ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO

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

Prof. Adj. Leonardo Behak 2

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



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



Efectos de Reacciones Secundarias

Se desarrollan en presencia de SiO2 (Reacciones Alcalinas)

( )

( ) CAHOAlOH2Ca

CSHSiOOH2Ca

32

2

→++

→++

−++

−++

CASH



Ca++Intercambio Catiónico

Floculación-Aglomeración

Reacciones Puzolánicas

Carbonatación

Factores que Afectan Reacciones

Sulfatos• Minerales expansivos



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)



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)


Estabilización de Suelos con Cal

Método de la Portland Cement Association (PCA)




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




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




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



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




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



Cantera YucutujáSuelo Desagregado de Fm Arapey (GP-GM)


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



Ruta 1, 60K000Arcilla (CH)


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 (%)




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(%)



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)




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





0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Cemento (%)

Mód

ulo Secante (MPa)


( )

7días

%Cemento19,1725E +=





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 ⋅+=






Resistencia

Depende

• Tenor de Cemento

• Energía de Compactación

• Tiempo de Curado

• Retardo de Compactación




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




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



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



Retardo de Compactación

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