MANUAL DE CAPAS TRATADAS CON CEMENTO
LISTADO DE PARTICIPANTESDIRECCIÓN TÉCNICA Aurelio Ruiz Rubio (CEDEX) Carlos Jofré Ibañez (IECA) SECRETARÍA Y
COORDINACIÓN TÉCNICA José Miguel Baena Rangel (CEDEX) SUPERVISIÓN TÉCNICA José Miguel Baena Rangel (CEDEX)
Carlos Jofré Ibáñez (IECA)
Carlos Kraemer Heilperno (U.P.V.) COMITÉ DE REDACCIÓN Aurelio Ruiz Rubio (CEDEX)
José Miguel Baena Rangel (CEDEX) Jesús Díaz Minguela (IECA)
Carlos Jofré Ibáñez (IECA) Ricardo López Perona (AFCA) Iñaki Zabala Zuazo (IECA) COMITÉ TÉCNICO Aurelio Ruiz Rubio (CEDEX)
José Miguel Baena Rangel (CEDEX) Jesús Díaz Minguela (IECA)
Carlos Jofré Ibáñez (IECA) Ricardo López Perona (AFCA) Iñaki Zabala Zuazo (IECA)
José Antonio Fernández Cuenca (DRAGADOS) Carlos Kraemer Heilperno (U.P.V.)
Miguel Angel Ortiz de Landaluce (D.F.A) Marco Rodríguez Vidal (BEGAR C. Y C.) Julio José Vaquero García (IECA) COLABORADORES José Calleja Carrete (IECA)
ACRÓNIMOS DE EMPRESAS E INSTITUCIONES
CEDEX Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas IECA Instituto Español del Cemento y su Aplicaciones
U.P.V. Universidad Politécnica de Valencia
AFCA Asociación de Fabricantes de Cemento de Andalucía DRAGADOS DRAGADOS, Obras y Proyectos
D.F.A. Diputación Foral de Álava
LOS MATERIALES TRATADOS CON
CEMENTO EN LOS FIRMES
SEMIRRÍGIDOS
Este capítulo sirve de introducción a los materiales tratados con
cemento como partes integrantes de los firmes denominados
semirrígidos. Se definen sus características, se presentan sus ventajas y
se describe el desarrollo que han tenido en España.
1.1 INTRODUCCIÓN
Se conoce como materiales tratados con cemento a aquellos materiales para firmes que utilizan cemento como conglomerante. Se dosifican de manera que resulte un material de consistencia seca, apto para ser compactado con rodillos, y que cumpla unas determinadas características resistentes a una cierta edad. Los materiales tratados con cemento se utilizan como base o subbase de firmes. A los firmes compuestos por una o dos capas de materiales tratados con cemento sobre las que se disponen capas superiores bituminosas se les denomina firmes semirrígidos.
En los firmes semirrígidos las capas de materiales tratados con cemento son las que esencialmente aportan la resistencia estructural al firme. El pavimento bituminoso, que soporta directamente las solicitaciones de tráfico, proporciona fundamentalmente las características superficiales y la impermeabilidad.
Bajo la acción de las cargas de los vehículos las capas de materiales tratados con cemento trabajan a flexión, como una losa, disminuyendo y uniformizando muy apreciablemente las tensiones y deflexiones que originan dichas cargas. Por lo tanto, los esfuerzos y deformaciones que se producen en la explanada y, en su caso, en las capas inferiores del firme, son también muy reducidos. Como consecuencia, el empleo de capas tratadas con cemento normalmente permite reducir los espesores del firme o aumentar su vida de servicio, lo que les hace muy interesantes desde los puntos de vista técnico y económico.
El objetivo de este Manual es proporcionar unos criterios sencillos y prácticos para poder proyectar y construir adecuadamente los firmes semirrígidos con materiales tratados con cemento.
1.2 TIPOS DE MATERIALES TRATADOS CON CEMENTO
La adición de cemento a un material granular tiene como objetivo principal dotarle de cohesión para mejorar sus propiedades mecánicas y su durabilidad. Incluso con contenidos moderados de cemento, el material granular aumenta de forma notable su rigidez.
La técnica de materiales tratados con cemento comprende una serie de unidades de obra que se diferencian en función de las características del material granular utilizado y de los porcentajes de cemento añadidos a la mezcla.
Dentro de los mismos se pueden encontrar desde sueloscemento, con una resistencia a compresión a largo plazo del orden de 5 MPa y un módulo de elasticidad del orden de 8.000 MPa, hasta hormigones compactados con una resistencia a compresión a largo plazo superior a 35 MPa y un módulo de elasticidad del orden de 33.000 MPa.
Foto 1.1 Testigos extraídos de un firme con base de suelocemento.
En este Manual sólo se van a contemplar los materiales cuya compactación se realiza con rodillo, que son los que habitualmente se utilizan en los firmes
semirrígidos. No son objeto del mismo aquellos otros que se ponen en obra
mediante la técnica de vibrado. Tampoco se consideran las capas de suelos estabilizados para explanadas o los materiales obtenidos mediante el reciclado con cemento de firmes existentes.
Los materiales tratados con cemento se clasifican en función de las características del material granular utilizado y de la resistencia alcanzada por la mezcla a una determinada edad. La resistencia depende, esencialmente, del contenido de cemento, por lo que también se pueden clasificar en función de éste, salvo en el caso del suelocemento, en donde el tipo de suelo tiene también una gran influencia. En la Fig. 1.1 se han representado los intervalos de
resistencia que se pueden considerar típicos para las distintas familias de materiales tratados con cemento en función de su edad.
0 10 20 30 40 1 10 100 1000 EDAD (DÍAS)
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa
) HC HMC GCA GC SC
Figura 1.1 Resistencias de materiales tratados con cemento
1.2.1 Suelocemento
(SC)
Se trata de un material fabricado con suelos granulares o zahorras, cuyo contenido de cemento en masa suele ser del orden del 3 - 7 %. A largo plazo, su resistencia a compresión suele ser superior a 4 MPa (según las especificaciones incluidas en el PG-3∗, a 7 días debe ser mayor de 2,5 MPa), y su módulo de elasticidad presenta valores del orden de 6.000 MPa con suelos granulares y superiores a 10.000 MPa si se emplean zahorras. Se usa normalmente como capa de apoyo (subbase) de otros materiales tratados con cemento, o bien como capa resistente (base inferior) bajo capas bituminosas. También hay ya una amplia experiencia en su utilización como base y subbase de un mismo firme semirrígido, con resultados muy positivos. Se fabrica normalmente en central, aunque se puede ejecutar in situ mediante equipos similares a los empleados en estabilización de explanadas o en el reciclado de firmes con cemento.
1.2.2 Gravacemento
(GC)
Se trata de un material constituido por áridos de machaqueo, sin finos plásticos y con una granulometría ajustada, y contenido de cemento del orden del 3,5 - 5 %, cuya fabricación se realiza en central. A largo plazo, su resistencia a compresión suele ser superior a 8 MPa (según el PG-3, a 7 días debe ser mayor de 4,5 MPa) y su módulo de elasticidad es del orden de 20.000 MPa. Se emplea como capa de base bajo pavimentos bituminosos.
∗
1.2.3 Gravacemento de alta resistencia (GCA)
Este material no figura por el momento en las especificaciones españolas, si bien ha sido incluido en el catálogo francés de firmes publicado en 1998. En la fabricación de este material, que se realiza en central, se emplean áridos con las mismas exigencias que los de la gravacemento, y un contenido de cemento algo más elevado, en el intervalo del 5 al 7%. Ello se traduce en una resistencia a compresión a largo plazo superior a 14 MPa (a 7 días debería presentar valores superiores a 8 MPa) y un módulo de elasticidad del orden de 25.000 MPa. Su empleo como base supone una reducción de espesores con respecto a los necesarios para una gravacemento convencional.
1.2.4 Hormigón magro compactado (HMC)
Este material tampoco está aún recogido en las especificaciones españolas, si bien se ha utilizado en alguna obra importante. Es similar al hormigón magro vibrado, pero con consistencia seca. Se trata de un material, fabricado en central, constituido por áridos similares a los empleados en la gravacemento, y con un contenido de cemento del orden del 5 al 10 %. A largo plazo, la resistencia a compresión suele ser superior a 22 MPa (a 7 días debería presentar valores superiores a 12 MPa) y el módulo de elasticidad es del orden de 30.000 MPa. Se emplea fundamentalmente como capa de base.
1.2.5 Hormigón compactado (HC)
Se trata de un material fabricado en central, constituido por áridos similares a los empleados en la gravacemento y un contenido de cemento del orden del 10 - 14 %. A largo plazo, la resistencia a compresión suele ser superior a 35 MPa (a 7 días debería presentar valores superiores a 18 MPa) y el módulo de elasticidad es del orden de 33.000 MPa. Por sus características mecánicas puede soportar, directamente o con un tratamiento superficial, el paso de vehículos pesados. Sin embargo, para tráficos circulando a velocidad elevada es preciso disponer una capa de rodadura bituminosa para mejorar la regularidad superficial, actuando entonces como capa de base.
1.3 TIPOLOGÍA DE LOS FIRMES SEMIRRÍGIDOS
Los firmes semirrígidos están constituidos por los siguientes materiales:
Mezclas bituminosas en caliente, en una o varias capas. Aportan principalmente las características superficiales, si bien también colaboran en las estructurales.
Materiales tratados con cemento, en capas de base y/o subbase, con las funciones resistentes típicas de estas capas.
Normalmente se han venido utilizando dos tipos de firmes semirrígidos:
En el primero (Fig. 1.2.a), se suele disponer una sola capa de suelocemento. En estos casos la mezcla bituminosa tiene un espesor importante y comparte el papel estructural con las capas tratadas con cemento.
En el segundo tipo (Fig. 1.2.b), los materiales tratados con cemento desarrollan la principal función resistente. Generalmente se disponen dos capas de estos
materiales, aunque con tráficos medios o bajos se puede utilizar una capa única. La inferior suele ser de suelocemento y la superior de gravacemento, hormigón magro u hormigón compactado. El pavimento de mezcla bituminosa suele tener un espesor relativamente pequeño y sus funciones principales son las de dotar al firme de unas características superficiales adecuadas y de la necesaria impermeabilidad.
Otro tipo, del que en España sólo hay aplicaciones experimentales, es el denominado firme inverso (Fig. 1.2.c), en el que se dispone una capa de zahorra de unos 12 cm de espesor entre la mezcla bituminosa y la capa tratada con cemento para prevenir la reflexión de grietas.
MEZCLA BITUMINOSA SUELOCEMENTO 15 CM CIMIENTO 22 CM GRAVACEMENTO 22 CM a) MEZCLA BITUMINOSA SUELOCEMENTO 20 CM CIMIENTO 25 CM b) MEZCLA BITUMINOSA ZAHORRA 18 CM CIMIENTO 12 CM GRAVACEMENTO 22 CM c)
Figura 1.2 Tipos de firmes semirrígidos: a) con base de suelocemento; b) con base de gravacemento; c) inverso
Los espesores de las capas varían en función del tráfico al que vaya a estar sometido el firme, de la explanada sobre la que se disponga y del tipo de firme semirrígido de que se trate. Como intervalos de variación de los mismos se pueden indicar los siguientes:
Mezclas bituminosas en caliente: 5 a 30 cm en una o varias capas. En firmes de baja intensidad de tráfico pueden sustituirse por tratamientos superficiales con gravilla.
Suelocemento: 20 a 35 cm en una sola capa.
Gravacemento, gravacemento de alta resistencia, hormigón magro compactado y hormigón compactado: 20 a 32 cm en una sola capa.
A igualdad de tráfico pesado de proyecto, los mayores espesores de mezclas bituminosas corresponden a aquellos firmes en los que la única capa de material tratado con cemento es una subbase de suelocemento. Sobre bases de gravacemento o de otros materiales de mayor resistencia se disponen espesores de mezcla bituminosa menores que los anteriores, pero en cualquier caso superiores a los estrictamente necesarios desde un punto de vista funcional con el objeto de retrasar en lo posible la reflexión de las fisuras de retracción. Las técnicas de prefisuración en fresco, que se tratan con detalle en este Manual, permiten disminuir estos espesores con respecto a los que han sido habituales en este tipo de firmes.
1.4 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS FIRMES SEMIRRÍGIDOS
Se indican a continuación algunas ventajas y limitaciones de los firmes semirrígidos:1.4.1 Ventajas
técnicas
Entre las ventajas técnicas de este tipo de firmes se pueden mencionar las siguientes:
Excelente capacidad estructural y elevada vida de servicio.
Las capas bituminosas superiores no sufren tracciones que las fatiguen siempre que estén adecuadamente adheridas entre sí y a la capa tratada con cemento.
Las deformaciones de la explanada originadas por las cargas de tráfico son muy reducidas, por lo que no se producen asientos ni descompactaciones en la misma.
1.4.2 Ventajas económicas y ambientales
Entre las ventajas económicas y ambientales de este tipo de firmes pueden mencionarse las siguientes:
Costes de construcción considerablemente inferiores a los de otros tipos de firmes con mezclas bituminosas en caliente, para tráficos pesados y muy pesados (T0, T00).
Excelente relación coste/vida útil.
Posibilidad de utilización de suelos granulares y zahorras locales en las capas de suelocemento.
Reducción importante del volumen de mezclas bituminosas.
Empleo en su construcción de equipos (extendedoras, rodillos, etc.) usuales en otras unidades de obra
1.4.3 Limitaciones
Las limitaciones de este tipo de firmes son las siguientes:
Su comportamiento se puede ver afectado sensiblemente por una fabricación o una puesta en obra incorrecta.
La posibilidad de aparición de fisuras en la superficie del firme, si bien hoy en día se resuelve mediante la prefisuración a distancias cortas de la capa de material tratado con cemento.
Foto 1.2 Firme semirrígido con grietas reflejadas selladas.
1.5 DESARROLLO
HISTÓRICO
1.5.1 Inicio de la técnica
La concepción actual del suelocemento para su uso en carreteras se remonta a principios del siglo XX. Un avance muy importante se dio en Estados Unidos en los años 30 con la construcción de varios tramos de ensayo en Carolina del Sur, lo que permitió profundizar en el conocimiento de estos materiales. A partir de 1936 la técnica se difundió en otros Estados de EE.UU. Algunos años más tarde comenzaron a emplearse en California las denominadas bases tratadas con cemento (cement-treated bases), en las que se utilizaban materiales granulares con una granulometría más o menos continua. Durante la Segunda Guerra Mundial, el Cuerpo de Ingenieros del ejercito norteamericano desarrolló aún más la técnica, que comenzó a ser de aplicación general a partir de entonces. En Europa, a principios de los años 60, se introdujo y generalizó la gravacemento (grave-ciment) con la puesta en marcha por las autoridades francesas del Programa de Autopistas, a fin de obtener un material menos deformable que la zahorra artificial y más resistente que el suelocemento.
El hormigón compactado es bastante anterior al hormigón vibrado. El primer pavimento de hormigón conocido se construyó en Escocia hacia 1865. Se utilizó en varios países hasta los años 30, en los que se empezó a imponer la técnica de la vibración, ya que con ella se lograban pavimentos de mayor calidad. La crisis del petróleo de los años 70 despertó de nuevo el interés por este material.
1.5.2 Desarrollo de la técnica en España
En las Fig. 1.3, 1.4 y 1.5 se ha resumido el empleo de firmes con capas con cemento en la Red de Carreteras del Estado.
Los firmes con base de gravacemento se introdujeron en España para hacer frente al considerable incremento de la intensidad del tráfico pesado que se
primera vez en 1963 en el tramo Las Rozas-Villalba de la carretera N-VI, en la provincia de Madrid. A raíz del éxito de esta obra, la técnica se popularizó y se construyeron con ella diversas carreteras del Plan de Accesos a Madrid, del Plan REDIA y de los accesos a Galicia, la Meseta y Málaga. Además, se introdujeron de forma generalizada en las obras que comenzaron a construirse dentro del Plan Nacional de Autopistas de 1967.
Rígidos 4% Flexibles (MB < 15 cm) 19% Semirrígidos 25% Flexibles (MB > 15 cm) 52%
Figura 1.3 Distribución de firmes por tipos en la Red de Carreteras del Estado (datos hasta el año 1998).
En la Instrucción de Carreteras 6.1-IC de 1963 no figuraba todavía la gravacemento, pero en el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas de 1965 apareció por primera vez un artículo sobre este material. En 1975 se publicó la Norma 6.1-IC de firmes flexibles, que ya incluía en su catálogo secciones tipo con bases de gravacemento y subbases de suelocemento o granulares. La crisis del petróleo del año 1973 llevó al abandono de las bases bituminosas en los firmes para tráficos pesados, las cuales fueron sustituidas de forma generalizada por bases de gravacemento. Sin embargo, algunos fallos que se produjeron a finales de los años 70, debidos principalmente a la fatiga de la gravacemento apoyada sobre subbases granulares, frenaron su desarrollo. Por ello, la Dirección General de Carreteras mediante la Orden Circular 287/84 P.I. de 12 de noviembre de 1984 proscribió las secciones del catálogo de la Norma 6.1 I.C. con bases de gravacemento sobre subbases de materiales granulares.
MB/SC 37% MB/GC 16% MB/GC/SC 41% MB/GE 5% MB/HC 1%
Figura 1.4 Distribución por tipos de los firmes semirrígidos con base tratada con cemento en la Red de Carreteras del Estado (datos hasta el año 1998). Dos años más tarde, y ante la inminente puesta en marcha del Programa de Autovías dentro del Plan Nacional de Carreteras 1984 - 1991, se acometió la revisión de la Instrucción sobre Secciones de Firmes. Ello se tradujo, en primer lugar, en la Instrucción sobre Secciones de Firme en Autovías, y finalmente en la Instrucción 6.1 y 2 –IC de 1989. En ambas se introdujeron nuevas prescripciones para la gravacemento. Durante el período comprendido entre 1986 y 1993, dentro del Plan General de Carreteras, se emplearon profusamente en autovías las secciones con base de gravacemento.
A lo largo de todo este tiempo se han construido miles de kilómetros de firmes con bases tratadas con cemento. Por ejemplo, en la Red de Carreteras del Estado se han construido unos 2.500 km en autopistas de peaje, y más de 2.500 km de calzada y unos 1.000 km en ensanches en la red estatal. A pesar de la dilatada experiencia y de los últimos avances técnicos, el problema de la reflexión de fisuras ha provocado que este material haya sido poco utilizado en los últimos años, con algunas excepciones, como los 50 km de la N-I construidos en la provincia de Álava, cuyo comportamiento ha sido muy satisfactorio. Uno de sus tramos, la Circunvalación de Vitoria, puesta en servicio en 1989, había soportado hasta finales de 2002 más de 22 millones de camiones por sentido, sin haber sido preciso realizar ningún tipo de refuerzo.
Foto 1.3 Circunvalación de Vitoria (N-I).
Los firmes con subbase de suelocemento se empezaron a desarrollar en España en la misma época que los de gravacemento, si bien antes de 1964 había ya alguna experiencia en la utilización de este material en caminos rurales, casi siempre mediante mezcla in situ, por parte del entonces Instituto Nacional de Colonización. La realización más importante fue la ya citada del tramo Las Rozas-Villalba de la N-VI (20 km), donde en una de las dos calzadas se construyeron 4 km con suelocemento y mezclas bituminosas. En 1968 se construyó el tramo Alcobendas-San Agustín de Guadalix de la N-II, también en la provincia de Madrid, con un comportamiento magnífico durante más de 20 años. A pesar de ello su desarrollo no tuvo continuidad. En carreteras con tráficos elevados se prefirieron los firmes con gravacemento, ya que se consideraban más duraderos, y para otros tráficos, los firmes con base granular ya que resultaban más económicos.
La normativa sobre suelocemento evolucionó en paralelo a la de la gravacemento, de manera que ambas unidades de obra fueron incluidas por primera vez en la Norma 6.1 – IC del año 1975. La construcción de firmes con suelocemento, muy esporádica en los años 70 y 80, se aceleró a partir de 1990 por el buen comportamiento de los tramos construidos, y porque las secciones estructurales con subbase de suelocemento resultaban más económicas que otras para tráficos elevados. En numerosos tramos de autovías y de autopistas de peaje construidos en los últimos años se han utilizado firmes con suelocemento y mezclas bituminosas.
Por otro lado, la Junta de Castilla y León, basándose en sus experiencias, inició a finales de 1980 el uso generalizado de la técnica del suelocemento para aprovechar en lo posible los suelos de la traza en la construcción de ensanches o nuevos tramos y solucionar la carencia de zahorras de calidad en muchas zonas de la Comunidad.
Actualmente existen unos 2.200 km de calzada con subbase de suelocemento en la Red de Carreteras del Estado (1.000 km de calzada de autovía), de los que solamente unos 700 km son anteriores a 1987. Además, en la Red Autonómica
de Carreteras de Castilla y León se han construido unos 1.500 km de calzada con base y/o subbase de suelocemento.
Distribución de la edad de los firmes semirrígidos
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 >1970 70-74 75-79 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 kms MB/SC MB/GC/SC MB/GC MB/HC
Figura 1.5 Distribución de las fechas de ejecución de los firmes semirrígidos con bases tratadas con cemento en la Red de Carreteras del Estado (datos hasta el año 1998).
Los firmes con hormigón compactado se comenzaron a utilizar en España en 1984 en carreteras importantes, aunque había experiencias desde los años 70 en vías de baja intensidad de tráfico, y se incluyeron en la Instrucción sobre Secciones de Firme en Autovías publicada en 1986. Rápidamente se pudo comprobar que era necesaria la realización de juntas transversales de contracción para evitar la reflexión de fisuras en superficie, y en la Instrucción 6.1 y 2 –IC de 1989 se hicieron obligatorias (espaciadas entre sí no más de 7 m y con un esviaje 1:6 con respecto al eje longitudinal de la calzada).
Con estas nuevas directrices se acometieron, entre 1988 y 1992, la ejecución de 121 km de calzada de la autovía A-92 Sevilla-Granada. Durante este periodo se realizó otra importante obra: el refuerzo de la CL-803, en el tramo Sanchidrián-San Pedro del Arroyo, en la provincia de Ávila, pero ninguno de los primeros sistemas empleados se mostró eficaz para evitar la reflexión de fisuras, al haberse dispuesto las juntas, que se ejecutaron por serrado, con una separación excesiva (6 – 7 m).
En 1990, se construyó un tramo de ensayo de 4,5 km de longitud en la Autovía Madrid-Zaragoza, entre Alcalá de Henares y Meco, sometido a un tráfico de más de 3.000 camiones diarios por sentido. En este tramo se probaron varios procedimientos para evitar la reflexión de fisuras con distintas distancias entre juntas ejecutadas en fresco. Ese mismo año se ejecutó un tramo en la Variante de Archidona prefisurado en fresco a distancias de 5 m. Posteriormente, y aplicando la técnica de juntas en fresco con separaciones cortas, se han construido otras obras: la variante de Irurzun y el tramo Huarte Arakil-Lacunza de la autovía Pamplona-Vitoria, y la autovía Jaén-Torredonjimeno, todos ellos con un buen comportamiento.
Campanas y ramales en la variante de Zeanuri y en el enlace de Apario. Lógicamente, el muy escaso tiempo transcurrido desde su puesta en servicio no permite extraer todavía conclusiones sobre los mismos. No obstante, los datos disponibles en el momento de la elaboración de este manual son muy alentadores.
Finalmente, en el año 2002 se ha revisado la normativa sobre secciones de firme con la publicación de la Norma 6.1 – IC y del Artículo 513, materiales tratados con cemento, del PG-3. En estos documentos se recoge ya la necesidad de prefisurar las capas tratadas con cemento de firmes con tráficos T2 o superior y con espesores de mezcla bituminosa iguales o inferiores a 20 cm.
PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS
TRATADAS CON CEMENTO
En este capítulo se describen las propiedades fundamentales de las
mezclas tratadas con cemento: los efectos de la incorporación del
cemento, las propiedades en estado fresco, las propiedades físicas y
mecánicas después del endurecimiento y, finalmente, aquellas
relacionadas con los cambios dimensionales y la durabilidad del
material.
2.1 INTRODUCCIÓN
Los materiales tratados con cemento presentan ciertas características que los diferencian de las mezclas con otros tipos de ligantes o conglomerantes. Entre otras se pueden citar las siguientes:
Elevados módulos de elasticidad: éstos son muy superiores a los de los materiales de partida, bien sean áridos o suelos, así como a los de las mezclas de éstos con ligantes bituminosos (Fig. 2.1). Ello se traduce en una gran capacidad de reparto de cargas, de forma que las tensiones que llegan a las capas inferiores y al cimiento son muy reducidas.
0 10000 20000 30000 40000 50000 SUELOS MAT. GRANULARES M. BITUMINOSAS CONVENCIONALES SUELOSCEMENTO GRAVASCEMENTO HORMIGONES COMPACTADOS Módulos a 25ºC (MPa)
Figura 2.1 Rangos de módulos de elasticidad de materiales utilizados en capas de firmes .
Comportamiento a edades tempranas: el proceso de puesta en obra (desde la fabricación hasta el final de la compactación) se debe realizar dentro del llamado plazo de trabajabilidad, que normalmente se encuentra entre 2 y 3 horas salvo que se empleen retardadores de fraguado.
Estabilidad inmediata: si es necesario, los materiales tratados con cemento (salvo algunos sueloscemento sin gruesos) se pueden abrir inmediatamente a la circulación una vez compactadas, lo que las hace muy interesantes para su utilización en refuerzos bajo tráfico.
Evolución rápida de resistencias: estas mezclas tienen un desarrollo rápido de resistencias, alcanzando valores apreciables a edades tempranas.
Importancia del grado de compactación: como en la mayoría de las unidades de obra, la densidad alcanzada tras la compactación es un factor decisivo ya que de ella depende la resistencia mecánica final de la mezcla. Un ligero descenso en la densidad obtenida implica una importante disminución de la resistencia y viceversa (Fig. 2.2).
0 2 4 6 8 10 12 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 Densidad (g/cm3) Re sist e nc ia a c o m p re sió n a 7 dí as ( M Pa ) 5 % 50 %
Figura 2.2 Ejemplo de relación entre la resistencia y la densidad de una gravacemento Comportamiento a fatiga: la curva de fatiga de los materiales tratados con cemento es una recta muy tendida. Por consiguiente, una pequeña
disminución de las tensiones generadas en el fondo de capa, como consecuencia por ejemplo de un ligero incremento del espesor de la capa, aumenta mucho la durabilidad del firme y viceversa.
Fisuración por retracción térmica: la fisuración de los materiales tratados con cemento es un hecho inherente a su naturaleza, y no debe ser atribuida en general a fallos de ejecución. Debido a su elevado módulo de elasticidad y a su coeficiente de dilatación térmica, las tensiones debidas a las variaciones de temperatura diarias y estacionales pueden llegar a rebasar la de rotura del material, incluso a pesar del efecto protector de la capa o capas superiores. Resistencia a la abrasión: los sueloscemento, las gravascemento y, en menor medida, los hormigones magros compactados, son materiales que directamente no pueden soportar el paso de un gran número de vehículos pesados sin que se produzcan importantes desgastes. Ello obliga a disponer sobre ellos una capa de rodadura de mezcla bituminosa. Por el contrario, los hormigones compactados, con mayores resistencias mecánicas, presentan una notable resistencia a la abrasión y por tanto únicamente precisan una capa de rodadura para mejorar su regularidad superficial en el caso de que vaya a circular tráfico a elevada velocidad.
2.1 EFECTOS DE LA INCORPORACIÓN DEL CEMENTO
La adición de cemento a un material granular modifica prácticamente todas sus características, mejorándolas, como se verá a lo largo de este capítulo. No obstante, hay que destacar dos de ellas en las que se basa fundamentalmente su aplicación en firmes:
la reducción de la sensibilidad al agua y el endurecimiento de la mezcla
El desprendimiento de CaOH que tiene lugar durante la hidratación del cemento produce la floculación y estabilización de las partículas arcillosas presentes en los suelos y materiales granulares empleados en explanadas y capas de firme, impidiendo de forma definitiva que vuelvan a experimentar cambios de volumen y de capacidad de soporte. La reducción de la sensibilidad al agua puede tener una importancia considerable en la fabricación de materiales para la explanada donde se pueden utilizar suelos con una cierta plasticidad.
Pero el efecto más importante es el fraguado, que consiste en la formación, en presencia de agua, de silicatos y aluminatos de calcio, que dotan al conjunto de una gran cohesión y estabilidad, además de una apreciable resistencia mecánica. Los silicatos son estables y poco solubles en agua, y la reacción es progresiva e irreversible. El resultado es un material capaz de resistir los esfuerzos de flexión generados por la acción de las cargas del tráfico y muy adecuado para capas de firme.
El comienzo del fraguado y la velocidad con que se desarrolla dependen de la naturaleza de los constituyentes (cemento y áridos o suelos) y de la temperatura a la que se produzca el proceso, pero en cualquier caso se empieza a producir a las pocas horas del mezclado y se extiende durante un periodo de tiempo que puede durar varios meses. Las características mecánicas del material endurecido
factores relacionados con los componentes, de manera que para una obra determinada se obtengan las resistencias deseadas, dentro de un tiempo también prefijado.
Se obtiene el máximo partido del fraguado y endurecimiento cuando la mezcla se compacta adecuadamente y con un contenido de humedad que facilite la densificación del material.
Entre las ventajas obtenidas tras este proceso de endurecimiento del material se pueden citar las siguientes:
Un contenido moderado de cemento es suficiente para obtener materiales con una resistencia y módulo de elasticidad elevados, lo que se traduce en una gran capacidad de reparto de cargas.
La capacidad de soporte alcanzada supera considerablemente la que se puede conseguir con otros materiales para firmes (materiales granulares o mezclas bituminosas).
Disminuyen las tensiones que llegan a la explanada (Fig. 2.3) y las que se producen en las capas superiores, con lo que se disminuye el espesor total de la sección estructural y se proporciona al tráfico de obra una plataforma de trabajo estable y resistente.
Se reducen los efectos negativos que sobre el firme tienen los cambios de humedad del soporte.
DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES A LA EXPLANADA
-0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00
Distancia al centro de la carga (m)
Te nsi ón ver tic al (MPa ) ZAHORRA NATURAL GRAVACEMENTO 0,80 MPa
CAPA DE BASE: ZAHORRA NATURAL O GRAVACEMENTO 25 cm
Figura 2.3 Diferencia entre las tensiones distribuidas a la explanada por capas granulares y tratadas con cemento.
2.2 PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO
Una vez realizada la mezcla del material granular con el cemento y el agua, el producto debe presentar unas determinadas propiedades en estado fresco. Por un lado, ha de permanecer trabajable durante cierto tiempo para permitir su
puesta en obra y su compactación sin que el endurecimiento del mismo las dificulte o impida. Por otro lado, a veces se hace necesario que, tras ser compactado, el material posea una estabilidad suficiente para permitir la apertura al tráfico sin que las deformaciones producidas por las cargas de los vehículos rompan los enlaces creados entre las partículas de material granular.
2.2.1 Trabajabilidad
A medida que se va desarrollando el proceso de hidratación del conglomerante, empiezan a formarse enlaces entre los áridos o las partículas del suelo. Si se efectúa la compactación tras haberse creado un número importante de los mismos, éstos podrían ser destruidos sin posibilidad de que se regeneren y su rotura perjudicaría de forma apreciable el comportamiento posterior del material. Se define como plazo de trabajabilidad el tiempo transcurrido a partir de la finalización del proceso de mezclado del material, y durante el cual es posible efectuar la compactación del mismo sin merma apreciable de sus propiedades mecánicas finales.
La compactación de la mezcla debe finalizar antes de que transcurra el plazo de trabajabilidad ya que después resulta muy difícil y además se puede dañar, de forma irreversible, la capa de material tratado con cemento.
Generalmente, los áridos muy absorbentes y los bajos contenidos de agua reducen el plazo de trabajabilidad, mientras que los cementos con elevados contenidos de adiciones lo aumentan. El plazo de trabajabilidad es muy sensible a los aumentos de temperatura, por lo que su determinación debe realizarse en unas condiciones lo más parecidas a las que vayan a darse durante la puesta en obra. Como regla general, en épocas estivales las temperaturas más elevadas suelen producirse entre las 12 y las 15 horas.
En condiciones normales el plazo de trabajabilidad se encuentra entre 2 y 3 h, y para su determinación se puede efectuar alguno de los ensayos que se citan en el Capítulo 4.
En general, es recomendable el empleo de retardadores de fraguado en cualquier circunstancia. Debido a que la temperatura es uno de los factores que más influyen en el plazo de trabajabilidad (Fig. 2.4), se hacen imprescindibles con temperaturas ambiente por encima de los 30 ºC, o cuando sea conveniente aumentar el mismo, por ser largo el tiempo de transporte entre la planta y el punto de puesta en obra.
15 20 25 30 35 40 45 0 60 120 180 240 300 Tiempo de trabajabilidad (min)
Te m p e ra tu ra ( ºC ) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 60 120 180 240 300 360 Tiempo de trabajabilidad (min)
Ret a rd a d or ( % s /ce m )
Figura 2.4 Efecto de la temperatura (izquierda) y la incorporación de retardadores (derecha, a 40 ºC) sobre el plazo de trabajabilidad
2.2.2 ESTABILIDAD
INMEDIATA
La estabilidad inmediata es aquella característica del material por la cual, tras la compactación, es capaz de soportar los esfuerzos del tráfico sin experimentar deformaciones que perjudiquen su posterior comportamiento. Esta propiedad del material en fresco depende básicamente del rozamiento interno de los áridos, y se consigue dotando al material de un esqueleto mineral suficiente y compactándolo adecuadamente, de manera que las deformaciones originadas por los vehículos sean mínimas.
La posibilidad de conseguir una estabilidad inmediata elevada facilita las obras de refuerzo, en las que es fundamental permitir el paso inmediato del tráfico. Si se trata de una obra en la que ello no resulta imprescindible es preferible esperar al endurecimiento del material.
Suele ser fácil alcanzar una estabilidad inmediata adecuada cuando la mezcla contiene un porcentaje importante de áridos de machaqueo.
La gravacemento, el hormigón magro compactado y el hormigón compactado suelen tener una estabilidad adecuada para el paso inmediato del tráfico. En el caso del suelocemento, dependerá del tipo de suelo utilizado, aumentando al crecer el porcentaje de elementos gruesos del mismo. Si el suelocemento se realiza con zahorras o bien con arenas con una granulometría adecuada, también suele presentar una estabilidad inmediata suficiente.
Para la estimación de la estabilidad inicial se utiliza el denominado índice de capacidad de soporte inmediata (IPI), que se describe en el Capítulo 4. El IPI es también un indicador de la posibilidad de circulación de los equipos de obra sobre el material.
2.3 PROPIEDADES
FÍSICAS
2.3.1 Densidad y humedad
En general, los valores de la densidad máxima y la humedad óptima de un material tratado con cemento no presentan grandes diferencias con respecto a
los que se obtienen sin añadirle el cemento. En la Tabla 2.1 se indican los rangos habituales de estos parámetros.
El elevado contenido de finos que habitualmente presentan las arenas o suelos tratados con cemento, da lugar a mezclas de densidades relativamente bajas y mayores contenidos de humedad de compactación en comparación con los valores obtenidos al utilizar otros materiales granulares.
Tabla 2.1 Rangos de densidades máximas y humedades óptimas Proctor Modificado de materiales tratados con cemento.
MATERIAL DENSIDAD MÁXIMA (g/cm3) HUMEDAD ÓPTIMA (%)
Zahorras con cemento 2,15 – 2,35 5 – 7
Arenas con cemento 1,8 – 2 5 – 10
2.3.2 Permeabilidad
La permeabilidad de un material viene definida por su coeficiente de permeabilidad, que expresa la velocidad de paso de un líquido a través de un medio poroso. En general, la permeabilidad de los materiales tratados con cemento es muy baja, por la falta de huecos de la pasta endurecida que rellena los huecos entre los áridos. Sin embargo, el agua puede penetrar por succión un cierto espesor, directamente proporcional al coeficiente de permeabilidad, lo que podría afectar a la durabilidad del material en zonas sometidas a fuertes heladas. En la Tabla 2.2 se muestran rangos habituales del coeficiente de permeabilidad de las mezclas compactadas.
Tabla 2.2 Rangos aproximados del coeficiente de permeabilidad para materiales tratados con cemento.
MATERIAL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD (m/s)
Zahorras con cemento 10-10 – 10-12
Arenas con cemento 10-5 – 10-10
2.4 PROPIEDADES
MECÁNICAS
Para poder dimensionar los firmes semirrígidos es necesario evaluar el comportamiento mecánico de los materiales tratados con cemento que integran su estructura, y para ello se requiere el conocimiento de cuatro parámetros fundamentales:
La resistencia a la rotura, que indica la máxima tensión que puede soportar el material sometido a una carga estática.
El módulo de elasticidad, que representa la relación entre la tensión aplicada y la correspondiente deformación unitaria, y es indicativo de la deformabilidad del material.
El coeficiente de Poisson , que representa la relación entre la deformación transversal y la deformación axial del material, al aplicarle una carga también axial. Influye en la distribución de tensiones en el seno del material, aunque en pequeña medida para los valores usuales de este parámetro.
La resistencia a fatiga, que representa la capacidad del material para soportar la aplicación repetida de cargas inferiores a la de rotura sin que se agriete. Esta característica se suele definir mediante leyes que relacionan las tensiones que se producen en el material por una determinada carga con el número de repeticiones de la misma que admite el material hasta su rotura. A partir de los tres primeros parámetros se puede estimar la respuesta del material, en tensiones y deformaciones, ante una determinada solicitación. Con el cuarto parámetro se estima el número de aplicaciones de carga necesario para que se agriete.
Las propiedades mecánicas de los materiales tratados con cemento dependen, no sólo de las características y proporciones de los materiales constituyentes, sino también de su edad y de las condiciones de humedad y temperatura a las que hayan estado sometidos durante su fraguado y endurecimiento. Sin embargo, a diferencia de los materiales bituminosos, no se ven prácticamente influidas ni por la temperatura a la que se encuentra el material, ni por la velocidad de aplicación de la carga.
2.4.1 Resistencia a la rotura
Los ensayos más usuales para determinar la resistencia a la rotura son los de compresión, tracción indirecta, tracción directa y flexotracción (Fig. 2.5).
FLEXOTRACCIÓN COMPRESIÓN TRACCIÓN INDIRECTA TRACCIÓN
Figura 2.5 Esquema de diferentes ensayos para caracterizar la resistencia a rotura. El ensayo de flexotracción es el que mejor reproduce la forma de trabajo del material en los firmes al paso de las cargas de tráfico. Sin embargo, la dificultad de confeccionar probetas prismáticas para ser ensayadas a flexotracción lleva en general a estimar dicha resistencia a partir de resultados de otros tipos de ensayos, y a reservar los de flexotracción, en su caso, para estudios especiales. El ensayo de rotura a compresión simple es el más utilizado para clasificar los distintos materiales. En la Tabla 2.3 se indican los rangos habituales de resistencias a compresión a largo plazo de los materiales tratados con cemento incluidos en este Manual.
Tabla 2.3 Resistencias a largo plazo de materiales tratados con cemento.
MATERIAL RESISTENCIA COMPRESIÓN (MPa)
Suelocemento 4 – 8
Gravacemento 8 –14
Gravacemento de alta resistencia 14 – 22
Hormigón magro compactado 22 – 35
Las características mecánicas de estos materiales, y por tanto sus resistencias, están influidas por varios factores, y en particular por:
El contenido de cemento. La humedad de la mezcla.
La densidad alcanzada en la compactación.
La naturaleza y granulometría de los áridos o del suelo. La edad del material.
Las temperaturas a las que se ha visto sometido durante el fraguado.
En los siguientes apartados se analiza la influencia que cada uno de ellos tiene en las características resistentes del material.
2.4.1.1 Influencia del contenido de cemento
El contenido de cemento tiene una gran importancia en la resistencia alcanzada por el material tratado, ya que al aumentar éste se crea un mayor número de enlaces entre partículas. En los materiales tratados con cemento, en las que el tipo de árido a utilizar se encuentra muy tipificado, el contenido de cemento tiene una influencia determinante en las resistencias alcanzadas, sirviendo incluso para clasificar los distintos materiales. Sin embargo, en el suelocemento las resistencias alcanzadas se ven también muy influidas por la calidad del suelo utilizado. Esto se aprecia claramente en el ejemplo de la Fig. 2.6, donde, para un mismo contenido de cemento, la resistencia alcanzada es muy superior utilizando una zahorra en lugar de un suelo seleccionado.
0 1 2 3 4 5 0 2 4 6 8 Cemento (%) Resistencia a compresión a 7 días (MPa) SUELO SELECCIONADO ARENA GRUESA NP ZAHORRA NP
Figura 2.6 Relación entre la resistencia y contenido de cemento para varios tipos de sueloscemento.
2.4.1.2 Influencia del contenido de agua
Al ir aumentando el contenido de agua de una mezcla con cemento entran en juego dos factores contrapuestos: por una parte, se aumenta la relación
se aumenta la densidad, hasta alcanzar la humedad óptima, y con ello la resistencia. Normalmente, la resistencia máxima de un material tratado con cemento no se obtiene con su humedad óptima de compactación (Fig. 2.7), sino con un valor algo más reducido.
2,13 2,18 2,23 2,28 2,33 3 4 5 6 7 Humedad (%) De ns id a d ( kg /c m 3 ) 0 1 2 3 4 5 6 7 Re sist e nc ia a c o mp re sió n a 7 d ías ( M Pa ) RC a 7d Densidad
Figura 2.7 Influencia del contenido de humedad en la densidad y resistencia alcanzadas por una gravacemento.
2.4.1.3 Influencia de la densidad
Existe una gran relación entre la densidad de compactación y la resistencia alcanzada (Fig. 2.2) ya que los huecos existentes en los materiales mal compactados constituyen puntos débiles por donde se puede iniciar la rotura del material. Un descenso del 100 al 95% en la densidad de compactación se puede traducir en una disminución de la resistencia de hasta un 50%.
Los ensayos para la determinación del contenido de cemento se deben realizar sobre probetas fabricadas con la densidad exigida en obra.
2.4.1.4 Influencia del material
En este punto hay que distinguir en primer lugar entre tipos de materiales de partida. En general, a igualdad de contenido de conglomerante, la resistencia de las zahorras con cemento es muy superior a la de los suelos con cemento, porque en las primeras, el esqueleto mineral formado por los áridos tiene una contribución muy importante en la resistencia mecánica. Este hecho se aprecia con claridad en el ejemplo de la Fig. 2.6.
Las zahorras y suelos bien graduados y con finos no plásticos requieren, para alcanzar una cierta resistencia, un contenido de cemento sensiblemente menor que los suelos limosos o arcillosos.
Por otra parte, se puede afirmar que:
Con zahorras se obtienen resistencias más altas si se emplean áridos calizos de machaqueo en lugar de áridos silíceos rodados, ya que en comparación
presentan mejor adherencia con la pasta de cemento por su forma angulosa, su superficie más rugosa, y su mayor afinidad química.
Con suelos se obtienen mayores resistencias cuanto menor sea su porcentaje de finos (hasta un cierto límite en el entorno del 5 %). Por otra parte, cuanto menos plástico es un suelo, menos cemento hace falta para conseguir una determinada resistencia.
Otro factor que influye de forma importante en la resistencia del material tratado es su granulometría porque condiciona la densidad alcanzada. Cuanto mayor sea la compacidad del material, es decir la relación entre su volumen real y su volumen aparente, menor será el volumen de huecos a rellenar con la pasta de cemento y mayor su resistencia.
2.4.1.5 Evolución de las resistencias con el tiempo
La variación de la resistencia con la edad guarda una relación lineal con el logaritmo de esta última. Además, la pendiente de la curva aumenta al crecer el contenido de cemento (Fig. 2.8).
0 10 20 30 40 50 60 1 10 100 1000 Edad en días
Resistencia a compresión (MPa)
80 kg/m^3 160 kg/m^3 240 kg/m^3
Figura 2.8 Evolución de la resistencia a compresión con el tiempo de un mismo material tratado con diferentes contenidos de cemento.
La curva de evolución de la resistencia con el tiempo depende a su vez de dos factores:
El contenido de adiciones activas del cemento utilizado: cuanto mayor es el mismo, mayor es la relación entre las resistencias a corto y a largo plazo (Fig. 2.9). Si se emplean cementos para usos especiales (ESP), con un elevado contenido de adiciones activas, las especificaciones de resistencia se deben fijar a 90 días de edad, o bien reducir en un 15-20 % las establecidas a 7 días, con el fin de evitar contenidos exagerados de conglomerante que puedan intensificar los fenómenos de reflexión de fisuras en el caso de no prefisurar la capa de material tratado con cemento.
En el control de obra de los materiales tratados que incorporen cementos con elevado contenido de adiciones es conveniente establecer correlaciones entre los ensayos de resistencia a 7 y a 90 días, o bien reducir entre un 15 y un 20 % las exigencias normales de resistencia a 7 días.
1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 20 30 40 50 60 70 80 Cenizas volantes (%) Rela
ción entre resistencia
s a
compresión
R28/R7 R90/R7
Figura 2.9 Ganancia de resistencias de un hormigón compactado (300 kg/m3 de
cemento) en relación a las alcanzadas a 7 días, para distintos contenidos de adiciones activas en el cemento.
La resistencia del material a edades tempranas, pues cuanto mayor es el desarrollo de éstas tanto más disminuye la relación entre la resistencia a largo y corto plazo (Fig. 2.10).
2 2,5 3 3,5 4 0 5 10 15 20 25 30
Resistencia a compresión a 7 días (MPa)
Rela
ción entre resistencia
s a
compresión a 365 y a 7 días
Figura 2.10 Relación entre la resistencia a compresión a 365 y a 7 días para materiales granulares mezclados con distintos contenidos de cemento con
2.4.1.6 Influencia de la temperatura
La resistencia de un material tratado con cemento aumenta al ir progresando las reacciones de hidratación del conglomerante. A su vez, el ritmo de desarrollo de estas últimas en la etapa inicial se incrementa con la temperatura.
2.4.2 Módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad de una capa de firme es indicativo de su capacidad de reparto de tensiones, tanto hacia las capas inferiores, en caso de existir, como a la explanada. A igualdad de espesor, cuanto mayor es dicho módulo, las deflexiones que se originan son más reducidas y uniformes, sin valores máximos acusados bajo los puntos de aplicación de las cargas (Fig. 2.3).
En general, los materiales tratados con cemento presentan un comportamiento elástico marcadamente lineal al menos hasta alcanzar un porcentaje importante de su tensión de rotura, y su módulo de elasticidad puede considerarse prácticamente constante en el rango de tensiones dentro del cual suelen trabajar. En la Tabla 2.4 se indican valores habituales del módulo de elasticidad a largo plazo de materiales tratados con cemento.
Tabla 2.4 Valores habituales del módulo de elasticidad (dinámico) a largo plazo de materiales tratados con cemento.
MATERIAL MÓDULO (MPa)
Suelocemento con suelos granulares 5.000 – 8.000
Suelocemento con zahorras 8.000 – 18.000
Gravacemento 18.000 – 22.000
Gravacemento de alta resistencia 22.000 – 28.000
Hormigón magro compactado 28.000 – 32.000
Hormigón compactado 32.000 – 35.000
Por otra parte, se debe tener en cuenta que puede haber diferencias entre los módulos de elasticidad obtenidos a partir de ensayos de compresión y de tracción directa (Fig. 2.11), o entre los hallados a partir de ensayos estáticos y dinámicos (estos últimos suelen dar valores más altos, entre un 10 y un 15%).
0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 0 20 40 60
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)
RE LACIÓN M Ó D U LO A COM PR ESIÓN / M Ó D U LO A TRACCIÓN
Figura 2.11 Relación entre los módulos a compresión y a tracción para materiales tratados con cemento.
2.4.3 Coeficiente de Poisson
Normalmente, se suele adoptar en los cálculos analíticos un coeficiente de Poisson de 0,25 para mezclas con cemento de materiales granulares, o de suelos con porcentajes apreciables de grava, si bien pueden presentar valores inferiores, de 0,20 ó incluso menores. En el caso de utilizar suelos más finos, el valor del coeficiente aumenta hasta 0,25-0,30 para suelos limosos ó 0,30-0,35 para suelos arcillosos. No obstante, el valor adoptado tiene poca influencia en la estimación de las tensiones provocadas por las cargas.
2.4.4 Comportamiento a fatiga
Los materiales tratados con cemento están sujetos a fenómenos de fatiga, es decir, que, para solicitaciones repetidas, la rotura se produce para una tensión inferior a la que produce la rotura bajo carga estática. Dado que el tráfico actúa por repetición de cargas, resulta fundamental conocer la relación entre las tensiones soportadas y el número de repeticiones de estas solicitaciones que producen el agrietamiento del material (ley de fatiga).
El comportamiento real del material indica la existencia de un límite de fatiga, es decir, que por debajo de un determinado valor de la tensión repetida que soporta el material (normalmente en torno al 40 - 50% de su resistencia a flexotracción), el material podría soportar teóricamente un número infinito de aplicaciones de la carga que la provoca (Fig. 2.12).
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08
Número de aplicaciones de carga
C o c ie nte te ns io na l (σ /R
F) RANGO EN QUE LA LEY DE FATIGA PUEDE CONSIDERARSE LINEAL
ASÍNTOTA
Figura 2.12 Ejemplo de ley de fatiga.
Aunque la función f que relaciona log N con el cociente tensional σ/RF no es
como leyes de fatiga de las mezclas con cemento relaciones lineales∗ como la siguiente: N a RF ·log 1 1 − = σ en donde:
σ: tensión de flexotracción provocada por una determinada carga; RF : resistencia a flexotracción del material;
N: número de aplicaciones de la carga provocando la tensión σ que puede soportar el material hasta rotura.
a: coeficiente cuyo valor está comprendido entre 12 y 15. La tensión máxima que puede soportar el material durante un millón de ciclos varía entre el 40 y el 50% de la tensión de rotura.
Las leyes teóricas de fatiga utilizadas habitualmente para materiales tratados con cemento presentan pendientes muy reducidas, por lo que ligeros
aumentos del espesor de las capas, al reducir el valor de la relación σ/RF,
aumentan notablemente la vida de servicio del firme y viceversa (Fig. 2.13).
0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 5% 10% 15% 20%
VARIACIÓN SOBRE EL ESPESOR ORIGINAL
R EDUCCI Ó N DE L A V ID A TE Ó R IC A D E S ERV IC IO
Figura 2.13 Reducción del número teórico de aplicaciones de carga que puede soportar un firme semirrígido (18cm MB+20cm SC sobre explanada E3) al disminuir el espesor teórico de la capa de material tratado con cemento.
En España se suele utilizar para gravascemento la ley de fatiga del Instituto Eduardo Torroja (1979):
N RF =1−0,065·log
σ
que corresponde a un valor de “a” muy próximo a 15.
Esta misma ley se considera válida para todos los materiales tratados con cemento, introduciendo el valor de RF que corresponda al material que se
considere. Sin embargo, en el caso de sueloscemento algunos organismos (IECA, Ministerio de Fomento) aplican los criterios franceses y adoptan para “a” un valor igual a 12, con lo que la ley de fatiga puede escribirse entonces en la forma:
N RF =1−0,0833·log
σ
Otro aspecto a destacar es que al tratarse de materiales frágiles sólo admiten pequeñas deformaciones a tracción antes de su rotura, del orden de 20 a 40 microdeformaciones.
2.4.5 Correlaciones entre características mecánicas
En muchas ocasiones es útil disponer de correlaciones entre los resultados de diferentes ensayos, de manera que se pueda estimar razonablemente una determinada característica mecánica del material aunque no se disponga de datos directos. Las correlaciones más utilizadas son las existentes entre las características que se miden habitualmente, resistencia a compresión y a tracción indirecta, y otras más difíciles de evaluar mediante ensayos, como la resistencia a flexotracción del material (que es la que mejor reproduce su forma de trabajo) o su módulo de elasticidad (parámetro fundamental para evaluar su respuesta estructural).
Las correlaciones entre las propiedades mecánicas difieren según el tipo de material tratado con cemento, y en cualquier caso, se deben utilizar únicamente para estimar órdenes de magnitud.
2.4.5.1 Relación entre la resistencia a compresión y a flexotracción
En estos materiales, tal y como se puede apreciar en la Fig. 2.14, la resistencia a flexotracción aumenta en menor medida que su resistencia a compresión. Por tanto, la relación (RC/RF) es mayor para los materiales que presentan resistencias
0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)
RESISTENCIA A FLEXOTRACCIÓN
(MPa
)
Figura 2.14 Relación entre resistencia a compresión y a flexotracción para materiales tratados con cemento.
En la Tabla 2.5 se muestran valores aproximados de esta relación para los distintos materiales tratados con cemento incluidos en este Manual. Se puede comprobar como la relación aumenta con la resistencia del material.
Tabla 2.5 Relación entre resistencias a compresión y a flexotracción para materiales tratados con cemento.
MATERIALES RELACIÓN (RC/RF)
Sueloscemento 4 – 5
Gravascemento y hormigones compactados 5 – 6
2.4.5.2 Relación entre la resistencia a compresión y a tracción indirecta Pese a que ambas resistencias son sencillas de medir, puede resultar interesante conocer la correlación existente entre ambas. Para sueloscemento y gravascemento la relación (RC/RTI) suele encontrarse entre 8 y 10 (véase el ejemplo
de la Fig. 2.15). Al igual que ocurre en el caso de la resistencia a flexotracción, cuando las resistencias del material aumentan, la relación pierde la condición lineal y la resistencia a tracción crece en menor medida que la de compresión.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 4 8 12 16
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)
RESISTENCIA A T. INDIRECTA(MPa)
Figura 2.15 Ejemplo de correlación entre la resistencia a compresión y a tracción indirecta de una gravacemento (datos para edades de 7 y 90 días). Se puede apreciar que la relación entre dichas resistencias presenta un valor en torno a 10.
2.4.5.3 Relación entre la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad
Generalmente, no se dispone de medidas directas del módulo de elasticidad del material, y por tanto se suele estimar a partir de expresiones de tipo potencial, similares a las admitidas para el hormigón vibrado, que lo relacionan con su resistencia a compresión (véanse Fig. 2.16 y 2.17).
0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)
MÓ DUL O DE DEFO RMACIÓ N EN COMPRESIÓN (GPa)
Figura 2.16 Relación entre el módulo de elasticidad (estático) y la resistencia a compresión de materiales tratados con cemento de distintas edades y características.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
RESIST. COMPRESIÓN (MPa)
MÓ DUL O DE DEFO RMACIÓ N A COMPRESIÓN (MPa)
Figura 2.17 Relación entre módulo de elasticidad (dinámico) y la resistencia a compresión para sueloscemento de distintas edades y características.
Cada tipo de material tiene una relación distinta entre el módulo de elasticidad y la resistencia a la rotura. Por ejemplo, para una misma resistencia, el módulo de una gravacemento, aún con un contenido de cemento más reducido, es mayor que el de un suelocemento, como consecuencia de su esqueleto mineral (Fig. 2.18).
0 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6 8 10
Resistencia a compresión (MPa)
Módulo en compresión (GPa)
Zahorras con cemento Suelos y arenas con cemento
Figura 2.18 Módulo de elasticidad (dinámico) en función de la resistencia a compresión para distintas mezclas con cemento.
2.5 PROPIEDADES
TÉRMICAS
Las propiedades térmicas de las mezclas con cemento tienen un gran interés, puesto que de sus valores dependen:
Los cambios de longitud entre verano e invierno en las “losas” en que queda dividida la capa de material tratado, que dan lugar a una mayor o menor abertura de las juntas y grietas de retracción.
Y, por lo tanto, las tensiones de origen térmico.
Todos estos fenómenos tienen una gran influencia tanto en el desarrollo de fisuras en las capas tratadas con cemento como en su posible reflexión en las capas superiores de mezcla bituminosa. En la Tabla 2.6 se muestran algunos valores medios de los parámetros térmicos de materiales tratados con cemento. Tabla 2.6 Valores aproximados de los parámetros térmicos de materiales tratados
con cemento.
PARÁMETRO TÉRMICO VALORES APROXIMADOS
Coef. de dilatación térmica 0,6.101,3.10-5-5 /ºC /ºC ARIDO CALIZO ARIDO SILÍCEO
Conductividad térmica 1,15 W/ºC.m 1,5 W/ºC.m GC, GCA, HMC Y HC SC
Calor específico 840 – 1170 J/kg.ºC
Difusividad térmica 3 – 6 .10-3 m2/h
El coeficiente de dilatación térmica, el cual depende fundamentalmente de la naturaleza de los áridos, es uno de los factores que más influye en los cambios dimensionales de los materiales tratados con cemento. Los áridos calizos presentan los valores más bajos para este parámetro y por tanto se ven menos afectados por las variaciones térmicas.
2.6 RETRACCIÓN
Durante el fraguado y endurecimiento de los materiales tratados con cemento se produce una pérdida paulatina de agua como consecuencia de los procesos de hidratación y de secado. Esto conlleva un cambio de volumen del material conocido como retracción. El valor de ésta depende de factores tales como el contenido de cemento, el tipo de suelo o material granular, el contenido de agua, el grado de compactación y las condiciones de curado del material.
Ahora bien, esta retracción tiene escasa importancia en los materiales tratados con cemento en comparación con los cambios dimensionales originados por las variaciones de temperatura entre el día y la noche o entre verano e invierno (retracción térmica).
2.7 CAMBIOS
DIMENSIONALES
Los cambios dimensionales que se producen en los materiales tratados con cemento, ya sean por retracción hidráulica o térmica, tienen una gran influencia en el fenómeno de su fisuración. Los cambios volumétricos debidos a la retracción provocan la fisuración inicial del material que se produce a edades tempranas, mientras que los debidos a gradientes térmicos provocan la apertura de estas fisuras y su reflexión a las capas superiores de mezclas bituminosas. El fenómeno se produce de la siguiente manera:
Durante el fraguado inicial del material se produce una contracción por pérdida de agua y temperatura. El movimiento de retracción hace que aparezcan esfuerzos de rozamiento entre la capa y su soporte. Cuando estos esfuerzos igualan o superan la resistencia a tracción del material tratado con cemento, que a edades tempranas es muy reducida, se produce la fisuración en losas. Por lo tanto, la resistencia a tracción R, el coeficiente de rozamiento con el soporte µ y la densidad del material γ son los elementos que influyen de manera esencial en la iniciación de las grietas de retracción. Igualando los esfuerzos de rozamiento a la resistencia a tracción (Fig. 2.19) se obtiene la relación:
γ µ. 2R L = γ . h . L/2 . µ h L/2 R . h VARIACIÓN DE TENSIONES DE ROZAMIENTO EQUILIBRIO: γ . h . L/2 . µ = R. h TE N S IO N E S TO TA LE S MO VI LI ZA D A S
Figura 2.19 Determinación de la separación media entre fisuras en capas tratadas con cemento.
La distancia media L entre fisuras en los materiales tratados con cemento es directamente proporcional a la resistencia a tracción del material a corto plazo. Si se dejaran fisurar libremente, las distancias entre fisuras serían normalmente del orden de 3 a 6 m para suelocemento, 5 a 10 m para gravacemento y 8 a 15 m para hormigones compactados.
A largo plazo, una vez que el material tratado con cemento ha sido recubierto con una capa bituminosa, los movimientos de las fisuras, debidos a las variaciones diarias o estacionales de la temperatura, pueden iniciar a su vez fisuras en la mezcla bituminosa y provocar su propagación hasta la superficie de la carretera (fenómeno de reflexión de grietas). El fenómeno se puede evitar si el material tratado se prefisura a distancias cortas.
2.8 DURABILIDAD
2.8.1 Comportamiento frente a heladas
causas a que las reacciones químicas que dan lugar al mismo dependen de la temperatura. Por otra parte, la acción expansiva del agua intersticial puede dar lugar a una descompactación del material.
En los firmes en servicio, las capas bituminosas suelen asegurar la necesaria protección térmica para evitar que se produzca la congelación del agua dentro del material tratado con cemento. En capas de hormigón compactado sin ninguna protección superficial, la gran compacidad de este material es suficiente para garantizar una adecuada resistencia a las heladas.
2.8.2 Comportamiento frente a temperaturas elevadas
Las propiedades mecánicas de los materiales tratados con cemento no varían con la temperatura, al contrario de lo que ocurre con las mezclas bituminosas. No obstante, hay que indicar que en obras ejecutadas en inviernos fríos se pueden producir fenómenos de pandeo al experimentar la capa construida una elevación de temperatura, como consecuencia por ejemplo de una ola de calor, cuyos efectos pueden verse aumentados si coincide con la extensión en la misma época de la mezcla bituminosa de la capa superior. Dichos pandeos se producen sobre todo en juntas de construcción en las que no se haya cuidado su verticalidad mediante alguna de las medidas que se indican en el Capítulo 6.
2.8.3 Comportamiento frente a ambientes agresivos
Los terrenos y aguas subterráneas con yeso u otros tipos de sulfatos (de sodio, magnesio o potasio) pueden atacar a las mezclas con cemento. Dicho ataque se puede originar de varias formas, pero el más peligroso se produce al reaccionar los sulfatos con el aluminato tricálcico hidratado de la pasta de cemento, lo que da lugar a cristales de sulfoaluminato tricálcico hidratado, también conocido como ettringita. Esta reacción es muy expansiva (el aumento de volumen es de unas dos veces y media) y puede llevar a la desintegración de la capa tratada con cemento. La rapidez y la importancia de estos ataques aumentan a medida que se incrementan tanto la concentración de los sulfatos en las aguas que pueden ponerse en contacto con las capas tratadas, como la temperatura (Capítulo 3).
Cuando se prevea la posibilidad de ataques por sulfatos se deben utilizar cementos resistentes a estos compuestos.
MATERIALES BÁSICOS
En este capítulo se describen las características de los diversos materiales
básicos que se emplean en las mezclas con cemento. Se han tenido en
cuenta los criterios contenidos en las especificaciones españolas y se han
incluido algunas recomendaciones complementarias.
3.1 INTRODUCCIÓN
Los materiales tratados con cemento están constituidos por una mezcla homogénea de materiales granulares (áridos o suelos), cemento, agua, y en su caso, aditivos.
Los materiales granulares son los que intervienen en mayor proporción en la mezcla ya que constituyen aproximadamente el 90 – 95 % de la masa total. En el caso de las gravascemento u hormigones compactados (GC, GCA, HMC y HC) se utilizan zahorras artificiales obtenidas a partir de la composición de dos o más fracciones granulométricas de árido. En los sueloscemento es más frecuente el empleo de suelos o zahorras naturales, aunque también se pueden utilizar materiales machacados procedentes de cantera, excavaciones, o incluso zahorras artificiales, siendo suficiente en estos casos que cumplan las mismas prescripciones exigidas a los suelos.
Por otra parte, en estas aplicaciones se suelen utilizar cementos con contenidos elevados de adiciones y resistencias moderadas, que presentan retracciones térmicas reducidas y mayores plazos de trabajabilidad de las mezclas.
En general, se pueden utilizar aguas potables o que hayan sido sancionadas por la experiencia como aceptables.
Los únicos aditivos que se suelen emplear son los retardadores de fraguado para aumentar los plazos de trabajabilidad.
En el curado de las mezclas con cemento se suelen emplear emulsiones bituminosas que impermeabilizan la superficie del material para evitar que pierda agua.
Capítulo
3.2 ÁRIDOS
Los áridos empleados deben proceder de la trituración de piedras de cantera o gravera, tener buena calidad, y presentar una granulometría ajustada a un huso, especialmente para su empleo en gravascemento, donde se deben conseguir resistencias apreciables con contenidos bajos de cemento. En los materiales de mayor resistencia que la gravacemento la calidad de los áridos no influye excesivamente en el valor final de la resistencia, pero sí juega un papel importante en su comportamiento.
Foto 3.1 Áridos de diferentes tamaños.
Se pueden emplear asimismo productos inertes de desecho o subproductos industriales o mineros estables. En España hay experiencias, por ejemplo, con materiales reciclados de firmes, estériles de mina de carbón o escorias de horno alto.
Para obtener un material con una adecuada calidad, el conjunto de los áridos debe tener las siguientes características:
Esqueleto mineral compactable y no segregable, que proporcione un material homogéneo y con una superficie de capa regular.
Estabilidad de la mezcla compactada antes de endurecer, para soportar el paso del tráfico de obra sin deformarse.
Adherencia adecuada con la pasta de cemento, que permita obtener una resistencia suficiente.
Ausencia de componentes que puedan ser lixiviados, dando lugar a disoluciones que puedan significar un riesgo potencial para el medio ambiente o para los elementos de construcción situados en sus proximidades.
Estabilidad físico-química y volumétrica, incluso en presencia de agua. Los áridos no deben ser susceptibles de meteorización o de otras alteraciones apreciables bajo las condiciones más desfavorables en servicio. Se debe controlar especialmente la presencia de áridos que puedan reaccionar con los álcalis del cemento.
Ausencia de sustancias perjudiciales, que afecten a la durabilidad de la capa o al fraguado del cemento.