Hacia suelos más resistentes: Nanotecnología aplicada a la estabilización con cemento Viaforte MH

Introducción

La construcción de infraestructura en el Perú avanza para conectar territorios y seguir impulsando el crecimiento económico. En este camino, la estabilización de suelos sigue siendo una técnica central para asegurar capacidad portante, durabilidad y un desempeño confiable en cada obra. Sin embargo, los métodos tradicionales basados en cementos con alto contenido de clínker presentan desafíos ambientales por su huella de carbono. En respuesta, Cementos Pacasmayo impulsa un portafolio que combina cementos adicionados de menor emisión (Viaforte MH) con aditivos de base nanotecnológica, buscando optimizar el comportamiento del suelo-cemento y, a la vez, reducir el impacto ambiental. La propuesta se orienta a aplicaciones viales, donde prima la resistencia mecánica e hidráulica, y la baja permeabilidad, ambas determinantes para el éxito del proyecto.

Retos de la Infraestructura Moderna

La búsqueda de soluciones innovadoras surge ante un panorama desafiante que abarca múltiples frentes. En el ámbito vial, los pavimentos interurbanos del país enfrentan condiciones cada vez más exigentes, donde los suelos naturales frecuentemente presentan baja capacidad portante, requiriendo intervenciones de estabilización para alcanzar los estándares mínimos de resistencia de 18 kg/cm² establecidos en la norma MTC E 1103 “Resistencia a la Compresión de Probetas Suelo-Cemento” del Manual de Ensayos de Materiales del MTC para las vías peruanas.

Por otro lado, las obras hidráulicas como defensas ribereñas, estructuras de contención y canales de irrigación demandan no solo resistencia mecánica, sino también propiedades de impermeabilidad que eviten filtraciones y garanticen la funcionalidad de la infraestructura a largo plazo.

A estos desafíos técnicos se suma la creciente necesidad de desarrollar soluciones constructivas más sostenibles, capaces de contribuir a la reducción de emisiones de CO₂. Con ello no solo se avanza en el cumplimiento de los compromisos ambientales del país, sino que también se responde a las exigencias de la construcción moderna y a las expectativas de los clientes, garantizando siempre los más altos estándares de calidad.

Frente a este panorama, Cementos Pacasmayo ha desarrollado el cemento Viaforte tipo MH, un producto formulado especialmente para la estabilización de suelos en diferentes tipos de obras. Gracias a su fórmula con adiciones, este cemento destaca por su menor contenido de clínker, que lo posiciona dentro de las soluciones con menor emisión de CO₂ (a comparación del cemento Tipo I), certificado por auditorías como la realizada por Ecoamet en 2022. Además, ofrece calor de hidratación moderado, mayor trabajabilidad en obra y tiempos de fraguado adaptables a las condiciones de campo, características que lo hacen versátil tanto para aplicaciones viales como hidráulicas.

Innovación en Laboratorio

Con el objetivo de seguir mejorando el desempeño de las mezclas de suelo-cemento, se decidió explorar sistemáticamente el uso de aditivos nanotecnológicos que actúan directamente sobre la estructura interna del material cementante. Estos aditivos de nueva generación crean reacciones de hidratación adicionales que complementan los procesos naturales del cemento, reducen la porosidad de la matriz y mejoran la cohesión interna, lo que se traduce en un incremento tanto de la resistencia mecánica como de la impermeabilidad del suelo estabilizado.

Entre los productos nanotecnológicos evaluados en esta investigación se encuentran Duraflex, Immocem, RoadCem (zeolita sintética), NLF y NPF, cada uno diseñado con mecanismos de acción únicos que aportan características específicas al material compuesto final. Esta diversidad de opciones permite evaluar diferentes rutas de mejoramiento e identificar las combinaciones más efectivas para cada tipo de aplicación.

Para validar el efecto de estos aditivos combinados con cemento Viaforte tipo MH, se realizaron diversas pruebas. La metodología se desarrolló en el laboratorio de suelos de Cementos Pacasmayo, utilizando un suelo clasificado como A-2-4(0) según la clasificación AASHTO.

El protocolo experimental se estructuró siguiendo normas técnicas reconocidas, abarcando desde la caracterización básica hasta la evaluación del desempeño mecánico e hidráulico de las mezclas. Los ensayos se organizaron de manera secuencial para garantizar la calidad de los resultados.

A continuación, se presentan los ensayos y normas que enmarcan el protocolo (véase Tabla 1), y el flujo de trabajo seguido para garantizar la trazabilidad metodológica (véase Figura 1).

Tabla 1. Normativa aplicable para estabilización de suelos

Fuente: American Society for Testing and Materials – ASTM

Aditivos nanotecnológicos

Como ya se había mencionado, entre los aditivos evaluados, destacan Duraflex, Immocem, RoadCem, NLF y NPF, que, combinados con el cemento Viaforte MH, dan por resultado un producto adicionado que ofrece un menor impacto ambiental y mejora la trabajabilidad.

• Duraflex + cemento: sella la capilaridad e inmoviliza contaminantes (metales pesados, hidrocarburos, solventes), generando material compactable conforme al control ambiental y normativa. Su viabilidad se confirma mediante ensayos según cada proyecto.
• ImmoCem: es un aditivo en polvo que genera estructuras cristalinas estables en la matriz del suelo, inmoviliza metales pesados mediante enlaces moleculares y bloquea su migración, posibilitando usar suelos y lodos con presencia de metales pesados o compuestos químicos como materiales de construcción más seguros.
• RoadCem: a base de zeolitas sintéticas, promueve una cristalización envolvente que densifica la matriz del suelo-cemento y reduce la conectividad de poros, obteniendo un material menos permeable e incluso impermeable bajo mezclado y compactación adecuada.

El sistema SNS 360 combina NLF (líquido) y NPF (sólido): aditivos que actúan entre las partículas del suelo formando estructuras moleculares que, mediante procesos catalíticos, reducen la tensión superficial del agua que rodea a los finos. Esa película de agua deja de comportarse como barrera y se dispersa o evapora, lo que favorece la compactación y regula la humedad óptima del suelo, independizándolo de lluvias o sequías (control de capilaridad).

¿Qué aportan los aditivos evaluados?

Desde un punto de vista técnico, los aditivos basados en nanotecnología aplicados a mezclas de suelo-cemento ofrecen ventajas que van más allá de un aumento en resistencia. Sus principales aportes se pueden resumir en los siguientes mecanismos:

1. Reducción de la porosidad y mejora de la microestructura: los nanoelementos se insertan entre las partículas del suelo, rellenando vacíos y favoreciendo una estructura interna más densa y estable. Esto mejora la resistencia mecánica y disminuye la permeabilidad.
2. Activación del proceso de hidratación del cemento: algunos aditivos, como las zeolitas sintéticas, actúan como nucleadores que aceleran la formación de productos cementantes (C–S–H y C–A–H), lo que incrementa la resistencia tanto en edades tempranas como en edades posteriores.
3. Mejora en la distribución del agua y la trabajabilidad: se observa un control más eficiente de la humedad, lo que permite una mezcla más homogénea y estable. Además, facilita la compactación y minimiza la separación de componentes del material.
4. Estabilidad frente a ciclos de humedecimiento-secado: las mezclas estabilizadas con estos aditivos presentan una mayor estabilidad volumétrica, lo cual reduce la aparición de fisuras por retracción o expansión, mejorando el comportamiento de la solución a largo plazo, incluso en climas variables.
5. Optimización del contenido de cemento: la unión entre el aditivo y el cemento permite alcanzar los parámetros de resistencia deseados con menores dosificaciones de ligante en diseños que se hacen de manera convencional. Así, se contribuye a reducir tanto el impacto económico como la huella de carbono del proceso constructivo.
6. Adaptabilidad a diferentes tipos de suelo: si bien los aditivos evaluados han demostrado un buen desempeño en este estudio de laboratorio sobre un suelo granular A-2-4(0), su comportamiento en materiales con mayor proporción de finos, mayor plasticidad o presencia de materia orgánica aún requiere ensayos adicionales para ampliar la base de datos y ofrecer recomendaciones respaldadas para esos escenarios.

Metodología bajo control técnico

La elaboración de las probetas siguió un protocolo estandarizado para garantizar resultados confiables. El proceso comienza con la mezcla homogénea del suelo seco con cemento y el aditivo en una mezcladora de eje horizontal, controlando precisamente el tiempo de mezclado para dispersar adecuadamente las nanopartículas sin formar aglomeraciones.

Luego, la compactación se realiza en moldes cilíndricos aplicando la energía del Proctor modificado para obtener una densidad representativa de las condiciones de campo con equipos convencionales.

Finalmente, las probetas se curan en cámara húmeda a 23°C ± 2°C con humedad superior al 80%, durante 7 y 28 días. Previamente a cada ensayo, saturaron en agua por 4 horas, simulando las condiciones más desfavorables.

Resultados y desempeño

Los resultados obtenidos demuestran que cada aditivo presenta ventajas específicas según el tipo de infraestructura a desarrollar. Por ello, es fundamental la correcta selección del producto en función de los requerimientos técnicos de cada proyecto para garantizar un rendimiento óptimo de obra.

Comportamiento en resistencia mecánica

En términos de desarrollo de resistencia a la compresión no confinada, se observan diferencias significativas en el desempeño de los aditivos evaluados. La zeolita sintética (RoadCem) presenta un comportamiento progresivo y sostenido, mostrando ganancias consistentes de resistencia desde edades tempranas hasta los 28 días, lo que la convierte en una alternativa a considerar cuando el proyecto demanda una evolución gradual en temas de resistencia. Este comportamiento puede ser útil en obras viales con fases de habilitación progresiva, siempre sujeto a la validación del diseño específico y al desempeño del suelo local.

El aditivo NPF presenta un comportamiento particularmente notable, alcanzando valores de resistencia superiores especialmente a los 28 días, lo que sugiere una activación de procesos de hidratación secundarios que continúan desarrollándose con el tiempo. Este comportamiento lo convierte en una opción atractiva para obras viales de tráfico pesado donde la resistencia a largo plazo es fundamental para la durabilidad del pavimento.

Duraflex demuestra un desempeño robusto y estable, con incrementos de resistencia bien distribuidos entre las diferentes dosificaciones evaluadas. Su comportamiento sugiere que el producto tolera variaciones de dosificación sin cambios bruscos de desempeño. Esta característica puede resultar favorable para la implementación en obra, considerando las fluctuaciones que suelen presentarse en los procesos de mezclado durante la ejecución de proyectos.

Immocem, por su parte, muestra un comportamiento más moderado pero consistente, con un desarrollo de resistencia que se mantiene estable a través del tiempo. Esta cualidad lo hace adecuado para aplicaciones donde se requiere un comportamiento predecible y controlado del material.

Finalmente, NLF registra valores de resistencia competitivos, especialmente en dosificaciones intermedias, lo que sugiere que exista un rango óptimo de aplicación donde su efectividad se maximiza.

Desempeño en permeabilidad para obras hidráulicas

El análisis de permeabilidad revela aspectos fundamentales para la selección de aditivos en obras hidráulicas. La zeolita sintética destaca por su capacidad excepcional para reducir la permeabilidad del material tratado hasta niveles que pueden clasificarse como prácticamente impermeables. Esta característica la convierte en la opción más adecuada para aplicaciones hidráulicas como defensas ribereñas, revestimientos de canales y estructuras de contención donde el control de filtraciones es crítico.

NPF también muestra un excelente desempeño en la reducción de la permeabilidad, manteniendo valores muy bajos que indican una efectiva densificación de la matriz del material. Su comportamiento sugiere que los mecanismos de control de capilaridad y redistribución del agua funcionan eficientemente, generando una estructura menos permeable.

Immocem presenta resultados satisfactorios en términos de impermeabilidad, con valores que indican una reducción significativa de la permeabilidad respecto al material base. Su desempeño lo posiciona como una alternativa viable para obras hidráulicas de menor exigencia o como complemento en sistemas de impermeabilización multicapa.

NLF, aunque presenta valores de permeabilidad superiores a los otros aditivos evaluados, se mantiene dentro de los niveles adecuados para aplicaciones hidráulicas donde se requiere un control moderado de filtraciones sin necesidad de impermeabilidad total.

Aplicaciones que están cambiando la construcción

La compatibilidad del cemento Viaforte MH y los aditivos evaluados facilita reciclar la capa existente y mejorar su desempeño sin reemplazos masivos. Los enfoques que favorecen el control de humedad y compactación, junto con aquellos que reducen los niveles de permeabilidad, pueden combinarse según los requerimientos específicos de cada proyecto. El resultado potencial incluye la extensión de vida útil con menores intervenciones y tiempos de ejecución optimizados.

Las aplicaciones de estos agentes de nanoestabilización abre oportunidades en otras aplicaciones constructivas de prioridad para el Perú. En la red de vías rurales y urbanas, estas formulaciones contribuyen al mejoramiento de la subrasante respecto al incremento sostenido de su capacidad portante, factores clave para soportar el crecimiento del tránsito y reducir el mantenimiento. En aeropuertos y puertos, donde la impermeabilidad de la base es decisiva para la seguridad operativa, las mezclas con matriz más densa pueden integrarse en plataformas y áreas de maniobra, condicionado siempre al diseño y a los ensayos de verificación correspondientes. En obras hidráulicas, como defensas ribereñas o revestimientos de canales, la combinación de baja permeabilidad con resistencia mecánica aporta barreras más estables frente a ciclos de humedecimiento – secado y a la erosión interna.

La implementación de estas tecnologías en el territorio nacional requiere siempre una evaluación detallada de las condiciones locales, incluyendo las características específicas del suelo, el clima regional y los requerimientos particulares del proyecto. Cada aplicación debe ser analizada individualmente para determinar la factibilidad técnica y económica más apropiada.

El futuro ya está aquí

Los ensayos confirman que la combinación de Viaforte MH con aditivos de base nanotecnológica ofrece rutas claras en dos frentes: vial, con mejoras de resistencia y estabilidad; e hidráulico, con matrices de menor permeabilidad. La selección del aditivo debe responder al objetivo de proyecto: resistencia final, puesta en servicio temprana, control de flujo o un equilibrio entre ellos, siempre con diseño y verificación sobre el suelo local, compactación controlada y curado conforme a especificación.

El siguiente paso es operativo: escalar la solución, estandarizar protocolos de aplicación y control de calidad; además de validar su durabilidad en campo, con monitoreo a 7 y 28 días, incluso en edades superiores para evaluar a largo plazo el comportamiento de la mezcla. El beneficio técnico se acompaña de eficiencia económica, gracias a plazos optimizados junto con el reciclaje in situ, y de menor huella de carbono por el uso de un cemento adicionado.

El Perú posee las condiciones para liderar la adopción responsable de estas soluciones. Con la evidencia del laboratorio y los primeros casos de aplicación, estas tecnologías dejan de ser promesa y se incorporan al presente de la infraestructura. La nanotecnología se integra a la práctica para desarrollar vías y obras hidráulicas más eficientes, duraderas y coherentes con los principios de sostenibilidad.