Construcción de Carreteras con Suelo Cemento

A veces los tipos de suelos ideales que garantizan la estabilidad y la durabilidad no se encuentran en las carreteras o terrenos a intervenir, ya que es común encontrar suelos con propiedades mecánicas pobres. Es necesario recurrir a una técnica diferente, denominada estabilización de suelos, para mejorar las propiedades físicas del mismo y aumentar su capacidad de soporte. Esta es una técnica que mejora las propiedades naturales del suelo mediante la adición de productos químicos, en este caso, hablamos de agregar un porcentaje de cemento al suelo. El cambio en las propiedades del suelo permite optimizar las estructuras de los pavimentos, así como reducir su espesor, sin que ello deteriore su resistencia mecánica a lo largo del tiempo.

Con un mundo cada vez más concienciado con el medio ambiente, la necesidad de suelos naturales para construir vías nunca ha sido mayor. Con los gobiernos siempre buscando formas de ahorrar dinero y recortar sus presupuestos, el uso de materiales de construcción ecológicos en las estructuras de pavimentos es una obviedad. No solamente el costo de la conformación de las estructuras de pavimentos es importante, sino el costo del mantenimiento del pavimento a lo largo de los años, se ha vuelto imperioso lograr la sostenibilidad del pavimento mediante la innovación en los materiales que lo componen.

Con la creciente demanda de clientes que prefieren las «obras verdes», además de la necesidad latente de los gobiernos e industrias de encontrar soluciones en ahorros de materiales que amplíen el alcance de su presupuesto, el uso de suelos como materia prima para crear un pavimento durable, se ha vuelto una alternativa necesaria para crear vías sostenibles y económicas. 

Es habitual que la arcilla, el limo y la arena no tengan las propiedades adecuadas para formar una estructura resistente. Por suerte, existen diferentes productos químicos en el mercado que pueden fortalecer los suelos para crear un material de pavimento con una alta resistencia a compresión que permita vías duraderas. 

Es importante analizar el tipo de suelo a estabilizar para formar la estructura del pavimento y asimismo, determinar la mejor técnica o producto(s) o componente(s) para la estabilización:

• Estabilización con cemento (suelo cemento)
• Estabilización iónica (polímeros)
• Estabilización acrílica
• Estabilización con cal (suelo cal)
• Estabilización con Emulsión
• Estabilización con suelo (de mejores propiedades) 

¿Qué es un suelo cemento?

La estabilización de un suelo permite transformar un suelo con baja capacidad portante en un suelo con elevada capacidad portante que cumpla con las características técnicas exigidas en un determinado diseño y/o normativa vigente. En este caso, el suelo cemento, a parte de otros parámetros, suele medirse mediante la compresión simple, donde por ejemplo, el INVIAS en su Norma 350, exige una compresión simple mínima de 2.1MPa. 

El proceso consta de lograr una mezcla económica con un estabilizante determinado, en este caso, con cemento. Es necesario determinar, mediante ensayos de resistencia, un el contenido de cemento óptimo medido en porcentaje sobre el peso del material seco (sobre su máxima densidad), que permita obtener una mezcla de suelo con determinados valores de resistencia y durabilidad sometidos a una determinada energía de compactación y a un determinado proceso de compactación, según el ensayo o norma técnica que aplique. Lo primero es realizar un análisis del suelo sobre los materiales tratados, o a tratar, que determine los valores de resistencia naturales, plasticidad, granulometría, entre otros. Típicamente las normas requieren un material granular, sin embargo, el cemento tiene un amplio abanico en cuanto a la extensión del material que puede tratar, no solamente un material granular. En base a lo anterior se establece una dosificación de estabilizante, en este caso, la mezcla con cemento que permita lograr la resistencia deseada, en base a el desempeño del cemento hidráulico estimada y al tipo de cemento empleado, este proceso se conoce como un diseño de mezcla. Es importante conocer el contenido de cemento de tal forma que el porcentaje de cemento en peso del suelo (%) sea económicamente viable, típicamente se establece un 8% como el máximo para lograr una estabilización económica mediante la modificación con cemento. En caso que la mezcla con cemento exija una dosificación superior al 8% sobre el peso seco del suelo, es idóneo buscar un cemento resistente de mejores condiciones o bien, complementar la mezcla con otro tipo de estabilizante. Siempre es fundamental analizar el costo de estabilización por m³ de suelo cemento de tal forma que si sea una obra viable económicamente. 

Existe diversa literatura sobre la tecnología de suelo cemento y su implementación que vale la pena estudiar, tal como Guide to Pavement Technology de AustRoads, Low Volume Road Engineering de Robert Douglas, Soil Cement Construction Handbook de PCA, Manual de Estabilización de Suelos con Cemento o Cal de IECA, y en general, sobre la tecnología de suelo cemento, es posible encontrar literatura muy completa en las normativas locales de cada país, así como es la norma INVIAS. Sin embargo, se recomienda enfocar el trabajo de mezcla con cemento a realizar en una meta técnica, no solamente en los parámetros de las normas, ya que estos pueden ser limitados en cuanto a las condiciones del material tratado, en vista a que muchos documentos requieren un material granular o bien una granulometría del material determianda que hace que el material aceptado como material de construcción se limitado, sin considerar la trabajabilidad del material. 

En Pro-Road contamos con amplia experiencia para la estabilización de suelos con cemento y además, contamos con una serie de estabilizantes y aditivos que nos permiten generar suelos estabilizados a precios muy competitivos. No solo se trata del precio por m³ de suelo cemento, sino por la versatildiad que mezclar esta técnica con otras técnicas y productos estabilizantes, en cuanto a la trabajabilidad del material que se puede lograr en una amplia gama de tierra cruda, y no solo en un material granular o bien una exigencia de cierta granulometría del material. 

Beneficios del suelo Cemento

Este método constructivo es más que tierra apisonada o tierra compactada, es un método revolucionario, junto con otros métodos de estabilización de suelos, que genea grandes beneficios a corto, mediano y largo plazo. Los principales beneficios de este tipo de estabilización son entre otros, el ahorro en costos de construcción, empezando por los ahorros inminentes en el costo de transporte, ya que reemplazamos el uso de bases y materiales de granulares en los pavimentos convencionales, los cuales además son necesarios extraer y transportar; por pavimentos formados con el suelo natural de las vías. Con la salvedad, de que para dar cabalidad a el anterior anunciado, se hace necesario ampliar la gama del material aceptado para la capa extendida, según los lineamientos mencionados anteriormente, y que constantemente empleamos en Pr-Road, no solo limitándonos a materiales granulares aceptados dentro de los materiales suministrados, sino a una gama más amplia. Es posible trabajar con materiales por fuera de las características granulométricas requeridas por algunas normas, inclusive omitir un material granular, hasta para vías con tráfico pesado.  Adicionalmente, el proceso de reciclado con cemento tiende a ser mucho más rápido que métodos convencionales en cuanto a la conformación de estructuras de pavimentos se refiere. Por último, es importante tomar en cuenta el impacto ambiental, no solo de las emisiones e impacto ambiental de la obra per se producto del ahorro de tiempo durante la extensión del material independientemente de sus propiedades generales, sino de las emisiones anexas al cemento empleado. Por último, la cantidad de agua añadida para lograr el contenido óptimo de humedad de compactación es mucho menor que la requerida en la cadena de valor completa de la construcción de un pavimento convencional,  y así también es posible lograr la resistencia a esfuerzos requerida con una menor huella ecológica. En resumen, los principales beneficios del suelo cemento, se traducen en ahorro económico y ahorro en tiempo de construcción para la conformación de la estructura del pavimento y un menor impacto ambiental. 

Una nota que cabe mencionar, es que las muestras de ensayo requeridas para controlar la óptima ejecución del suelo estabilizado cemento, son relativamente sencillas y se pueden practicar en su mayoría, en campo, dando una gran ventaja en tiempo real con respecto a otros sistemas constructivos. 

¿Cuándo se utiliza suelo cemento?

Las características del suelo a estabilizar determinan el tipo de estabilizante a utilizar, o por lo contrario, la combinación de estabilizantes óptima que logre una tierra apisonada, con un nivel de resistencia que cumpla los requerimientos técnicos de desempeño, inclusive para tráfico pesado. Es necesario hacer un análisis completo mediante muestras de ensayo, de las propiedades generales y específicas del suelo, el principal material de construcción, tales como sus límites de Atterberg, humedad del material, granulometría y resistencia a la compresión. Por otra parte, es necesario conocer las condiciones de uso del pavimento (ESAL), categoría de tráfico y su período de diseño para establecer una resistencia mecánica y módulo para el pavimento. Lo segundo, es determinar si el contenido de cemento para lograr esta resistencia a esfuerzos requerida, es económicamente viable y si la modificación con cemento del suelo es la opción óptima económicamente y técnicamente. Un factor importante a tomar en cuenta a la hora del diseño de mezcla, es nunca trabajar con el contenido mínimo de cemento obtenido en la fórmula sobre el material tratado  o material de partida ya que se debe prever un desperdicio y un reajuste de cantidades en caso exista algún tipo de variación imprevistas en las propiedades generales o específicas de la tierra cruda o natural a tratar. Adicionalmente, es necesario conocer el equipo de compactación sobre la capa terminada de tal forma que se ajuste a las condiciones requeridas de compactación. Es también importante determinar el espesor de capa a estabilizar en función de la categoría de tráfico y la cantidad del mismo, nunca se debe diseñar en función del volumen mínimo de tránsito. Por último, se debe realizar un diseño y ejecución de los trabajos de tal forma que los trabajos cumplan con las vigentes normas. 

¿Qué suelo se puede estabilizar con cemento?

En teoría todos los suelos se pueden estabilizar con cemento, excepto los de muy alta plasticidad y los suelos orgánicos. El uso de cemento hidráulico o cemento estabilizante mezclado con suelos, generalmente debe resultar en el incremento de la capacidad de soporte del mismo para la conformación de la estructura de pavimento. Más allá de si se puede estabilizar o no un suelo natural con esta metolodgía, es importante analizar el costo de estabilizar un suelo de esta forma. Por tanto, es necesario determinar el porcentaje óptimo para la mezcla de suelo y poder logar la resistencia y las condiciones requeridas, ya que un contenido de cemento alto hace que el m3 de suelo estabilizado quede por fuera del presupuesto. También es importante analizar la composición matricial del suelo, ya que suelos muy finos, en algunas ocasiones, requieren la mezcla de agregados para lograr una mezcla compactada con un módulo competente. El cemento también puede ser usado de forma combinada con estabilizantes iónicos (PREI-16) en suelos de alta o media plasticidad para reducir el costo de la mezcla de suelo para lograr la resistencia a compresión deseada.

¿Cuánto cuesta el suelo cemento?

El suelo cemento varía en función de las condiciones de la vía, clima, condiciones del suelo, equipos disponibles y de la ejecución de la obra como tal. En promedio, se puede esperar un costo por m3 de suelo estabilizado alrededor de 70.000-130.000 pesos colombianos (@2021). La dificultad de compactación puede ser un factor importante a la hora de determinar el costo general de la obra, cosa que depende directamente de las propiedades geométricas del tramo vial. Este y otros factores, son fundamentales a la hora de presupuestar un trabajo de esta índole. Tiende a ser el factor que puede llegar a tener más peso, las condiciones climatológicas de la zona, por tanto, es importante tomar estos factores en cuenta así como la fecha de inicio de los trabajos para aprovechar la mayor cantidad de tiempo seco. 

¿Cómo se prepara el suelo cemento?

La preparación del suelo cemento consta, al igual que la mayoría de las técnicas para la estabilización de suelos; de incorporar un producto en un suelo de baja capacidad portante, en este caso, cemento hidráulico u estabilizante, con el suelo existente, homogenizarlo. Siempre, al igual que otros procesos de estabilización, se debe adicionar la cantidad de agua considerada en el diseño para que el suelo llegue a su humedad óptima de compactación, bien por agua añadida o agua por secado, todo en función de los porcentajes de agua establecidos en el diseño, es vital nunca concentrarse en el ahorro del agua ya que un suelo con un contenido de agua por debajo de su humedad óptima puede tener resultados fatales en cuanto a sus propiedades estructurales se refiere. Posterior a la mezcla del suelo con cemento se realiza el perfilado de la vía, idealmente con una comisión topográfica para garantizar la geometría y el óptimo drenaje y posteriormente la compactación del suelo. Por último, luego de la compactación, es necesario controlar el fraguado del cemento, por lo que es necesario realizar un proceso de curado que consta de humectar la superficie para reducir su velocidad de deshidratación y así evitar la aparición de patologías como el agrietamiento y poder cumplir a cabalidad con las condiciones de entrega.

En resumen, este tipo de estructuras de pavimentos permiten lograr una resistencia a la compresión óptima mediante la mezcla de tierra o suelo natural con un producto estabilizante, en este caso el cemento, que es el respondable de aumentar la resistencia a compresión del suelo. Es posible convertir un suelo de baja resistencia en un suelo con capacidad estructural idónea mediante el aumento de resistencia que se da gracias a el proceso químico descrito anteriormente. 

Existen otros métodos que resultan en igualdad de capacidad portante para determinados suelos y que pueden lograr propiedades estructurales buenas, sin embargo, el objetivo principal de la estabilización en general, es lograr materiales de resistencia óptima con el uso máximo de suelos naturales y el menor costo por m3 posible. 

Para conocer con mayor profundidad las diferentes formas de ejecución de obra, con diferentes tipos de maquinaria y conocer sobre el darwinismo de la construcción y cual es el mejor proceso constructivo para su obra, contáctenos, en Pro-Road proveemos soluciones viales versátiles.

No podemos dejar atrás, de forma complementaria, las capas de pavimento formadas con cal, que muchas veces, es un excelente complemento para el suelo cemento, especialmente en suelos finos o de alta o mediana plasticidad.  

Suelo Cal

El suelo cal, o la estabilización de suelos con cal, consta de la mezcla de cal, generalmente cal viva, con suelos para mejorar sus condiciones de desempeño. La mezcla con cal genera un aumento en la capacidad de soporte (resistencia a la compresión), y una reducción del índice de plasticidad.

¿Qué suelo se puede estabilizar con Cal ?

Los suelos idóneos para la estabilización con cal son los arcillosos, inclusive limosos, de mediana y alta plasticidad, el resto de suelos, incluidos los orgánicos, no son idóneos para este tipo de solución.. Más allá de si se puede estabilizar o no un suelo natural, es importante analizar el costo de estabilizar un suelo de esta forma. Para lo anterior, es necesario determinar el porcentaje de cal óptimo para llegar a la resistencia y las condiciones requeridas, ya que un contenido de cal demasiado alto, posiblemente hace que el m3 de suelo estabilizado quede por fuera del presupuesto. De forma complementaria, el cemento, puede ser usado de forma combinada con estabilizantes iónicos (PREI-16) en suelos de alta o media plasticidad y con cemento porland, y así optimizar las dosificaciones, y asimismo, los costos.

Métodos de construcción

El suelo cemento consta, al igual que la mayoría de las técnicas para la estabilización de suelos; de incorporar un producto, en este caso, cal, con el suelo existente, homogenizarlo, adicionar agua para que el suelo llegue a su humedad óptima de compactación, y así poder perfilar el suelo y posteriormente compactarlo. Por último, luego de la compactación, sigue un proceso de curado que consta de humectar la superficie compactada para reducir su velocidad de deshidratación y así evitar la aparición de patologías como el agrietamiento.

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