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Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniera
Escuela de Ingeniera Civil
INCIDENCIA DEL CEMENTO PORTLAND ANHIDRO Y PREHIDRATADO PARA EL
MEJORAMIENTO DE LAS PROPIEDADES MECNICAS DEL SUELO PARA LA
UTILIZACIN EN BASE Y SUBBASE DE CARRETERAS
Kenneth Francis Figueroa EstradaAsesorado por el Ing. Omar Enrique Medrano Mndez
Guatemala, octubre de2014
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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
INCIDENCIA DEL CEMENTO PORTLAND ANHIDRO Y PREHIDRATADO PARA EL
MEJORAMIENTO DE LAS PROPIEDADES MECNICAS DEL SUELO PARA LA
UTILIZACIN EN BASE Y SUBBASE DE CARRETERAS
TRABAJO DE GRADUACIN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA
FACULTAD DE INGENIERA
POR
KENNETH FRANCIS FIGUEROA ESTRADA
ASESORADO POR EL ING. OMAR ENRIQUE MEDRANO MNDEZ
AL CONFERRSELE EL TTULO DE
INGENIERO CIVIL
GUATEMALA, OCTUBREDE 2014
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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
NMINA DE JUNTA DIRECTIVA
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL I Ing. Alfredo Enrique Beber Aceituno
VOCAL II Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco
VOCAL III Inga. Elvia Miriam Ruballos Samayoa
VOCAL IV Br. Narda Luca Pacay Barrientos
VOCAL V Br. Walter Rafael Vliz Muoz
SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Prez
TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
EXAMINADORA Inga. Carmen Marina Mrida Alva
EXAMINADOR Ing. Ronald Estuardo Galindo Cabrera
EXAMINADOR Ing. Wuilliam Ricardo Yon Chavarria
SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Prez
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HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR
En cumplimiento con los preceptos que establece la ley de la Universidad de
San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de
graduacin titulado:
INCIDENCIA DEL CEMENTO PORTLAND ANHIDRO Y PREHIDRATADO PARA EL
MEJORAMIENTO DE LAS PROPIEDADES MECNICAS DEL SUELO PARA LA
UTILIZACIN EN BASE Y SUBBASE DE CARRETERAS
Tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de IngenieraCivil,
con fecha 8 de julio de 2013.
Kenneth Francis Figueroa Estrada
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ACTO QUE DEDICO A:
Mis padres
Mis hermanos
Mi prometida
Mis abuelas
Mis abuelos
Mario Figueroa y Vernica Estrada. Por
brindarme la vida e incondicional apoyo durante
la carrera.
Adler, Wendy y Javier Figueroa Estrada. Por el
apoyo fraternal e influencia en mi carrera.
Ana Guzmn. Por ensearme que la vida se
vive mejor cuando se ama.
Rosa Amparo y Celinda Lpez (q.e.p.d.). Por
ensearme ser las profesoras del amor e
inspiracin dar todo por la vida.
Antonio Figueroa y Salvador Estrada. Por
ensearme la perseverancia y superacin, con
humildad y orgullo guatemalteco.
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AGRADECIMIENTOS A:
La Universidad de San
Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniera
Mis amigos
Mario Maldonado
Ing. Omar Enrique
Medrano, Jos Istupe y
Byron Garca
Mario Pacay y Leonel
Moran
Por ser importante influencia de principios
universitarios.
Por ser la que me brind academia para la vida
Por brindarme su amistad incondicional y
quienes juntos, a pesar de las dificultades,
logramos culminar elpensumcurricular.
Por invitarme a involucrarme en el Laboratorio
de Mecnica de Suelos
Por aceptarme como aprendiz en la Seccin de
Mecnica de Suelos, y permitirme desarrollar la
capacidad, no solo como laboratorista, sino
como analista de laboratorio y as poder
elaborar un trabajo de graduacin de la mejor
manera.
Apoyarme en la ejecucin de los ensayos de
laboratorio necesarios para el trabajo de
graduacin.
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I
NDICE GENERAL
NDICE DE ILUSTRACIONES ............................................................................ V
LISTA DE SMBOLOS ....................................................................................... XI
GLOSARIO ...................................................................................................... XIII
RESUMEN ...................................................................................................... XVII
OBJETIVOS ..................................................................................................... XIX
INTRODUCCIN ............................................................................................. XXI
1.
CONCEPTOS BSICOS .......................................................................... 1
1.1.
Cemento Portland ...................................................................... 1
1.1.1.
Fabricacin del cemento ........................................... 2
1.1.1.1.
Explotacin de materias primas ............. 2
1.1.1.2.
Procesamiento ....................................... 2
1.1.1.3.
Calcinado ............................................... 3
1.1.1.3.1.
Precalentador/
precalcinador .................. 3
1.1.1.3.2.
Largo seco y hmedo ..... 3
1.1.1.4.
Molido de acabado ................................ 4
1.1.2.
Mtodos de almacenamiento .................................... 4
1.1.2.1.
Sacos ..................................................... 4
1.1.2.1.1.
Propiedades del papel .... 5
1.1.2.1.2.
Locales de
almacenamiento ............. 5
1.1.2.2.
Granel .................................................... 6
1.1.3.
Causas de rechazo de cemento ............................... 7
1.1.3.1.
Peso especfico ..................................... 7
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II
1.1.3.2.
Finura ..................................................... 8
1.1.3.3.
Prdida por calcinacin .......................... 9
1.1.3.4.
Resistencia a la compresin ................... 9
1.2.
Suelos granulares .................................................................... 10
1.2.1.
Comportamiento de los suelos granulares .............. 10
1.2.1.1. Concepto de tensin efectiva ............... 11
1.2.1.2. Condicin de drenaje .......................... 11
1.2.2.
Influencia del tamao .............................................. 12
1.2.3.
Influencia de la forma y de las caractersticas
mineralgicas .......................................................... 14
1.3.
Subbases y bases .................................................................... 15
1.3.1.
Definiciones ............................................................. 15
1.3.2.
Especificaciones en la construccin ........................ 17
1.3.2.1.
Calidad de los materiales ..................... 17
1.3.2.2.
Requisitos para ejecucin .................... 18
1.3.3.
Problemticas y soluciones ..................................... 18
1.3.3.1.
Estabilizacin fsica .............................. 18
1.3.3.2.
Estabilizacin qumica .......................... 19
1.4.
Estabilizacin tipo suelo cemento ............................................ 20
1.4.1. Definicin ................................................................. 20
1.4.2. Proceso constructivo ............................................... 21
1.4.2.1.
Almacenamiento del conglomerante .... 21
1.4.2.2.
Preparacin del suelo ........................... 22
1.4.2.3.
Cribas y mquinas despedregadoras ... 22
1.4.2.4.
Maquinaria para la disgregacin,
escarificacin o aireacin del suelo ...... 23
1.4.2.5.
Humectacin y distribucin del
conglomerante ...................................... 23
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III
1.4.2.5.1.
Humectacin del
suelo ............................. 24
1.4.2.5.2.
Control de la
dosificacin ................... 24
1.4.2.6.
Mezcla in situ....................................... 25
1.4.2.7. Compactacin ...................................... 25
1.4.2.8. Refino de la superficie ......................... 26
1.4.2.9.
Curado y proteccin ............................. 26
1.4.3.
Ventas y desventajas .............................................. 27
2.
estudio de las caractersticas y propiedades de los suelos granularesy del cemento portland ........................................................................... 31
2.1.
Descripcin de las muestras de suelo ..................................... 31
2.1.1.
Granulometra (ASTM D 6913-04) .......................... 32
2.1.2.
Lmites de Atterberg (AASHTO T 89-10 y
AASHTO T 90-00) .................................................. 33
2.1.3.
Proctor Modificado (AASHTO T 180-01) ................ 33
2.1.4.
Permeabilidad (ASTM D 2434-00) .......................... 34
2.1.5.
CBR (Valor Soporte California AASHTO T 193-
99) .......................................................................... 35
2.2. Caractersticas del cemento Portland utilizado ........................ 38
2.2.1. Resistencia a la compresin (ASTM C 109-13) ...... 39
2.2.2.
Determinacin de finura (ASTM C 430-08) ............. 41
2.2.3.
Porcentaje de humedad (ASTM D 2974-07) ........... 42
2.2.4.
Anlisis qumico del cemento hidrulico,
calcinacin (ASTM C 114-00) ................................. 43
2.2.5.
Peso especfico (ASTM C 188-09) ......................... 43
2.3.
Estudios de la estabilizacin de suelo cemento ...................... 44
2.3.1.
Relacin humedad masa unitaria de probetas de
suelo cemento (ASTM D 558-96) ........................... 46
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IV
2.3.2.
Ensayo de durabilidad al desgaste por
humedecimiento y secado de muestras de suelo
cemento (ASTM D 559-96) .................. 47
2.3.3.
Resistencia a la compresin no confinada de
probetas de suelo cemento (ASTM D 1663-00) ...... 50
3. ANLISIS DE RESULTADOS ................................................................. 55
3.1.
Resultados de laboratorio ........................................................ 55
3.1.1.
Estabilizacin con cemento prehidratado ................ 61
3.2.
Comparacin de resultados ..................................................... 63
3.2.1.
Relacin humedad masa unitaria ............................ 64
3.2.2.
Humedecimiento y secado ...................................... 67
3.2.3.
Resistencia a la compresin .................................... 69
3.2.4.
Permeabilidad ......................................................... 78
CONCLUSIONES .............................................................................................. 81
RECOMENDACIONES ..................................................................................... 85
BIBLIOGRAFA .................................................................................................. 87
APNDICES ...................................................................................................... 89
ANEXOS............................................................................................................ 93
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V
NDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1. Peso especfico ...................................................................................... 8
2. Ensayo fineza de tamiz N 325 .............................................................. 9
3. Ensayo a compresin ........................................................................... 10
4. Fases de un suelo en estado natural y porciones de las 3 fases. ........ 11
5. Estado de distribucin de esfuerzos segn PCA ................................. 28
6. Fotografa de la muestra de arena limosa color beige rosa ................. 31
7. Fotografa de la muestra arena pmez color gris ................................. 32
8. Ensayo Proctor Modificado .................................................................. 34
9. Fase de penetracin de ensayo CBR................................................... 35
10. Grfico porcentaje de CBR versusporcentaje de compactacin ......... 36
11. Grfico porcentaje de CBR versusporcentaje de compactacin ......... 37
12. Cemento prehidratado .......................................................................... 38
13. Flujo del cemento anhdro .................................................................... 39
14. Suelo estabilizado con cemento anhdro .............................................. 45
15. Probetas de suelo cemento al finalizar el ensayo de
humedecimiento y secado .................................................................... 48
16. Etapa de 5 horas de inmersin previa a colocarlo en horno 48
horas................................................................................................. 49
17. Ensayo a compresin no confinada de probetas suelo cemento ......... 50
18. Falla de una probeta de arena limosa color beige rosa estabilizada
con cemento prehidratado. ................................................................... 51
19. Grfica de resultados relacin humedad masa unitaria de la arena
limosa color beige rosa ........................................................................ 64
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VI
20. Grfica de resultados relacin humedad-masa unitaria de la arena
pmez color gris.................................................................................... 66
21. Grfica de comparacin humedad y secado de la arena limosa
color beige rosa .................................................................................... 67
22. Grfica de comparacin humedad y secado de la arena pmez
color gris ............................................................................................... 68
23. Efecto visual de utilizar cemento pre-hidratado en la arena limosa
color beige rosa .................................................................................... 70
24. baco para estimar el nmero estructural de la base granular a2..... 71
25. baco para estimar el nmero estructural de la subbase granulara3................................................................................................ 72
26. baco para estimar el nmero estructural de la base/subbase
estabilizada con cemento. .................................................................... 73
27. Porcentaje de prdida de aporte estructural segn el porcentaje de
cemento en la arena limosa beigerosa. ................................................ 75
28. Porcentaje de prdida de aporte estructural segn el porcentaje de
cemento en la arena pmez color gris .................................................. 77
TABLAS
I. Clasificacin de los suelos segn distintas organizaciones ................. 14
II. Resultados de ensayo de CBR de arena limosa color beigerosa ........ 36
III. Resultados de ensayo de CBR de arena pmez limosa color gris ...... 37
IV. Promedio de resultados de resistencia a compresin de cemento
anhdro................................................................................................. 40
V. Promedio de resultados de resistencia a compresin de cemento
prehidratado ......................................................................................... 41
VI. Resultados del ensayo de finura usando tamiz nm. 325 (45 m) ...... 42
VII. Resultados de porcentaje de humedad del cemento ........................... 42
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VIII
XXV. Verificacin resistencia de la arena pmez color gris
estabilizada con cemento anhidro ............................................ 59
XXVI. Verificacin de porcentaje de desgaste por
humedecimiento y secado de la arena limosa color beige
rosa estabilizado con cemento anhidro .................................... 60
XXVII. Verificacin de porcentaje de desgaste por
humedecimiento y secado de la arena pmez color gris
estabilizado con cemento prehidratado .................................... 60
XXVIII. Chequeo de resistencia a compresin no confinada de la
arena limosa color beige-rosa estabilizada con cementoprehidratado ............................................................................. 61
XXIX. Chequeo de cumplimiento de resistencia a compresin no
confinada del cemento prehidratado, de la arena pmez
color gris ................................................................................... 62
XXX. Chequeo porcentaje de desgaste por humedecimiento y
secado de la arena limosa color beige rosa estabilizado con
cemento prehidratado .............................................................. 62
XXXI. Verificacin de cumplimiento de porcentaje de desgaste por
humedecimiento y secado de la arena pmez color gris
estabilizado con cemento prehidratado .................................... 63
XXXII. Comparacin de resultados relacin humedad masa
unitaria de la arena limosa color beige rosa ............................. 64
XXXIII. Comparacin de resultados relacin humedad masa
unitaria de la arena pmez color gris ....................................... 65
XXXIV. Aporte estructural para base y subbase de los distintos
estados de la arena limosa color beige rosa ............................ 74
XXXV. Aporte estructural para base y subbase de los distintos
estados de la arena pmez color gris oscuro ........................... 74
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IX
XXXVI. Comparacin de aporte estructural entre el tipo de cemento
utilizado de la arena limosa color beige rosa ............................... 75
XXXVII. Comparacin de aporte estructural entre el tipo de cemento
utilizado de la arena pmez color gris ......................................... 76
XXXVIII. Comparacin de resultados de permeabilidad de los suelos
estabilizados con suelo cemento ................................................. 78
XXXIX. Comparacin de resultados de permeabilidad de los suelos
estabilizados con suelo cemento ................................................. 79
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X
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XI
LISTA DE SMBOLOS
Smbolo Significado
an Aporte estructural
cm Centmetro
mn Coeficiente de drenaje
C Compactacin
Densidad
Dr Densidad relativa
Diferencia
CO2 Dixido de carbono
SiO2 Dixido de silicio
Dn Espesor de capa
C Grados CelsiusIP ndice de plasticidad
kg Kilogramo
Kpa Kilopascal
KW Kilovatios
lb Libra
psi Libra por pulgada cuadrada
LL Lmite Lquido
LP Lmite Plstico
Mpa Megapascal
m Metro
m Metro cuadrado
m Metro cbico
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XII
Micrmetro
mm Milmetro
min Minuto
SN Nmero estructural
CaO xido de calcio
CO xido de carbono
NOx xidos de nitrgeno
O2 Oxgeno
PUS Peso Unitario Seco
ft Pie% Porcentaje
H% Porcentaje de humedad
in Pulgada
e Relacin de vacos
rev Revoluciones
Al2O3 Trixido de dialuminio
Fe2O
3 Trixido de dihierro
BTU Unidades trmica britnica
CBR Valor Soporte California
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XIII
GLOSARIO
Anhidro Se dice de los cuerpos cuya composicin no entra el
agua, o que han perdido la que tenan.
Aporte estructural De acuerdo al Mtodo AASHTO-93 es funcin de su
mdulo elstico, el cual a su vez es funcin directa
del estado total de esfuerzos al que est sometido el
material.
Base Es una capa intermedia entre la subbase y la carpeta
del pavimento, generalmente constituida por
agregados ptreos convenientemente graduados y
compactados, pudiendo contener adems un agente
estabilizador.
Calcinacin Proceso de calentar una sustancia a temperatura
elevada, para provocar la descomposicin trmica o
un cambio de estado en su constitucin fsica o
qumica.
Cemento Es una mezcla de calizas y arcillas pulverizadas a
grandes temperaturas, con adicin de yeso que al
entrar en contacto con el agua, desarrolla la
capacidad de unir fragmentos de grava y arena, para
formar un slido nico o piedra artificial, conocida
como concreto hidrulico.
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XIV
Cemento prehidratado Cemento almacenado que contrae molculas de
agua que forman reacciones en el cemento no
deseadas.
Compactacin Conjunto de procesos mecnicos que provoca la
disminucin del espesor del primitivo sedimento y la
reduccin de la porosidad.
Conglomerante Material capaz de unir fragmentos de uno o varios
materiales y dar cohesin al conjunto mediantereacciones qumicas en su masa que originan
nuevos compuestos.
Clinker Sustancia que se obtiene como resultado de la
calcinacin en horno, de mezclas calizas arcillosa
preparadas artificialmente con adicin eventual de
otras materias.
Cribas Equipo que realiza el proceso de separacin y
eleccin del tamao idneo de los agregados
ptreos.
Curado Accin de mantener las condiciones ideales de
reaccin del cemento para que complete su
endurecimiento durante 7 das mnimo.
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XV
Deformabilidad Movimientos producidos por esfuerzos mecnicos
sometidos a un sistema adhesivo/adherente,
provocando deformacin de est, sin prdida de
cohesin.
Desaglomeradores Sistemas integrados para controlar el tamao de
partculas y rompimiento de grumos indeseables.
Despedregar Movimiento de rocas de tamao no adecuado para
un pavimento.
Estabilizacin Proceso por el cual se agrega material para mejorar
las caractersticas fsicas y mecnicas.
Explanadas Espacio de terreno llano o allanado.
Grumo de cemento Consolidacin de polvo de cemento.
Hidratacin Adicin de una o ms molculas de agua a un
determinado compuesto.
Higroscopia Capacidad de algunas sustancias de absorber
humedad del medio circundante.
Mineraloga Rama de la geologa que estudia las propiedades
fsicas y qumicas de los minerales que se
encuentran en el planeta.
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XVI
Nmero estructural Capacidad de un pavimento de resistir cargas, que
est en funcin del aporte estructural, los espesores
de las capas de material y coeficientes de drenaje.
Permeabilidad Capacidad de un material de permitirle que un flujo lo
atraviese sin alterar su estructura interna.
Preconizar Proponer, recomendar o apoyar un procedimiento,
una medida por considerarlo bueno o adecuado para
un determinado fin.
Subbase Es una capa, generalmente constituida por
agregados ptreos convenientemente graduados y
compactados, constituida sobre la sub-rasante y
sobre la cual puede construirse la base cuando sea
necesaria.
Suelo cemento Mezcla de suelo y una proporcin de cemento
portland y agua, compactados para proporcionar
mayor densidad.
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XVII
RESUMEN
El tratamiento adecuado de los suelos para intensificar sus propiedades
fsicas y mecnicas resulta necesario en obras de carreteras. Ya que en
algunas regiones del pas se presentan suelos que no son aptos para dicho
uso. Sin embargo, para emplear una estabilizacin tipo suelo cemento es
necesario conocer en que afecta su estado de hidratacin a un suelo
estabilizado.
El cemento Portland, junto con agregados ptreos, se utiliza
principalmente para formar el concreto. El cemento Portland se forma gracias a
ciertos minerales en un proceso controlado de calcinacin. Almacenando el
cemento de forma adecuada puede mantener sus propiedades diseadas, de lo
contrario pasara a un estado de estado de prehidratacin, lo que provocara
una reduccin de sus caractersticas fsicas y mecnica.
Para elaborar una estabilizacin tipo suelo cemento, previamente se
realizaron ensayos de mecnica de suelos a 2 tipos de suelos distintos para
conocer sus propiedades fsicas, mecnicas e hidrulicas. Posteriormente,
utilizando como referencia la Norma ACI 230.1R-90, se eligieron distintas
proporciones considerando la clasificacin de los suelos. Se elaboraron
ensayos de compresin no confinada, y ensayos de desgaste de humedad y
secado.
Para efectuar anlisis de resultados se utilizaron tablas, grficos y tambin
se consider el aporte estructural para determinar el comportamiento de los
suelos estabilizados con suelo cemento anhidro y prehidratado.
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XVIII
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XIX
OBJETIVOS
General
Determinar la influencia del cemento Portland anhidro y prehidratado para
el mejoramiento de las propiedades mecnicas de suelos para la utilizacin de
base y subbases de carreteras.
Especficos
1. Extraer los materiales a utilizar de bancos adecuados y analizar las
propiedades y caractersticas fsicas de cada una de ellas, por medio de
ensayos y estudios de laboratorio.
2. Definir proporciones en porcentajes de los materiales estabilizantes ausar y con los resultados de laboratorio obtener una estabilizacin
mejorada en suelos.
3. Analizar el comportamiento fsico, mecnico e hidrulico de suelos
empleados en base y subbase estabilizados con cemento Portland
anhidro y prehidratado, y proporcionar la diferencia en resultados entre
ambas.
4. Contribuir a complementar por medio del trabajo de graduacin el estudio
de estabilizacin de suelos, a profesionales y sector empresarial de qu
manera influye un cemento Portland anhidro y prehidratado en una
estabilizacin de suelo cemento.
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XXI
INTRODUCCIN
El siguiente trabajo de graduacin pretende, por medio de anlisis
experimentales, encontrar de qu manera influye un cemento Portland
prehidratado para elaborar una estabilizacin qumica de suelo cemento.
Se buscar material de suelo granular y se elaborarn ensayos de
Laboratorio de Mecnica de Suelos para determinar su clasificacin. Luego se
realizarn ensayos de compactacin y de California Bearing Ratio (CBR ) para
determinar sus caractersticas fsicas sin alterarse con cemento Portland.
Despus se proceder a agregarle cemento Portland segn porcentaje en peso;
para tener un parmetro en la influencia, el porcentaje de cemento Portland
ser el mismo, tanto en cemento Portland anhidro y en cemento prehidratado.
Se elaborarn ensayos mecnicos para determinar las caractersticas nuevas,
se elaborarn grficas para determinar las diferencias en resultados y seproporcionarn recomendaciones segn resultados. Conjunto con el trabajo de
graduacin si alguna empresa esta interesada en los resultados obtenidos, se
patentar, ya que se pretende inducir nuevas ideas para el uso de cemento
rechazado.
Lo que se pretende es proporcionar una alternativa de uso de un material
inicialmente rechazado para modificar las caractersticas fsicas y mecnicas
del suelo, que puede tener aplicaciones para cimientos o la capa antes de fundir
la losa, pero en este caso la investigacin se enfocara para base y subbase de
una carretera.
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1. CONCEPTOS BSICOS
En las obras de infraestructura vial, por razones ambientales y
econmicas, es recomendable utilizar en mayor medida los suelos presentes en
la obra. Sin embargo, los suelos no poseen las caractersticas adecuadas para
resistir un trnsito vehicular determinado. Por ello se dispone actualmente de
estabilizaciones fsicas, como suelo-suelo, y qumicas, como suelo cal y suelo
cemento.
El presente trabajo se enfocar en la estabilizacin qumica, tipo suelo
cemento para suelos granulares.
1.1. Cemento Portland
Los cementos Portland son cementos hidrulicos compuestosprincipalmente de silicatos hidrulicos de calcio. Estos fraguan y endurecen
por la reaccin qumica con el agua. Durante la reaccin llamada hidratacin, el
cemento se combina con el agua para formar una masa similar a una piedra,
llamada pasta. Cuando se adiciona la pasta a los agregados (arena y grava,
roca triturada, roca machacada y otro material granular), la pasta acta como un
adhesivo y une los agregados para formar el concreto. El nombre Portland se
deriva de la semejanza en apariencia, en el estado endurecido del cemento con
la piedra Portland de Inglaterra.
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1.1.1. Fabricacin del cemento
Para la fabricacin del cemento Portland es necesario la obtencin de
materias primas, procesamiento de los materiales y control de calidad del
producto final. Las materias primas que requiere el cemento Portland son:
Materiales ricos en cal
Materiales con slice y almina
Mineral de hierro
Se dosifica una mezcla tpica de materias primas, de modo que el clinker
luego de calcinado, consista aproximadamente en 65 por ciento de CaO, 21 por
ciento de SiO2, 5 por ciento de Al2O3y 3 por ciento Fe2O3.
Entre las etapas de la fabricacin del cemento se encuentran las
siguientes:
1.1.1.1. Explotacin de materias primas
Consiste en extraccin de la materia prima, utilizando la combinacin de
maquinaria y explosivos controlados. Posteriormente se transportan las rocas
hasta un tamao adecuado segn especificaciones de la trituradora, de manera
que se obtengan partculas entre los 5 a 10 milmetros.
1.1.1.2. Procesamiento
Consiste en elaborar la mezcla de las arcillas y las calizas que han sido
previamente trituradas. Se transportan por medio de bandas transportadoras o
molinos, con el objetivo de reducir su tamao hasta el orden de dimetro de
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milmetro. Dentro de esta etapa se puede utilizar uno de los 2 procesos;
hmedo o seco. La productora guatemalteca, Cementos Progreso, utiliza el
proceso seco.
1.1.1.3. Calcinado
Existen 2 tipos de proceso de calcinado, de los cuales tienen diferencias
no solo en el proceso, sino en la calidad de energa que utilizan y la tecnologa
necesaria para elaborar el cemento.
1.1.1.3.1. Precalentador/precalcinador
Consiste en transportar el material a un horno precalentador que consta
de 6 etapas en serie, en las que el grano molido de alimentacin de materia
prima baja describiendo un espiral, a travs de una corriente arremolinada de
gas caliente ascendente que viene del horno o de otra etapa. Se tiene una
transferencia de calor que permite producir clinkera razn de 2,7 millones de
BTU por tonelada corta. El precalentador con precalcinador tiene un depsito
adicional donde se extrae la mayor parte de CO2de la roca caliza para formar la
cal viva.
1.1.1.3.2. Largo seco y hmedo
La alimentacin seca para el horno o la pasta aguada se saca del
almacenamiento y se alimenta en el horno rotatorio. La temperatura se eleva en
el material al moverse hacia la fuente de calor y se forman grumos de clinker
conforme va reaccionando con el hierro, la almina, el slice y la cal, para
convertirse en los nuevos compuestos del cemento. Se conserva el material en
el horno por 2,5 horas en donde caen en cascada.
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1.1.1.4. Molido de acabado
Se almacena el clinker en sitios cerrados, en naves o silos. Luego se
muele junto con un 5 a 7 por ciento de yeso para controlar el tiempo de
fraguado y mejorar las caractersticas de resistencia y cambio de volumen.
Tambin se muelen sustancias adicionales como algn inhibidor de fraguado
por compactacin y de ayuda a la pulverizacin con el fin de mejorar la
capacidad para fluir.
1.1.2. Mtodos de almacenamiento
El cemento es un material sensible a la humedad, debido a sus
componentes qumicos. Si se mantiene seco, va a mantener su calidad por
tiempo prolongado ms no indefinido. El cemento almacenado en contacto con
el aire hmedo o en ambientes hmedos, fragua lentamente y tiende a tener
menor resistencia que un cemento mantenido seco, lo que tiende a
prehidratarse. Al cemento prehidratado, vulgarmente se le conoce como
cemento viejo o cemento envejecido.
1.1.2.1. Sacos
El saco contiene 42,5 kilogramos de cemento. Sus dimensiones habituales
son 50 x 66 centmetros. Generalmente se encuentra constituido por 3 pliegues
de papel. Los sacos destinados a regiones hmedas estn reforzados por 6
pliegues. Frecuentemente las hojas de papel que forman el saco estn
adheridas con un pegamento, aunque pueden estar cosidas.
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Las hojas de papel destinadas a la confeccin de sacos deben estar en
almacenamiento previo durante 24 horas a 20 1 grados Celsius y 65 25 de
humedad relativa.
1.1.2.1.1. Propiedades del papel
El alargamiento y longitud de rotura, fecha e ndice de rotura y resistencia
a la rotura disminuyen con el aumento de temperatura.
La fuerza, porosidad, alargamiento de rotura y fecha de rotura aumentancon la humedad. El ndice de rotura y la longitud de rotura disminuyen cuando la
humedad relativa aumenta.
1.1.2.1.2. Locales de almacenamiento
Los sacos de cemento despachados a las ferreteras o a las obras de
construccin debern tener los siguientes cuidados para que el cemento
mantenga la calidad:
La humedad relativa de los almacenes o cobertizos usados para guardar
los sacos de cemento debern ser la ms baja posible.
Todas las fisuras y aberturas de los muros y techos deberan ser
cerrados.
No deberan almacenar los sacos de cemento en pisos hmedos y
deben descansar sobre tarimas. Los sacos deben apilarse juntos para
reducir la circulacin del aire, pero no deben nunca apilar cerca de los
muros externos.
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Los sacos que se almacenen por un largo perodo se deben cubrir con
lonas (mantas) u otra cobertura impermeable.
En pequeas obras donde el cobertizo no est disponible, los sacos se
deben colocar sobre plataformas de madera elevadas sobre el suelo.
Suelos saturados de humedad, ya que la evaporacin del suelo puede
afectar los sacos inferiores.
Las coberturas impermeables deben cubrir toda la pila y extenderse para
all de los bordes de la plataforma para prevenir que la lluvia llegue
hasta el cemento y la plataforma. Las plataformas mojadas pueden
daar los sacos inferiores.
El cemento almacenado por perodos prolongados puede sufrir un
fenmeno de compactacin por almacenamiento o fraguado de empaque. Esto
se corrige normalmente rodando los sacos sobre el suelo.
1.1.2.2. Granel
El cemento a granel se debe almacenar en silos o depsitos de concreto
impermeable o acero. Se debe usar aeracin seca a baja presin o vibracin en
los silos para mantener la fluidez del cemento y evitarse la formacin de
grumos. No se debe almacenar un volumen de cemento mayor que el 80 por
ciento de la capacidad del silo. La entrega de cemento a granel puede hacerse:
En contenedores de 1 a 3 metros cbicos en general, transportados por
camin. La carga se efecta por gravedad. Ciertos modelos de
camiones-gra descargan por s mismos su contenido.
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Por camiones cisterna con una capacidad de aproximadamente 25
metros cbicos de material. La descarga puede hacerse por aire a
presin.
Por vagones tolva con una capacidad por vagn, de 30 metro cbico.
1.1.3. Causas de rechazo de cemento
La mayor parte de especificaciones para el cemento Portland limitan su
composicin qumica y sus propiedades fsicas. La comprensin del significado
de algunas de estas propiedades fsicas es til para el ingeniero para interpretar
los resultados e identificar la calidad y estado del cemento. Por ello se indicarn
qu ensayos se pueden tomar en consideracin y en qu manera influye en la
calidad del cemento y se investigar en qu manera influye en las mejoras
fsicas y mecnicas en el suelo.
1.1.3.1. Peso especfico
El peso especfico relativo del cemento Portland es de aproximadamente
3.15. Aunque no es un indicador definitivo de la calidad del cemento, aunque
puede ser un parmetro de calidad. Su uso principal se tiene en los clculos de
proporcin de mezclas en volumen. Se utiliza la Norma ASTM C188.
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Figura 1. Peso especfico
Fuente: Laboratorio de Agregados, Concretos y Morteros. CII/USAC.
1.1.3.2. Finura
La finura del cemento influye en el calor de hidratacin liberado y la
velocidad de hidratacin. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de
hidratacin y por lo tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una
mayor finura provocan sobre la resistencia se manifiestan principalmente
durante los primeros siete das. La finura se puede medir por medio del ensayo
de turbidmetro de Wagner (ASTM C115), el ensayo Blaine de permeabilidad al
aire (ASTM C204) o con el tamiz nm. 325 (45 ), (ASTM C430).
Aproximadamente del 85 al 95 por ciento de las partculas del cemento pasan el
tamiz nm. 325.1
1 http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2411/Tesis.pdf?sequence=1.p. 10. Consulta: 18 de abril de 2014.
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Figura 2. Ensayo fineza de tamiz N 325
Fuente: Laboratorio de Agregados, Concretos y Morteros. CII/USAC.
1.1.3.3. Prdida por calcinacin
La prdida por calcinacin del cemento Portland se determina calentando
una muestra de cemento de peso conocido a 900 a 1 000 grados Celsius hasta
que se obtenga un peso constante. Se determina entonces la prdida en peso
de la muestra. Normalmente una prdida por calcinacin elevada indica pre-
hidratacin y carbonatacin, que pueden ser causadas por un almacenamiento
prolongado e inadecuado o por adulteraciones durante el transporte y la
descarga. El ensayo para la prdida por calcinacin se lleva a cabo de acuerdo
con la Norma ASTM C114. La Norma ASTM C150 indica que como mximo
permisible de perdida es de 3 por ciento.2
1.1.3.4. Resistencia a la compresin
La resistencia a la compresin, en base la Norma ASTM C150, es
obtenida a partir de pruebas en cubos de mortero estndar de 5 centmetros,
ensayados de acuerdo a la Norma ASTM C109. Para motivo de rechazo el
2 http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2411/Tesis.pdf?sequence=1.pg 12
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2411/Tesis.pdf?sequence=1http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2411/Tesis.pdf?sequence=1http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2411/Tesis.pdf?sequence=1 -
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cemento debe tener el tipo I como mnimo 28,0 megapascales (4 060 psi) en
promedio de resistencia nominal a 28 das de edad.
Figura 3. Ensayo a compresin
Fuente: Laboratorio de Agregados, Concretos y Morteros. CII/USAC.
1.2. Suelos granulares
Los suelos granulares se definen como aquellos granos ptreos en los
cuales las fuerzas intergranulares o atractivas tienen un efecto despreciable en
el comportamiento mecnico3. Esta categora engloba a rocas, gravas y
arenas. As tambin se pueden clasificar como materiales densos o sueltos.
1.2.1. Comportamiento de los suelos granulares
El comportamiento viene dado por las tensiones efectivas y la condicin
de drenaje de los suelos.
3http://es.scribd.com/doc/210757891/Exposicion-de-Suelos-Final1 p. 2. Consulta: 18 de abril de 2014.
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1.2.1.1. Concepto de tensin efectiva
Los suelos granulares son materiales trifsicos, constituidos por el
conjunto de partculas slidas, rodeado de vacos interconectados, que pueden
ser ocupados por aire y agua. Un suelo con los huecos completamente
ocupados por agua se denomina suelo saturado, sin embargo, es posible que
los huecos estn llenos de aire sin nada de agua, entonces se define como
suelo seco.
Figura 4. Fases de un suelo en estado natural y porciones de las 3fases
Fuente: elaboracin propia.
1.2.1.2. Condicin de drenaje
Debido a la caracterstica del agua, que es un elemento considerado
incompresible, el suelo al encontrarse saturado se considera de la misma
manera. Por lo tanto, si se escapase agua de los huecos se permitira un
cambio de volumen. Entonces, si las tensiones se aplican tan lentamente que
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permite que se disipe fcilmente el exceso de presin intersticial, el suelo tiene
la condicin de drenaje.
El suelo con esta condicin, cualquier cambio en la tensin total aplicada
implica un cambio en la tensin efectiva y este sufre una deformacin
volumtrica. Por otro lado, bajo una condicin sin drenaje, las cargas se aplican
tan rpidamente que la presin intersticial no tiene tiempo a disiparse. Por lo
tanto, si no se permite el drenaje, no puede haber ningn cambio de volumen y
el suelo nicamente experimenta deformacin tangencial, denominndose
condicin de volumen constante.
1.2.2. Influencia del tamao
Dentro de la parte slida de los suelos, hay partculas de distinto tamao.
Por lo que conduce de un anlisis de la composicin granulomtrica.
El anlisis granulomtrico se realiza separando las partculas del suelo en
rangos de tamao a travs de tamices de distintas dimensiones. En esta
operacin de dividir las partculas de suelo en tamaos, se encuentra con una
dificultad prctica, ya que tamizar suelos por tamices inferiores al nm. 200
significa una complicacin, ya que ste es muy dbil y difcil de manejar, y
resulta de inters ingenieril conocer los suelos que pasan dicha malla.
Para las partculas superiores a los 74 micrones se realiza el estudio de su
granulometra por tamices representando los porcentajes que pasan por cada
tamiz, en funcin del logaritmo del tamao, obteniendo una curva
granulomtrica del material.
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Tabla I. Clasificacin de los suelos segn distintas organizaciones
Nombre de la OrganizacinTamao de los granos (mm)
Grava Arena Limo Arcilla
Massachusett Institute of Tec. >2 2 a 0.06 0.06 a 0.002 2 2 a 0.05 0.005 a 0.002
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En la mayora de los casos, la dureza individual de los granos del suelo es
de poca importancia. Casi todas las arenas se componen mineralgimente de
dursimos granos de cuarzo, con aristas redondeadas.
La influencia decisiva es la densidad relativa, donde indica cuanto mayor
sea la densidad relativa, menor es la deformabilidad y mayor ser la resistencia.
1.3. Subbases y bases
Dentro de las consideraciones que deben tomarse en cuenta para eldiseo de estructuras de pavimento, es necesario analizar fundamentalmente la
problemtica que representa la calidad de los suelos a utilizar. Por ello es
necesario la seleccin apropiada de los materiales, elaborar los ensayos
correspondientes que exige el normativo de Guatemala: Especificaciones
generales para construccin de carreteras y puentesedicin septiembre 2001.
Por ello se considera de vital importancia conocer lo que solicita dicho
normativo.
1.3.1. Definiciones
Previo a concluir si un material es adecuado o no para un pavimento, se
debe conocer para qu elemento estructural va a ser utilizado. Por dicha razn
se indicaran las siguientes definiciones:
Subbase comn: es la capa de la estructura del pavimento destinada
fundamentalmente a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad el
efecto de las cartas del trnsito proveniente de las capas superiores del
pavimento, de tal manera que el suelo de subrasante las pueda soportar.
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Subbase granulares o subbase triturada: es la capa formada por la
combinacin de piedra o grava, con arena y suelo, en su estado natural,
clasificado o con trituracin parcial para construir una subbase integrante
de un pavimento, la cual est destinada fundamentalmente a soportar,
transmitir y distribuir con uniformidad el efecto de las cartas del trnsito
proveniente de las capas superiores del pavimento, de tal manera que el
suelo de subrasante las pueda soportar.
Base granular o base triturada: es la capa formada por la combinacin de
piedra o grava, con arena y suelo en su estado natural, clasificados o con
trituracin parcial para constituir una base integrante de un pavimento.
Subbase estabilizada: es la capa constituida de materiales ptreos y/o
suelos mezclados con materiales o productos estabilizadores, preparada
y construida aplicando tcnicas de estabilizacin de suelos, para
mejorar sus condiciones de estabilidad y resistencia, para constituir una
subbase integrante de un pavimento, la cual est destinadafundamentalmente a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad el
efecto de las cargas del trnsito proveniente de las capas superiores del
pavimento, de tal manera que el suelo de subrasante las pueda soportar.
Base estabilizada: es la capa formada por la combinacin de piedra o
grava trituradas cuando sea requerido en las disposiciones especiales,
combinadas con material de relleno, mezclados con materiales o
productos estabilizadores, preparada y construida aplicando tcnicas de
estabilizacin, para mejorar sus condiciones de estabilidad y resistencia,
para constituir una base integrante de un pavimento destinada
fundamentalmente a distribuir y transmitir las cargas originadas por el
trnsito, a la capa de subbase.
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1.3.2. Especificaciones en la construccin
Dentro de las especificaciones de la construccin se deben guiar bajo el
normativo guatemalteco de Especificaciones generales para construccin de
carreteras y puentes edicin septiembre 2001. Donde indica lo siguiente:
1.3.2.1. Calidad de los materiales
La capa de la subbase y base debe estar constituida por materiales de tipo
granular en su estado natural o mezclados, que forme y produzcan un materialque llene los siguientes requisitos:
Valor soporte: el material debe tener un CBR (AASHTO T 193), mnimo
de 30 efectuado sobre muestra saturada a 95 por ciento de
compactacin, (AASHTO T 180).
Piedras grandes y exceso de finos. El tamao mximo de gravas quecontenga el material subbase, no debe exceder de 70 milmetros ni
exceder de espesor de la capa. El material de subbase no debe tener
ms del 50 por ciento en peso, de partculas que pasen el tamiz 0,425
milmetros, ni ms del 35 por ciento en peso, en partculas que pasen el
tamiz 0,075 milmetros.
Plasticidad: la porcin que pasa el tamiz 0,425 milmetros, no debe tener
un IP AASHTO T90 mayor de 6 ni un Lmite Lquido AASHTO T89,
mayor a 25, determinados ambos, sobre muestra preparada en hmedo,
AASHTO T146.
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Impurezas: el material de subbase debe estar exento de materiales
vegetales, basura, terrones de arcilla, o substancias incorporadas dentro
de la capa de subbase puedan causar fallas en el pavimento.
1.3.2.2. Requisitos para ejecucin
Ya establecido la calidad de materiales con sus lmites mnimos y
mximos, en la divisin 300 de las Especificaciones generales para
construccin de carreteras y puentes de Guatemala indican los requisitos para
la construccin, de la base y subbase de las carreteras, as como controles decalidad.
1.3.3. Problemticas y soluciones
Idealmente cuando se disea una pavimentacin se desea utilizar el
material que se encuentra alrededor de la construccin, para que el impacto
ambiental no sea severo y evitar costos elevados de sobre acarreo de material.Sin embargo, cuando se elaboran ensayos preliminares de laboratorio como
granulometra, Proctor modificado, CBR y lmites de Atterberg a los bancos de
material se encuentran caractersticas que no cumplen con las especificaciones
por ello se estabilizan de manera fsica y/o qumica.
1.3.3.1. Estabilizacin fsica
La ms comn es estabilizar mezclas de diferentes bancos de material. El
parmetro que se utiliza es la granulometra, se mezcla el material en
porcentaje de manera que el material este apegado al rango permisible. Luego
se elaboran los ensayos pertinentes para verificar si cumple con los requisitos
mnimos. En ciertas ocasiones cuando el material es sin cohesin, y se desea
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cierto grado de plasticidad, se mezclan con materiales con esas caractersticas,
y cuando se desea quitar se utilizan materiales granulares.
Tambin se estabiliza con ripio, el cual es un plan de reciclaje de material.
1.3.3.2. Estabilizacin qumica
Dentro de las estabilizaciones qumicas indican agregarle materiales que
no se puedan separar fsicamente, es decir por medio de tamizaje u otro
procedimiento separativo. Entre estas se encuentran:
Cal: mtodo econmico para disminuir la plasticidad de los suelos y
aumentar la resistencia. Los porcentajes van del 2 al 6 por ciento con
respecto al suelo seco del material por estabilizar.
Cemento Portland: ideal para estabilizar arenas o gravas finas, con el fin
primordial de aumentar la resistencia y disminuir la plasticidad.
Productos asflticos: para material triturado sin cohesin, el cual la
emulsin es el que comnmente se utiliza.
Tambin se encuentran las estabilizaciones con polmeros, hule de
neumticos, con cloruro de sodio, cloruro de calcio y escorias de fundicin, de
las cuales an se encuentran en experimentacin y al momento de recomendar
su uso, se deben elaborar los ensayos pertinentes para demostrar las distintas
mejoras que puedan tener y el costo que representara.
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Las reacciones del cemento con el suelo son de naturaleza fsicoqumica.
La reaccin entre el cemento y los suelos granulares no plsticos es menos
compleja que con suelos finos plsticos. Los suelos arcillosos no se pueden
considerar como la reaccin de un cementante con un material inerte; por lo
contrario, los minerales arcillosos reaccionan y cambian durante el proceso
alterando su estructura interna.
1.4. Estabilizacin tipo suelo cemento
La estabilizacin tipo suelo cemento, un procedimiento til para mejorar unmaterial que no cumple con las especificaciones tcnicas para ser utilizado
como base o subbase de una carretera.
1.4.1. Definicin
Se utilizar como base de la definicin los conceptos de la PCA, que
indica lo siguiente:
El suelo cemento: es una mezcla ntima de suelo, convenientemente
pulverizado con determinadas porciones de agua y cemento que se compacta y
cura para obtener mayor densidad. Principalmente se utiliza como base en los
pavimentos de carreteras, calles y aeropuertos
Grava-cemento: mezcla de agregados y las resistencias mecnicas son
similares a las de un concreto para pavimentos. Por lo que puede soportar el
paso continuado del trfico sin necesidad de una carpeta de rodadura.
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Dentro de las aplicaciones se encuentra mejorar la base para pavimentos
con trfico industrial muy pesado, terminales portuarias de minerales y
contenedores, de ferrocarriles, de vehculos muy pesados, patios de
almacenamiento industrial pesado. Tambin es efectivo en el uso de reparacin
de pavimentos fallados por su fcil aplicacin, ya que permite reutilizar el
material para elaborar una nueva base.
1.4.2. Proceso constructivo
Para poder estabilizar con cemento en un proyecto, se deben tomar enconsideracin, tanto el conglomerante como la maquinaria a utilizar y el
procedimiento.
1.4.2.1. Almacenamiento del conglomerante
El almacenamiento del cemento en la obra es en funcin de tipo de obra,
condiciones de suministro y producciones previstas. En general, el suministro
del conglomerante en obras de cierta importancia es a granel, en cisternas de
aproximadamente 25 metros cbicos. Sin embargo, en aplicaciones menores
puede ser conveniente emplear el conglomerante en sacos y distribuirlos
manualmente sobre el suelo.
Para garantizar un trabajo sin interrupciones, ya que el cemento es
susceptible a la humedad, es recomendable disponer de capacidad de
almacenamiento de conglomerantes para al menos un da de trabajo. A la hora
de dimensionar la capacidad de almacenamiento se debe tener en cuenta la
densidad del conglomerante. Hay que considerar, asimismo, los plazos
mximos de almacenamiento del conglomerante.
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1.4.2.2. Preparacin del suelo
Antes de proceder a la distribucin del cemento Portland y su mezclado
con el suelo pueden ser necesarias algunas operaciones previas a preparar
este convenientemente para dicho tratamiento. Estas operaciones son:
Remocin de partculas gruesas en suelos con tamao mximo superior
admisible, por lo general es mayor de 3 pulgadas.
Disgregacin de suelos cohesivos, para permitir el correcto mezclado
posterior con el conglomerante.
Escarificacin del suelo para facilitar la aireacin, esponjamiento o
secado, o bien para facilitar la humectacin del material o labor del
equipo de mezclado.
1.4.2.3. Cribas y mquinas despedregadoras
El tamao mximo de los suelos se puede ajustar a los requerimientos
mediante el corte granulomtrico, en caso de que el material de origen supere
el tamao permitido de las especificaciones o el aceptable para el correcto
funcionamiento la de la mquina mezcladora. Por ello, se recurre en algunos
casos al escarificado del material y extraccin manual de las piedras de mayor
tamao. Sin embargo, dada la baja eficiencia de la extraccin manual en
ocasiones, es necesario realizar un corte granulomtrico eficaz. Atendiendo a
criterios econmicos, y dependiendo de la proporcin de sobretamaos que
tenga el material de origen se puede emplear dos mtodos.
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Despedregadoras, si el porcentaje de sobretamaos es inferior
aproximadamente al 5-10 por ciento.
Cribas, si dicho porcentaje es superior al 5-10 por ciento.
1.4.2.4. Maquinaria para la disgregacin,
escarificacin o aireacin del suelo
Los equipos para realizar dicha operacin son los que comnmente se
emplean para movimiento de tierras. Es frecuente la utilizacin de ripper de
dientes mltiples montados sobre una motoniveladora, de un tractor de cadenas
de mediana potencia. Se permite utilizar mquinas de origen agrcola, como
gradas de reja o discos, o rastrillos arrastrados por un tractor.
En aquellos casos en los que el elevado grado de cohesin del suelo
dificulte su disgregacin por el equipo anteriormente mencionado, esta
operacin se puede realizar mediante mquinas de tipo rotavator agrcola, quepueden ser las mismas empeladas para la posterior mezcla del suelo con el
conglomerante.
1.4.2.5. Humectacin y distribucin del
conglomerante
El conglomerante es distribuido sobre el suelo mediante equipos
distribuidores en una operacin previa a la de mezclado. En ocasiones puede
ser necesario el manejo del conglomerante en sacos y su distribucin manual
sobre el suelo, cuidando la proporcin estimada, utilizando en relacin el
espesor y el rea abarcada.
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1.4.2.5.1. Humectacin del suelo
La humectacin del suelo es necesaria para elevar el porcentaje de
humedad hasta el valor ptimo determinado por el ensayo de Proctor
Modificado AASHTO T - 180. La humectacin del material se puede realizar de
2 formas:
Riego de agua sobre la superficie a tratar mediante cisterna de agua
tradicional antes de la distribucin del cemento, por lo que se recomienda
escarificar previamente el suelo.
Un sistema de dosificacin e inyeccin de aditivos lquidos en la cmara
de mezcla.
1.4.2.5.2. Control de la dosificacin
La dosificacin del conglomerante debe ser determinada, utilizando comoparmetro el porcentaje de cemento que cumpli con los requisitos del
diseador. La dosificacin del conglomerante sobre el suelo puede ser:
Volumtrica, independientemente de la velocidad. La precisin en el
reparto queda acondicionada por la regularidad de la velocidad de
avance del equipo.
Volumtrica, proporcionada a la velocidad de avance del distribuidor.
Volumtrica, proporcional a la velocidad de avance y con correccin
ponderal discontinua.
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1.4.2.6. Mezcla in si tu
Un mezclador in situ es una mquina automotriz, remolcada o
transportada destinada a pulverizar, triturar, airear, homogenizar y esponjar un
suelo y a mezclarlo con uno o ms materiales de aportacin, en este caso
cemento y agua.
Los equipos de mezcla empleados en la mejora de tratamiento de suelos
se pueden clasificar en 3 grupos:
tiles fijados a la mquina: ripper, hoja de motoniveladora, vertederas o
rejas y otros.
tiles cuyo accionamiento se produce por traccin y friccin con el suelo:
gradas de discos.
tiles cuyo accionamiento es producido por un motor: rotovator agrcola
o las estabilizadoras modernas con rotor y cmara de mezcla.
1.4.2.7. Compactacin
La seleccin del equipo a emplear dependen de muchos factores, pero el
ms importante es el tipo de material a compactar y su estado en el momento
de la compactacin. Tambin depende de operarlo correctamente con el
objetivo de obtener una compactacin ptima. Los factores ms importantes
son la velocidad del compactador, el espesor de la capa y el nmero de
pasadas.
Para un suelo estabilizado con cemento, la compactacin debe finalizar
durante el plazo de trabajabilidad disponible, que puede ser relativamente corto,
debido a la rpida evaporacin del agua.
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Para la compactacin de materiales tratados con cemento se emplean en
general uno o la combinacin de algunos de los siguientes tipos de
compactadores:
Rodillo esttico tipo pata de cabra
Rodillo vibratorio liso
Rodillo vibratorio tipo pata de cabra
Compactador de neumticos
1.4.2.8. Refino de la superficie
Los diferentes tratamientos provocan en mayor o menor medida un
esponjamiento del suelo y deformaciones puntuales de la rasante, por lo que es
preciso proceder a una rasante o refino final, que se realiza con motoniveladora.
En el caso de la estabilizacin de suelos para explanadas, es preciso
obtener una rasante final con tolerancias muy estrictas por el supervisor.Cuando se usa cemento, se debe refinar en un tiempo muy corto.
1.4.2.9. Curado y proteccin
Luego de completar una capa estabilizada, se puede extender
rpidamente a la capa siguiente, con un adecuado grado de humedad, que
evite la prdida de agua en la capa ya estabilizada.
Al finalizar el proceso de compactacin y refinacin se debe mantener un
perodo de curado, sin trfico, que variar de 3 a 7 das en funcin del
tratamiento.
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Mayor rigidez y mejor distribucin de cartas aplicadas al pavimento, por
lo que permite contar con estructuras de pavimentos de menor nmero
de capas.
Si el suelo tiene una gran parte de fraccin granular, puede conseguirse
un material insensible al agua, estable y capaz de resistir a largo plazo
las deformaciones producidas por el trfico.
Figura 5. Estado de distribucin de esfuerzos segn PCA
Fuente: QUINTANILLA RODRGUEZ, Carlos Antonio. El estado del arte del suelo cemento en
estructuras de pavimentos. p. 14.
Resistencia a los agentes atmosfricos, extremos clidos y fros.
Aumento de resistencia y menores intervenciones de mantenimiento,
aumenta la vida til.
En el pavimento rgido, disminuye el fenmeno de bombeo, mejora la
distribucin de carga, mejora la plataforma de trabajo.
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En el pavimento flexible, aumenta la vida til y reduccin del
agrietamiento por fatiga y disminucin de la presin en la subrasante.
Las desventajas de una estabilizacin de tipo suelo cemento son las
siguientes:
Si no es diseado, dosificado y controlado adecuadamente, puede
producir demasiada contraccin y agrietamiento, donde pueden ser
notorias en las carpetas de rodadura.
Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el nmero de
ensayos necesarios, antes de ejecutar compactaciones en campo.
El tiempo para ejecutar el mezclado, conformacin y compactacin est
limitado por el del fraguado del cemento, y la acelerada absorcin del
agua que limita la compactacin cercana al 100 por ciento.
El suelo cemento tiene una reducida resistencia al desgaste. Por ello, las
bases de suelo cemento precisan capas de rodadura de concreto
asfltico, tratamientos superficiales o capas de rodadura de concreto
hidrulico.
La liga entre diferentes capas es dificultosa.
Es necesario con contar personal especializado.
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2. ESTUDIO DE LAS CARACTERSTICAS Y PROPIEDADES
DE LOS SUELOS GRANULARES Y DEL CEMENTOPORTLAND
2.1. Descripcin de las muestras de suelo
El material seleccionado para la experimentacin fueron 2 muestras: arena
limosa color beige rosa y arena pmez color gris. Ambas muestras fueron
tomadas de la zona 8 de Mixco, Ciudad San Cristbal. A continuacin se
presentaran los resultados de su clasificacin cientfica y sus caractersticas
mecnicas e hidrulicas. (Anexo)
Figura 6. Fotografa de la muestra de arena limosa color beige rosa
Fuente: zona 8 de Mixco, Ciudad San Cristbal.
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Figura 7. Fotografa de la muestra arena pmez color gris
Fuente: zona 8 de Mixco, Ciudad San Cristbal.
2.1.1. Granulometra (ASTM D 6913-04)
El material, previo a someterse a la tamizadora; se lav por la mallanmero 200 y posteriormente fue tamizado en estado seco saturado. Se
utilizaron los tamices recomendados por la Norma ASTM D 6913-04 y los
resultados de los suelos fueron los siguientes.
Arena limosa color beige rosa
Porcentaje de grava: 10,67
Porcentaje de arenas: 60,28
Porcentaje de finos: 29,04
Arena pmez color gris
Porcentaje de grava: 20,56
Porcentaje de arenas: 77,98
Porcentaje de finos: 1,49
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2.1.2. Lmites de Atterberg (AASHTO T 89-10 y AASHTO
T 90-00)
Los materiales fueron sometidos al ensayo de ndice de plasticidad y
ambos presentaron resultados nulos, ya que no poseen lmite plstico, por
consiguiente no poseen lmite lquido.
Con los resultados de granulometra y lmites de Atterberg, se pudo
determinar que el suelo de arena limosa color beige rosa tiene una clasificacin
AASHTO como A-2-4 y clasificacin SCU como SP (arena mal graduada), y elsuelo arena pmez color gris tiene una clasificacin AASHTO como A-3 y
clasificacin SCU como SP (arena mal graduada).
2.1.3. Proctor Modificado (AASHTO T 180-01)
Los materiales fueron sometidos al ensayo de compactacin mecnica
segn Norma AASHTO T 180-01 tipo A y C. Los resultados fueron los
siguientes:
Arena limosa color beige rosa
Proctor mtodo A (tamiz #4)
PUS: 1 318 kg/m3, (82,25 lb/ft3)
Humedad ptima: 19,4 %
Arena pmez color gris
Proctor mtodo C (tamiz )
PUS: 1 005 kg/m3, (62,75 lb/ft3)
Humedad ptima: 7,1 %
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Figura 8. Ensayo Proctor Modificado
Fuente: Laboratorio de Mecnica de Suelos. CII/USAC.
2.1.4. Permeabilidad (ASTM D 2434-00)
Los materiales fueron sometidos al ensayo hidrulico de permeabilidad de
cabeza constante, por tener caractersticas de suelo granular, segn Norma
ASTM D 2434-00. Los resultados fueron los siguientes:
Arena limosa color beige rosa
Coeficiente de permeabilidad= 8,9 8x 10-3centmetros
Arena pmez color gris
Coeficiente de permeabilidad= 5,12 x 10-1centmetros
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2.1.5. CBR (Valor Soporte California AASHTO T 193-99)
Los materiales fueron sometidos al ensayo de valor soporte: Razn
Soporte California (CBR), segn Norma AASHTO T 193 y los resultados fueron
los siguientes:
Figura 9. Fase de penetracin de ensayo CBR
Fuente: Laboratorio de Mecnica de Suelos. CII/USAC.
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Arena pmez color gris
Tabla III. Resultados de ensayo de CBR de arena pmez limosa color
gris
Probeta Golpes A la compactacin C Expansin C.B.R.
No. No. H (%) Yd (Lb/pie3) (%) (%) (%)
1 10 9,01 52,31 83,36 0,07 14,06
2 30 9,01 56,89 90,66 -0,04 21,72
3 65 9,01 64,98 103,55 -0,02 57,35
Fuente: Laboratorio de Mecnica de Suelos. CII/USAC.
Figura 11. Grfico porcentaje de CBR versus porcentaje de
compactacin
Fuente: Laboratorio de Mecnica de Suelos. CII/USAC.
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2.2.1. Resistencia a la compresin (ASTM C 109-13)
Ambas muestras fueron sometidas al ensayo de determinacin de la
resistencia a la compresin de morteros de cemento hidrulico, usando
especmenes cbicos de 50 milmetros de lado, segn Norma ASTM C 109,
COGUANOR NTG 41003 h4. Previo a dicho ensayo, se determin el flujo con
el cemento anhidro para determinar la proporcin de cemento, arena estndar y
agua. Se dictamin que la proporcin idnea para una fluencia de 110 5 es
1:2.75:0.466 y para mantener la misma constante en la variable, la misma
proporcin ser utilizada en un cemento prehidratado.
Figura 13. Flujo del cemento anhidro
Fuente: Seccin de Agregados, Concreto y Morteros. CII/USAC.
Ya hecha la proporcin se elaboraron los cubos y los resultados a
compresin promedio son los siguientes:
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Tabla IV. Promedio de resultados de resistencia a compresin de
cemento anhidro
N cubo EdadResistencia
Mpa
Resistencia
Psi
Promedio
Resistencia
Mpa
Resistencia
psi
1 3 20,7 3000
21,1 30702 3 20,1 2920
3 3 22,6 3280
4 7 25,0 3630
25,0 36305 7 24,6 3570
6 7 25,4 3690
7 28 25,3 3670
27,5 40008 28 31,4 4560
9 28 25,9 3760
Fuente: Seccin de Agregados, Concreto y Morteros. CII/USAC.
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Tabla V. Promedio de resultados de resistencia a compresin de
cemento prehidratado
N cubo EdadResistencia
Mpa
Resistencia
Psi
Promedio
Resistencia
Mpa
Resistencia
Psi
1 3 6,9 1000
7.0 10102 3 6,9 1000
3 3 7,1 1030
4 7 8,8 1280
9,3 13605 7 10,1 1470
6 7 9,1 1320
7 28 19,1 2770
20,0 29008 28 20,7 3000
9 28 20,1 2920
Fuente: Seccin de Agregados, Concreto y Morteros. CII/USAC.
2.2.2. Determinacin de finura (ASTM C 430-08)
Ambas muestras fueron sometidas al ensayo de determinacin de la
finura, usando el mtodo de la malla nm. 325 (45 m), segn Norma ASTM C
430, COGUANOR NTG 41003 h22. Para que un cemento sea aprobado con
fines estructurales, aproximadamente del 85 al 95 por ciento de las partculas
son menores a 45 micrones.
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Tabla VI. Resultados del ensayo de finura usando tamiz nm. 325 (45
m)
Estado del cemento
Resultados (porcentaje
que pasa el tamiz No.
325)
Aprobado/Rechazado
Anhidro 96,22 Aprobado
Prehidratado 81,00 Rechazado
Fuente: Seccin de Agregados, Concreto y Morteros. CII/USAC.
2.2.3. Porcentaje de humedad (ASTM D 2974-07)
Ambas muestras fueron sometidas al ensayo de determinacin del
contenido gravimtrico de agua (porcentaje de humedad), utilizando como
mtodo alternativo la Norma ASTM D 2974. No se puede olvidar que el
cemento totalmente hidratado es el que ya se encuentra en forma pastosa, un
cemento prehidratado se encuentra con grumos en sus reas de almacenaje y
ha absorbido humedad del ambiente.
Tabla VII. Resultados de porcentaje de humedad del cemento
Estado del cemento porcentaje de humedad
Anhidro 1,40 0,12
Prehidratado 2,81 0,04
Fuente: Seccin de Qumica Industrial. CII/USAC.
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2.2.4. Anlisis qumico del cemento hidrulico, calcinacin
(ASTM C 114-00)
Ambas muestras fueron sometidas al ensayo de prdida por calcinacin
del cemento, segn Norma ASTM C 114. Con este procedimiento no solo se
evapora la humedad, sino tambin calcina cualquier impureza de carcter
orgnico.
Tabla VIII. Resultados de porcentaje de carbonatos por prdida de
calcinacin
Estado del cemento porcentaje de carbonatosAnhidro 3,88 0,02
Prehidratado 8,01 0,30
Fuente: Seccin de Qumica Industrial CII/USAC.
2.2.5. Peso especfico (ASTM C 188-09)
Ambas muestras fueron sometidas al ensayo de peso especfico del
cemento, segn Norma ASTM C 188. Dicho procedimiento no es indicador de
rechazo de un lote de cemento, sin embargo puede ser tomado en
consideracin para diseo de mezcla.
Tabla IX. Resultados de peso especfico
Estado del cemento Peso especficoAnhidro 2,89
Prehidratado 2,73
Fuente: Seccin de Agregados, Concreto y Morteros. CII/USAC.
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Como se pudo observar con los ensayos de control de calidad del
cemento, ambos se encuentran en estado prehidratado, el nombrado anhidro se
encuentra en estado de menor hidratacin que el nombrado prehidratado. El
cemento tiene una directa relacin con sus caractersticas fsico qumicas y
fineza que pasa el tamiz nm. 325, con sus dems caractersticas deseadas en
obra como peso especfico y resistencia a compresin a 28 das de edad.
2.3. Estudios de la estabilizacin de suelo cemento
Para el diseo de mezcla para estabilizar un suelo se deben considerarprimero sus caractersticas mecnicas y fsicas, para determinar qu es lo que
se quiere mejorar. Para determinar el porcentaje de cemento a utilizar se utiliz
el Mtodo del ACI 230.1R donde segn su granulometra recomienda distintas
proporciones de cemento. Esta tabla no indica una proporcin definitiva para
utilizarla en campo, pero si para tener un punto de partida para disear la
estabilizacin.
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Tabla X. Requerimientos tpicos para varios grupos de suelos de
acuerdo a la ACI 230.1R-90
AASHTO USCS
Rango tpico decemento
(porcentaje enpeso)
Contenido tpico decemento para
prueba de humedad-densidad
(porcentaje en peso)
Contenido tpico decemento para
pruebas dedurabilidad
(porcentaje enpeso)
A-1-aGW, GP, SW,
SP, SM3-5 5 3-5-7
A-1-bGM, GP, SM,
SP
5-8 6 4-6-8
A-2GM, GC, SM,
SC5-9 7 5-7-9
A-3 SP 7-11 9 7-9-11A-4 CL, ML 7-12 10 8-10-12A-5 ML, MH, CH 8-13 10 8-10-12A-6 CL, CH 9-15 12 10-12-14A-7 MH, CH 10-16 13 11-13-15
Fuente: QUINTANILLA RODRGUEZ, Carlos Antonio. El estado del arte del suelo cemento en
estructuras de pavimentos. p. 30.
Figura 14. Suelo estabilizado con cemento anhidro
Fuente: Seccin de Agregados, Concreto y Morteros. CII/USAC.
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2.3.1. Relacin humedad masa unitaria de probetas de suelo
cemento (ASTM D 558-96)
Se eligieron las proporciones de cemento para elaborar el ensayo de
humedad masa unitaria basndose en la figura 7, segn la clasificacin de los
suelos segn AASHTO. Se utiliz el mtodo de la AASHTO T-180 para
manipular la variable de la misma manera. Se omiti el Mtodo ASTM D 558,
ya que vara en el procedimiento de 25 golpes en 3 capas, en cuanto para ver
una mejora en las mismas condiciones es con el procedimiento anteriormente
dicho.Arena limosa color beige rosa
Por ser un suelo clasificado dentro de la A-2, se utiliz como parmetro
para dicho ensayo un 7 por ciento de cemento en peso.
Tabla XI. Resultados de relacin humedad masa unitaria
Estado del cemento
PUS
kg/m3
(lb/pie3)
porcentaje de humedad
ptima
Anhidro1 363
(85,1)20,5
Prehidratado1 298
(81,0)20,1
Fuente: Laboratorio de Mecnica de Suelos. CII/USAC.
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Arena pmez color gris
Por ser un suelo clasificado dentro de la A-3, se utiliz como parmetro
para dicho ensayo un 9 por ciento de cemento en peso.
Tabla XII. Resultados de relacin humedad masa unitaria
Estado del cemento
PUS
kg/m3
(lb/pie3)
porcentaje de humedad
ptima