Diseño del Suelo Cemento

El diseño per se de una capa de suelo cemento, se comprende dentro de un diseño de un pavimento íntegro. El diseño de pavimento se determina según la metodología preferida por el diseñador del pavimento. Otra cuestión que se desarrolla de forma paralela es la determinación del contenido de cemento necesario para que la capa llegue a determinado nivel de resistencia mecánica típicamente medido mediante un ensayo de compresión simple. 

Es fundamental tener en cuenta los factores variables que influyen en las características terminales del pavimento tales como las diferentes capas de rodadura a elegir, si el pavimento va a estar conformado por una sola capa o varias capas de mezclas, varias capas tratadas, las características de resistencia entre las distintas capas del firme y la transferencia de carga entre éstas, las categorías de tráfico y las repeticiones para las que deberá estar diseñada la mezcla de suelo, entre otros factores. 

Determinado lo anterior desde el diseño, tomando como punto de partida el tráfico de la vía, en especial el tráfico pesado, la capacidad portante y propiedades mecánicas de la subrasante, se deberá determinar la resistencia que deberá alcanzar el material compactado. Con la resistencia a la compresión, módulo o bien, cualquier otro tipo de índice que permita medir la resistencia terminal deseada del material, se deberá encontrar la fórmula y contenidos de cemento que permiten que el suelo a estabilizar llegue a dicha resistencia. 

Previo al inicio de ensayos de resistencia para la mezcla con cemento, es necesario analizar el material existente a estabilizar, empezando por la granulometría del material, límites de Atterberg, contenidos de sal(es) y si es un suelo dispersivo, entre otros factores. 

¿Cómo se dosifica el suelo cemento?

Para determinar el contenido de cemento óptimo para la creación de las diferentes capas estructurales de un pavimento, es necesario realizar el diseño de mezclas pertinente. Según los tipos de suelos sobre los que se va a trabajar, varía el contenido de cemento óptimo para lograr determinada resistencia a compresión o capacidad de soporte del suelo. Para encontrar el dato anterior, es necesario evaluar diferentes contenidos de cemento sobre el suelo a estabilizar. Los ensayos a desarrollar se basarán en la normativa local de cada país, típicamente éstos están basados en la ASTM (American Society for Testing and Materials). 

Previo a cualquier ensayo sobre el material seco, se deberá determinar la humedad óptima de compactación, el contenido de agua que le permite al mismo llegar a la densidad máxima de compactación. Cada suelo, sean suelos arenosos, arcillosos, material granular, etc, tiene su propia humedad óptima de compactación, que es algo muy diferente de la humedad del material natural. Sobre lo anterior, se debe presupuestar el consumo de agua en el proyecto, al calcular la diferencia entre el contenido de humedad natural del suelo vs. el contenido de humedad óptimo para obtener la densidad máxima del suelo encontrado en el laboratorio. 

Se procede a realizar diferentes ensayos modificando el porcentaje de cemento medido sobre la proporción de cemento en peso con respecto al peso seco del suelo. Típicamente, se permite un período de siete días de curado húmedo para el posterior fallo de las briquetas. Los resultados son plasmados en una forma que permita comparar la dosificación de cemento vs. resistencia, lo más común es una representación gráfica en función de una fórmula lineal y(x) para poder determinar el valor de cemento que lleve al suelo a la resistencia deseada. De forma paralela se deberán realizar los ensayos de durabilidad respectivos y exigidos por la norma respectiva. En el diseño a realizar, se deberá contemplar además, en función del tipo de forma de construcción de la capa de base y el tiempo transcurrido para el curado, si serán necesarias capas prefisuradas o si van a tener tiempo suficiente previo a la instalaciónde la capa de rodadura, para un óptimo curado.  El contenido de cemento en exceso deberá ser contemplado en caso de que el método constructivo requiera capas prefisuradas entre las capas tratadas de la estructura. 

Es recomendable que se establezca para cada diseño de mezcla una dosificación con holgura, no estimar con la capacidad mínima requerida, al contrario, permitir que haya un excedente en la capacidad obtenida de tal forma que el diseño cubra cualquier tipo de variación en el suelo que afecte la resistencia del mismo. 

¿Cómo se calcula el suelo cemento?

En resumen, lo principal es determinar la capacidad estructural requerida para cada capa del firme, luego se deberá determinar la humedad óptima del suelo a tratar, para concluir con el contenido óptimo de cemento mediante ensayos de compresión. Los anteriores resultados permitirán determinar el contenido óptimo de cemento sobre una correlación lineal para un determinado suelo. Los contenidos de cemento encontrados luego deberán ser analizados para evaluar su viabilidad técnica y económica. 
Cabe anotar que no solo se estabilizan suelos con cemento, lo más común es realizar optimizaciones híbridas en el diseño de mezcla, mediante el uso combinado y optimizado de productos cementantes y/o estabilizantes iónicos, acrílicos o la combinación de los anteriores. 

Independientemente del método utilizado, sea la ASHTO, Portland Cement Association (PCA), AustRoads, USACE, etc, siempre se deberá encontrar la cantidad de cemento y el contenido de agua que permitan que un suelo logre la capacidad de soporte requerida para dicha capa, sea una capa superior, intermedia o única. 

Controles en campo

Durante la construcción de capa bajo mezclas de estabilizantes, puede ser complejo llevar controles en campo dadas las condiciones del entorno o la dificultad de acceso a laboratorios de suelos. Sin embargo, previo a la instalación de la capa de rodamiento, y durante la construcción de cada capa terminada o durante la capa extendida, se deberán tomar muestras de briquetas para luego poder ser analizada su resistencia a compresión en laboratorio. Las briquetas, bien empacadas, pueden ser enviadas a los laboratorios más cercanos para su posterior análisis a siete, 14 o veintiocho días. Durante la construcción de la capa siempre deberá ser analizado el contenido de humedad del suelo para ajustarlo lo máximo posible a el establecido en el diseño, teniendo en cuenta los agentes atmosféricos que pueden afectar dicho factor. Posterior a la compactación de la capa superior, se deberá tomar la medida de densidad obtenida en campo, y compararla con la densidad de diseño. La densidad obtenida deberá ser al menos del 95-98% de la densidad especificada o la densidad de diseño, esta cifra puede variar en función de la norma de cada país. Lo anterior con el ánimo de llevar un cercano control durante la ejecución de los trabajos, a las condiciones especificadas en el diseño y laboratorios, solo así se puede garantizar la durabilidad de la capa o capas.