un material que cumpla los requisitos generales para estabilizarse con cemento, se obtendrá un costo un poco más barato que con cualquier otro tipo de estabilización.
cuadamente. e. Control de la densidad, preferiblemente igual a la densidad máxima AASHO, pero no menor que una cierta cantidad tolerable menos que la máxima densidad, para asegurar la calidad del suelo cemento. f. El curado por medio de una protección contra la pérdida por humedad durante un período no menor de 7
Compactación. El equipo de depende del tipo de suelo. Deberán usarse, según las necesidades, res vibratorios, rodillos vibratorios, rodillos pata de cabra, de tres ruedas o neumáticos.
ll. CONTROL DE LA CONSTRUCCION.
EL
Las Tablas 5 y 6 muestran equipo típico para los distintos tipos de máquinas mezcladoras, así como los distintos pasos durante la construcción que deben seguirse dependiendo también del tipo de máquina
propósito del control es asegurar que la calidad de la construcción sea la especificada previamente. La calidad general de la construcción se puede juzgar en términos de la calidad del suelo-cemento, ya que éste está relacionado con su durabilidad y su resistencia. El control de calidad de mezclas de suelo-cemento consiste primero en el control de la calidad de los materiales individualidades -suelo, cemento, agua-, segundo en las proporciones que se usan de cada uno, y tercero en las operaciones de mezclado, compactado, acabado, curado. Los factores principales que gobiernan la calidad de la construcción y que pueden ser controlados durante ésta por medio de observaciones, ensayes y medidas son los
mezcladora.
siguientes:
La Tabla 7 muestra esquemáticamente los procedimientos de acabado según el tipo de suelo y el equipo con que se cuente. Las fotografías de las Figs. 9-13 muestran una secuencia de construcción de una
a. La condición de la base en la cual el suelo-cemento se va a compactar.
días. g. Para una aplicación normal debe cubrirse el suelo-cemento con una cubierta bituminosa, para protegerlo contra erosión. h. Las especificaciones pueden también requerir juntas de construcción y mantenimiento hasta que se coloque la carpeta 0 la superficie.
base.
Es difícil en un trabajo de este tipo dar alguna idea de los costos para un proyecto especifico. Los costos varían con el equipo disponible, con los acarreos, y con muchos otros factores que deben calcularse localmente. Al mismo tiempo, el costo de los materiales necesarios puede variar de una localidad a otra, haciendo aún más difícil
b.
Pulverización,
c. Contenido de cemento, controlado por medio de observaciones de las cantidades usadas y del método de aplicación. d. Contenido de humedad durante la compactación y durante el tiempo de curado. e. Mezclado, la uniformidad de la mezcla de cemento y de la humedad. f.
Compactación.
g.
Acabado.
h. La profundidad compactada final. i. El curado.
AB LA T
EQUIPO
PARA DISTINTAS MEZCLADORAS
MEZCLADORA
MEZCLADORA
MEZCLADORA
PLANTA
ROTATORIA
VIAJER A
VIAJER A
DE CORDON
PLANA
MULTIPLE
ESTACIONARIA
Preparación
Preparación
Preparación
1 motoconformadora c o n e sc ar ificado r+
1 motoconformadora, rodillos según sea
Preparación 1 Pulverizadora si
1
motoconformadora
querida 1
5
mezcladoras
motoconformadora
con
MEZCLADORA
necesario
rotatorias para pulverizar según las
escarificadora
necesidades
1 esparcidor de
dones
M anej o de cemento de carros por entero
M anej o de cemento de carros por entero
de carros por entero
1 transportador de cemento
1 transportador de cemento
1 transportador de cemento
1 carro tanque para
2 0 más camiones pa-
2 o más camiones de
cemento
ra cemento
1 balsnza portátil de
camión 1 esparcidor de ce-
mento
1 balanza portátil de
camión 1 esparcidor mecánico de cemento del ancho apropiado
A pli cación y mezclado
1. mezcladora viajera
1 bomba de agua
1 bomba de agua
1 esparcidor para el
2 0 más camiones ra
mezclado
cemento
plana
M ezcl ado 1 planta estacionaria, del tipo de ollas o de flujo continuo con dispositivos y espacio para alma-
cenamiento,
1. balanza portátil de
camión 1 distribuidor mecánico de cemento del
ancho
j o y miento agua y
de
manesuelo,
apropiado
A pli cación y mezclado A pli cación y mezclado de agua de
1 mezcladora viajera de cordón
cordón
Manejo de cemento
Mezcladoras
vas, según las 1 bomba de agua
Colocación
Camiones de rreo, según sea
2 cajas distribuidoras
2 o más distribuidoras de agua a presión 0 según las
Compactación El equipo de compactación depende del tipo de suelo. Deberán usarse, según las nece-
sidades, compactadores vibratorios, rodillos vibratorios, rodillos pata de cabra, de tres ruedas o neumáticos.
6
AB LA T
PROCEDIMIENTOS
DE
CONSTRUCCION
PARA
LOS
DIFERENTES
TIPOS DE EQUIPO DE MEZCLADO
M ezcladora viajera de
cordón
A. Preparación
rotatoria
Mezcladora viajera
Preparación
A. Preparación
Formar a corona y
1. Dar forma al camin o (corona y ra
1, Dar forma al cami-
2. Aflojar el suelo hasta la profundidad de diseño si es necesario y refor-
2. Escarificar el suelo
Con suelo
no (corona y ra-
sante)
el suelo
3. Pulverizar el suelo si es necesario
4. Formar cordones
A. Preparación Con suelo de préstamo
Con suelo del lugar
2.
mezcladora
plana
Con suelo del lugar
rasante
Planta
3. Pulverizar el suelo
1. Dar forma de base a corona y ra-
sante
2. Compactar la
base
si es necesario
mar
4. Humedecer el suelo previamente si es necesario 5. Formar el suelo
preparado
Con suelo de tamo 1. Formar de subbase a rasante corona
Con suelo de pr és-
Con suelo de
tamo
tamo
1, Formar de subbase a corona y rasante
1. Formar de subbase a corona y rasante
2. Compactar subbase 2. Compactar subbase 2. Compactar subbase 3. Colocar suelo de 2. Colocar suelo de 3. Colocar suelo de nréstamo 4.
cordones
B. Proceso para el
suelo-cemento
4. Formar suelo de
4. Formar suelo de
B. Proceso para el
Proceso para el suelo-cemento
B. Proceso para el
1. Distribuir el ce-
1. Mezclar suelo, cemento y agua en
préstamo
suelo-cemento
1. Distribuir el ce-
1. Distribuir el
2, Mezclar y aplicar
2 . Mezclar
mento
3. Distribuir el cordón ya mezclado 4.
Compactar
5 . Acab ar 6.
Curar
mento
y aplicar
agua 3 . Compactar 4 . Acab ar 5 . Curar
préstamo
mento
2 . Mezclar,
aplicar
agua y mezclar
Compactar 4 . Acab ar
3.
5.
Curar
suelo-cemento
planta 2. Transportar al sitio y distribuir 4. Compactar 4. Acabar 5. Curar
T ABLA 7 ACABADOS SEGUN
SUELO Y EL EQUIPO DE COMPACTACION
Para la mayoría de Para mezclas de de mezclas de suelo- ja plasticidad con cha grava cemento compactados con rodillos pata de das con rodillo pata
cabra
cabra Remover los planos de compactación con rastrillo o
rramienta
parecida,
al mismo tiempo que se forma con
motoconforma d
a
Pasar rodillo
Alternativa A
agua
según sea ne-
1 El material ya debe estar colocado a la rasante
aplicando
de s (c) Se puede usar un tren de rodillos de acero antes de la pasada tima con los
ticos
de arrastre después
3. Rascar con 4 . Escoba de arrastre
A lt ernati va B (a) 1. Formar con conformadora (b) 2. Cubrir y nivelar con mezcladora rotatoria hasta 5 cm
cesario (b) Se usa a veces escoba de arrastre para nivelar los bor-
dora
3. Escoba de arrastre 2. Pasar rodillo neumático con escoba 4. Pasar rodillos neu-
acero
conformadora
1 i ge rament e
1. Rascar áreas altas con motoconforma2. Pasar rodillo neumático (a)
2. Pasar rodillos de
conformadora
Aplicar
Remover los planos de compactación mo tiempo áormar con motoconformadora (a)
agua según sea
Pasar con rodillo neumático (a) (b)
Mezclas granulares gruesas compactadas con 3 rrodillos de 12
pesados
con rastrillo. al mis-
conformadora
Rascar con
(a)
neumáticos 1.
1. Formar con
máticos
mático
Para suelos arenosos con pocos pactados con rodillos
3. Pasar acero
rodillo de
4. Pasar rodillo neumático (b) (a) Solamente para mezclas
granulares gruesas
muy
(b) Aplicación de agua
según sea necesario
5 . Pasar rodillos neumáticos (a)
1 Por ejemplo arena de duna (a)
Aplicación ligera de agua según sea ne-
cesario
y corona antes de la compactación. El material para este pr o c e di miento p ued e contener hasta que pase la
malla No 200 con bajo PI (a) Aplicación ligera
de agua segím sea necesario.
En la Tabla 8 se hace una lista de los ensayes recomendables durante la construcción y después de la construcción, para tener un control de la obra y recibir el beneficio de la experiencia de la obra ya realizada. Algunos de los ensayes mostrados en la Tabla 8 son los mismos que se recomendaron anteriormente para el diseño de la mezcla.
12. EXPERIENCIA EN MEXICO SOBRE LA UTILIZACION DE SUELOS ESTABILIZADOS CON CEMENTO.
EN
general, se ha empleado poco en México el cemento como elemento de estabilización de suelos. Los casos de que se tiene noticia son contados. Sin embargo, existen zonas extensas donde su empleo es indicado, como la zona del Sureste de la República, especialmente en el Estado de co y al Sur de Veracruz, donde escasean los materiales para bases y sub-bases, y es
grande la existencia de materiales plásticos. Un ejemplo es el tramo de camino que va de Coatzacoalcos a En la zona mencionada anteriormente, el cemento se ha empleado con éxito para la construcción de bases y sub-bases, combinado en cantidades pequeñas (de 2 a de contenido de cemento por peso volumétrico seco) con suelos de alta plasticidad. El objeto ha sido reducir la plasticidad de éstos y lograr materiales que alcancen los valores exigidos en las especificaciones. También se ha empleado el to en algunas obras de canalización como elemento protector a la acción erosiva del agua. La información que se tiene es escasa por lo que respecta a las características del suelo-cemento. Actualmente se planea usar suelo-cemento en una zona localizada al Noreste de la República, donde resulta costoso el empleo de materiales granulares para bases. I ng. Juan Ramos Medina. El USO de Materiales Estabilizados en la Pavimentación de Caminos.
---AGRADECIMIENTOS La Fig.
gentilmente por el Sr. Roads de Washington. Se adaptó tradujo con su permiso. Las Figs. Tablas 2-8 porciones de algunos incisos han sido traducidas con permiso de Ea casa editora del Engineering 1960. Book Co., Inc.
del
fue
T A B L A
PRUEBAS DURANTE Y
OBSERVACION
0
1.
Contenido de humedad y densidad
2.
Pulverización
3. Relaciones densidad de mezclas de 4.
suelo-cemento Contenido de humedad y densidad de
mento 5.
Contenido de cemento
6.
Eficiencia de mezclado
DE LA
PROPOSITO
REFERENCIA
PRUEBA
A. Durante la construcción
8
1. AASHO T
1.
Ayu da a determina r la profundidad de mezclado y la cantidad de agua
2.
Determinar si se están cumpliendo las especifi-
2. Pasar a través de la No. 4 3. AASHO T 134, ASTM D 558 4. 5.
6.
Igual que 1 134, A S T M D AASHO Resistencia a la compresión, ASTM
for testing Soils”
caciones 3.
Formar las especificaciones Determinar si las especificaciones se cumplen
5.
Para verificar la aplica-
ción del cemento y la uniformidad del mezclado 6.
Para determinar la efectividad del mezclado
comparando resistencia a la compresión de menes de laboratorio y
campo B . Después de la construc-
ción
1.
Contenido de cemento
2.
Contenido de humedad
3 . Resistencia a la compresión de corazones 4 . Saturación-secado de co-
razones 5.
Ciclos de heladas en
T 144, ASTM Secar a peso constante a
1.
Igual que A. 5. arriba
2.
Determinar la pérdida de humedad durante el
curado
4, 5. T 135, T 136 y ASTM res for Testing Soils”
Medidas
4, 5. Verificar la efectividad del
miento de agua y cemen-
visuales
to, y del mezclado compactado y acabado
razones 6 . Medidas de ancho y es-
paciamiento de grietas
6.
Proveer información bre de agrietamiento para me jorar futuros diseños
del Como en todas las instituto que se presenten, los libros mencionados están a la disposición del público en Biblioteca del
ANOTADA
1. Johnson, A. W., stabilization”, Sección 21 del Manual de Ingeniería de Caminos, Woods. El manuscrito de esta publicación sirvió de base a la Ref. 2 y entre ambas forman el compendio más importante de suelo-ce-
mento. Véase también “Soil stabilization with Portland Cement”, boletín 292 del Highway Research Board, Washington (1961) . 7 . . .
l
construction book”, Portland Cement Association. Incluye descripción sobre preparación, tipos, características y control del suelo-cemento, así como recomendaciones sobre construcción de caminos, calles, pavimentación de aeropuertos, acondicionamiento de pavimentos xibles, modificación de suelos con cemento y aplicación en sub-bases para pavimentos de concreto.
laboratory 3. . . . Portland Cement Association. Métodos para probar suelo-cemento. Selección de contenidos de cemento. Se hace una descripción de pruebas y especificaciones para proyectos de importancia así como métodos simplificados para proyectos de pequeña magnitud. Contiene nomogramas y datos de algunas experiencias.
Mechanics for road 4. . . . neers”, Department of Scientific and Industrial Research, Road Research Laboratory, Londres (1952). Contiene métodos de identificación y clasificación de suelos, pruebas químicas de suelo y agregados, métodos de estabilización con cemento y por otros métodos. Incluye también conceptos fundamentales de Mecánica de Suelos y equipo de laboratorio. 5.
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... of soil and calcium ridead mixtures soil-cement mixtures”, Portland Cement Association. Métodos para mejorar suelos arenosos que reaccionan lentamente ante la adición de porcentajes usuales de ce-
tima. Se incluyen datos sobre ángulo de fricción, cohesión, módulos de elasticidad y módulo de Poisson. 8.
9.
10.
ll.
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Handy, R. L. y Davidson, D. T. “Cement Requirements of Selected Soil Series Iowa”, HRB 26 7
bles que a continuación se mencionan en relación con el mezclado de cemento Portland y un limo arcilloso. Uniformidad de la mezcla, resistencia a la compresión del suelo-cemento resultante, tiempo de mezclado y energía necesaria para el mezclado.
Diamond, S. y Kinter, E. B., rapid method of predicting the Portland ment requerement for stabilization of plastic plastic soils”, soils”, HRB HRB 198 (1958). Relación entre el requisito de cemento y el, área específica del suelo.
36.
37. Sherwood, P. T., “Effect of sulfates cement-stabilized HRB 198 (1958). Se estudia el efecto nocivo de sulfatos en mezclas de arcilla y cemento, que puede resultar en la completa desintegración del material. 38 .
Handy, R. L., “Cementation of soil with Portland cement lis”, 198 Estudio de ligas mecánicas y químicas que se desarrollan entre el cemento y las superficies minerales. Las ligas químicas se vuelven más importantes tratándose de materiales finos.
39. Handy, R. L., Davidson, D. T. y T. Y., “Effect of Petrographic variations of Southwestern Iowa stabilization with Portland cement”, HRB 98 (1955). 40.
Baker, C. N., “Strength of Soil-cement as a function of degree of mixting”, HRB 98 (1955). Investigación de laboratorio sobre influencia de las siguientes variables al mezclar cemento Portland con limo arcilloso: uniformidad de la mezcla de suelo y cemento, resistencia a la compresión del suelo-cemento resultante, tiempo de mezclado y energía acumulada necesaria para el mezclado.
41. Handy, R. L., Davidson, D. T. y T. Y., “Effect of petrographic variations of southwestern Iowa stabilization with Portland cement”, HRB 98 (1955). Comparación entre el comportamiento de cuatro diferentes muestras de al estabilizarlas con cemento Portland. 42. Baker, C. N., “Strength of soil-cement as a function of degree of mixing”, HRB 98 (1955). Investigación de laboratorio incluyendo las varia-
43. Handy, R. L., Jordan, J. L., Maufre, L. y Davidson, D. T., “Chemical treatments for surface hardening of soil-cement and soil-lime-fly HRB 241 (1959). Tratamiento superficial a base de cloruro de calcio, hidróxido de sodio, carbonato de sodio y silicato de sodio para aumentar la resistencia de la parte superior y evitar la necesidad de una superficie de desgaste bituminosa. 44. Lambe, T. W., Michaels, A. S. y Moh, z. c., “Improvement of soil-cement with alkali metal compounds”, HRB 241 (1959). Se probaron suelos de muy diversos tipos para determinar su respuesta a la estabilización con cemento Portland en presencia y ausencia de un grupo de compuestos alcalinos a baja concentración. El suelo-cemento químicamente modificado ofrece considerables perspectivas como un método económico de estabiliza-
ción. 45 .
. . .“Silos elevados de suelo-cemento Portland”, Instituto del Cemento Portland Argentino (1957). Folleto de divulgación sobre construcción de silos y elevados con pared de to. Incluye datos sobre ejecución y control de la obra.
46.
R. J. y J. D., luation of strength properties of vera1 soils treated with admixtures”, HRB 282 (1960). Estudio de estabilización de suelo con varios agentes. Se usó la resistencia a la compresión para valuar la estabilidad, en cinco suelos de propiedades físicas muy diferentes. Las pruebas de resistencia a la compresión demostraron que el cemento Portland fue el estabilizador más eficaz.
