incidencia del cemento anhidro y prehidratado para el mejoramiento de las propiedades mecanicas del...

8/9/2019 Incidencia del cemento anhidro y prehidratado para el mejoramiento de las propiedades mecanicas del suelo para la utilizacinen base y subbase de carreteras

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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




TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA


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


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:




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

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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2

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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3

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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4

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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5

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.


40/152

6

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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7

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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8

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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9

Figura 2. Ensayo fineza de tamiz N 325


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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10

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


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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11

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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12

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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20

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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21

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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24

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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26

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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31

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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32

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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33

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:


Proctor mtodo A (tamiz #4)

PUS: 1 318 kg/m3, (82,25 lb/ft3)

Humedad ptima: 19,4 %


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:


Coeficiente de permeabilidad= 8,9 8x 10-3centmetros


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



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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


Figura 11. Grfico porcentaje de CBR versus porcentaje de

compactacin



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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



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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


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


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



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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



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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



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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

incidencia del cemento anhidro y prehidratado para el mejoramiento de las propiedades mecanicas del...

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