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Ingeniería Civil • Ed. noviembre, 2020

ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO Y ADITIVOS REACTIVOS DE BASES GRANULARES MARGINALES

Estabilización con Cemento y Aditivos Reactivos de Bases Granulares Marginales

INTRODUCCIÓN:

El empleo de bases marginales estabilizadas con cemento es una solución de ingeniería que ha ido delineando su propio nicho en la ingeniería de estabilización de suelos. Esta es una solución que se ubica entre dos tipos de aplicaciones de ingeniería de estabilización con cemento, las cuales ya cuenta con una larga data de experiencia, cubriendo una amplia gama de aplicaciones. Estos dos tipos de aplicaciones son las siguientes:

a) Bases Tratadas con Cemento (BTC)

Esta aplicación tiene como principal objetivo, aumentar significativamente la resistencia de una base granular para reducir los espesores de capas de un paquete estructural o también otorgar mejor desempeño para condiciones extremas de saturación y congelamiento. En esta aplicación, los requerimientos para los materiales granulares son tanto o más exigentes que los requeri- mientos para una base granular tradicional de CBR = 80 – 100%. Las BTC formaron par- te de la prueba AASHTO y sus propiedades y requerimientos se encuentran muy bien de- finidas. Este tipo de estabilización requiere de dosis mayores de cemento, lo que lleva en muchas ocasiones a la generación de fi- suras, grietas, retracción y otros problemas, como reflejo de grietas en capas asfálticas, aumento de escalonamiento en pavimentos de hormigón y por cierto, futuros problemas para cuando se requiere rehabilitar la es- tructura de pavimento a través de reciclado.

b) Estabilización (o mejoramiento) de suelos:

En este tipo de aplicación la Portland Cement Association (PCA) propone la aplicación de cemento para todo el rango de suelos de la clasificación AASHTO. Los porcentajes de cemento según el tipo de suelo pueden variar de 3 a 13% para suelos de menor calidad (suelos A-4, A-5, A-6 y A-7). En general en la estabilización de suelos de baja capacidad de soporte no se busca lograr una gran resistencia estructural sino más bien se busca mejorar las condiciones de soporte de un suelo de fundación (sub-rasante) de modo de evitar remplazo de suelo.

Entre estas dos aplicaciones, y ya desde hace muchas décadas, se ha creado un nicho “nuevo” para el uso del cemento. Este es, el mejoramiento de materiales marginales para ser utilizado como una base estructural. Se entiende por un material marginal el que se encuentra marginalmente fuera de especificación (de una base o sub-base). Un buen ejemplo de un material marginal ocurre en el reciclado in-situ de pavimentos o ba- ses existentes de un camino, las que pueden tener diferentes composiciones y grados de contaminación.

El ejemplo anterior muestra uno de los prin- cipales motivos respecto de la necesidad de utilizar materiales marginales en la estabili- zación de bases. No obstante, en las últimas décadas se han sumado una serie de exi- gencias relacionadas a la preservación del medio ambiente, que obligan al ingeniero a considerar el uso de todo tipo de materiales marginales en la construcción de caminos y particularmente en la construcción de bases para pavimentos (estabilización de bases) las cuales requieren de un gran volumen de material, particularmente en construcción de caminos de bajo volumen de tránsito. Entre los aportes ambientales de mayor im- pacto que se logran con el uso de materiales marginales están:

• Reutilizar o reciclar estructuras de pavimentos existentes, por consiguiente, se reduce la explotación de canteras.

• Elimina procesos energéticos de machacado y cribado.

• Reduce distancia de transporte.

• Se puede reducir contenido de cemento y asfalto.

INGENIERÍA PARA LA ESTABILIZACIÓN DE BASES

El enfoque conceptual de diseño de ingeniería de estabilización de bases para Caminos de Bajo Volumen de Tránsito se puede resumir en tres:

a) Al utilizar materiales marginales, a través de la estabilización con cemento (o asfalto), permite mejorar las propiedades mecánicas y de desempeño del suelo marginal por sobre el de un material granular de CBR = 100% (Mr = 270 – 300 MPa). En esta aplicación se busca “cementar” la matriz fina del material marginal y lograr un Módulo Elástico entre 400 y 800 MPa. Por otro lado, está proba- do que, si se utilizan módulos mayores, este disminuye en el tiempo por agrietamiento, por lo cual, las tensiones críticas de diseño deben controlarse con un diseño de espesor adecuado, que es significativamente más efectivo que especificar mayores módulos según se muestra en la Figura 1.

b) Otorgarle al material estabilidad mecánica en el tiempo para reducir incertidumbre de diseño.

c) No depender de modelos de fatiga, los cuales no representan muy bien los ciclos de carga a los cuales se encuentran sometidos los Caminos de Bajo Volumen de Tránsito. En este caso se busca definir los umbrales de diseño para la carga máxima esperada según se muestra en Figura 2. En donde:

• Resistencia a la Compresión: Depende fundamentalmente si el camino contarácon una capa de rodado estructural

• Algún tipo de sello o incluso sin capa de rodado.

• Módulo Elástico: El Módulo Elástico se limita para evitar retracción y efectos secundarios.

• Resistencia retenida: Para asegurar estabilidad en condiciones de saturación.

• Otras propiedades específicas que pueda requerir un proyecto.

Figura 2: Parámetros de Diseño Estructural CBVT.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS MARGINALES CON CEMENTO MÁS ADITIVOS REACTIVOS

Los suelos marginales que mayor complicación presentan, son aquellos que contienen altos porcentajes de finos plásticos (arcillas) entre 10 a 30 % (el rango depende del tipo de arcilla). Incluso se sabe que suelos con con- tenidos de 5 a 10% bajo malla 200 de arcilla, su comportamiento mecánico queda impor- tantemente determinado por esta fracción.

Los suelos con contenidos de arcilla suelen ser descartados en las especificaciones. Por otra parte, estos suelos requieren altos porcentajes de cemento para alcanzar valores mínimos de Resistencia a la Compresión, Módulo y Resistencia Retenida. Del mismo modo, este tipo de suelo resulta muy costoso re-procesarlos para eliminar los finos.

El empleo de cemento con aditivos reactivos es una técnica conocida desde la década del 50 para ser utilizada en la estabilización de bases y sub-bases con presencia de alto contenido de arcilla, en donde el aditivo, en este caso, favorece la reacción puzolánica entre el cemento y la arcilla promoviendo un mayor desarrollo de resistencia y reduciendo el porcentaje de cemento requerido.

Paradójicamente, suelos con porcentajes de arcilla fuera de norma, pueden lograr resultados de desempeño mejores si se utiliza cemento más un aditivo reactivo en comparación a un suelo estabilizado solo con cemento. Entre estas mejorías de resultados están:

1) Se obtiene mejores resistencias con menores dosis de cemento. No obstante, las resistencias se alcanzan en un plazo mayor que cuando se utiliza cemento solo, pero esto se entiende como un factor que favorece el proceso de construcción. Normalmente se recomienda trabajar con las propiedades alcanzadas a los 28 días.

2) El proceso constructivo se facilita extendiendo el tiempo para compactación y consolidación por tránsito.

3) No se producen grietas por retracción.

4) Se puede utilizar un rango mayor de suelos e incluso en muchos casos resultará muy favorable incorporar una proporción de arcilla.

5) Mejora la impermeabilidad del suelo y la resistencia en condiciones de saturación.

En parte, las ventajas 3) y 4) se debe fundamentalmente a que la resistencia se desarrolla en mayor tiempo, reduciendo la generación de tensiones al interior de la matriz fina del material estabilizado. La reacción cementante ocurre por una parte debido a la hidratación del cemento (reacción rápida) y por otra parte por reacción puzolánica entre el cemento, la arcilla y el aditivo.

El mecanismo de estabilización química es complejo cuando interviene simultáneamente cemento, arcilla y aditivo, pero a su vez muy efectivo. Es por esto, que la formulación y dosis del aditivo así como la dosis de cemento, deben tener en consideración la granulometría, pero por sobre todo, el tipo de cemento, y el tipo y porcentaje de arcilla.

Una empresa chilena desarrolló el aditivo Proes, el cual se ha aplicado desde 1998 en innumerables proyectos de caminos de Bajo Volumen de Tránsito (más de 2.300 km). Esta empresa, desarrolló un proyecto de investigación financiado por el Estado de Chile (Proyecto Innova Chile-Corfo) y en convenio con la Universidad del Desarrollo (profesor Álvaro González Z.), le permitió evaluar el comportamiento de diferentes proyectos. A continuación, se presentan algunos de los principales resultados obtenidos de esta investigación:

• Resistencia en Compresión

La Figura 3, muestra estudios realizados en suelos con alto o medio contenido de arcillas, que demuestra que con bajo porcentajes de cemento más aditivo se obtienen mayores resistencias en comparación a una Base Granular de CBR = 100%.

Figura 3: Resultado Estudios Resistencia Compresión.

• Comportamiento Mecánico

La Figura 4, muestra la respuesta a deforma- ción permanente en ensayo Triaxial de va- rios tipos de suelos estabilizados y para una carga normal variable (d) desde 350 a 650 Kpa. La falla en todos los casos se produce por deformación plástica otorgándole al material un grado de ductilidad que elimina la formación de grietas por deformación.

Figura 4: Resultado Ensayo Triaxial Cíclico.

• Resistencia Retenida

La metodología utilizada para verificar resistencia retenida (descrita de forma resumida) para suelos con presencia de arcilla y estabilizados con cemento más aditivo reactivo es la siguiente: (a) Se preparan muestras gemelas para ensayo de CNC; (b) Las muestras se curan a 45°C en bolsas plásticas selladas al vacío; (c) Se ensaya muestra seca a los 7 días (luego de enfriar) y se ensaya a 7 días muestra saturada (sumergida por 4 horas). De esta forma se obtiene el valor esperado de resistencia retenida a 28 días.

Cuadro 1: Ejemplo Resultados de Resistencia Retenida.

PROCESO CONSTRUCTIVO

Además de un buen diseño de ingeniería (estructura de pavimento), formulación del aditivo y dosificación, la experiencia indica que, en la estabilización de materiales mar- ginales con presencia de arcilla, el éxito queda supeditado a la calidad constructiva. Por este motivo, se debe tener en cuenta que:

• El porcentaje de cemento y aditivos, es proporcionalmente muy bajo, y requiere necesariamente de un mezclado perfecto.

• La relativa alta presencia de grumos de finos arcillosos requiere el mayor grado de pulverización posible. Deseable: mayor a 85 – 90%.

• Las propiedades mecánicas de materiales marginales estabilizados (cementados), dependen directamente de la densidad, por lo cual el agua de com- pactación debe encontrarse perfectamente homogenizada. Más aún, en este caso, en el cual el aditivo se incorpora diluido al agua de compactación.

• Como todo producto que contenga cemento se debe asegurar un buen “Curado”.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Son muy pocas las experiencias reportadas en la estabilización de bases en las cuales se utiliza cemento y aditivo reactivo. El aditivo reactivo actúa en la etapa de ionización junto con el cemento y luego en la reacción puzolánica. El mecanismo es complejo y a esto se le suma que la formulación de los aditivos se encuentra protegido por patente.

La larga experiencia en el empleo del aditivo Proes, indica que no existe una receta para estabilización de materiales marginales con cemento y aditivo. En cada proyecto, además del diseño estructural, se debe estudiar el tipo de arcilla presente, el tipo y porcentaje del cemento, porcentaje de aditivo y en algunas ocasiones el ajuste a la formulación del aditivo.

En algunos proyectos en donde los materiales pueden clasificarse como marginales, por la falta de finos, puede llegar a ser recomendable, incorporar arcilla para adecuar el material para el empleo de cemento más aditivo.

Las Fotos 1 a 4 muestran ejemplos exitosos de estabilización de bases, empleando materiales marginales estabilizados con cemento más aditivo. Los proyectos en los cuales se ha realizado una adecuada ingeniería presentan excelente desempeño:

• Desarrollo de resistencia en el tiempo

• Durabilidad y estabilidad en condiciones de saturación

• No desarrolla grietas por retracción

Escrito por

Ing. Guillermo Thenoux, PhD

De Universidad Católica de Chile

Ing. Carlos Guzmán

De Universidad Concepción de Chile

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