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Introducción al uso del cemento en explanadas y capas de firme Zaragoza, 19 de mayo de 2006
EMPLEO DEL CEMENTO EN EXPLANADAS Y FIRMES
Sergio Carrascón Ortiz Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones, IECA. Delegación Cataluña
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EMPLEO DEL CEMENTO EN EXPLANADAS Y FIRMES Índice
Pág.
1. Introducción
3
2. Firmes. Constitución, materiales y tipos 4
3. Mezclas con cemento 5
4. Desarrollo histórico en España 6
5. Características 8
6. Ventajas y limitaciones de los pavimentos de hormigón vibrado 12
7. Ventajas de las mezclas con cemento 13
8. Empleo 13
9. Conclusión 19
10. Bibliografía 19
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3
1. INTRODUCCIÓN
Desde hace varios milenios se utilizan algunos productos naturales o artificiales
como ligantes en los materiales de construcción. Así, hay referencias del empleo
hace unos 5.000 años de cal en China y en la India o de productos bituminosos
en Mesopotamia. En la época clásica de Grecia y Roma, se emplean cementos
hidráulicos, constituidos por cal y cenizas volcánicas o ladrillos molidos, que
reaccionan lentamente en presencia de agua para formar con los áridos una
masa de hormigón o mortero primarios.
En los tiempos modernos, se desarrolló primero la cal hidráulica (J.Smeaton,
1756), pasando por los cementos naturales obtenidos por la combustión de
calizas margosas (Inglaterra y Francia, hacia 1800), hasta llegar al cemento
portland patentado por J.Aspdin en 1824. Este producto se fue perfeccionando
en los años posteriores hasta el punto que hacia 1865 pudo ya emplearse en la
pavimentación con hormigón de varias calles europeas.
Poco después la técnica pasó a Estados Unidos, donde aún se conserva el
primer pavimento urbano (Bellefontaine/ Ohio,1892). La creciente motorización
del país en los albores del siglo XX propició la construcción de nuevas carreteras
y un desarrollo paralelo de estos pavimentos, que han seguido empleándose
hasta la actualidad, particularmente en las autopistas interestatales (en más de
un 70% de las mismas) y también en las vías de baja intensidad de tráfico.
La adición de cemento a suelos y materiales granulares se desarrolló asimismo
en Estados Unidos, particularmente a partir de 1930, y de forma acelerada
durante la segunda guerra mundial para la construcción de pistas de vuelo.
Durante la segunda mitad del siglo pasado, los países desarrollados
intercambiamos nuestros conocimientos y experiencias en las revistas
especializadas y en reuniones técnicas. En 1965, se creó en el seno de la
Asociación Mundial de Carreteras (PIARC) un Comité Técnico de carreteras de
hormigón, en el que también se trataba de las demás aplicaciones del cemento
en las infraestructuras del transporte. Esta labor la continúa actualmente el
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Comité de firmes, que informa con regularidad de los avances en este campo en
los Congresos Internacionales de Carreteras; el último tuvo lugar en Durban
(Sudáfrica, octubre 2003). A la difusión general contribuyen también los
Simposios Internacionales sobre carreteras de hormigón del Cembureau, que
tienen lugar desde1969 ; el noveno se celebró en Turquía (Estambul, abril 2004).
Puede decirse que el empleo del cemento en explanadas y firmes es hoy
universal y tanto más intensivo, cuanto más desarrollado económicamente esté
el país. Más que por la producción de cemento o la renta per cápita, el factor
determinante de su utilización reside en la necesidad de materiales
técnicamente adecuados para resistir las solicitaciones climáticas y del tráfico,
económicamente competitivos y que ocasionen el menor daño ambiental.
En España, el uso del cemento ocupa ya un lugar destacado en el contexto
mundial. Con una industria cementera líder en Europa, unas empresas
constructoras equipadas y con gran experiencia, así como ingenieros
proyectistas, directores de obra, consultores y demás personal técnico
habituados a su empleo, es de esperar aún un notable desarrollo en los
próximos años.
2. FIRMES. CONSTITUCIÓN, MATERIALES Y TIPOS.
Los firmes están constituidos por un conjunto de capas superpuestas,
relativamente horizontales y de varios centímetros de espesor, de diferentes
materiales, adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se
apoyan en la explanada obtenida por el movimiento de tierras y han de soportar
las cargas de tráfico durante un periodo de varios años, sin deterioros que
afecten a la seguridad y comodidad de los usuarios o a la propia integridad del
cimiento.
La explanada es la superficie del cimiento del firme o parte superior de las obras
de tierra y su capacidad de soporte o resistencia a la deformación contribuye
fundamentalmente a la resistencia del conjunto. Por ello, actualmente se tiende a
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estabilizar con cemento o con cal las capas superiores del suelo.
Hay que distinguir entre las características superficiales o funcionales del
firme, aportadas por la capa de rodadura (resistencia al deslizamiento,
regularidad superficial, ruido de rodadura, reflexión luminosa, etc.), y las
características estructurales, relacionadas con los materiales empleados y
espesores de las capas del firme.
Los firmes rígidos tienen un pavimento de hormigón, con frecuencia una capa
de base y a veces una capa de subbase. El pavimento sirve de capa de
rodadura y al tiempo trabaja a flexión, distribuyendo las cargas de tráfico a la
capa de apoyo.
Los firmes semirrígidos suelen tener al menos el pavimento bituminoso, en
tanto que la capa subyacente o base puede ser de zahorra artificial, bituminosa o
tratada con cemento. La función de esta capa es eminentemente resistente. La
subbase puede ser una capa de transición (suelo granular, zahorra) o tener
también una función resistente (suelocemento). En todo caso, al menos una
capa del firme debe estar tratada con cemento para que el firme sea
considerado semirrígido.
Por tanto las capas de los firmes están constituidas por unas unidades de obra
que en general pertenecen a uno de los siguientes grupos:
- zahorras
- mezclas bituminosas o tratamientos superficiales
- hormigón vibrado o mezclas con cemento
3. MEZCLAS CON CEMENTO
Se engloban en esta denominación una amplia gama de materiales constituidos
por un conjunto de partículas minerales o esqueleto mineral (suelo o áridos),
mezcladas con cemento, agua y eventualmente un aditivo (en general, un
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retardador de fraguado). La mezcla homogénea tiene una determinada
composición de los constituyentes, se realiza in situ o en planta, se extiende por
tongadas, se compacta con rodillo, y finalmente recibe un tratamiento de curado
durante los primeros días y eventualmente de protección del tráfico de obra.
En función de los materiales básicos empleados y del proceso de ejecución
resulta una diversidad de unidades de obra, de empleo creciente en:
- explanadas: suelos estabilizados in situ
- subbases: suelocemento
- bases: gravacemento, hormigón magro compactado,
hormigón compactado
Este último se emplea también como pavimento en vias de baja intensidad de
tráfico.
El cemento proporciona en general una cohesión permanente, poco influida por
la humedad, que aumenta la resistencia mecánica a la deformación bajo las
cargas del tráfico, pero que produce también reacciones físico-químicas con las
partículas finas o polvo mineral. Es en suma un elemento fundamental para
transformar un material en otro con las características necesarias para la función
asignada.
4. DESARROLLO HISTÓRICO EN ESPAÑA
Hace sólo 40 años el empleo de cemento en explanadas y capas de firme era
algo excepcional. En aquella época el coste y disponibilidad del cemento no
justificaba su uso, el tráfico pesado era escaso y las limitaciones ambientales no
habían empezado a manifestarse.
El desarrollo económico del país ha marcado una evolución para satisfacer las
crecientes necesidades. Las normas de materiales, explanadas y estructuras de
firme aplicadas en las obras construidas se han ido revisando periódicamente,
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de forma que en 2004 la D.G. de Carreteras del Ministerio de Fomento ha
llegado a ultimar toda la normativa pertinente.
Así, en los años 60 empiezan a sustituirse las zahorras artificiales en capas de
base para tráfico pesado por gravacemento con objeto de dar “cohesión”, es
decir, aumentar la resistencia mecánica y durabilidad de un material granular.
En capas de subbase, las zahorras y arenas con finos son sustituidas en
algunas obras por suelocemento, con lo que no sólo resulta un material
insensible al agua, sino una capa más rígida y no erosionable. Este proceso de
cambio continuó en los años posteriores.
En esta década empiezan a construirse de nuevo los pavimentos de
hormigón (hoy vibrado para distinguirlo del compactado con rodillo), de
concepción y construcción moderna. Habían sido ensayados por primera vez
en 1915 y empleados en algunos tramos de carretera nacional en los años 20.
A partir de 1970 su empleo en autopistas y autovías ha sido notable (más de
1 600 km de calzada), aunque desde hace más de diez años han dejado de
aplicarse por razones no justificadas.
Los hormigones magros compactados se utilizaron en algunas obras
importantes en los años 70 siguiendo la práctica británica del “dry lean
concrete”. En el País Vasco, de clima parecido, se buscaba para una base de
tráfico pesado, más resistencia y menos erosionabilidad. Se empleó también en
algunas grandes urbanizaciones en sustitución del hormigón pobre tradicional.
Su uso ha sido sin embargo limitado.
En los años 80 empieza la utilización del hormigón magro, de tipo
californiano, extendido con terminadora de encofrados deslizantes, una base
ideal para los pavimentos de hormigón. Ha llegado a sustituir por completo a la
gravacemento, no sólo por su ejecución con el mismo equipo, sino por su
elevada resistencia a la erosión bajo el pavimento.
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Por esta época empieza también la aplicación en vías principales del
hormigón compactado con rodillo, utilizado ya en la década anterior en vías
de baja intensidad de tráfico. Se trata de un material de fabricación y puesta en
obra análoga a la de una gravacemento, es decir con una maquinaria ordinaria,
lo que es atractivo, pero con un contenido de cemento muy superior, análogo al
de un hormigón de pavimento. Se sitúa por tanto mucho más allá de un
hormigón magro o de la gravacemento de alta resistencia empleada en
Francia. Se buscaba una economía en la construcción de un pavimento rígido,
aunque fue necesario dotarle en autovías de un pavimento bituminoso para
asegurar una buena regularidad superficial a elevada velocidad de circulación.
En los años 90, las restricciones ambientales respecto a préstamos y áridos de
calidad impulsan con fuerza tanto las explanadas estabilizadas como el
reciclado de firmes. Ambos se desarrollan gracias a la disponibilidad de
potentes máquinas estabilizadoras-recicladoras y a unos costes competitivos.
Los suelos estabilizados in situ con cemento o con cal, conocidos y hasta
normalizados mucho antes, empezaron a ser la regla más que la excepción no
sólo cuando los suelos locales no eran apropiados por su sensibilidad al agua,
erosionabilidad, cambios de volumen, etc., sino cuando se deseaba una
elevada capacidad de soporte, acorde con la importancia de la vía.
Actualmente las propuestas de 1975 han sido refrendadas y puestas al día en
las categorías de suelos mejorados con cemento o con cal S-EST 1 y S-EST
2 y de suelos estabilizados S-EST 3 con cemento.
En las capas de firme recicladas in situ con cemento se reutilizan los áridos
de los firmes antiguos y el cemento les confiere la resistencia necesaria como
base de un firme rehabilitado.
5. CARACTERÍSTICAS
Sus características son muy variadas y dependen de:
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- la calidad de los materiales utilizados ( suelo, áridos, firme
existente)
- el contenido de cemento
- la humedad de compactación
- el proceso de mezclado in situ o en central
- la puesta en obra, particularmente del grado de compactación alcanzado, así
como del proceso de curado y protección
Como una primera orientación en las Tablas 1 y 2 se recogen las principales
características de estos materiales.
UNIDAD DE OBRA
ESQUELETO
MINERAL
CEMENTO AGUA MEZCLA
SUELOS ESTABILIZADOS
IN SITU (Art. 512)
SUELO PASA 0.063 UNE
S-EST 1 ≤ 50 % S-EST 2 ≤ 50 % S-EST 3 ≤ 35 %
min 2 % min 3 % min 3 %
- IN SITU
SUELOCEMENTO (Art. 513)
SUELO
PASA 0.063 UNE ≤ 35 %
> 3 % ~ OPT. P.M.
EN PLANTA (IN SITU)
GRAVACEMENTO
(Art. 513)
ARIDO > 3.5 % ~ OPT. P.M.
EN PLANTA
HORMIGÓN
MAGRO COMPACTADO
ARIDO 140-160 kg/m3
~ OPT. P.M.
EN PLANTA
HORMIGÓN
COMPACTADO (Art. 551)
ARIDO 280-300 kg/m3
~ OPT. P.M.
EN PLANTA
FIRME
RECICLADO (Art. 21 PG - 4)
FIRME EXISTENTE ESCARIFICADO 3 – 5 % ~ OPT.
P.M. IN SITU
TABLA 1. Principales características de las mezclas con cemento (I).
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UNIDAD DE OBRA
RESISTENCIA MECÁNICA
EMPLEO PRECIO
APROXIMADO
SUELOS
ESTABILIZADOS IN SITU
(Art. 512)
S-EST 1 CBR7 ≥ 6 S-EST 2 CBR7 ≥12 S-EST 3 RC7 ≥ 1.5 MPa
EXPLANADA E1 EXPLANADA E2 EXPLANADA E3
2 – 3 €/m2
SUELOCEMENTO (Art. 513)
RC7 ≥ 2,1 o 2,5 MPa
SUBBASES
5 - 8 €/m3
GRAVACEMENTO(Art. 513)
RC7 ≥ 4,5 MPa BASES 7 €/m3
HORMIGÓN
MAGRO VIBRADO
RC28 ≥ 15 MPa BASES 11 €/m3
HORMIGÓN
COMPACTADO (Art. 551)
RC28 ≥ 25 MPa PAVIMENTOS Y BASES 12 - 16 €/m3
FIRME
RECICLADO (Art. 21 PG - 4)
RC7 ≥ 2,5–3,5 MPa BASES 2,5 – 3,5 €/m2
TABLA 2. Principales características de las mezclas con cemento (II).
Hay que distinguir entre las propiedades en estado fresco, tales como el plazo
de manejabilidad y la estabilidad inmediata, que son fundamentales para la
ejecución, y las propiedades del material endurecido, que determinarán su
comportamiento en servicio. En primer lugar deben considerarse las resistencias
mecánicas, pero también la resistencia a la erosión, el módulo de deformación, la
resistencia a la fatiga, las propiedades térmicas, la retracción, etc.
A título de ejemplo de la diferente resistencia y deformabilidad de los materiales
empleados, en las Figs. 3 y 4 aparecen su resistencia a compresión y los módulos
de deformación a largo plazo.
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Figura 3. Resistencias a compresión de los materiales tratados con
cemento.
100-10000
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
S-EST 3 SC GC GCA HM HC
Materiales tratados con cem ento
Mód
ulos
de
defo
rmac
ión
(MPa
)
Figura 4. Módulos de deformación habituales en materiales tratados con
cemento.
6. VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
VIBRADO
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Se resumen a continuación las principales ventajas de estos pavimentos en
relación con la alternativa bituminosa. Estas consideraciones son también
aplicables a los de hormigón compactado en vías de baja intensidad de tráfico.
- adaptabilidad a todo tipo de obra, grande o pequeña, con una puesta
en obra desde muy mecanizada hasta manual. El hormigón es un
material usual en construcción y por tanto familiar a los operarios.
- elevada resistencia mecánica e indeformabilidad, con un buen
reparto de cargas a las capas subyacentes, elevada resistencia a la
fatiga, y también a las cargas concentradas y a los esfuerzos
tangenciales. No es susceptible a la temperatura ni a la formación de
roderas bajo cargas pesadas y lentas. Es también resistente a los
depósitos de carburantes y aceites procedentes de los vehículos.
- gran durabilidad y reducidos gastos de conservación. Su
resistencia aumenta con el tiempo.
- buenas características superficiales, adaptables a las necesidades
del usuario, al que puede proporcionar una rodadura segura, cómoda
y económica.
Tiene la limitación de que no es posible su ejecución por etapas y que, en
general, tiene un coste de construcción ligeramente superior a los firmes
alternativos flexibles o semirrígidos. Sin embargo en general el coste global, que
incluye los gastos previsibles actualizados de conservación y los costes sociales,
es inferior.
En todo caso, su utilización más competitiva es en los pavimentos para tráfico
pesado (autopistas y autovías, pistas y estacionamientos de aeropuertos,
pavimentos portuarios) y en las vías rurales y urbanas de baja intensidad de
tráfico.
7. VENTAJAS DE LAS MEZCLAS CON CEMENTO
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Estas mezclas con cemento tienen ventajas técnicas, económicas y ambientales
que propician su empleo en las infraestructuras de transporte: carreteras y vías
urbanas, aeropuertos, puertos, ferrocarriles, terminales, etc.
Entre las ventajas técnicas pueden citarse:
- la resistencia a flexión y a la fatiga de las capas de firme, así como la rigidez
del apoyo de las capas bituminosas superiores, las cuales no están así
sometidas a tracciones que puedan provocar su fatiga.
- la elevada capacidad de soporte y estabilidad de la explanada y, en suma,
del cimiento del firme.
Ello se traduce en una mayor durabilidad ante las acciones del tráfico pesado y
los cambios climáticos.
Aunque las ventajas ambientales están ligadas a las económicas, las
primeras van cobrando preponderancia y tienen que ser atendidas con prioridad.
Así, resulta:
- un mayor empleo de suelos y otros materiales locales, incluido el reciclado
de firmes, a veces de características iniciales inadecuadas
- una limitación del consumo de áridos de nueva extracción, cada vez más
escasos
y, por otra parte:
- unos costes de construcción inferiores a los de los firmes bituminosos
alternativos para tráficos pesados y muy pesados
- unos costes de rehabilitación de firmes agotados (y a veces contaminados)
muy competitivos.
8. EMPLEO
En las Figs. 5 a 10 puede observarse cómo en carreteras estos materiales tienen
un empleo generalizado, tanto en explanadas como en firmes nuevos o
reciclados.
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Figuras 5, 6, 7. Presencia de materiales tratados con cemento en la Norma
6.1 IC Secciones de firme (2003). Ministerio de Fomento.
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Fig. 8. Presencia de hormigón compactado y suelocemento en algunas
secciones de las Recomendaciones de la Junta de Castilla y León (2004).
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Fig. 9. Espesores mínimos en secciones de firme reciclado con cemento
según las Recomendaciones de la Junta de Castilla y León (2004).
Fig. 10. Presencia de materiales tratados con cemento en algunas
secciones de la Instrucción para el Diseño de Firmes de la Junta de
Andalucía, Anejo 3 (1999).
Lo mismo puede decirse de aeropuertos, puertos, vías urbanas, etc.
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Fig.11. Secciones de pavimentos urbanos del Ayuntamiento de Madrid( 2001).
Figura 12. Materiales tratados con cemento en los firmes portuarios
contemplados en la ROM 4.1 – 94. Puertos del Estado.
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Los espesores utilizados son actualmente los siguientes:
Material Espesor (cm) Observaciones
Suelo estabilizado
in situ con cemento 25 – 30 --
Suelocemento 20 – 30 40 cm en dos capas
Gravacemento 20 – 22 hasta 34 cm en capa
gruesa única
Hormigón magro 15 espesor constructivo bajo
pavimentos de hormigón
Hormigón compactado 15 – 25 --
Pavimento de hormigón
vibrado 15 – 30 en carreteras y vías urbanas
Capa reciclada in situ 20 – 35 --
En la actualidad hay que destacar la utilización general de estabilizaciones y
reciclados, así como del suelocemento, en tanto que los materiales tratados de
mayor resistencia posiblemente se empleen más en el futuro gracias a la reciente
puesta al día de las especificaciones generales.
Entre las novedades incorporadas en los últimos años a la técnica, que serán
expuestas con detalle más adelante, pueden destacarse:
- unas nuevas prescripciones, con una definición más precisa de su ejecución
y control de calidad
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- la consideración del plazo de trabajabilidad, y la posibilidad de modificarlo
con un retardador de fraguado
- una mejor dosificación y mezcla en planta o in situ, mediante equipos más
eficaces
- la prefisuración de las capas de base con tráfico pesado y su influencia en el
proyecto y en el comportamiento de los firmes semirrígidos.
9. CONCLUSIÓN
Los materiales tratados con cemento comprenden una variedad de unidades de
obra, cuyas propiedades pueden adaptarse a las necesidades de cada caso. La
experiencia acumulada con ellos es considerable y las prescripciones actuales
suponen una puesta al día de las técnicas de construcción para mejorar la
calidad. Con ello puede esperarse en los próximos años un empleo creciente de
estos materiales en explanadas y capas de firme.
10. BIBLIOGRAFÍA
- KRAEMER, C. et al. (2004): Ingeniería de carreteras. McGraw-Hill Interamericana
S.A.,Madrid
- WILLIAMS, R.I.T. (1986): Cement-Treated Pavements, Elsevier Applied Science
Publishers, London-New York
- 1er Simposio Internacional de estabilización de explanadas y reciclado in situ de
firmes con cemento (2001). IECA y Asociación Española de la Carretera, Madrid
- Riegos auxiliares, mezclas bituminosas y pavimentos de hormigón.PG-3 (2004).
Secciones de firme y capas estructurales de firmes. 6.1 IC(2003) Ministerio de
Fomento, Madrid
- Manual de firmes reciclados in situ con cemento (1999) IECA, Madrid
- Traitement des sols à la chaux et/ou aux liants hydrauliques. Guide technique
(2000), LCPC – SETRA, París.
- Semi-rigid Pavements (1991) PIARC, París.
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20
- Instrucción para el diseño de firmes de la Red de Carreteras de Andalucía (1999)
O.C. 1/ 99. Consejería de Obras Públicas y Transporte. Junta de Andalucía. Sevilla.
- Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos 2004. Junta
de Castilla y León, Valladolid.
- 9th International Symposium on Concrete Roads (2004). Cembureau-PIARC-ATIC,
Estambul.
- 7th International Conference on Concrete Pavements (2001). International Society
for Concrete Pavements. Orlando, Florida.
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