XIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - PUNO 2001 - CIP-CDP-CIC CONIC38

RESUMEN

El ACI 116R define al suelo-cemento como "una mezcla de suelo ycantidades medidas de cemento portland y agua, compactada a unadensidad elevada". De una manera mas amplia, el ACI 230.1R-90 defineal suelo-cemento como "un material producido por mezcla,compactacin y curado de una mezcla de suelo/agregado, cementoportland, posiblemente aditivos incluyendo puzolanas; y agua, paraformar un material endurecido con propiedades ingenieriles especficas.Las partculas de suelo/agregado estn unidas por la pasta de cemento,pero a diferencia del concreto, las partculas individuales no estncompletamente revestidas con la pasta de cemento".El ACI 229R-99, trata sobre los Materiales Controlados de BajaResistencia (CLSM por sus siglas en ingls) como "aquellos materialescementados, autocompactados, usados principalmente en terraplenes,como alternativa a los rellenos compactados". De un modo mas amplio,el ACI 116R define a los CLSM como aquellos que tienen unaresistencia a la compresin mxima de 8.3 MPa (1200 psi), estando lamayor parte de las aplicaciones alrededor de 2.1 MPa (300 psi), lo queconstituye un requisito necesario para poder efectuar excavacionesfuturas. De lo anterior, se distinguen dos productos que sin llegar a serpropiamente un concreto, buscan claramente cumplir con ciertasfunciones especficas:a) Los suelo-cemento compactados (SCC), que requieren de

materiales a contenidos de humedad cercanos al ptimo y se utilizanprincipalmente en una sola capa, como Base o Sub-rasanteEstabilizadas; y

b) Los suelo-cemento autocompactados (SCA), conocidos tambincomo Concreto Fluido, que en nuestro pas han tenido muy pocasaplicaciones en ingeniera civil y muchas mas en minera, con elnombre de Relleno Hidraulico.

La diferencia objetiva mas destacable es que los SCC se colocan comosuelo y se comportan como concreto, mientras que los SCA se colocancomo concreto y posteriormente se comportan como suelo.En esta ponencia, se exponen las experiencias obtenidas en la primeraaplicacin a gran escala en el Per, de los suelo-cementoautocompactados2 , utilizados en reemplazo de los rellenos de sueloscompactados colocados sobre el Mineroducto de Antamina y quefallaron provocando el hundimiento de los pavimentos construidossobre ellos.

2. INTRODUCCION

Para hacer mas claro el distingo entre SCC y SCA, se muestran algunasaplicaciones tpicas de cada tipo de material:

Pavimento Concreto

Base Suelo-cemento Estabilizada Compactado (SCC)

Subrasante Estab. Suelo-cemento Compactado (SCC)

Relleno Excavable Suelo-cemento Autocompactado (SCA)

Figura 1.

En carreteras no hay casos reportados del uso de SCA, sin embargo,se encuentra alguna literatura tcnica publicada, relacionada conlos aspectos normativos3 , de control de calidad4 , de investigacin5

,o como mezclas de bajo costo empleando materiales locales6 paralos SCC. Un hito importante en la promocin del uso del SCC ennuestro pais, es la publicacin a partir del ao 1998, de la Seccin306 de las Especificaciones Tcnicas Generales del MTC, referentea las "Base Estabilizadas con Cemento", las que han sido ampliadasa "Suelos Estabilizados con Cemento Portland" en lasespecificaciones correspondientes del ao 2000 (EG-2000). Sinembargo no hay referencias previas en el pas sobre el SCA.

3. DESARROLLO

3.1 El Suelo-Cemento Autocompactado (SCA)El SCA est descrito en el reporte ACI 229R-99, con el nombrede Materiales Controlados de Baja Resistencia. Tambin se leconoce con los nombres de Rellenos sin Contraccin, Rellenos deDensidad Controlada, Morteros Fluidos, Cenizas Volantes Fludas,Slurry de Cenizas Volantes, Suelo-cemento Plstico y Slurry deSuelo-cemento. Sin embargo, los nombres que mas lo caracterizanen los paises de habla hispana son los de Relleno Fluido7 yConcreto Fluido8 , por su apariencia al momento de colocarlo(Fotografa 2).3.1.1 MaterialesLos SCA, consisten de agua, cemento portland, aditivos yagregados. La seleccin de los materiales estar regidaprincipalmente por la disponibilidad, costo, tipo de aplicacin ycaractersticas deseables de la mezcla como fluidz, resistencia,densidad y facilidad para la excavacin, antes que porrequerimientos especficos de calidad como en el caso del concretoo del SCC.a) Agua: toda agua aceptable para la fabricacin de concreto de

EL SUELO-CEMENTOAUTOCOMPACTADO (SCA)

Ing. Germn Vivar Romero(1)

(1) Consultor-Asesor. Director-Gerente de GEOTECNIA & PAVIMENTOS,Presidente del Instituto para el Desarrollo de los Pavimentos en el Per(IDPP), Presidente de la Sociedad Peruana de Geosinteticos (IGS-PERU).

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cemento es aceptable para suelo-cemento autocompactado.b) Cemento: en la mayor cantidad de aplicaciones se usan cementos

Tipos I II, conformes con la especificacin ASTM C1509,aunque se pueden usar otros tipos de cementos, siempre que laspruebas previas demuestren resultados aceptables.

c) Aditivos: los aditivos mas usados para proveer de la caractersticamas notoria del SCA, la fluidz, son las cenizas volantes, lasmismas que pueden ayudar a incrementar la resistencia, reducirla exudacin, la contraccin y la permeabilidad. Las cenizasvolantes usadas con las mezclas de SCA no precisan conformarlas especificaciones Clases F C de ASTM C61810 . Para tal fin,solamente se requiere preparar mezclas de prueba a fin deverificar si la mezcla resultante cumplir los requerimientosespecificados de un proyecto en particular. Otros aditivoscomunmente usados, dependiendo de las circunstancias, son losincorporadores de aire y los agentes espumantes. Laincorporacin de aire, ademas de controlar las propiedadestrmicas, puede ayudar a mejorar la trabajabilidad, reducir lacontraccin, anular la exudacin, minimizar la segregacin,reducir el peso unitario y controlar el desarrollo de la resistencia.

Fotografa 2. Colocacin del Suelo-cemento Autocompactado en laRuta 2-14, en reemplazo del relleno de suelo mal compactado sobre

el Mineroducto de Antamina

Para evitar tiempos de fragua largos, se pueden usar tambinacelerantes, en cuyo caso se requiere hacer ensayos previos para suaceptacin.d) Agregados: son el mayor constituyente de los SCA. En principio,

se puede usar todo material que cumpla con ASTM C3311 , sinembargo, tambin se pueden usar los "materiales marginales"(no apropiados) para la elaboracin del concreto normal y todoslos materiales granulares obtenidos de las propias excavaciones,incluyendo arenas limosas con un mximo del 20% pasando porla malla N 200 y sub-productos de voladuras con un tamaomximo de 3/8". Los suelos arcillosos presentan problemas dereacciones expansivas, fragua, contracciones y resistenciasvariables, por lo que no se recomienda su uso.

3.1.2 PropiedadesLos SCA se colocan como concreto y tienen comportamiento desuelo, por lo que sus propiedades estn comprendidas entre amboslmites, dependiendo la edad a la que se evalan. A tempranas edadesprevalecen sus propiedades plsticas y luego sus propiedades enservicio.a) Propiedades Plsticasa.1) Fluidz: es la propiedad que caracterza a los SCA, pues lespermite autocompactarse y rellenar los vacos inaccesibles a lasherramientas y equipos de obra. La fluidz se mide en los ensayosde flujo modificado (ASTM D610312 ), en el cono estandar (ASTM

C 14313) y en el cono de flujo (ASTM C 93914). Unrevenimiento(slump) sin segregacin menor de 6" indica baja fluidz,entre 6" y 8" indica una fluidz normal y mayor de 8" una fluidzalta (Fotografa 3).a.2) Segregacin: es la separacin de los constituyentes de la mezclacomo consecuencia de una fluidz elevada, originada en el excesode agua. La segregacin se neutraliza con un apropiado diseo demezcla y el uso adecuado de cenizas volantes o hasta un 20% definos no cohesivos.a.3) Subsidencia: es la reduccin de volmen debido a la prdidadel agua en exceso y del aire atrapado durante el proceso deconsolidacin (autocompactacin) de la mezcla. Un valor tpicoreportado para mezclas con alto contenido de agua es de 3 a 6 mmpor cada 30 cm de espesor.a.4) Tiempo de Endurecimiento: es el perodo de tiempo necesariopara que el SCA pase de un estado plstico a un estado endurecido,con suficiente resistencia para soportar a una persona. Dependedirectamente del tipo y cantidad del cementante utilizado. Tambindepende de la permeabilidad y del grado de saturacin del materialcircundante, as como del espesor del relleno. El tiempo deendurecimiento normal es de 3 a 5 horas y se puede medir segn lanorma ASTM C40315 . Dependiendo de la aplicacin, el valor de lapenetracin puede variar entre 500 y 1500.a.5) Bombeabilidad: El S-CA puede ser bombeado como el concreto,debiendo para ello tener especial cuidado con el diseo de mezcla.Un relleno inadecuado de los vacos puede provocar la segregacinde la mezcla dentro de la tubera de conduccin con el consiguientebloqueo. La presin de la bomba tambin es un factor crtico, puestoque un incremento puede causar una prdida en el contenido de airey una reduccin de la bombeabilidad.b) Propiedades en Serviciob.1) Resistencia (Capacidad de Carga): Normalmente se utiliza laResistencia a la Compresin No Confinada para medir la Capacidadde Carga de un SCA. El rango 0.3 a 0.7 MPa (50 a 100 psi 3.5 a 7kg/cm2) corresponde a un suelo bien compactado. La idea de usaresos niveles de resistencia es conseguir un material queposteriormente pueda ser fcilmente excavado. Cuando se utiliza elSCA en reemplazo de materiales de Sub-rasante o como Sub-base oBase de pavimentos, el valor de resistencia utilizado debe ser el CBR.

Fotografa 3. Medicin del revenimiento en el SCA

b.2) Densidad: La densidad de un SCA recin colocado normalmenteest en el rango 1800 a 2300 kg/m3, equivalente al de sueloscompactados. Sin embargo, se pueden obtener valores mas bajosusando cenizas volantes y/o agregados ligeros, elevados contenidosde aire incorporado y mezclas espumantes.b.3) Permeabilidad: Es similar a la de los rellenos granularescompactados y est en el rango de 10-4 a 10-5 cm/sg, pudiendo llegarincluso a valores de 10-7 cm/sg.b.4) Asentamiento y Agrietamiento: Los asentamientos despus deendurecido el SCA son prcticamente nulos y los agrietamientos

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que se presentan en la superfce despus de la fragua sonmicromtricos y se resuelven retirando la capa superficial agrietada.b.5) Resistencia a la Excavacin: Es la dificultad que se opone a laexcavacin. En general, un SCA con una resistencia de 0.3 Mpa (50psi 3.5 kg/cm2) o menos, puede excavarse manualmente. Cuandola resistencia es de 0.7 a 1.4 MPa (100 a 200 psi 7 a 14 kg/cm2), serequiere de una retroexcavadora. La resistencia a la excavacintambin aumenta cuando la cantidad de piedras y gravas es mayor.3.1.3 DosificacinLa manera de dosificar un SCA es por el procedimiento de prueba yerror, hasta conseguir que la mezcla cumpla con las propiedadesdeseadas de flujo, densidad y resistencia. Las proporcionesnormalmente usadas son:a) Cemento: entre 30 y 120 kg/m3.b) Cenizas Volantes: A veces se utilizan cenizas volantes de Clase

F, hasta 1200 kg/m3. Cuando se emplean cenizas volantes ClaseC, la dosificacin puede llegar hasta 210 kg/m3.

c) Agregados: Lo recomendable es usar solamente agregados finosen cantidades comprendidas entre 1500 y 1800 kg/m3. Cuandose utilizan agregados gruesos, su contenido deber seraproximadamente igual al de los agregados finos, no obstante sepueden usar los materiales provenientes de las excavacionespropias, con tal que su contenido de arcilla no sea elevado.

d) Agua: El contenido de agua normalmente est entre 190 y 340kg/m3 para SCA sin cenizas volantes. Cuando se emplean cenizasvolantes de Clase F, el contenido de agua puede llegar hasta 590kg/m3 para conseguir una buena fluidz. En general, el contenidode agua ser mayor cuanto mayor sea el contenido de finos.

e) Aditivos: Normalmente se usan aditivos incorporadores de airey acelerantes de fragua.

3.2 El Proyecto de Reparacin de los Asentamientosdel Pavimento sobre el Mineroducto de Antamina

3.2.1 Breve Descripcin de la Obra 16

Consisti en la colocacin de SCA en el tramo Km 95 al Km 115 dela Carretera Pativilca-Huaraz (Ruta 2-14) y en la Carretera Conococha(Km 0) - Antamina (Km 120), en reemplazo de los rellenos de suelocompactado colocados sobre el Mineroducto que va de Antaminahasta Huarmey durante su construccin, los mismos que fallaronpor falta de compactacin.La reparacin estuvo bajo la direccin de la asociacin Bechtel-Cosapi, la misma que contrat con la empresa UNICON S.A., elreemplazo de los materiales fallados, mediante la colocacin inicialde 3000 m3 de SCA, los que se ampliaron a 30,000 m3 para sercolocados en un plazo de 90 das. Las zanjas resultantes de removerlos tramos crticos, varan desde 0.80 m hasta 2.50m de profundidady tienen un ancho de 0.50m en promedio.3.2.2 Desarrollo del Proyecto3.2.1 Diseo de mezclaEl diseo de la mezcla se llev a cabo en el Laboratorio delDepartamento de Investigacin y Desarrollo de UNICON, en Lima,basados en los conceptos y experiencias previas adquiridas en lacolocacin de rellenos fluidos en Lima17 . En el Cuadro 1 se muestranlos diseos empleados.

Cuadro 1.

Se emple el material producto de la excavacin o uno similar de

una cantera cercana como agregados globales. El cemento empleadofu del tipo IPM, suministrado por Cemento Andino en bolsas de42.5Kg. El agua fu obtenida de ros o lagunas de la zona, muestrasde las cuales fueron enviadas a Lima para su evaluacin. Para elsuministro se emplearon camiones cisterna o bombas que extraen elagua del ro.Inicialmente se adopt un diseo con un contenido de cemento de80 Kg/m3 que cumpliera las exigencias de los 0.50 MPa a los 28das; sin embargo y a pesar de haber cumplido los objetivos de laresistencia, Bechtel solicit un nuevo diseo tal que le permitieracolocar la base a los pocos das de vaciado el relleno fluido, paraello se cre una gama de diseos siendo el de mayor produccin elde 106.25 Kg/m3 de contenido de cemento (equivalente a 2.5 bolsasde cemento/m3).El aditivo empleado fue el plastificante Polyheed N, suministradopor Master Builder Technologies (MBT). Se observ un buendesempeo de este producto haciendo a la mezcla mas trabajable,sin embargo al momento no se ha evaluado su influencia en laresistencia. El aditivo inclusor de aire fu el MBVR tambinsuministrado por MBT. Su desempeo es variable a decir de losresultados tomados en la planta con el Equipo de Washington.3.2.2 Equipos de Produccina) Planta N1-Km 90: Planta Coneco-Versa.- Cuenta con una

dosificadora semiautomtica, una tolva de 7 toneladas decapacidad, un dosificador de aditivos y una faja transportadora.Su capacidad real de produccin diaria es de 200 m3, siendo elciclo por unidad de 10 minutos. La planta est instalada a 4200msnm.

b) Planta N 2 - Km 56: Planta Unicn - Toplva Pesadora. Cuentacon una dosificadora semiautomtica, una tolva de 5 Ton decapacidad, un dosificador de aditivos y una faja transportadora.Su capacidad real de produccin diaria es de 100 m3. Se redujoel tiempo de carguo de mas de 20 minutos a un promedio de 15minutos. Est instalada a 4300msnm.

c) Planta N3-Km38: Planta Coneco-Cibi.- Cuenta con unadosificadora automtica, una tolva de 15 toneladas, una fajatransportadora, un gusano para el cemento, un dosificador deaditivos. Su capacidad real de produccin es de 250 m3 diarios.El tiempo de carguo por camin es de 10 minutos el cual sermenor al reducir el tiempo de alimentacin del cemento. Estinstalada a 3800msnm.

Debido a las condiciones climatolgicas en el rea de produccin delas tres plantas, se hicieron algunas correcciones o adiciones al equipoinstalado:- Cisterna de agua: se la forr con fibra de vidrio en todo su

permetro, se le tap con planchas de triplay forradas con fibrade vidrio, se cubri la bomba de agua la cual se congelaba durantela noche y retrazaba el inicio de sus operaciones, se instalaronresistencias adicionales para calentar el agua desde las 02:00 dela maana, obteniendo al inicio de las operaciones unatemperatura de 20C.

- Cemento: con las bolsas del cemento ya empleado se form unacama para el lote de cemento que llegaba (el interior de la bolsacuenta con un forro plstico), se les cubri con una lona plsticapara aislarlas de la humedad y de las precipitaciones.

- Testigos, las muestras son tomadas en la planta, guardadas en elinterior de la caseta del operador y cubiertas con fibra de vidrio.Despus de cuatro das se les cura en la poza.A pocos das de instalada la poza de curado, se est evaluando elmejor mtodo para mantener una temperatura estable de 20C(la lectura normal es de 10C).

d) Camiones: Camiones Volvo NL-10, con capacidad para 7.0 m3 yCamiones Iveco 330, con capacidad para 7.0 m3.3.2.3 Proceso ConstructivoAntes de la colocacin del relleno, en las zonas mas crticas, contemperaturas que bordean los 5C y con precipitaciones durante elda, se cubrieron las zanjas con lminas plsticas de tal modo deprotegerlas de la lluvia, a la vez de evitar su congelamiento durante

DISE OS Cemento-

Kg

Cemento-

bls

Polyheed N-

lts

MB-VR-

lts

Hormig n-

kg

Agua-

lts

Diseo 1 80 1.88 0.56 0.48 1500 270

Diseo 2 106.25 2.5 0.60 0.60 1700 260

Diseo 3 148.75 3.5 1.20 0.60 1700 260

Diseo 4 106.25 2.5 0.70 0.60 1700 240

Diseo 5 127.5 3.0 0.90 0.60 1700 245

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la noche. Complementariamente se emplearon lminas de coloroscuro, para poder captar el mximo de calor durante el da.Para la produccin en planta se requiere que la temperatura ambientebordee los 5C y la temperatura de la mezcla est encima de los10C.Ya que la produccin y el comportamiento del SCA estninfluenciados fuertemente por el clima, se opt por trabajar conmezclas que tengan un slump de 5 pulgadas y evitar as elcongelamiento del agua de mezcla despus de la colocacin.Con el slump mencionado se pierde trabajabilidad, lo cual secompensa con vibradores y operadores para acomodar el material.Despus de la colocacin del relleno se cubre la superficie con bolsasde cemento y lminas plsticas encima de ellas, para evitar que elmaterial pierda calor durante el proceso de hidratacin del cementoy adems para aislarla del fro externo que puede congelar el aguade mezcla.

4. RESULTADOS

El objetivo de usar el SCA fue para alcanzar un CBR comprendidoentre 5% y 40% a los pocos das del vaciado y con ello el Contratistapueda avanzar en la colocacin de la Base. En el Cuadro 2 se muestrala relacion del CBR con la resistencia a la compresin. All se puedeapreciar que una dosificacin de 2.5 bolsas/m3, es suficiente para losfines perseguidos en el proyecto de rehabilitacin.

Cuadro 2.

Diseo 1- 80 Kg/m3 (1.9 bolsas/m3)

Edad (das) CBR (%) Resistencia (Kg/cm2)5 13.85 --7 14.42 3.2

Diseo 2 - 106.25 Kg/m3 (2.5 bolsas/m3)

Tiempo (das) CBR (%) Resistencia (Kg/cm2)3 32 4.65 -- 8.76 44.6 --9 48.7 8.714 92.4 10

Diseo 3 - 148.6 Kg/m3 (3.5 bolsas/m3)

Tiempo (das) CBR (%) Resistencia (Kg/cm2)1 27 3.24 58.2 7.35 63.2 10.17 79.4 11.414 115.4 --

5. CONCLUSIONES

5.1 El Suelo-cemento Autocompactado (SCA) es una tcnicareconocida por el ACI con el nombre de Materiales Controladosde Baja Resistencia, desarrollada especficamente parareemplazar a los rellenos compactados y muy poco usada ennuestro pas, principalmente por confundirla con el suelo-cemento tradicional de materiales compactados.

5.2 La principal diferencia del SCA con el suelo-cemento tradicionales que este se coloca como suelo y posteriormente se comportacomo concreto, mientras que aqul se coloca como concretofluido y se comporta posteriormente como suelo (excavable).

5.3 En el Proyecto de Rehabilitacin de los Pavimentos construidossobre el Mineroducto de Antamina, fallados por el asentamientode los rellenos construidos con materiales propios, se hicieronpruebas con ambos tipos de tecnicas, encontrando que el SCAproduca los mejores resultados en trminos de costo yrendimiento, para los fines de alcanzar por lo menos el CBR dediseo, adems de las ventajas evidentes de no requerircompactacin alrededor de las alcantarillas y otras Obras de Arte.

5.4 Se exhorta a la comunidad profesional en general y a launiversitaria en particular a efectuar una mayor investigacinacerca de las limitaciones y aplicaciones de este producto.