Experiencias de Estabilizaciones con Cemento para Pavimentos Rompiendo Paradigmas en desempeño de proyectos viales Rafael Alejandro González Magaña Instituto Salvadoreño del Cemento y del Concreto
El Salvador
20,000 Km2 EL SALVADOR
20,000 Km2 EL SALVADOR
ASI EMPEZÓ UNA HISTORIA
Aunque ya se tenía conocimiento.
CA01W San Salvador – Santa Ana, 1969 Pav. Rígido (base de suelo cemento 5% )
Aunque ya se tenía conocimiento.
(Fotografías 1996)
MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE APOYADA SOBRE UNA BASE DE SUELO CEMENTO al 5% (Panamericana CA-01W TRAMO Km 35 El Portezuelo 1973)
Aunque ya se tenía conocimiento.
Base SUELO – CEMENTO construida 1948 (trabajos de investigacion 1996)
Base SUELO – CEMENTO 1970 CA01 W KM 52 (trabajos de investigación en hombros 1996)
EL SUELO CEMENTO EN LA ACTUALIDAD
Concreto MR50
24 cms
Base estabilizada con cemento (reciclado en frio)
• Tiempo de ejecución: 9 meses. (incluye prorroga) • Propietario: FOVIAL • Longitud total del proyecto es de 8.19 km., subdividido en dos tramos. 26/11/2019
25 cms
EL SUELO CEMENTO EN LA ACTUALIDAD
En El Salvador, el 90% de caminos y carreteras pavimentados poseen bases de suelo cemento.
Los resultados obtenidos han sido muy satisfactorios en su utilizaciรณn en bases y sub-bases para estructuras de pavimentos.
EN PAVIMENTOS FLEXIBLES RECICLADOS CON CEMENTO
Reciclado realizando mezclas con 5% de cemento Portland ASTM C 1157
Carretera Litoral (CA-02W), tramo entre CA-12 (Desvío a Puerto de Acajutla) y CA-04 (Desvío Puerto de La Libertad).
ยกCUIDADO!
ยกNO ES MAGIA Ni FANTASIA! Esta foto de Autor desconocido estรก bajo licencia CC BY-NC-ND
DISEÑO de la ESTRUCTURA de PAVIMENTO
Al Respecto de Estructuras de Pavimentos existen múltiples inquietudes asociadas a la tecnología del diseño construcción y DESEMPEÑO de estas estructuras al utilizar mezclas de Suelo con CEMENTO PORTLAND
COMO BASE CON RODADURA RIGIDA
NO ES PROBLEMA
Se siguen desempeĂąando excelente y hago una invitaciĂłn ABIERTA de visita
AASHTO 1993 LO CONTEMPLA PART II PAVEMENT DESIGN PROCEDURES FOR NEW CONSTRUCTION OR RECONSTRUCTION , Chapter 2- 2.3 pรกgs.. II-2- II -17
Ademรกs con rodadura flexible o mixta
ADEMAS de Otra Literatura Técnica Recomendada
Grietas de contracción Algún tiempo después de la construcción, se produce un agrietamiento por contracción transversal en la base de suelocemento Tal agrietamiento por contracción es una característica natural del del suelo- cemento y no afecta materialmente el Traducción rendimiento de la base. Es evidencia de que la hidratación del libre Pag 8 cemento está produciendo una base endurecida. Las caras 1995 verticales de las grietas son irregulares; Como resultado, hay una transferencia de carga efectiva. Las grietas son más anchas en la parte superior que en la inferior; algunas aparecen a los primeros días después de la construcción y pueden aparecer más durante los primeros meses. La cantidad de contracción de la base de suelo cemento, depende principalmente del tipo de suelo y del contenido de humedad en el momento de la compactación.
Desde el punto de vista de la apariencia, puede valer la pena minimizar la cantidad de grietas que se muestran a través de la superficie. La experiencia ha demostrado que se mostrarán menos grietas por contracción a través de un tratamiento superficial bituminoso que a través de una superficie delgada y caliente de mezcla en planta.
También es beneficioso retrasar la colocación de la superficie bituminosa hasta que se hayan formado las grietas. A menudo, las grietas reflectantes se minimizan colocando un tratamiento superficial bituminoso primero y agregando una superficie
de mezcla en planta en una fecha posterior. Las rodaduras de mezcla en planta de al menos 4 pulgadas (100 mm) de grosor han exhibido muy pocas grietas reflectantes. el flujo de material hacia la grieta. Una aplicación de arena sobre el
betún evitará que el tráfico lo recoja. Los compuestos de sellado de juntas y los materiales de asfalto de cuerpo más pesado también se usan para llenar grietas grandes.
Otra Literatura TĂŠcnica Recomendada
Y HABLANDO DE LIBROS (respetand o los CONSEJOS de los años 70¨s)
Estructuras de Pavimentos con bases tratadas con cemento Rompiendo Paradigmas en desempeĂąo de proyectos viales
!HAY QUE DISFRUTARLOSÂĄ
ยกBASES DE ALTO DESEMPEร O!
!HAY QUE DISFRUTARLOSยก
1998
12 DE NOVIEMBRE DE 2019
1998
2017
2008
2018
2009
2019
10 años después
Otro tipo de fisuras EN LA MEZCLA a 12 aĂąos
El entusiasmo es grande y el ignorar comportamiento cobra
Con CONOCIMIENTO Y DISEÑO
FUNCIONA
Alrededor del mundo existen muchos paĂses que han investigado y posiblemente han solucionado el tema de las contracciones (fisuras) y en estructuras Pavimentos tratados con CEMENTO Portland y se conocen y aplican muchas soluciones ‌
Micro-fisuracion
JUNTAS REALIZADAS POR DIFERENTES METODOS
Otros mĂŠtodos de hacer Juntas
Otro proceso de pre-fisuraciĂłn
EN QUE TECNICA CONFIARON LOS INGENIEROS SALVADOREÑOS DE LOS 70¨s y 80¨s
Aparte de este consejo ……..
La Dificultad de mezclado en cantidades Menores a 20:1 en vol. Resulta en fallas tempranas
Las Juntas transversales espaciadas menos de 5 m en 13 aĂąos en este Proyecto
La Reflexiรณn de Fisuras Como una Funciรณn de las propiedades del Asfalto Espesor de capa de rodadura
EN El Salvador, se ha trabajado desde 90s en poner mas ingeniería en el diseño de la mezcla de SC, para evitar juntas u otros métodos que pueden funcionar, pero que encarecen el proceso constructivo
En EL Salvador nos centramos en el tipo y % de CEMENTO PORTLAND
En El Salvador, la primera experiencia con cemento de suelo fue hace 50 años, desde los 90´s, hemos estudiado problemas de contracción en:
Suelo Cemento (usando varios tipos de suelo y varios tipos de cementos) Base tratada con Cemento - Suelos Modificados ... y en los últimos 20 años,
PAVIMENTO FLEXIBLE RECICLADO CON CEMENTO
¿Se puede prevenir la FISURAS sin Juntas y otros métodos?
Claro que si !!
QUE HACEMOS PARA CONTROLAR LAS FISURAS DE REFLEXION METODOS APLICADOS • Procedimientos construcción
EXPERIENCIA SALVADOREÑA
apropiados
de
• Contenido Optimo de Cemento • Proceso de Curado Apropiado • Uso de Geotextiles • Capa delgada separación
granular
de
• Estrategias de espesor grueso
carpetas
con
• Retardo de tiempo en colocar carpeta , sellos superficiales (chip seals) • Prefracturado / Microfracturado • Juntas .
• Procedimientos apropiados de construcción • Contenido Optimo de Cemento • Proceso de Curado Apropiado
¿QUE es Cemento Portland LS (Low Shrinkage)? Es un Cemento Hidráulico Tipo Portland o Hidráulico Tipo Mezclado, con adiciones plastificantes como cal hidratada y materiales plastificantes (como piedra caliza, cal hidratada) junto con otros materiales introducidos para mejorar una o más propiedades como el tiempo de fraguado, trabajabilidad, retención de agua y durabilidad. Este tipo de cemento está de acuerdo con ASTM C91 Tipo M.
Ventajas en el diseño de la mezcla y el proceso de construcción. • Debido a la composición química, el cemento ASTM C91 Tipo M aumenta el tiempo de procesamiento de reciclaje. • Compactado con un mínimo del 95% de densidad máxima según AASHTO T180, puede obtener propiedades de ingeniería apropiadas. • Contracción mínima • Menos rigidez y mayor compatibilidad con la capa de asfalto de hormigón.
• El cemento ASTM C91 Tipo M es el más accesible en la industria de la construcción. • Buen rendimiento a largo plazo
En la actualidad, existen experiencias exitosas en actividades realizadas en el laboratorio y en las etapas de construcciรณn .
algunos resultados DE NUESTRAS INVESTIGACIONES y tendencias:
Strength and Perfomance
+
Target Level
Strengt h
Perfomance using cement ASTM C91 Type M Perfomanc e
-
% Stabilizer
DENSITY (KG/CM2) MOISTURE %
CEMENT CONTENT
6%
Shrinkage %
. 5 . 4
0
2002 mod. proctor
10.2
ASTM C 91 M
1
2002 mod. proctor
10.2
ASTM C595 IP
2
1903 std. proctor
13.0
ASTM C595 IP
3
2002
12.0
4
1901
14.5
5
1901
15.8
5
4 3
. 3
2
. 2
1
. 1
0
ASTM C 91 M
2
5
10
20
Time, Hours %
50
10 0
20 0
0
0.30
Shrinkage %
0.25 A-2-4 LL-31 PI-10
0.20 A-2-4,LL-23,PI-10
0.15
A-2-4,LL-21,PI-10 ASTM C91 M
0.10
A-2-4 LL31 PI-10 A3 NP
0.05 0
3
6
10
Cement content %
15
Shrinkage Test Results (Mix Design using ASTM C150 I Cement Content %
ร ndice de Contracciรณn
1.5
0.000267
3.0
0.000289
4.5
0.000333
Estimated Shrinkage (Mix Design using ASTM C91 M
EQUIPO PARA MEDIR CONTRACCIONES
Cement Content %
Contracciones (in/in)
4
0.000132
REFLEXIONES En el campo de la Ingeniería actual se habla mucho sobre estructuras de gran comportamiento, altas prestaciones y alto desempeño. Resumiéndose a diseñar y construir obras durables que respondan satisfactoriamente estructural y económicamente.
REFLEXIONES Por tanto, hablar de alto desempeño en carreteras no significa diseñar y construir súper pavimentos, sino diseñar pavimentos que se comporten satisfatoriamente desde el punto de vista estructural, simplificando procesos de diseño, construcción y control, y dando como resultado costos muy competitivos.
RELACIÓN (ESFUERZO ADMISIBLE/MÓDULO DE RUPTURA)
Comparación de Ecuaciones de Predicción de Fatiga. 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 Darter y Barenberg
0,50
PCA 0,40
AASHO Krumley
0,30
CTH 0,20 0,10 0,00
1,00E+09
1,00E+08
1,00E+07
1,00E+06
1,00E+05
1,00E+04
1,00E+03
1,00E+02
1,00E+01
1,00E+00
NÚMERO DE REPETICIONES DE CARGA
Fatiga • La ecuación de predicción de fatiga que modela la relación del esfuerzo admisible con el módulo de ruptura utilizada en los PUAD es:
RELACIĂ“N (ESFUERZO ADMISIBLE/MĂ“DULO DE RUPTURA)
PREDICCIĂ“N DE FATIGA, CON MODELO CTH, UTILIZADO EN DISEĂ‘O DE PUAD. 1,00
đ?‘†đ?‘… = 1.20 − 0.10 log đ?‘ đ?‘&#x; ; đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘ đ?‘&#x; ≼ 100 đ?‘†đ?‘… = 1 ; đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘Ž đ?‘ đ?‘&#x; < 100 đ?œŽđ?‘Žđ?‘‘đ?‘šđ?‘–đ?‘ đ?‘–đ?‘?đ?‘™đ?‘’ đ?‘†đ?‘… = đ?‘€đ?‘&#x; SR= RelaciĂłn Esfuerzo Admisible y MĂłdulo de Ruptura. Nr=NĂşmero de Repeticiones de Carga.
0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
1,00E+09
1,00E+08
1,00E+07
1,00E+06
1,00E+05
1,00E+04
1,00E+03
1,00E+02
1,00E+01
1,00E+00
NĂšMERO DE REPETICIONES DE CARGA
Módulos de Ruptura o Resistencia a la Flexión Depende de la granulometría del suelo principalmente del contenido de agregado grueso en el mismo, porcentaje de cemento, y tiempo de vibro compactación por capa. Valores Típicos* en Suelos Granulares no Plásticos 11 kg/cm2 – 23 kg/cm2 Valores Típicos* en Suelos Finos y Plásticos 7 kg/cm2 – 15 kg/cm2
Módulo de Elasticidad Depende del tipo de suelo y peso volumétrico del mismo, porcentaje de cemento, y resistencia a la compresión del espécimen. Valores Típicos* en Suelos Granulares no Plásticos 176,056 kg/cm2 – 422,535 kg/cm2
Valores Típicos* en Suelos Finos y Plásticos 56,000 kg/cm2 – 211,267 kg/cm2
Módulo de Elasticidad ESFUERZOS DE TENSIÓN EN PAVIMENTO [MPa] 1Mpa=145.04 psi
0,9
0,8
0,8
0,7
k=5.4 MPa/m [20pci] k=10.8 MPa/m [40pci]
0,7
k=21.6 MPa/m [80pci] 0,6
Suelos Finos
Suelos Granulares
k=43.2 MPa/m [160pci]
0,6
0,5 50000
100000
150000
200000
250000
300000
MÓDULO DE ELASTICIDAD [Kg/cm2] 1kg/cm2 = 14.22 psi
350000
400000
450000
Módulo de Poisson El módulo de Poisson es un parámetro que relaciona la interrelación entre los esfuerzos en una dirección con los esfuerzos en otras direcciones, este parámetro está fundamentalmente influenciado por la homogeneidad del material, específicamente en el PUAD depende de la homogeneidad de la mezcla compactada, forma del espécimen y módulo de elasticidad
Rango de valores* determinados a la fecha en diversos tipos de suelo.
0.06 – 0.10 * De Tipo Dinámico obtenido en especímenes cilíndricos.
Espesor de PUAD ESFUERZOS DE TENSIÓN EN PAVIMENTO [MPa] 1Mpa=145.04 psi
12,0
10,0
8,0
k=5.4 MPa/m [20 pci]
6,0
Zona de Funcionalidad del PUAD
4,0
k=10.8 MPa/m [40 pci] k=21.6 MPa/M [80 pci] k=43.2 MPa/m [160pci]
2,0
0,0 0
5
10
15 ESPESOR DE PUAD [cm] 1 cm = 0.393 plg
20
25
30
Planteamiento General de una Investigación Suelo fino, altamente plástico y de muy bajo peso volumétrico
Suelo granular, no plástico y de alto peso volumétrico
CL CH
CL-ML ML
SP
SP-SM SP-SC
SW-SM SW
SM
SW-SC
Cemento ASTM C91 Tipo M
Cemento ASTM C91 Tipo M
Contenidos: 11%, 15% y 20%
Contenidos: 11%, 15% y 20%
Edades: 1, 3, 7 y 28 días.
Edades: 1, 3, 7 y 28 días.
5 tipos de ensayos: compresión, flexión, modulo de elasticidad, desgaste por rotación e impacto.
5 tipos de ensayos: compresión, flexión, modulo de elasticidad, desgaste por rotación e impacto.
• Material que cumple requerimientos para base granular. • T. M. ¾” • Pvsm = 2,080 kg/m3 • Cemento utilizado en las mezclas: ASTM C 91 Tipo M • Compactación de especímenes según ASTM C 1435
Requerimientos generales, aplicados a las mezclas de material granular no plástico.
• Material fino de bajo peso volumétrico y altamente plástico. • Limite liquido = 58.8% • Limite plástico = 39.9% • Limite de contracción = 14.98%
• Pvsm = 1646 kg/m3 • Tipo de suelo: MH IP= 18.9 • Cemento utilizado en las mezclas: ASTM C 91 Tipo M
• Compactación según ASTM C 1435
Requerimientos generales, aplicados a las mezclas de material fino de alta plasticidad.
Granular no plástico
Fino de alta plasticidad
Donde Rf: Resistencia a la flexión en Kg./cm2 e: Edad en días c: % de cemento en peso (número entero)
Modelos matemáticos de resistencia a la flexión
Granular no plástico
Fino de alta plasticidad
Donde: M: Modulo de elasticidad dinámico (x106 Psi) e: Edad en días c: % de cemento en peso (número entero)
Modelos matemáticos de modulo de elasticidad dinámico
Granular no plástico
Fino de alta plasticidad Donde: RD-A: Perdida por desgaste en maquina de Los Ángeles (% de masa) e: Edad en días c: % de cemento en peso (número entero)
Modelos matemáticos de desgaste por rotación e impacto
Granular no plástico
Fino de alta plasticidad
Modelos matemáticos para desgaste por rotación y sobrepeso Donde: RD-R: Resistencia al desgate rotatorio (% de masa) e: Edad en días c: % de cemento en peso (número entero)
Granular no plástico
Modelos matemáticos de resistencia a compresión Donde Rc: Resistencia a compresión en Kg./cm2 e: Edad en días c: % de cemento en peso ( número entero)
Compresión - Módulo de Elasticidad Dinámico
Módulo de elasticidad (106 Psi)
6 5,5
20%
5
15%
11% 4,5 4
3,5 3 25
45
65
85
105
Resistencia a compresión (Kg/cm2 )
GRANULAR NO PLÁSTICO
125
145
165
6,0
M.R.- Mรณdulo de Elasticidad Dinรกmico
5,5
Modulo de elasticidad (106 Psi)
5,0
20%
4,5
15%
4,0
11%
3,5 3,0
5
7
9
11
13
15
17
Resistencia a flexion (Kg/cm2)
GRANULAR NO PLร STICO
19
21
23
Desgaste en maquina de los Angeles(% de masa)
Compresiรณn - Desgaste por rotacion e impacto 100 80 11% 60
20%
15% 40 20 0 30
GRANULAR NO PLร STICO
50
70
90
110
130
Resistencia a compresion (Kg/cm2)
150
170
190
DEsgaste en maquina de los Angeles (% de masa)
M.R. - Desgaste por rotaciรณn e impacto 105 95 85 75
11%
65 15%
55 45
20% 35 25 5
7
9
11
13
15
Resistencia a flexiรณn ( Kg/cm2)
GRANULAR NO PLร STICO
17
19
21
23
Compresiรณn - Desgaste por rotacion y sobrepeso desgasterotatorio (% de masa)
0,3
11% 0,2 15%
0,2
0,1 20% 0,1
0,0 0
20
40
60
80
100
Resistencia a compresion( Kg/cm2)
GRANULAR NO PLร STICO
120
140
160
180
Abrasion rotatorio (% de masa)
M.R. - Desgaste por rotacion y sobrepeso 0,25 11% 0,20 15% 0,15 0,10 20% 0,05 0,00 0
5
10
Resistencia a flexion (Kg/cm2)
GRANULAR NO PLĂ STICO
15
20
25
Modulo de elasticidad (106 Psi)
M.R. - Mรณdulo de Elasticidad Dinรกmico 4,0 15%
20%
3,5 11%
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0
2
3
4
5
Resistencia a flexion (Kg/cm2)
FINO DE ALTA PLASTICIDAD
6
7
8
M.R. - Desgaste por rotaciรณn e impacto Desgaste en maquina de los Angeles (% de masa)
100 11% 95 90 20%
85
15%
80 75 70 2
3
4
5
Resistencia a flexion( Kg/cm2)
FINO DE ALTA PLASTICIDAD
6
7
8
Abrasion rotatorio (% de masa)
M.R. - Desgaste por rotacion y sobrepeso 2,0
11%
1,8 1,6 1,4
15%
1,2
20%
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
0,0 1
2
3
4
5
Resistencia a flexion (Kg/cm2)
FINO DE ALTA PLASTICIDAD
6
7
8
9
Módulos de Ruptura o Resistencia a la Flexión Depende de la granulometría del suelo principalmente del contenido de agregado grueso en el mismo, porcentaje de cemento, y tiempo de vibro compactación por capa.
Valores Típicos* en Suelos Granulares no Plásticos 11 kg/cm2 – 23 kg/cm2 Valores Típicos* en Suelos Finos y Plásticos 7 kg/cm2 – 15 kg/cm2
Módulos de Ruptura o Resistencia a la Flexión ESFUERZOS DE TENSIÓN EN PAVIMENTO [MPa] 1Mpa=145.04 psi
0,9
0,8
0,8
0,7
k=5.4 MPa/m [20pci] k=10.8 MPa/m [40pci]
0,7
k=21.6 MPa/m [80pci] k=43.2 MPa/m [160pci] 0,6
Suelos Finos
Suelos Granulares
0,6
0,5 50000
100000
150000
200000
250000
300000
MÓDULO DE ELASTICIDAD [Kg/cm2] 1kg/cm2 = 14.22 psi
350000
400000
450000
TODA ESTA INVESTIGACION QUE COMPARTO HA GENERADO CONFIANZA PARA…….
Dependiendo de % y Tipo de CEMENTO • Suelo Mejorado con Cemento
APLICAR una lista interesante de soluciones
• Suelo Estabilizado con Cemento. • Base Granular Tratada con Cemento. • Suelo Cemento Plástico. • Pavimentos Flexibles Reciclados con Cemento. • Pavimentos Unicapa de Alto
Desempeño
RED VIAL EL SALVADOR
ยกMUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !