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Introducción al uso del cemento en explanadas y capas de firme Zaragoza, 19 de mayo de 2006

EMPLEO DEL CEMENTO EN EXPLANADAS Y FIRMES

Sergio Carrascón Ortiz Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones, IECA. Delegación Cataluña

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EMPLEO DEL CEMENTO EN EXPLANADAS Y FIRMES Índice

Pág.

1. Introducción

3

2. Firmes. Constitución, materiales y tipos 4

3. Mezclas con cemento 5

4. Desarrollo histórico en España 6

5. Características 8

6. Ventajas y limitaciones de los pavimentos de hormigón vibrado 12

7. Ventajas de las mezclas con cemento 13

8. Empleo 13

9. Conclusión 19

10. Bibliografía 19

Introducción al uso del cemento en explanadas y capas de firme (Zaragoza, 19 de mayo de 2006)

3

1. INTRODUCCIÓN

Desde hace varios milenios se utilizan algunos productos naturales o artificiales

como ligantes en los materiales de construcción. Así, hay referencias del empleo

hace unos 5.000 años de cal en China y en la India o de productos bituminosos

en Mesopotamia. En la época clásica de Grecia y Roma, se emplean cementos

hidráulicos, constituidos por cal y cenizas volcánicas o ladrillos molidos, que

reaccionan lentamente en presencia de agua para formar con los áridos una

masa de hormigón o mortero primarios.

En los tiempos modernos, se desarrolló primero la cal hidráulica (J.Smeaton,

1756), pasando por los cementos naturales obtenidos por la combustión de

calizas margosas (Inglaterra y Francia, hacia 1800), hasta llegar al cemento

portland patentado por J.Aspdin en 1824. Este producto se fue perfeccionando

en los años posteriores hasta el punto que hacia 1865 pudo ya emplearse en la

pavimentación con hormigón de varias calles europeas.

Poco después la técnica pasó a Estados Unidos, donde aún se conserva el

primer pavimento urbano (Bellefontaine/ Ohio,1892). La creciente motorización

del país en los albores del siglo XX propició la construcción de nuevas carreteras

y un desarrollo paralelo de estos pavimentos, que han seguido empleándose

hasta la actualidad, particularmente en las autopistas interestatales (en más de

un 70% de las mismas) y también en las vías de baja intensidad de tráfico.

La adición de cemento a suelos y materiales granulares se desarrolló asimismo

en Estados Unidos, particularmente a partir de 1930, y de forma acelerada

durante la segunda guerra mundial para la construcción de pistas de vuelo.

Durante la segunda mitad del siglo pasado, los países desarrollados

intercambiamos nuestros conocimientos y experiencias en las revistas

especializadas y en reuniones técnicas. En 1965, se creó en el seno de la

Asociación Mundial de Carreteras (PIARC) un Comité Técnico de carreteras de

hormigón, en el que también se trataba de las demás aplicaciones del cemento

en las infraestructuras del transporte. Esta labor la continúa actualmente el


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Comité de firmes, que informa con regularidad de los avances en este campo en

los Congresos Internacionales de Carreteras; el último tuvo lugar en Durban

(Sudáfrica, octubre 2003). A la difusión general contribuyen también los

Simposios Internacionales sobre carreteras de hormigón del Cembureau, que

tienen lugar desde1969 ; el noveno se celebró en Turquía (Estambul, abril 2004).

Puede decirse que el empleo del cemento en explanadas y firmes es hoy

universal y tanto más intensivo, cuanto más desarrollado económicamente esté

el país. Más que por la producción de cemento o la renta per cápita, el factor

determinante de su utilización reside en la necesidad de materiales

técnicamente adecuados para resistir las solicitaciones climáticas y del tráfico,

económicamente competitivos y que ocasionen el menor daño ambiental.

En España, el uso del cemento ocupa ya un lugar destacado en el contexto

mundial. Con una industria cementera líder en Europa, unas empresas

constructoras equipadas y con gran experiencia, así como ingenieros

proyectistas, directores de obra, consultores y demás personal técnico

habituados a su empleo, es de esperar aún un notable desarrollo en los

próximos años.

2. FIRMES. CONSTITUCIÓN, MATERIALES Y TIPOS.

Los firmes están constituidos por un conjunto de capas superpuestas,

relativamente horizontales y de varios centímetros de espesor, de diferentes

materiales, adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se

apoyan en la explanada obtenida por el movimiento de tierras y han de soportar

las cargas de tráfico durante un periodo de varios años, sin deterioros que

afecten a la seguridad y comodidad de los usuarios o a la propia integridad del

cimiento.

La explanada es la superficie del cimiento del firme o parte superior de las obras

de tierra y su capacidad de soporte o resistencia a la deformación contribuye

fundamentalmente a la resistencia del conjunto. Por ello, actualmente se tiende a


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estabilizar con cemento o con cal las capas superiores del suelo.

Hay que distinguir entre las características superficiales o funcionales del

firme, aportadas por la capa de rodadura (resistencia al deslizamiento,

regularidad superficial, ruido de rodadura, reflexión luminosa, etc.), y las

características estructurales, relacionadas con los materiales empleados y

espesores de las capas del firme.

Los firmes rígidos tienen un pavimento de hormigón, con frecuencia una capa

de base y a veces una capa de subbase. El pavimento sirve de capa de

rodadura y al tiempo trabaja a flexión, distribuyendo las cargas de tráfico a la

capa de apoyo.

Los firmes semirrígidos suelen tener al menos el pavimento bituminoso, en

tanto que la capa subyacente o base puede ser de zahorra artificial, bituminosa o

tratada con cemento. La función de esta capa es eminentemente resistente. La

subbase puede ser una capa de transición (suelo granular, zahorra) o tener

también una función resistente (suelocemento). En todo caso, al menos una

capa del firme debe estar tratada con cemento para que el firme sea

considerado semirrígido.

Por tanto las capas de los firmes están constituidas por unas unidades de obra

que en general pertenecen a uno de los siguientes grupos:

- zahorras

- mezclas bituminosas o tratamientos superficiales

- hormigón vibrado o mezclas con cemento

3. MEZCLAS CON CEMENTO

Se engloban en esta denominación una amplia gama de materiales constituidos

por un conjunto de partículas minerales o esqueleto mineral (suelo o áridos),

mezcladas con cemento, agua y eventualmente un aditivo (en general, un


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retardador de fraguado). La mezcla homogénea tiene una determinada

composición de los constituyentes, se realiza in situ o en planta, se extiende por

tongadas, se compacta con rodillo, y finalmente recibe un tratamiento de curado

durante los primeros días y eventualmente de protección del tráfico de obra.

En función de los materiales básicos empleados y del proceso de ejecución

resulta una diversidad de unidades de obra, de empleo creciente en:

- explanadas: suelos estabilizados in situ

- subbases: suelocemento

- bases: gravacemento, hormigón magro compactado,

hormigón compactado

Este último se emplea también como pavimento en vias de baja intensidad de

tráfico.

El cemento proporciona en general una cohesión permanente, poco influida por

la humedad, que aumenta la resistencia mecánica a la deformación bajo las

cargas del tráfico, pero que produce también reacciones físico-químicas con las

partículas finas o polvo mineral. Es en suma un elemento fundamental para

transformar un material en otro con las características necesarias para la función

asignada.

4. DESARROLLO HISTÓRICO EN ESPAÑA

Hace sólo 40 años el empleo de cemento en explanadas y capas de firme era

algo excepcional. En aquella época el coste y disponibilidad del cemento no

justificaba su uso, el tráfico pesado era escaso y las limitaciones ambientales no

habían empezado a manifestarse.

El desarrollo económico del país ha marcado una evolución para satisfacer las

crecientes necesidades. Las normas de materiales, explanadas y estructuras de

firme aplicadas en las obras construidas se han ido revisando periódicamente,


7

de forma que en 2004 la D.G. de Carreteras del Ministerio de Fomento ha

llegado a ultimar toda la normativa pertinente.

Así, en los años 60 empiezan a sustituirse las zahorras artificiales en capas de

base para tráfico pesado por gravacemento con objeto de dar “cohesión”, es

decir, aumentar la resistencia mecánica y durabilidad de un material granular.

En capas de subbase, las zahorras y arenas con finos son sustituidas en

algunas obras por suelocemento, con lo que no sólo resulta un material

insensible al agua, sino una capa más rígida y no erosionable. Este proceso de

cambio continuó en los años posteriores.

En esta década empiezan a construirse de nuevo los pavimentos de

hormigón (hoy vibrado para distinguirlo del compactado con rodillo), de

concepción y construcción moderna. Habían sido ensayados por primera vez

en 1915 y empleados en algunos tramos de carretera nacional en los años 20.

A partir de 1970 su empleo en autopistas y autovías ha sido notable (más de

1 600 km de calzada), aunque desde hace más de diez años han dejado de

aplicarse por razones no justificadas.

Los hormigones magros compactados se utilizaron en algunas obras

importantes en los años 70 siguiendo la práctica británica del “dry lean

concrete”. En el País Vasco, de clima parecido, se buscaba para una base de

tráfico pesado, más resistencia y menos erosionabilidad. Se empleó también en

algunas grandes urbanizaciones en sustitución del hormigón pobre tradicional.

Su uso ha sido sin embargo limitado.

En los años 80 empieza la utilización del hormigón magro, de tipo

californiano, extendido con terminadora de encofrados deslizantes, una base

ideal para los pavimentos de hormigón. Ha llegado a sustituir por completo a la

gravacemento, no sólo por su ejecución con el mismo equipo, sino por su

elevada resistencia a la erosión bajo el pavimento.


8

Por esta época empieza también la aplicación en vías principales del

hormigón compactado con rodillo, utilizado ya en la década anterior en vías

de baja intensidad de tráfico. Se trata de un material de fabricación y puesta en

obra análoga a la de una gravacemento, es decir con una maquinaria ordinaria,

lo que es atractivo, pero con un contenido de cemento muy superior, análogo al

de un hormigón de pavimento. Se sitúa por tanto mucho más allá de un

hormigón magro o de la gravacemento de alta resistencia empleada en

Francia. Se buscaba una economía en la construcción de un pavimento rígido,

aunque fue necesario dotarle en autovías de un pavimento bituminoso para

asegurar una buena regularidad superficial a elevada velocidad de circulación.

En los años 90, las restricciones ambientales respecto a préstamos y áridos de

calidad impulsan con fuerza tanto las explanadas estabilizadas como el

reciclado de firmes. Ambos se desarrollan gracias a la disponibilidad de

potentes máquinas estabilizadoras-recicladoras y a unos costes competitivos.

Los suelos estabilizados in situ con cemento o con cal, conocidos y hasta

normalizados mucho antes, empezaron a ser la regla más que la excepción no

sólo cuando los suelos locales no eran apropiados por su sensibilidad al agua,

erosionabilidad, cambios de volumen, etc., sino cuando se deseaba una

elevada capacidad de soporte, acorde con la importancia de la vía.

Actualmente las propuestas de 1975 han sido refrendadas y puestas al día en

las categorías de suelos mejorados con cemento o con cal S-EST 1 y S-EST

2 y de suelos estabilizados S-EST 3 con cemento.

En las capas de firme recicladas in situ con cemento se reutilizan los áridos

de los firmes antiguos y el cemento les confiere la resistencia necesaria como

base de un firme rehabilitado.

5. CARACTERÍSTICAS

Sus características son muy variadas y dependen de:


9

- la calidad de los materiales utilizados ( suelo, áridos, firme

existente)

- el contenido de cemento

- la humedad de compactación

- el proceso de mezclado in situ o en central

- la puesta en obra, particularmente del grado de compactación alcanzado, así

como del proceso de curado y protección

Como una primera orientación en las Tablas 1 y 2 se recogen las principales

características de estos materiales.

UNIDAD DE OBRA

ESQUELETO

MINERAL

CEMENTO AGUA MEZCLA

SUELOS ESTABILIZADOS

IN SITU (Art. 512)

SUELO PASA 0.063 UNE

S-EST 1 ≤ 50 % S-EST 2 ≤ 50 % S-EST 3 ≤ 35 %

min 2 % min 3 % min 3 %

- IN SITU

SUELOCEMENTO (Art. 513)

SUELO

PASA 0.063 UNE ≤ 35 %

> 3 % ~ OPT. P.M.

EN PLANTA (IN SITU)

GRAVACEMENTO

(Art. 513)

ARIDO > 3.5 % ~ OPT. P.M.

EN PLANTA

HORMIGÓN

MAGRO COMPACTADO

ARIDO 140-160 kg/m3

~ OPT. P.M.

EN PLANTA

HORMIGÓN

COMPACTADO (Art. 551)

ARIDO 280-300 kg/m3

~ OPT. P.M.

EN PLANTA

FIRME

RECICLADO (Art. 21 PG - 4)

FIRME EXISTENTE ESCARIFICADO 3 – 5 % ~ OPT.

P.M. IN SITU

TABLA 1. Principales características de las mezclas con cemento (I).


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UNIDAD DE OBRA

RESISTENCIA MECÁNICA

EMPLEO PRECIO

APROXIMADO

SUELOS

ESTABILIZADOS IN SITU

(Art. 512)

S-EST 1 CBR7 ≥ 6 S-EST 2 CBR7 ≥12 S-EST 3 RC7 ≥ 1.5 MPa

EXPLANADA E1 EXPLANADA E2 EXPLANADA E3

2 – 3 €/m2

SUELOCEMENTO (Art. 513)

RC7 ≥ 2,1 o 2,5 MPa

SUBBASES

5 - 8 €/m3

GRAVACEMENTO(Art. 513)

RC7 ≥ 4,5 MPa BASES 7 €/m3

HORMIGÓN

MAGRO VIBRADO

RC28 ≥ 15 MPa BASES 11 €/m3

HORMIGÓN

COMPACTADO (Art. 551)

RC28 ≥ 25 MPa PAVIMENTOS Y BASES 12 - 16 €/m3

FIRME

RECICLADO (Art. 21 PG - 4)

RC7 ≥ 2,5–3,5 MPa BASES 2,5 – 3,5 €/m2

TABLA 2. Principales características de las mezclas con cemento (II).

Hay que distinguir entre las propiedades en estado fresco, tales como el plazo

de manejabilidad y la estabilidad inmediata, que son fundamentales para la

ejecución, y las propiedades del material endurecido, que determinarán su

comportamiento en servicio. En primer lugar deben considerarse las resistencias

mecánicas, pero también la resistencia a la erosión, el módulo de deformación, la

resistencia a la fatiga, las propiedades térmicas, la retracción, etc.

A título de ejemplo de la diferente resistencia y deformabilidad de los materiales

empleados, en las Figs. 3 y 4 aparecen su resistencia a compresión y los módulos

de deformación a largo plazo.



11

Figura 3. Resistencias a compresión de los materiales tratados con

cemento.

100-10000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

S-EST 3 SC GC GCA HM HC

Materiales tratados con cem ento

Mód

ulos

de

defo

rmac

ión

(MPa

)

Figura 4. Módulos de deformación habituales en materiales tratados con

cemento.

6. VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS PAVIMENTOS DE HORMIGÓN

VIBRADO

12

Se resumen a continuación las principales ventajas de estos pavimentos en

relación con la alternativa bituminosa. Estas consideraciones son también

aplicables a los de hormigón compactado en vías de baja intensidad de tráfico.

- adaptabilidad a todo tipo de obra, grande o pequeña, con una puesta

en obra desde muy mecanizada hasta manual. El hormigón es un

material usual en construcción y por tanto familiar a los operarios.

- elevada resistencia mecánica e indeformabilidad, con un buen

reparto de cargas a las capas subyacentes, elevada resistencia a la

fatiga, y también a las cargas concentradas y a los esfuerzos

tangenciales. No es susceptible a la temperatura ni a la formación de

roderas bajo cargas pesadas y lentas. Es también resistente a los

depósitos de carburantes y aceites procedentes de los vehículos.

- gran durabilidad y reducidos gastos de conservación. Su

resistencia aumenta con el tiempo.

- buenas características superficiales, adaptables a las necesidades

del usuario, al que puede proporcionar una rodadura segura, cómoda

y económica.

Tiene la limitación de que no es posible su ejecución por etapas y que, en

general, tiene un coste de construcción ligeramente superior a los firmes

alternativos flexibles o semirrígidos. Sin embargo en general el coste global, que

incluye los gastos previsibles actualizados de conservación y los costes sociales,

es inferior.

En todo caso, su utilización más competitiva es en los pavimentos para tráfico

pesado (autopistas y autovías, pistas y estacionamientos de aeropuertos,

pavimentos portuarios) y en las vías rurales y urbanas de baja intensidad de

tráfico.

7. VENTAJAS DE LAS MEZCLAS CON CEMENTO


13

Estas mezclas con cemento tienen ventajas técnicas, económicas y ambientales

que propician su empleo en las infraestructuras de transporte: carreteras y vías

urbanas, aeropuertos, puertos, ferrocarriles, terminales, etc.

Entre las ventajas técnicas pueden citarse:

- la resistencia a flexión y a la fatiga de las capas de firme, así como la rigidez

del apoyo de las capas bituminosas superiores, las cuales no están así

sometidas a tracciones que puedan provocar su fatiga.

- la elevada capacidad de soporte y estabilidad de la explanada y, en suma,

del cimiento del firme.

Ello se traduce en una mayor durabilidad ante las acciones del tráfico pesado y

los cambios climáticos.

Aunque las ventajas ambientales están ligadas a las económicas, las

primeras van cobrando preponderancia y tienen que ser atendidas con prioridad.

Así, resulta:

- un mayor empleo de suelos y otros materiales locales, incluido el reciclado

de firmes, a veces de características iniciales inadecuadas

- una limitación del consumo de áridos de nueva extracción, cada vez más

escasos

y, por otra parte:

- unos costes de construcción inferiores a los de los firmes bituminosos

alternativos para tráficos pesados y muy pesados

- unos costes de rehabilitación de firmes agotados (y a veces contaminados)

muy competitivos.

8. EMPLEO

En las Figs. 5 a 10 puede observarse cómo en carreteras estos materiales tienen

un empleo generalizado, tanto en explanadas como en firmes nuevos o

reciclados.


14

Figuras 5, 6, 7. Presencia de materiales tratados con cemento en la Norma

6.1 IC Secciones de firme (2003). Ministerio de Fomento.


15

Fig. 8. Presencia de hormigón compactado y suelocemento en algunas

secciones de las Recomendaciones de la Junta de Castilla y León (2004).


16

Fig. 9. Espesores mínimos en secciones de firme reciclado con cemento

según las Recomendaciones de la Junta de Castilla y León (2004).

Fig. 10. Presencia de materiales tratados con cemento en algunas

secciones de la Instrucción para el Diseño de Firmes de la Junta de

Andalucía, Anejo 3 (1999).

Lo mismo puede decirse de aeropuertos, puertos, vías urbanas, etc.


17

Fig.11. Secciones de pavimentos urbanos del Ayuntamiento de Madrid( 2001).

Figura 12. Materiales tratados con cemento en los firmes portuarios

contemplados en la ROM 4.1 – 94. Puertos del Estado.


18

Los espesores utilizados son actualmente los siguientes:

Material Espesor (cm) Observaciones

Suelo estabilizado

in situ con cemento 25 – 30 --

Suelocemento 20 – 30 40 cm en dos capas

Gravacemento 20 – 22 hasta 34 cm en capa

gruesa única

Hormigón magro 15 espesor constructivo bajo

pavimentos de hormigón

Hormigón compactado 15 – 25 --

Pavimento de hormigón

vibrado 15 – 30 en carreteras y vías urbanas

Capa reciclada in situ 20 – 35 --

En la actualidad hay que destacar la utilización general de estabilizaciones y

reciclados, así como del suelocemento, en tanto que los materiales tratados de

mayor resistencia posiblemente se empleen más en el futuro gracias a la reciente

puesta al día de las especificaciones generales.

Entre las novedades incorporadas en los últimos años a la técnica, que serán

expuestas con detalle más adelante, pueden destacarse:

- unas nuevas prescripciones, con una definición más precisa de su ejecución

y control de calidad


19

- la consideración del plazo de trabajabilidad, y la posibilidad de modificarlo

con un retardador de fraguado

- una mejor dosificación y mezcla en planta o in situ, mediante equipos más

eficaces

- la prefisuración de las capas de base con tráfico pesado y su influencia en el

proyecto y en el comportamiento de los firmes semirrígidos.

9. CONCLUSIÓN

Los materiales tratados con cemento comprenden una variedad de unidades de

obra, cuyas propiedades pueden adaptarse a las necesidades de cada caso. La

experiencia acumulada con ellos es considerable y las prescripciones actuales

suponen una puesta al día de las técnicas de construcción para mejorar la

calidad. Con ello puede esperarse en los próximos años un empleo creciente de

estos materiales en explanadas y capas de firme.

10. BIBLIOGRAFÍA

- KRAEMER, C. et al. (2004): Ingeniería de carreteras. McGraw-Hill Interamericana

S.A.,Madrid

- WILLIAMS, R.I.T. (1986): Cement-Treated Pavements, Elsevier Applied Science

Publishers, London-New York

- 1er Simposio Internacional de estabilización de explanadas y reciclado in situ de

firmes con cemento (2001). IECA y Asociación Española de la Carretera, Madrid

- Riegos auxiliares, mezclas bituminosas y pavimentos de hormigón.PG-3 (2004).

Secciones de firme y capas estructurales de firmes. 6.1 IC(2003) Ministerio de

Fomento, Madrid

- Manual de firmes reciclados in situ con cemento (1999) IECA, Madrid

- Traitement des sols à la chaux et/ou aux liants hydrauliques. Guide technique

(2000), LCPC – SETRA, París.

- Semi-rigid Pavements (1991) PIARC, París.


20

- Instrucción para el diseño de firmes de la Red de Carreteras de Andalucía (1999)

O.C. 1/ 99. Consejería de Obras Públicas y Transporte. Junta de Andalucía. Sevilla.

- Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos 2004. Junta

de Castilla y León, Valladolid.

- 9th International Symposium on Concrete Roads (2004). Cembureau-PIARC-ATIC,

Estambul.

- 7th International Conference on Concrete Pavements (2001). International Society

for Concrete Pavements. Orlando, Florida.


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