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El suelo-cemento es el resultado de una mezcla de suelo pulverizado con determinadas cantidades de cemento portland y agua que se compactan y curan, para obtener densidades altas y para que se produzca su endurecimiento más efectivo. De esta forma se obtiene un nuevo material resistente a los esfuerzos de compresión prácticamente impermeable termo aislante y estable en el tiempo (Berry & Reid, 2014).

Desde hace varios años se viene empleando en diversas partes del mundo el suelo cemento, en la construcción de base y sub-base de carreteras, caminos vecinales, calles y en la construcción de edificaciones de viviendas.

De los tres componentes del suelo-cemento, que son el suelo, cemento y agua el del mayor volumen y más complejo es el suelo, en su empleo como material de construcción, el suelo se clasifica en dos grandes grupos; los suelos finos, que están compuestos por arcillas y limos y los suelos gruesos formados por arenas y gravas. Estos dos grupos se dividen en diferentes subgrupos, para esto se debe tomar en cuenta la granulometría o los diferentes tamaños de partículas que contienen y la plasticidad que tienen con diferentes contenidos de humedad (Quintanilla, 2013).

Basado en los sistemas de clasificación se pueden abarcar una gran mayoría de los suelos creados por la naturaleza en un reducido número de subgrupos y con relativa facilidad obtener una considerable información sobre cada suelo en específico.

SUELOS APTOS PARA MEZCLAS DE SUELO-CEMENTO

Según (Castellano, Bonavetti, & Irassar, 2013), prácticamente todos los suelos pueden ser empleados para producir suelo-cemento con la lógica excepción de la capa vegetal, sin embargo, cuando se requiere ejecutar una mezcla con calidad y consumo mínimo de cemento, el número de suelos aptos se reduce. Esto se debe a que no todos los suelos son aptos para mezclar con cemento y lograr la calidad indicada para construir ya sean carreteras o edificaciones de viviendas.

Para la estabilización de suelo-cemento se consideran suelos aptos para mezclas aquellos cuyos consumos de cemento en peso se encuentren entre 5 y 12% con respecto al peso del suelo, teniendo un suelo apto se puede tener una absorción de agua adecuada y alcanzar las resistencias necesarias en el menor tiempo posible. Además se requiere que el material permita la producción de los elementos a fabricar ya sean carreteras o viviendas.

Generalmente los suelos aptos son aquellos que tienen similares proporciones tanto de suelos gruesos como de suelos finos, sin que predomine algún determinado tamaño. De igual forma su plasticidad debe ser tal que aporte una determinada cohesión a la mezcla, lo que mejora la trabajabilidad y aumenta el aislamiento térmico sin que se produzcan agrietamientos por contracción (Martinez, 2012).

De acuerdo con (Toirac, 2011), existen los suelos eficientes que  son los que naturalmente reaccionan perfectamente ante una proporción relativamente pequeña de cemento y entre estos podemos citar los suelos arenosos y suelos con grava, los suelos arenosos con deficiencia de partículas finas y los suelos limosos y arcillosos con baja plasticidad.

También están los suelos deficientes que son los que naturalmente no reaccionan bien ante una proporción relativamente pequeña de cemento, es decir, necesitan mucho cemento para poder endurecer y entre estos podemos citar los suelos limosos y arcillosos con alta plasticidad y los suelos orgánicos.

MEZCLAS DE SUELO-CEMENTO

Cuando los suelos que abundan en una determinada zona no cumplen con la granulometría especificada por exceso o defecto de alguna fracción (fina o gruesa) siempre es posible añadir otro suelo para lograr la mezcla deseada (Barros, 2012).

Por ejemplo, si se diera el caso de un suelo con demasiado contenido de fracciones gruesas y poca o ninguna fracción fina, sería necesario encontrar otro suelo que al contrario tuviera bastante arcilla para mezclarlo con el suelo granular y obtener un suelo eficiente o ideal para tener una mezcla de suelo-cemento de calidad.

De esta forma se obtiene un nuevo suelo que sí nos cumple con el rango granulométrico (sin exceder los requisitos de plasticidad) y es apto para obtener una buena mezcla  de suelo-cemento (FICEM, 2012).

SUELO MEJORADO O MODIFICADO CON CEMENTO

Se usa en subrasantes o explanadas y se define como una mezcla de suelo y una cantidad pequeña de cemento, generalmente inferior al dos por ciento en peso, añadida con el fin de mejorar algunas propiedades de los suelos. Al contrario que el suelo-cemento, la mezcla resultante sigue teniendo la estructura de un material suelto a corto plazo. La mejora o modificación con cemento se usa generalmente con suelos de grano fino, plásticos y a veces con humedades naturales excesivas con dificultades de compactación, expansividad y baja capacidad de soporte. El conglomerado modifica sus características a corto y largo plazo de forma moderada, pasando a ser suelos utilizables (Ahmed, 2013).

Por su limitada o nula resistencia mecánica se recomienda su uso en subrasantes de pavimentos de tráficos ligeros y medios. Para el caso de tráfico pesado y de alto volumen, se sugiere colocar una subrasante de mayor capacidad de soporte sobre el suelo modificado con cemento.

SUELO ESTABILIZADO CON CEMENTO

Así como el suelo mejorado o modificado con cemento, el suelo estabilizado con cemento se usa también en subrasantes o explanadas, especialmente en estructuras de pavimentos para tráficos pesados. Es una mezcla de suelo, cemento y agua, con un contenido mínimo de cemento en peso del dos por ciento, a fin de obtener un material dotado de una cierta rigidez y resistencia mecánica (Norambuena, 2015)

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SUELO - CEMENTO PLÁSTICO

Consiste en una mezcla de suelo fino, cemento y agua o aditivos suficientes para conseguir una consistencia fluida. Este material se engloba dentro de los denominados Materiales de Resistencia Controlada por el Comité 229R del American Concrete Institute (ACI). Una de las aplicaciones de este material es en la construcción de bases de pavimentos, en cuyo caso se usan mezclas plásticas y no fluidas, diseñadas de tal forma que se puedan colocar y enrasar fácilmente teniendo además la menor contracción posible. Los valores de resistencia a compresión simple sugeridos por el ACI en capas de base de suelo-cemento plástico varían entre 3 y 8,5 MPa (American Concrete Institute s.f.).

BASE GRANULAR TRATADA CON CEMENTO

Según la Portland Cement Association (s.f.) la define como una mezcla de agregados pétreos, cemento Portland y agua, que endurece después de ser compactada y curada para formar un material de pavimento durable. Se usa como capa de base en estructuras de pavimentos, siendo necesaria una capa de rodadura bituminosa o de concreto hidráulico.

Las propiedades estructurales de bases granulares tratadas con cemento dependen de los agregados, del contenido de cemento, de las condiciones de compactación y de curado, y de la edad. Es importante mencionar que las bases granulares tratadas con cemento son conocidas también con los nombres de bases tratadas con cemento o bases de agregados estabilizados con cemento.

PAVIMENTO UNICAPA DE ALTO DESEMPEÑO

Son una estructura de pavimento formada por una sola capa usando el suelo existente en el camino, mezclado con un porcentaje de cemento Portland de entre 11 y 20% en peso, que compactada al porcentaje de diseño es capaz de soportar las cargas y el desgaste producido por el tráfico, proporcionando a la vez una superficie de rodaje adecuada.

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CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS PARA MEZCLAS DE SUELO - CEMENTO

En la clasificación de los suelos existen dos posibilidades para mezclas de suelo-cemento, el método de laboratorio (preciso), y el método de campo (poca precisión).

Según sea la necesidad de clasificar suelos para un plan de construcción de varias obras o que se requiera para una obra aislada, se tomaría el método de laboratorio o de campo respectivamente (Valdez, 2014).

Las diferencias fundamentales serían que con los métodos de campo siempre habría que emplear un porcentaje de cemento mayor en la mezcla y la garantía de calidad se reduce con relación al método de laboratorio.
Dosificación del Cemento:

Si mediante la granulometría y la determinación de los límites de Atterberg se ha procedido a la clasificación del suelo de acuerdo a la H.R.B.

Existen dos formas o métodos para estabilizar con cemento Pórtland, una es la llamada estabilización del tipo flexible, en el cual el porcentaje de cemento varía del 1 al 4%, con esto solo se logra disminuir la plasticidad y el incremento en la resistencia resulta muy bajo, las pruebas que se les efectúan a este tipo de muestras son semejantes a las que se hacen a los materiales estabilizados con cal.

Otra forma de mejorar el suelo con cemento, se conoce como estabilización rígida, en ella el porcentaje de cemento varía del 6 al 14%, este tipo de mejoramiento es muy común en las bases, ya que resulta muy importante que éstas y la carpeta presenten un módulo de elasticidad semejante, ya que con ello se evita una probable fractura de la carpeta, ya que ambos trabajan en conjunto; para conocer el porcentaje óptimo a emplear se efectúan pruebas de laboratorio con diferentes contenidos de cemento.

Ensayos a Realizarse:

1. Lo primero que hay que hacer es identificar el suelo. Se deben realizar sondeos para determinar los diferentes tipos de suelos, ya que cada tipo requerirá diferentes dosificaciones de cemento.

2. Determinación del contenido mínimo de cemento y la humedad óptima de compactación, con lo siguiente:

a) Se toma una muestra de suelo, se seca y se pulveriza hasta que pase por el tamiz #4 para los suelos finos y se mezcla con diferentes contenidos de cemento (entre 8% y 16% por volumen).

b) Para cada contenido de cemento se preparan 4 probetas compactadas a densidad máxima, dos para la prueba de humedad y secado y dos para la prueba de resistencia a la compresión a diferentes edades. Todas se dejan fraguar en cámara fría por 7 días.

c) Pasados los 7 días, las dos probetas destinadas a la prueba de humedad-secado se sumergen en agua a temperatura ambiente por 5 horas, se sacan y secan al horno a 70ºC por 42 horas. Este proceso de inmersión y secado se repite hasta un máximo de 12 veces y luego de cada ciclo una de las probetas se pesa y se le determina el grado de absorción a la otra, se limpia pasándole un cepillo metálico enérgicamente, eliminando todo el material suelto y luego de pesa obteniéndose el porcentaje de material disgregado después de cada ciclo.

Las probetas destinadas a la prueba de compresión se someten a la misma después que éstas tengan de uno a cuatro días de curado. Siempre la resistencia debe aumentar con el tiempo.

La dosificación mínima de cemento será la que cumpla con lo siguiente:

-La pérdida máxima de material disgregado durante los 12 ciclos de inmersión-secado será:

14% para los suelos A-1, A-2-4, A-2-5 y A-3

10% para los suelos A-4, A-5, A-2-6 y A-2-7

7% para los suelos A-6 y A-7

-La resistencia a la compresión debe aumentar con la edad y con el contenido de cemento.

-El cambio volumétrico en cualquier momento de la prueba de humedad-secado no debe ser superior a un 2% del volumen inicial.

-El contenido de humedad en todo tiempo no debe ser mayor que el necesario para llenar los vacíos de la probeta en el momento de ser fabricada.

PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO:

1. Limitación de la Zona de Trabajo: La zona de trabajo deberá limitarse de acuerdo con la disponibilidad de equipos de compactación, debido a que cada tramo deberá terminarse antes de que la mezcla comience a ganar resistencia. Se despeja la zona del camino de piedras grandes, plantas y materia orgánica, se excava hasta encontrar terreno firme que servirá de apoyo a la base. La resistencia del cimiento determinada deberá contar con un CBR de al menos 20%.

2. Pulverización del Suelo: Si además de suelo nativo se utiliza suelo de aportación, éste deberá esparcirse sobre la superficie en cantidad suficiente para lograr la proporción adecuada de la mezcla, posteriormente se procede a escarificar y mezclar los materiales, procurando una mezcla homogénea. Si solo se usa suelo nativo se procede a cortar el material a la profundidad de la capa a estabilizar, para esto se pasa varias veces el escarificador o discos de arado rotatorio. Si el suelo es arcilloso, presentará resistencia a pulverizarse, por lo que será necesario romper los terrones antes de pulverizarlo; si está muy húmeda formará una masa pastosa difícil de mezclar lo que encarecerá el proceso; y si es arenoso conviene humedecerlo antes de echarle el cemento para que éste no pase por los huecos a la parte inferior en detrimento de la dosificación en el resto de la capa. En todo caso, el material se reducirá al mínimo tamaño sin romper las partículas ya que los grumos o terrones no tendrán cemento y se convertirán en elementos débiles del firme ya estabilizado. Una vez pulverizado el suelo se reconstruye el perfil para que quede con las dimensiones dadas antes de la operación.

3. Distribución del Cemento: La distribución del cemento se puede hacer mecánicamente, pero la forma más adecuada para lograr una distribución uniforme es haciéndolo manualmente y utilizando el cemento bolsas. Conviene comenzar la distribución del cemento a una hora del día en que la temperatura no sea inferior a los 5ºC y se espere que vaya en aumento; se hará de tal modo que la cantidad de cemento por unidad de superficie responda aproximadamente a la dosificación establecida. Si se hacen por sacos, éstos se colocarán en hileras y filas regulares con la separación necesaria para la dosificación. Luego se abren los sacos o fundas y se deposita el cemento en el lugar en que se hallan formando pequeños montones. Como el cemento se agrega de acuerdo a un porcentaje por volumen entonces, podemos determinar el volumen de suelo a estabilizar en cada tramo:

V = L x A x E

Donde:    V = el volumen del suelo a estabilizar        L = la longitud del tramo

A = el ancho de la franja                E = el espesor de la capa

Conocido el volumen de suelo lo multiplicamos por el porcentaje de cemento y obtenemos el volumen total de cemento. Conocida la cantidad de fundas de cemento a usar el área sobre la que se va a distribuir entonces podemos hacer la distribución, colocando las fundas equidistantes una de otra. Luego se esparce el cemento de forma uniforme y se procede a mezclar.

4. Mezclado Uniforme: La mezcla deberá ser homogénea y para lograrlo se debe pasar varias veces el escarificador hasta la profundidad deseada, también se usarán discos rotatorios de arado hasta que se determine un mezclado total. Hay dos tipos de mezcla: Mezcla en Seco y Mezcla Húmeda. La Mezcla Seca consiste en una vez distribuido el cemento se procede a mezclarlo con el suelo hasta lograr la homogeneidad requerida. La Mezcla Húmeda es la más usada y es en la que a la mezcla se le adiciona agua.

5. Adición del Agua: El agua es esencial para hidratar el cemento y para facilitar la compactación, al ésta entrar en contacto con el cemento en poco tiempo se producirá una reacción química y desprendimiento de calor; esto a su vez provocará evaporación del agua incorporada, de modo que para lograr mantener la humedad óptima de compactación a la mezcla se agregará un 3% de agua adicional al porcentaje óptimo obtenido en laboratorio para éste tipo de suelo. La distribución del agua debe ser uniforme en toda la extensión de la zona cuidándose de que no quede depositada en huecos. Después de esto, se hará una pasada de las herramientas o máquinas de que se disponga para que la mezcla quede removida hasta lograr que sea homogénea comprobándose el contenido de agua para que por defecto o por exceso no difiera de la humedad óptima en más del 10%.

6. Compactación: Inmediatamente se comienza la consolidación de la capa formada hasta lograr una densidad igual cuando menos a la Proctor. La compactación se realiza partiendo de los bordes hacia el centro excepto en las curvas con peralte. Durante la compactación debe mantenerse el contenido de agua dentro de los límites. Como casi siempre los suelos que se estabilizan son finos, el compactador adecuado es la pata de cabra. Cuando el suelo que se estabiliza es grava-arena, entonces el rodillo adecuado es aquel que cuenta con un rolo vibrador y llantas en el eje motor. A continuación de la última pasada de la máquina que se emplee es preciso que la niveladora restituya el perfil si éste ha quedado ondulado. En tal caso es preciso humedecer de nuevo el suelo suelto y volver a compactarlo.

7. Terminación: Una vez completada la compactación se procede a perfilar la superficie dejando la pendiente transversal o bombeo deseada, luego se da un par de pasadas de un rodillo liso de 3 a 12 tons., dependiendo del tipo de suelo.

8. Curado: El agua es muy importante en el proceso de endurecimiento del cemento; por lo tanto, debemos preservarla evitando su evaporación, para ello, se debe hacer un riego asfáltico en proporción de 0.15 a 0.30gls/m2, el cual se puede hacer con RC-2 o emulsión de rompimiento rápido. Si la capa estabilizadora va a servir a un tránsito ligero o medio entonces se colocará la capa de rodadura que puede consistir en un doble tratamiento superficial. SI va a servir de apoyo a un pavimento de alta calidad se aconseja que el mismo se construya después de que el cemento haya alcanzado un alto grado de resistencia.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ahmed, F. (2013). Ground improvement using soil–cement columns: Experimental investigation. Alexandria Engineering Journal, 733-740.

Barros. (2012). Resistencia sísmica del suelo-cemento post tensado en construcciones de baja complejidad geométrica. Revista de la construccion, 26-38.

Berry, P., & Reid, D. (2014). Mecanica de suelos. Manchester.

Castellano, C., Bonavetti, V., & Irassar, E. (2013). Cementos Mezclas. Concreto y Cemento. Investigacion y Desarrollo, 2-14.

FICEM. (2012). Suelo-cemento.

Martinez, J. (2012). EVALUACIÓN DEL MEJORAMIENTO DE SUELOS ARCILLOSOS EMPLEANDO MATERIALES CEMENTANTES. Veracruz, Mexico.

Norambuena, J. (2015). Water retention curve of soil-cement composite material. Ingeniare. Revista Chilena de Ingenieria, 647-654.

Quintanilla, C. (2013). EL ESTADO DEL ARTE DEL SUELO CEMENTO EN ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS. Instituto Salvadoreño del Cemento y del Concreto, 5-18.

Toirac, J. (2011). El suelo-cemento como material de construccion. Ciencia y sociedad, 520-571.

Valdez, V. (07 de Mayo de 2014). academia.edu. Obtenido de http://www.academia.edu/8929938/EL_AGUA_PARA_CONSTRUCCION

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INSPECCIONAN NOVEDOSO SISTEMA DE ESTABILIZACION

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ESTABILIZACION DE SUELOS PARA CARRETERAS Y AUTOPISTAS

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Aplicación del suelo-cemento como material para la reconstrucción de las carreteras en la provincia de Manabí, Ecuador.

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MODALIDAD DE GRADUACION
AUTORES:

CAYETANO LUCAS GEMA MELISSA

MENDOZA ARTEAGA KAREN MONSERRATE

FLOREZ DE VALGAS  MOREIRA JOSHUA ALEXANDER

CATEDRATICO :
LIC. LETTY ARACELY DELGADO CEDEÑO