ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO
Prof. Adj. Leonardo Behak
Maestría en Ingeniería Estructural
Cemento Portland
Estabilización de Suelos con Cemento
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Material producido por mezcla de calizas calcinadas (calcio) y arcillas (sílice y alúmina) en hornos a 1300-1400ºC
ClinckerSilicato Tricálcico3CaO.SiO2 (C3S)
Silicato Dicálcico2CaO.SiO2 (C2S)
Aluminato Tricálcico3CaO.SiO2 (C3A)
Aluminoferrita Tetracálcica4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)
Reacciones Primarias
Hidratación
( )23232
23233
OHCaHSC4HS2C
3Ca(OH)HSC6HS2C
+=+
+=+
( )
( ) ( ) 122323
12624
HOHCaACOHCa12HAC
AFHCOH2Ca10HAFC
⋅=++
=++
Reacciones de Cal con Fases Aluminato
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C3S2H3 (CSH): TobermoritaCa(OH)2: Cal
Aluminatos de CalcioHidratados (CAH)
Hidratación de la Cal
( ) ( )−+++=+ OH2CaOHOHCa 22
Efectos de Reacciones Primarias
Suelos Gruesos sin fracción arcilla
• Cementación de granos en puntos de contacto
Suelos de granulometría densa
• Cementación es más efectiva
Suelos de granulometría uniforme
• Mayor consumo de cemento para obtener mismo efecto
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Efectos de Reacciones Secundarias
Se desarrollan en presencia de SiO2 (Reacciones Alcalinas)
( )
( ) CAHOAlOH2Ca
CSHSiOOH2Ca
32
2
→++
→++
−++
−++
CASH
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Ca++Intercambio Catiónico
Floculación-Aglomeración
Reacciones Puzolánicas
Carbonatación
Factores que Afectan Reacciones
Sulfatos• Minerales expansivos
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Materia Orgánica
• Retarda reacciones
• Reduce efectos de estabilización
Temperatura de Cura
• T < 13oC inhibe reacciones
• Mayor temperatura de cura acelera reacciones
Suelos Apropiados para Estabilización con Cemento
• Epps, Dunlap y Gallaway (1971)
• Suelos con pasa #200 < 35% e IP < 20%
• Suelos A-1, A-2 y A-3
• Suelos muy expansivos difíciles de estabilizar (Croft, 1967)
• Arenas finas o de dunas exigen altos tenores de cemento (10 a 14%) (National Institute for Transport and Road Research de Sudáfrica, 1986)
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Métodos de Dosificación
• RCI de probetas cilíndricas compactadas con diferentes contenidos de cemento a PUSM y HOC del Proctor con un período de curado de 7 días a temperatura ambiente
• Resistencia mínima admisible: 2,1 MPa
• Susceptibilidad al fisuramiento: Considerar comportamiento flexible de capa de suelo-cemento
(prefisurado)
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Estabilización de Suelos con Cal
Método de la Portland Cement Association (PCA)
Métodos de Dosificación
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Estabilización de Suelos con Cal
Austroads Guide to Pavement Technology
Categorías Según Comportamiento
• Material Modificado: Aquéllos con cantidad pequeña de aditivo cementante agregado para mejorar resistencia o corregir otras propiedades sin causar un aumento significativo de resistencia a la tracción. Para diseño de pavimentos son considerados como materiales granulares no ligados (comportamiento “flexible”).
• Material Cementado (Estabilizado): Aquéllos con cantidad de aditivo cementante suficiente para producir significativa resistencia a la tracción y rigidez. Susceptibles de fisurar (comportamiento rígido).
• Además son categorizados en Material Ligeramente Cementado y Material Fuertemente Cementado
Métodos de Dosificación
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Estabilización de Suelos con Cal
Austroads Guide to Pavement Technology
RCI* > 2 MPa y/o Módulo Flexural y Resistencia a la Flexión
Fuertemente Cementado
1 MPa ≤ RCI ≤ 2 MPaLigeramente Cementado
RCI < 1 MPaModificado
CriterioCategoría
RCI de probetas compactadas a PUSM y HOC del Proctor con 28 días en condiciones húmedas sin inmersión en agua
* Algunas agencias sumergen en agua
Modificado < Resistencia a la Tracción Indirecta (RT) = 80 kPa > Cementado
Durabilidad
Durabilidad por pérdida de peso por cepillado de probetas curadas 7 días y sometidas a 12 ciclos de
humedecimiento y secado o congelamiento y deshielo
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Métodos de Dosificación
Humedecimiento y Secado(ASTM D559; AASHTO T135)
Congelamiento y Deshielo(ASTM D560; AASHTO T136)
Compactación
Kezdi (1979)• PUSM y HOC no varían mucho con adición de cemento
• PUSM aumenta en arenas, no se modifica en arcillas medias y livianas, aumenta ligeramente en arcillas gordas y disminuye levemente en limos
• Aumenta sensibilidad frente a humedad de compactación. Pequeñas variaciones producen aumento acentuado de PUS
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Efectos de la Estabilización con Cemento
Compactación
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
w (%)
PUS (kN
/m3)
Suelo
Suelo-2%Cemento
Suelo-5%Cemento
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Efectos de la Estabilización con Cemento
Ruta 30, Arroyo YucutujáSuelo Descompuesto de Fm Arapey (ML)
Compactación
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
20,5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
w (%)
PUS (kN
/m3)
Suelo
Suelo-2%Cemento
Suelo-5%Cemento
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Cantera YucutujáSuelo Desagregado de Fm Arapey (GP-GM)
Efectos de la Estabilización con Cemento
Compactación
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
w (%)
PUS (kN
/m3)
Suelo
Suelo-3%Cemento
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Ruta 1, 60K000Arcilla (CH)
Efectos de la Estabilización con Cemento
Estabilidad Volumétrica
0
1
2
3
4
5
6
7
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Cemento (%)
Exp
ansión (%)
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Efectos de la Estabilización con Cemento
Ruta 30, Arroyo YucutujáSuelo Descompuesto de Fm Arapey (ML)
7 días
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Cemento (%)
Expansión
(%)
2 h
156
5000
PE(kPa)
Cemento(%)
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Efectos de la Estabilización con CementoEstabilidad Volumétrica
Ruta 1, 60K000Arcilla (CH)
Estabilidad Volumétrica
Inconvenientes
• Fisuras ocurrentes al inicio del curado
• Contracción > Expansión debido a susceptibilidad de hidratación de cemento durante secado, mientras que no expande necesariamente cuando se humedece (Akpokodje, 1985)
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Efectos de la Estabilización con Cemento
Comportamiento Tensión-Deformación
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
ε (%)
q (kPa)
Suelo
Suelo-2%Cemento
Suelo-5%Cemento
Suelo-10%Cemento
Suelo-15%Cemento
7 días
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Cantera YucutujáSuelo Desagregado de Fm Arapey (GP-GM)
Efectos de la Estabilización con Cemento
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Cemento (%)
Mód
ulo Secante (MPa)
Comportamiento Tensión-Deformación
( )
7días
%Cemento19,1725E +=
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Efectos de la Estabilización con Cemento
Cantera YucutujáSuelo Desagregado de Fm Arapey (GP-GM)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
RCI (kPa)
Mód
ulo Secante (MPa)
días 7
RCI0,0816,77E ⋅+=
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Comportamiento Tensión-Deformación
Efectos de la Estabilización con Cemento
Cantera YucutujáSuelo Desagregado de Fm Arapey (GP-GM)
Resistencia
Depende
• Tenor de Cemento
• Energía de Compactación
• Tiempo de Curado
• Retardo de Compactación
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Efectos de la Estabilización con Cemento
ResistenciaContenido de Cemento y Energía de Compactación
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Cemento (%)
RC
I (k
Pa
)
GC = 100%
GC = 97%
GC = 95%
GC = 90%
7 días
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Cantera YucutujáSuelo Desagregado de Fm Arapey (GP-GM)
ResistenciaContenido de Cemento y Tiempo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 5 10 15 20 25 30Tiempo (días)
RCI (kg/m
2)
3% Cemento
10% Cemento
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Grava – Arena (Hveem y Zube, 1963)
28
35
42
49
56
0 0,5 1 1,5 2 2,5Tiempo de Retardo (h)
RCI (kg/m
2)
Granito intemperizado-3%Cemento
Material friccionanante bien graduado-3,5%Cemento
Resistencia
Hveem y Zuba (1963)
7 días
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Retardo de Compactación