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PROCESO CONSTRUCTIVO DE LA COMPACTACION SUELO - CEMENTO UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

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PROCESO CONSTRUCTIVO DE LA COMPACTACION SUELO - CEMENTO

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

INTRODUCCION

El suelo – cemento es un tipo de material utilizado principalmente como base

de pavimentos, en autopistas, pistas de aeropuertos, rutas, pavimentos

industriales, etc., y como albañilería en forma de paredes monolíticas,

cimentaciones de zapatas bloques o baldosas pre – moldeadas.

Es una mezcla en seco de suelo o tierra con determinadas características

granulométricas, cemento Portland y, en su caso, aditivos. A la mezcla se le

adiciona una cierta cantidad de agua para su fraguado y posteriormente se

compacta.

Entre las aplicaciones de un suelo modificado o estabilizado se encuentran la

mejora de los suelos granulares susceptibles a las heladas y el tratamiento de

los suelos limosos y/o arcillosos para reducir los cambios de volúmenes.

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OBJETIVOS

Conocer el proceso constructivo de la elaboración de suelo – cemento

Obtener un material adecuadamente mezclado, compactado y curado,

cumpliendo con las especificaciones técnicas particulares del proyecto.

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¿QUE ES COMPACTACIÓN DE SUELOS?

La compactación de suelos es el proceso artificial por el cual las partículas de

suelo son obligadas a estar más en contacto las unas con las otras, mediante

una reducción del índice de vacíos, empleando medios mecánicos, lo cual se

traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles.

IMPORTANCIA DE LA COMPACTACIÓN DE SUELOS

La importancia de la compactación de suelos estriba en el aumento de la

resistencia y disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al

someter el suelo a técnicas convenientes, que aumentan el peso específico

seco, disminuyendo sus vacíos.

APLICACIÓN DE LA COMPACTACIÓN DE SUELOS

Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales

tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y

ferrocarriles, bordes de defensas, muelles, pavimentos, etc.

OBJETIVOS DE LA COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

Debe tener suficiente resistencia para soportar con seguridad su

propio peso y el de la estructura o las cargas de las ruedas.

No debe asentarse o deformarse tanto, por efecto de la carga, que se

dañe el suelo o la estructura que soporta.

No debe ni retraerse ni expenderse excesivamente

Debe conservar siempre su resistencia e incompresibilidad

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Debe tener la permeabilidad apropiada o las características de drenaje

para su función.

DE QUE DEPENDEN LOS MÉTODOS USADOS EN LAS COMPACTACIONES DE

SUELOS

Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo

de materiales con que se trabaje en cada caso; en los materiales puramente

friccionantes como la arena, los métodos vibratorios son los más eficientes,

en tanto que en suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el

más ventajoso. En la práctica, estas características se reflejan en el equipo

disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos,

neumáticos o patas de cabra.

MEDIDA DE LA COMPACIDAD DEL SUELO.

Se califica la compacidad por la comparación cuantitativa de las densidades

secas o pesos unitarios secos del suelo va adquiriendo gradualmente, al

variar la humedad, la energía o el método de compactación.

MÉTODO PROCTOR.

Consiste en compactar el material dentro de un molde metálico y cilíndrico,

en varias capas y por la caída de un pistón. Existen dos variaciones del

método Proctor.

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a) Proctor estándar o normal, con pistón de 5 ½ lbs, h = 12’’, N = 25 golpes y 3

capas a compactar. El molde de = 4’’ y volumen 1/30 ft3.

b) Proctor modificado, con pistón de 10 lbs, h = 18’’, N = 25 golpes, y

compactando en 5 capas, con el mismo

molde.

MÁQUINAS DE COMPACTACIÓN

Por presión estática: Apisonadoras clásicas de rodillos lisos, rodillos

patas de cabra. Compactadores de ruedas neumáticas. Apisonadoras

clásicas de rodillos lisos. En estas apisonadoras la característica más

importante es la preside que ejercen sobre el terreno. Se considera un

área de contacto en función del diámetro de los rodillos, peso de la

máquina y tipo de suelo, a través del cual se transmite la preside

estática. Estas máquinas, aunque muy empleadas, la verdad es que su

efecto de compactación alcanza muy poca profundidad en suelos

coherentes

Por impacto: algunas máquinas de compactación que trabajan según

el principio de impacto: Placas de caída libre. Pisones de explosión.

Placas de caída libre: Se trata de unas places de hierro de

superficie de contacto lisa de 0,5 m2, de forma rectangular y con

un peso que oscila entre las 2 y 3 Tm., las cuales se eleven

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mediante cables hasta una altura de 1,5 a 2 m. sobre el suelo y

se les deja caer libremente sobre el mismo. Para ello se necesita

una maquina adicional tal como una excavadora, grúa, etc. La

preside de contacto que produce la caída es muy alta y

comprime en combinación con una cierta sacudida hasta los

suelos pesados, rocosos. Es únicamente en la compactación de

roca donde puede ser interesante.

Pisones de explosión: Este tipo de maquina se levanta del suelo

debido a la explosión de su motor, que por reacción contra el

mismo produce la suficiente fuerza ascendente pare elevar toda

ella unos 20 cm. Al caer ejerce un segundo efecto compactador

dependiente de su peso y altura de elevación. Estos pisones son

muy apropiados pare suelos coherentes, aunque también den

resultado con otra clase de materiales. Son muy buenos pare la

compactación de zanjas, bordes de terraplenes, cimientos de

edificios, etc.

Por vibración: Placas vibrantes. Rodillos vibratorios. Hoy día es quizá la

maquina más utilizada. En los últimos años ha sido tal el número de

tipos y marcas disponibles en el mercado, que casi resulta

materialmente imposible conocerlas todas. Se han empleado en la

compactación de toda clase de suelos sin distinción: bases granulares

artificiales, sub-bases naturales, suelo cementos, rellenos rocosos,

asfaltos, arcillas, arenas, etc., y naturalmente, el éxito ha sido variable.

Hay que considerar primordialmente los efectos de resonancia. Esta es

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función, por una parte, de la composición o tipo del terreno, contenido

de humedad del mismo, etc., y por otra, del propio vibrador. Es decir,

que lo importante es la adecuación de frecuencia de resonancia del

suelo y de la mesa del vibrador.

BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS

Aumenta la capacidad para soportar cargas: Los vacíos producen

debilidad del suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas.

Estando apretadas todas las partículas, el suelo puede soportar cargas

mayores debido a que las partículas mismas que soportan mejor.

Impide el hundimiento del suelo: Si la estructura se construye en el

suelo sin afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando

lugar a que la estructura se deforme (asentamientos diferenciales).

Donde el hundimiento es más profundo en un lado o en una esquina,

por lo que se producen grietas o un derrumbe total.

Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la

penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces

regularse.

Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el

agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería

el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la

contracción del mismo durante la estación seca.

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Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el

volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento

se hinche, y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La

compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo.

¿QUE ES EL SUELO – CEMENTO?

El suelo cemento es un material estructural compuesto de suelos finos y/o

granulares y cemento portland normal, mezclados en forma íntima y

compactado a densidad máxima con un contenido de humedad óptima. Al

hidratarse el cemento, la mezcla se convierte en un material de pavimento

resistente y durable.

El contenido de cemento en peso suele ser del orden del 3 al 7% en peso de

materiales secos y a largo plazo, su resistencia a compresión suele ser

superior a 4 MPa. El contenido de agua se elige para obtener mezclas de

consistencia seca que permitan su compactación con rodillo. El suelo-

cemento se usa normalmente como capa de apoyo de otros materiales

tratados con cemento o de concreto hidráulico o bien como capa resistente,

bajo capas bituminosas. Puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse

in situ.

Una vez endurecida la mezcla de suelo y cemento portland, preparada con

requisitos técnicos bien establecidos y fáciles de cumplimentar, tiene la

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resistencia necesaria y experimenta reducidos cambios volumétricos,

cualquiera sea la cantidad de humedad que haya absorbido, condiciones que

le permiten soportar las tensiones a que la someten las cargas del tránsito y

las acciones del clima.

Puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse in situ.

VENTAJAS Y LIMITACIONES

Dentro de las ventajas que tiene el suelo-cemento pueden destacarse las

siguientes:

Material durable:

Numerosos registros de comportamiento indican que el suelo-cemento tiene

mayor durabilidad que otros materiales de pavimentos de similar costo

inicial.

Mayor uso de materiales locales:

El suelo-cemento permite el uso de gran cantidad de tipos de suelo para su

elaboración, con lo que se consiguen reducir considerablemente los costos

de transporte de material de aporte y aumentar los rendimientos de

construcción.

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Reducido impacto ambiental:

Pues existe menor necesidad de explotación de bancos de material. Mayor

rigidez y mejor distribución de las cargas aplicadas al pavimento: Las

propiedades de las mezclas de suelo-cemento permiten que la carga aplicada

se distribuya en un área mayor que en el caso de una capa granular; por

tanto, a igualdad de capacidad de soporte es posible contar con estructuras

de pavimentos de menor espesor robustas o con un menor número de capas.

Resistencia a los agentes atmosféricos:

Es notable su prolongada durabilidad bajo condiciones adversas. Por ello se

ha usado en lugares con condiciones climáticas muy desfavorables.

Aumento de resistencia y menos intervenciones de mantenimiento:

Las propiedades mecánicas del suelo-cemento se incrementan con el tiempo

lo que favorece que el mantenimiento del pavimento sea mínimo,

obteniéndose prolongada vida útil y una reducción en el total de la

estructura del pavimento.

Las limitaciones que presenta el suelo-cemento son:

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• Es un material en el que se producen grietas de contracción, las cuales

pueden reflejarse en las capas bituminosas superiores.

Sin embargo, es posible controlar considerablemente dicha contracción

mediante uso de cementos adecuados, mezclas de cal, cemento y/o técnicas

de prefisuración.

• Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el número de

pruebas necesarias antes de pretender construir capas de suelo-cemento con

suelos de mediana alta plasticidad.

• El tiempo para ejecutar el mezclado, conformación y compactación está

limitado por el del fraguado del cemento.

• Tiene una reducida resistencia al desgaste. Por ello, las bases de suelo-

cemento precisan capas de rodadura de concreto asfáltico, tratamientos

superficiales o capas de rodadura de concreto hidráulico.

CONTROLES:

Los controles que deben realizarse en obras para asegurar los resultados

previstos son fáciles y se refieren a tres factores fundamentales:

1.- Contenido mínimo de cemento para endurecer al suelo en forma

satisfactoria.

2.- Contenido adecuado de humedad de compactación para obtener la

máxima utilización del cemento.

3.- Densidad apropiada para conseguir la máxima efectividad del cemento.

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Además, debe lograrse un mezclado íntimo del suelo pulverizado, cemento

portland y agua, y un satisfactorio curado (mantenimiento de la humedad)

para permitir la hidratación del cemento y como consecuencia la obtención

de un suelo cemento estable y durable.

CONTENIDO DE CEMENTO:

La cantidad de cemento con que se mezclan los suelos para construir suelo

cemento se suelen expresar en porcentaje, en peso respecto al peso de suelo

seco o en volumen con respecto al volumen del suelo cemento.

Como regla general se ha hallado que los requerimientos del cemento crecen

cuando crecen los contenidos de limo y arcilla.

CONTENIDO DE HUMEDAD

El suelo – cemento debe ser compactado con un contenido de humedad

óptimo determinado mediante el conocido ensayo humedad – densidad

(ensayo de Proctor) y la cantidad de agua a agregar es la diferencia entre la

humedad existente en el suelo natural y la óptima citada.

Con poca experiencia, el contenido de humedad de una mezcla de suelo y

cemento puede ser estimado a sentimiento y a ojo con mucha aproximación

mediante el ensayo de compresión manual. Por ejemplo, un puñado de

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mezcla con el contenido de humedad óptima o cercana al mismo contenido

suficiente agua para humedecer las manos cuando se lo comprime con ellas.

Las mezclas con mayor humedad que la óptima dejan agua en exceso en las

manos y con menor humedad se desmenuzan y no pueden ser moldeadas. Si

el contenido de humedad es cercano al óptimo es posible moldear la mezcla

en forma de terrón y partirlo en dos partes sin que se desmenucen

mayormente.

REQUISITOS DEL SUELO CEMENTO

Requisitos Granulométricos

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Requisitos Plásticos

CONSTRUCCIÓN DEL PAVIMENTO:

En la construcción del suelo cemento el objetivo es mezclar íntimamente

suelo pulverizado con cemento en proporciones adecuadas y con humedad

suficiente para obtener la máxima densidad por compactación.

Los métodos de construcción son simples y siguen un procedimiento

definido:

a) Preparación previa:

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1.- Perfilar la superficie del camino transversal y longitudinalmente.

2.- Escarificar, pulverizar y mojar previamente el suelo si fuera necesario (Se

recomienda en la noche anterior a la ejecución).

3.- Conformar nuevamente el suelo así preparado de acuerdo con el perfil

transversal y longitudinal del camino, obteniendo un espesor uniforme del

suelo pulverizado.

b) Proceso constructivo

1.- Distribución del cemento portland sobre el suelo anteriormente

conformado.

2.- Mezcla e incorporación de la humedad.

3.- Compactación

4.- Perfilado superficial y terminado

5.- Curado (mantenimiento de la humedad.

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La construcción comienza con la escarificación del suelo del tramo de suelo

cemento que se construirá en el día, para este escarificado se utilizará un

arado de tres o cuatro rejas, o una niveladora provista de dientes para el

escarificado.

La escarificación progresará desde los bordes hacia el centro de la calzada,

verificando su profundidad al iniciar la operación, que corresponderá al

espesor que se asigna al pavimento de suelo cemento. Una vez terminada

esta operación se iniciará la pulverización del suelo con pulverizadoras

rotativas o rastras de discos.

Los suelos preparados para su mezcla con cemento deben estar libres de

raíces y otros restos de materia vegetal.

Una vez terminada la pulverización del suelo éste será conformado, mediante

la motoniveladora, en el ancho y espesor suelto que correspondan a la

calzada a construir.

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Equipo de Arrastre Para El Movimiento Del Suelo.

En lo que sigue nos referiremos al mezclado del suelo con el cemento sobre

la superficie del camino (mezcla en sitio) siguiendo las anteriores operaciones

de escarificado y pulverización.

La distribución del cemento puede realizarse en forma mecánica o manual,

en este último caso utilizando el cemento provisto en bolsas. El cemento se

distribuirá sobre la superficie conformada del suelo pulverizado en el espesor

uniforme requerido.

Las bolsas se ubicarán sobre esa superficie a distancias iguales, tanto

longitudinal como transversalmente, o con cualquier otro procedimiento que

se considere adecuado de modo de utilizar la cantidad de cemento requerido

por metro cuadrado en el tramo a construir.

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Colocación del cemento sobre el camino, en el suelo previamente rotulado y

perfilado

A continuación se abren las bolsas y se vuelca su contenido de modo que

forme un caballete transversal y finalmente se distribuye el cemento entro

los caballetes transversales lo más uniformemente posible, arrastrando

rastras de dientes fijos o de cepillos a lo largo del tramo a construir.

De este modo se obtendrá una distribución uniforme del cemento sobre toda

la superficie del tramo a construir en el día.

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Distribución del cemento en forma uniforme mediante una rastra de clavos.

Completada la distribución del cemento sobre el suelo pulverizado en la

forma indicada, en el tramo a construir se iniciará de inmediato la mezcla del

suelo humedecido con el cemento.

Esta operación puede realizarse con mezcladoras rotativas, rastras de discos

o de dientes flexibles, implementos que, como se ha dicho, se emplean en las

labores agrícolas, siendo necesarias varias pasadas de los mismos sobre todo

la superficie para obtener una mezcla íntima y uniforme.

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Utilización de la rastra de discos para rotular y mezclar el suelo cemento.

Durante las operaciones de mezclado corresponde determinar el contenido

de humedad de la mezcla, extrayendo las muestras del caso, para controlar la

cantidad de agua que debe incorporarse, si corresponde, para llegar a la

humedad óptima de compactación.

Como resultado de las operaciones descriptas anteriormente debemos

obtener una mezcla íntima de suelo, cemento y agua (esta última en la

cantidad correspondiente a la humedad óptima), que una vez conformada

por la acción de la niveladora debe ser compactada de inmediato.

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En estas condiciones se inician las pasadas de los rodillos “pata de cabra”,

comenzando por los bordes del tramo y progresando hacia el centro de la

calzada, realizando esta operación cuantas veces sea necesario para asegurar

en todo el espesor la compacidad uniforme especificada.

Cuando se haya compactado alrededor de las dos terceras partes del espesor

final, se dará una pasada de niveladora para obtener la conformación

transversal preliminar de la calzada y la uniformidad del espesor de la

mezcla.

Compactación del suelo mediante el rodillo “pata de cabra “

Luego se prosiguen las pasadas de mezcla suelta, hasta tanto el espesor que

mueven las patas del rodillo sin mayor compactación sea de unos 5 cm. En

estas condiciones se retiran los rodillos patas de cabra y nuevamente se

verifica el contenido de humedad de la mezcla suelta y se incorpora

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humedad en caso de que su contenido sea inferior al óptimo, todo ello con

riegos ligeros de los camiones regadores.

En seguida se conforma nuevamente el perfil correcto de la calzada con la

motoniveladora, si fuera necesario, y se termina la compactación superficial

de la mezcla mediante pasadas de un rodillo neumático. La cantidad de

pasadas tanto del rodillo “pata de cabra”como del neumático serán las

necesarias para compactar uniformemente y lograr la densidad especificada

el tramo en construcción, en todo su ancho y espesor.

Sellado y compactación final mediante rodillo neumático

La experiencia indica en forma terminante que la superficie debe ser

terminada con la adecuada, generalmente un poco mayor que la óptima

determinada en el ensayo de humedad – densidad, por el retardo desde la

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iniciación de la compactación, pues de este modo todos los granos de suelo y

cemento pueden unirse firmemente entre sí, además ligarse al suelo

cemento subyacente.

Las huellas o planos de compactación que dejan los equipos se remueven

fácil y rápidamente pasando sobre la calzada una rastra de dientes,

relativamente liviana, con dientes separados alrededor de 5 cm., tiradas por

un tractor o camión con rodados neumáticos alisados por el uso.

Los dientes deberán penetrar únicamente hasta la profundidad necesaria

para aflojar las huellas o planos de compactación.

Generalmente será suficiente una rastra de clavos que puede fabricarse en

obra con listones de madera. Las pequeñas huellas o surcos dejados por los

clavos de la rastra pueden borrarse pasando una rastra de cepillos o bien por

el arrastre de una cadena colocada detrás de la rastra.

Una vez realizadas estas operaciones se procede a la compactación final

pasando el rodillo de ruedas múltiples con llantas neumáticas o un camión

cargado.

En esta etapa de la construcción del pavimento de suelo cemento se verifica

su densidad y espesor.

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Una vez terminadas las operaciones constructivas propiamente dichas debe

realizarse el curado del suelo cemento para evitar las pérdidas de humedad

durante el período de endurecimiento del material, que tiene especial

significación durante los primeros siete días.

Con esta finalidad puede cubrirse el suelo cemento con una capa de tierra de

5 cm de espesor o de paja y/o pasto. Estas cubiertas se humedecerán

inicialmente y deberán mantenerse permanentemente en ese estado

durante siete días.

Otro procedimiento de curado puede obtenerse mediante riegos periódicos

de agua, que saturen superficialmente al suelo cemento, a razón de dos a

tres por día, durante siete días, dependiendo de las condiciones climáticas en

ese lapso.

El método más recomendable es cubrir la superficie con material bituminoso.

Con esta finalidad pueden usarse asfaltos diluidos de endurecimiento medio

o rápido, o emulsiones asfálticas. Los riesgos en ningún caso superarán la

cantidad de un litro por metro cuadrado de superficie a regar.

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Empleo de un camión regador, para humedecer el suelo cemento y para el

curado del mismo

Inmediatamente de finalizadas las operaciones de terminación superficial se

procederá a barrer la superficie y a continuación a regar con agua, saturando

los vacíos superficiales, regando de inmediato el material asfáltico, mientras

esa superficie se mantiene brillosa por el agua regada.

De este modo se evita la penetración del asfalto, que puede impermeabilizar

partículas de cemento que aún no se han hidratado, lo que impedirá el

endurecimiento de la capa superficial.

El riego en estas condiciones permitirá que el asfalto se adhiera firmemente

al suelo cemento sin penetrar.

Después de los siete días puede permitirse el tránsito sobre la calzada

siempre que haya endurecido en la medida necesaria para que los vehículos

no la deterioren.

Cuando la calzada de suelo cemento no está destinada a soportar un tránsito

pesado y frecuente la pequeña abrasión superficial que puede ocasionarle

este tránsito le permitirá prestar servicios sin inconvenientes durante varios

años.

Si las condiciones de tránsito lo hacen necesario, sobre la calzada de suelo

cemento se construirá una carpeta bituminosa que absorberá la abrasión que

produce ese tránsito. Bastará para este fin construir un tratamiento

bituminoso tipo simple o doble.

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Es preferible que la construcción de este tratamiento se postergue de dos a

cuatro semanas para que pueda detectarse cualquier falla superficial del

suelo cemento. No obstante, esta carpeta superficial puede construirse casi

de inmediato, una vez terminada la calzada, cuando el procedimiento

constructivo ha sido correcto.

Como puede apreciarse, el suelo cemento sin ningún recubrimiento es un

material muy adecuado para mejorar las calzadas de calles y caminos

vecinales y rurales que soportan un tránsito, que no es pesado y frecuente,

por varios años.

CONCLUSIONES

El suelo- cemento puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse

in situ.

Las pruebas de laboratorio demuestran que los requerimientos del

cemento crecen cuando crecen los contenidos de limo y arcilla.

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La distribución del cemento en el tipo de suelo puede realizarse en

forma mecánica o manual.

El objetivo de la compactación es el mejoramiento de las propiedades

geotécnicas del suelo, de tal manera que presente un comportamiento

mecánico adecuado.

En el campo y laboratorio existen diferentes métodos de

compactación. La elección de uno de ellos influirá en los resultados a

obtenerse, aunque en carreteras los más recomendados son las

compactaciones estáticas.

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