El ISCYC ha usado la información dada por institutos miembros
de la FICEM y la experiencia propia, para hacer un documento que expone
el estado de la práctica que tiene el suelo-cemento en diversos
países, y que reúne y analiza los resultados más
significativos, procedentes de investigaciones que son la base para
una mejor comprensión y conocimiento en el uso de este tipo de
material, específicamente en estructuras de pavimentos.
En este sentido, se agradece la colaboración de los Institutos
del Cemento y Concreto miembros de FICEM así como de entidades
privadas y gubernamentales del país y de profesionales amigos
del ISCYC.
Desarrollo histórico
El hombre ha usado tanto la cal como diversos aglomerantes puzolánicos
en la estabilización de suelos cohesivos. En civilizaciones como
la Inca o la Azteca los caminos estabilizados fueron clave para el desarrollo
de diversas actividades. Ya en el siglo XX se lograron avances en la
producción de conglomerantes y en el desarrollo de equipos de
construcción y técnicas de ejecución. Con el tiempo,
se crearon las condiciones óptimas para la realización
de muchos experimentos en mezclas de suelo y cemento que mostraron las
posibilidades de aprovechamiento de los suelos existentes, modificados
en mayor o menor grado por la mezcla de los mismos con cemento Portland
y agua y su posterior compactación.
La aplicación del suelo-cemento empezó a estudiarse metódicamente
entre 1910 y 1920. En Inglaterra, en 1917, Brooke Bradley empleó
con éxito una mezcla de cemento con suelos arcillosos en la construcción
de carreteras. Sin embargo, a pesar de los excelentes resultados, la
técnica no fue usada posteriormente. En los Estados Unidos, el
uso del suelo - cemento se incrementó a partir de la patente
de Joseph Hay Amies en 1917, de una mezcla de suelo con cemento llamada
Soilamies. El esfuerzo conjunto de la Portland Cement Association (PCA),
el Bureau of Public Roads y el Highway Department del estado de Carolina
del Sur contribuyó al desarrollo tecnológico de la estabilización
de suelos con cemento, realizando diversos tramos experimentales de
carreteras entre 1930 y 1940.
Tramo La Flecha La Herradura,
en El Salvador, construido en 1953 utilizando base de suelo-cemento.
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Pruebas de campo en el tramo La Flecha
La Herradura.
Proyecto de investigación realizado en 1995.
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Después de la Segunda Guerra Mundial se inician en España
y Latinoamérica las primeras experiencias con suelo-cemento aplicado
en carreteras, siendo Argentina, Colombia y El Salvador ejemplos de
países con más de 50 años de experiencia en la
construcción de caminos de este tipo.
En la actualidad existen modernos equipos estabilizadores, recicladores
de gran potencia y rendimiento, distribuidores y dosificadores de cemento
que facilitan el trabajo en campo y garantizan la calidad de mezclado
y colocación. Aún existen retos por superar referente
al conocimiento de este material, si bien el trabajo de investigación
continúa en diversos países.
El suelo-cemento en la actualidad
Existen diversas razones que actualmente determinan un mayor uso del
suelo-cemento en la construcción de estructuras de pavimentos.
Tanto consultores como entidades encargadas de la administración
vial coinciden en que la demanda de un transporte de calidad requiere
una mayor durabilidad de los materiales, estructuras de pavimentos y
subrasantes.
Para lograr la misma, es indispensable contar con estructuras de pavimento
con capas de elevada capacidad de soporte y resistentes a los agentes
atmosféricos. Otra razón para usar suelo-cemento en carreteras
es el aspecto de protección del medio ambiente, el cual cada
vez impone mayores limitaciones para la búsqueda y explotación
de bancos de materiales, práctica por muchos años utilizada.
Finalmente, la posibilidad de reducir espesores de capas que conforman
la estructura del pavimento sin disminuir la capacidad estructural de
la misma, es uno de los logros que pueden obtenerse de las características
que tiene el suelo-cemento, debido a su relativamente elevado módulo
de elasticidad. Esto se traduce en ahorros de materiales y aumento en
los rendimientos de construcción. Debido a las múltiples
ventajas que tienen los suelos tratados con cemento, diversos países
lo aplican de forma casi generalizada.
Por ejemplo, en El Salvador, el 95% de los caminos rurales pavimentados
tiene base de suelo-cemento y en los últimos 10 años,
el 100% de nuevas vías urbanas e interurbanas y pisos industriales
tienen bases de suelocemento.
Ventajas y limitaciones
Dentro de las ventajas que tiene el suelo-cemento pueden destacarse
las siguientes:
Material durable:
Numerosos registros de comportamiento indican que el suelo-cemento tiene
mayor durabilidad que otros materiales de pavimentos de similar costo
inicial.
Mayor uso de materiales locales:
El suelo-cemento permite el uso de gran cantidad de tipos de suelo para
su elaboración, con lo que se consiguen reducir considerablemente
los costos de transporte de material de aporte y aumentar los rendimientos
de construcción.
Reducido impacto ambiental:
Pues existe menor necesidad de explotación de bancos de material.
Mayor rigidez y mejor distribución de las cargas aplicadas al
pavimento: Las propiedades de las mezclas de suelo-cemento permiten
que la carga aplicada se distribuya en un área mayor que en el
caso de una capa granular; por tanto, a igualdad de capacidad de soporte
es posible contar con estructuras de pavimentos de menor espesor robustas
o con un menor número de capas.
Resistencia a los agentes atmosféricos:
Es notable su prolongada durabilidad bajo condiciones adversas. Por
ello se ha usado en lugares con condiciones climáticas muy desfavorables.
Aumento de resistencia y menos intervenciones
de mantenimiento:
Las propiedades mecánicas del suelo-cemento se incrementan con
el tiempo lo que favorece que el mantenimiento del pavimento sea mínimo,
obteniéndose prolongada vida útil y una reducción
en el total de la estructura del pavimento.
Las limitaciones que presenta el suelo-cemento
son:
• Es un material en el que se producen grietas de contracción,
las cuales pueden reflejarse en las capas bituminosas superiores.
Sin embargo, es posible controlar considerablemente dicha contracción
mediante uso de cementos adecuados, mezclas de cal, cemento y/o técnicas
de prefisuración.
• Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el
número de pruebas necesarias antes de pretender construir capas
de suelo-cemento con suelos de mediana alta plasticidad.
• El tiempo para ejecutar el mezclado, conformación y compactación
está limitado por el del fraguado del cemento.
• Tiene una reducida resistencia al desgaste. Por ello, las bases
de suelo-cemento precisan capas de rodadura de concreto asfáltico,
tratamientos superficiales o capas de rodadura de concreto hidráulico.
Definiciones
El término suelo-cemento se ha definido desde diversos puntos
de vista. Las modificaciones realizadas en el material de partida, el
contenido de cemento y el tipo de suelo han generado distintas definiciones
y clasificaciones.
Las más reconocidas son:
Suelo-cemento
Se define al suelo-cemento como un material elaborado a partir de una
mezcla de suelos finos y/o granulares, cemento y agua, la cual se compacta
y se cura para formar un material endurecido con propiedades mecánicas
específicas.
El contenido de cemento en peso suele ser del orden del 3 al 7% en peso
de materiales secos y a largo plazo, su resistencia a compresión
suele ser superior a 4 MPa. El contenido de agua se elige para obtener
mezclas de consistencia seca que permitan su compactación con
rodillo. El suelo-cemento se usa normalmente como capa de apoyo de otros
materiales tratados con cemento o de concreto hidráulico o bien
como capa resistente, bajo capas bituminosas. Puede fabricarse en planta
central, o bien ejecutarse in situ.
Suelo mejorado o modificado con cemento
Se usa en subrasantes o explanadas y se define como una mezcla de suelo
y una cantidad pequeña de cemento, generalmente inferior al 2%
en peso, añadida con el fin de mejorar algunas propiedades de
los suelos. Al contrario que el suelo-cemento, la mezcla resultante
sigue teniendo la estructura de un material suelto, al menos a corto
plazo. La mejora o modificación con cemento se usa generalmente
con suelos de grano fino, plásticos y a veces con humedades naturales
excesivas con dificultades de compactación, expansividad y baja
capacidad de soporte. El conglomerante modifica sus características
a corto y largo plazo de forma moderada, pasando a ser suelos utilizables.
Por su limitada o nula resistencia mecánica se recomienda su
uso en subrasantes de pavimentos de tráficos ligeros y medios.
Para el caso de tráfico pesado y de alto volumen, se sugiere
colocar una subrasante de mayor capacidad de soporte sobre el suelo
modificado con cemento.
Suelo estabilizado con cemento
Se usa también en subrasantes o explanadas, especialmente en
estructuras de pavimentos para tráficos pesados. Es una mezcla
de suelo, cemento y agua, con un contenido mínimo de conglomerante
en peso del 2%, a fin de obtener un material dotado de una cierta rigidez
y resistencia mecánica.
Suelo-cemento plástico
Consiste en una mezcla de suelo fino, cemento y agua o aditivos suficientes
para conseguir una consistencia fluida. Este material se engloba dentro
de los denominados Materiales de Resistencia Controlada por el Comité
229R del American Concrete Institute (ACI). Una de las aplicaciones
de este material es en la construcción de bases de pavimentos,
en cuyo caso se usan mezclas plásticas y no fluidas, diseñadas
de tal forma que se puedan colocar y enrasar fácilmente teniendo
además la menor contracción posible. Los valores de resistencia
a compresión simple sugeridos por el ACI en capas de base de
suelo-cemento plástico varían entre 3 y 8,5 MPa.
Base granular tratada con cemento
La PCA la define como una mezcla de agregados pétreos, cemento
Portland y agua, que endurece después de ser compactada y curada
para formar un material de pavimento durable. Se usa como capa de base
en estructuras de pavimentos, siendo necesaria una capa de rodadura
bituminosa o de concreto hidráulico. Las propiedades estructurales
de bases granulares tratadas con cemento dependen de los agregados,
del contenido de cemento, de las condiciones de compactación
y curado, y de la edad. Son usuales valores de resistencia a la compresión
de 3 a 6 MPa, módulo de ruptura (resistencia a flexotensión)
de 0,7 a 1 MPa y de módulo de elasticidad 7,000 a 14,000 MPa.
Es importante mencionar que las bases granulares tratadas con cemento
son conocidas también con los nombres de bases tratadas con cemento
a bases de agregados estabilizados
con cemento.
Pavimentos unicapa de alto desempeño
Son una estructura de pavimento formada por una sola capa usando el
suelo existente en el camino, mezclado con un porcentaje de cemento
Portland de entre 11 y 20% en peso, que compactada al porcentaje de
diseño es capaz de soportar las cargas y el desgaste producido
por el tráfico, proporcionando a la vez una superficie de rodaje
adecuada.
La filosofía de este pavimento es similar a la del concreto compactado,
pero empleando un suelo natural como material de partida en vez de agregados
procesados. Este tipo de pavimento tiene un campo de aplicación
específico en la red vial no pavimentada y constituye una alternativa
a las tradicionales intervenciones de colocación de balasto que
se hacen dos veces por año (antes y después de la época
lluviosa). Las propiedades estructurales de los pavimentos unicapa,
dependen del tipo de suelo y del contenido de cemento así como
de la energía de compactación y del curado. Los valores
usuales de resistencia a compresión varían entre 5 y 13
MPa, el módulo de ruptura entre 1 y 2.3 MPa y el módulo
de elasticidad entre 10,000 y 20,000 MPa.
Pavimentos reciclados con cemento
Las razones para optar por la solución de reciclado con cemento
son varias. Normalmente se trata de pavimentos flexibles agrietados
o fisurados debido al volumen de tráfico pesado, al final de
su vida útil de servicio, o bien por problemas de drenaje y ahuellamientos.
Frente a otras soluciones de rehabilitación, el reciclado de
estos pavimentos con cemento permite el aprovechamiento de las capas
deterioradas logrando recuperar y aumentar la capacidad de soporte y
características mecánicas en general, lo que se traduce
en una mejora del nivel de servicio. Técnicamente se consigue
un pavimento mucho más duradero y con menor susceptibilidad al
agua.
Suelo
Básicamente cualquier suelo puede estabilizarse con cemento a
excepción de los suelos muy plásticos, orgánicos
o con altos contenidos de sales que puedan afectar el desempeño
del cemento.
Existen diversos criterios en varios países, que limitan y especifican
las características que debe tener un suelo para considerarse
aceptable en la elaboración de una mezcla de suelo-cemento. Si
se comparan dichos criterios entre sí, existen diferencias respecto
a ciertos requerimientos; sin embargo, todos coinciden en limitar aspectos
relativos a la granulometría del suelo, proceso constructivo
y cumplimiento de requerimientos del diseño de mezcla y de la
estructura del pavimento.
Una comparación de requisitos granulométricos exigidos
para algunas entidades se presenta en tablas en este documento.
El objetivo de limitar características del suelo, principalmente
el índice de plasticidad y los requerimientos granulométricos,
es obtener una mezcla económica en términos de la cantidad
de cemento y de buen comportamiento estructural. Los suelos estabilizados
con cemento, no deben considerarse como materiales inertes. La adición
de agua y cemento al suelo hace que reaccione químicamente, produciéndose
cambios a través del tiempo y modificando sus propiedades físicas
a corto, medio y largo plazo. Dichas reacciones químicas se explican
al final de este artículo. Otras consideraciones que deben tomarse
en cuenta para la selección del suelo a utilizar en mezclas de
suelo-cemento, son los aspectos constructivos y de cumplimiento de los
requisitos estructurales, ya que algunos suelos presentan mayor facilidad
de mezclado y de compactación que otros.
Cemento
Los requerimientos del cemento varían en función de las
propiedades deseadas en la mezcla y del tipo de suelo a utilizar, mientras
que el contenido de cemento a emplear depende de si el suelo va a ser
modificado o estabilizado. Se han usado con éxito cementos hidráulicos
con adiciones (blended cements) de acuerdo con la norma ASTM C 595 o
bien los cementos hidráulicos por desempeño tipo HE o
GU según la norma ASTM C ll57. Muchos autores opinan que la tendencia
al agrietamiento en general, aumenta con el contenido de cemento y con
el uso de suelos finos y plásticos, disminuyendo la resistencia
del conjunto. Para estos suelos es viable emplear para su estabilización
cal o mezclas de cal y cemento. En principio, cualquier cemento puede
usarse en la estabilización de suelos, siempre y cuando se analice
previamente en un diseño de mezcla. Debe tenerse cuidado con
suelos ricos en sulfatos, puesto que los estudios han mostrado que contenidos
de sulfatos mayores de 0.2% se traducen en una reducción de la
resistencia a compresión. Los cementos tipo V de ASTM C l50 han
resistido favorablemente.
Otras consideraciones
que deben tomarse en
cuenta, son los aspectos
constructivos y de
cumplimiento de los requisitos
estructurales.
Aditivos y adiciones
La mayor parte de las informaciones sobre uso de aditivos en mezclas
de suelo-cemento, están orientadas al uso de retardadores de
fraguado, utilizado en la mayoría de los casos cuando la mezcla
es elaborada en planta y transportada al sitio de la obra en condiciones
climáticas desfavorables o a distancias considerables.
Las adiciones, como por ejemplo puzolanas y cenizas volantes según
ASTM C 618, han sido usadas en mayor cantidad que los aditivos químicos.
Este tipo de adiciones puede incrementar la resistencia a largo plazo
de las mezclas, optimizar la dosificación de cemento y mejorar
en algunos casos la trabajabilidad de las mezclas.
Agua
La mayoría de especificaciones y literatura técnica relacionadas
con los requisitos que debe tener el agua a utilizar en mezclas de suelo-cemento
se limitan a indicar que ésta debe ser potable o relativamente
limpia así como libre de álcalis, ácidos o materia
orgánica.