Relleno fluido de resistencia controlada en alcantarillas

Por Ing. Abel Chacón Ch.

Introducción

La tierra es sin duda el material de construcción más antiguo de los empleados por el hombre en su evolución histórica. Paradójicamente, ha llegado hasta el presente constituyendo prácticamente como una alternativa y significativa en la vivencia de la humanidad.

Instituciones técnicas de reconocido prestigio han emprendido un estudio riguroso y sistemático de la tierra, en las diferentes técnicas constructivas para su aplicación práctica por las vías más racionales, económicas y seguras.

La aplicación práctica del cemento ha permitido desarrollar las técnicas de construcción con tierras. En particular el suelo-cemento ha devenido en un importante material de construcción, en obras viales, donde ha tenido un significativo uso, tanto los suelos finos – gruesos o combinados con características físicas diferentes.

La necesidad de satisfacer los requerimientos de la construcción ha obligado el desarrollo de nuevas tecnologías, que a su vez han brindado la posibilidad de producir de manera continua una serie de nuevos materiales que lo componen son económicos y muy abundantes. Uno de esos materiales que se está utilizando con frecuencia es un producto compuesto de suelo, cemento y agua, de consistencia fluida autonivelante y autocompactante que en estado endurecido es una estructura estable que soporta cargas, cuyas bondades aplicadas en ingeniería han demostrado que es un producto de gran ayuda en pequeñas y grandes obras.

Terminología y su definición

El relleno fluido de terminología mexicana, constituye un material nuevo, que está formado por materiales de suelo, cemento y agua, que su función más frecuente es la de rellenar, y con una consistencia, que para la mayoría de sus aplicaciones suele ser bastante fluida y de baja densidad, que se define como “sustituto de suelo, que se coloca de forma líquida y que una vez endurecido presenta un mejor comportamiento y mejores propiedades que las de un relleno tradicional hecho con materiales granulares.”

En Estados Unidos el comité ACI229R Controlled LowStrength Material (CLSM) , referente a este tipo de materiales, lo define de la siguiente forma: “material cementante autocompactable de baja resistencia controlada, usado principalmente como relleno en vez de un relleno compactado.”
Los Rellenos Fluidos de Resistencia Controlada (RFRC), están regidas bajo las normas de la ASTM; tales como la ASTM D-4832, ASTM D-1196, y ASTM D-4429.

Propiedades del relleno fluido en estado fresco y endurecido

Las propiedades del relleno fluido de resistencia controlada (RFRC) dependen del diseño de la mezcla que se emplee. El relleno fluido es una mezcla de cemento, agregado fino, algunas veces agregado grueso, agua e inclusor de aire, generalmente incluidas entre 15 y 25% del volumen.

Para poder estudiar el comportamiento del cemento como estabilizador de distintos suelos se deben seleccionar el banco o yacimiento a los cuales se les realizará previamente algunas pruebas tales como: análisis granulométricos y límites de Attermberg, para ser clasificados bajo los dos sistemas más utilizados para la clasificación de suelos (SUCS Y AASHTO).

Al hablar de Rellenos Fluidos de Resistencia Controlada no se debe comparar con morteros o con concretos pobres.

Los rellenos fluidos que no contienen aire presentan altas demandas de agua, mayor contracción, menor homogeneidad debido a una mayor tendencia a la segregación, y para ciertos niveles de resistencia muestran mayor dificultad para la excavación, aunque por otro lado en general tienen menor permeabilidad.

Las propiedades relevantes en estado fresco tienen que ver con la consistencia, por la facilidad de colocación y con la masa unitaria del material. En la práctica se ha usado la prueba de revenimiento para evaluar la consistencia del material cuyos revenimientos típicos son de 18 a 24 cm. (norma Mexicana), aunque se llegan a especificar revenimientos menores cuando la aplicación lo requiere. Sin embargo, hay aplicaciones en las que se requiere de una menor consistencia, como el relleno de zanjas en calles muy inclinadas, o cuando se usa para dar pendientes en azoteas.

Los RFRC deben colocarse en capas, permitiendo que cada capa endurezca antes de colocar la siguiente. La segregación se presenta si la mezcla no está correctamente dosificada, puede haber segregación a niveles muy altos de fluidez, cuando ésta es producida por altos contenidos de agua.

Los factores normales que influyen en el tiempo de fraguado son los siguientes: La dosificación de la mezcla RFRC, tipo y cantidad de cemento, temperatura ambiente y de la mezcla, humedad relativa, espesor del relleno, permeabilidad y grado de saturación del suelo de los alrededores que está en contacto con RFRC facilidad en el Bombeo al igual que el concreto, por tanto la dosificación se vuelve un factor crítico.

Por otra parte las propiedades en estado endurecido son las mejores por sus propiedades mecánicas, porque normalmente son superiores a las normalmente obtenidas en suelos.

Los valores del módulo de elasticidad del relleno fluido favorecen el buen comportamiento de las tuberías de alcantarillas, presentando menores deformaciones y menores esfuerzos ante las cargas derivadas del tráfico de vehículos.

Uno de los aspectos básicos que ayudan a comprender el comportamiento de un RFRC es que su resistencia a compresión oscila entre 3.5 a 20 kg/cm2, las cuales en el contexto de concreto son muy bajas; sin embargo en la mayoría de las aplicaciones requieren resistencias a compresión por debajo de los 20 kg/cm2 para permitir la re-excavación futura del material. Los RFRC son una alternativa a la utilización de los suelos granulares compactados; este material (RFRC) puede alcanzar una resistencia a la compresión de 3.5 a 7 Kg/cm2, esto es poco comparado con la resistencia del concreto, sin embargo esa resistencia en términos de capacidad de soporte es el equivalente a un suelo bien compactado. La mayoría de las aplicaciones requieren resistencias a compresión por debajo de los 20 kg/cm2 para permitir la re-excavación futura del material.

Aplicación del relleno de suelo compactado en alcantarillas

La información técnica sobre el comportamiento de las alcantarillas rellenadas en sus laterales y la parte superior, con suelo húmedo óptimo compactado, no siempre es resistente a la erosión e infiltración, tampoco al impacto de las aguas de los ríos que arrastran material y colapsan las alcantarillas; estos casos se presentan en las zonas tropicales donde las precipitaciones superan los 500 mm., cuyo flujo y arrastre de materiales, ha generado en la ruptura de terraplenes y destrucción de las alcantarillas metálicas, de igual forma en las regiones montañosas y valles en cuyas quebradas se escurren las aguas con mucha fuerza por la fuerte pendiente que presentan, las aguas han humedecido y rebasado el cuerpo del terraplén produciendo el asentamiento del mismo y rotura de la alcantarilla, cuya causa es la infiltración del agua por la base de la alcantarilla y el cuerpo del terraplén y laterales, donde ocurre la socavación y erosión de los finos en los laterales de la tubería a través de vacíos capilares por la mala compactación del material y es entendible por la incomodidad de usar equipo de compactación en los costados de la tubería.

Las ventajas del uso de los RFRC, es de fácil colocación, a través de rampas bandas transportadoras, baldes y mezcladoras, siendo autonivelante no necesita ser esparcido y compactado, también es durable. Las capacidades portantes del RFRC son mayores a las requeridas de un suelo compactado, es menos permeable y por lo tanto más resistente a la erosión. El RFRC con resistencias de 3.5 kg/cm2 puede ser fácilmente excavado con equipos convencionales, si así se requiriese un cambio de la alcantarilla por otro de mayor diámetro.

Relleno fluido en alcantarillas

Por otra parte el uso del material suelo cemento fluido ha tenido poca difusión en las empresas constructoras particularmente de su comportamiento, sin embargo ésta técnica ha sido utilizado por otros países con buenos resultados hace más de dos décadas, su utilización ocurre prácticamente en todo tipo de obras civiles, su uso principal es el relleno de tuberías. RFRC son una alternativa a la utilización de suelos granulares compactados, este material puede llegar a la resistencia a la compresión de 3,5 a 7,0 kg/cm2. El RFRC puede ser empleado como soporte de cimentación, su resistencia a la compresión puede llegar a variar de 7 a 84 kg/cm2.

El RFRC no deja vacíos durante la colocación y no se asienta bajo la acción de cargas, si el relleno va a ser cubierto por una capa de pavimento. Sin embargo la forma de los agregados puede afectar las propiedades físicas como la fluidez y la resistencia a la compresión.

Dosificación suelo-cemento fluido

Proporción en volumen (1:10; 1de Cemento y 10 de Suelo) Ec.1 C+S=capacidad máxima de la mezcladora y la Ec.2 C/S=proporción requerida (1:10); la mezcladora de un bolsa de cemento tiene capacidad promedio de 12 cubetas de 5 galones. C+ S=12 ; C/S = 1/10, luego S =10C, sustituimos en C+ S =12 y tenemos C+10C=12 para determinar C=12/11= 1.10 cubetas de cemento, finalmente S=10(12/11)=10.90 cubetas de suelo. La cantidad de agua varía según el tipo de suelo y la consistencia o slump de acuerdo a requerimiento.

Según la norma ACI 229 clasifica la consistencia en 3 tipos del RFRC.

Baja Fluidez menor a 6 pulg. (menor a 15 cm.), Fluidez normal de 6 a 8 pulg. (15 a 20 cm.), Alta Fluidez mayor a 8 pulg.(mayor a 20 cm.)

Otro método de dosificación en volumen es considerando como porcentajes de cemento en la práctica vial, de 4% y 6% de acuerdo al tipo de material
El RFRC es un material que puede alcanzar resistencias requeridas en la construcción. La principal diferencia del suelo cemento fluido con el suelo compactado tradicional, es que este último se coloca como suelo, se humedece y se compacta, en la colocación de alcantarillas, se presenta la incomodidad y espacio para el compactado, al final no se logra el grado de compactación exigido por la especificación; mientras que el suelo cemento fluido se coloca como concreto fluido y posteriormente se comporta como suelo (excavable), sin necesidad de compactación y curado. La mezcla RFRC no se debe vibrar durante o después de su colocación para evitar segregaciones. No es recomendable de hacer uso de suelos arcillosos para la elaboración del RFRC, porque presenta problemas durante el proceso de mezclado, como mezclas pegajosas y mayor demanda de agua. En general debe usarse el material existente en el proyecto.

El RFRC presenta rendimiento y costo inferior respecto al colocado y compactado del suelo en los laterales del tubo de drenaje en una carretera, así se puede observar los trabajos en la carretera pavimentada Tarata-Anzaldo.

Referencia

Viera, A., Benavidez, P. MontoyaR. (2005),Manual de elaboración, colocación y control de Calidad del suelo-cemento fluido.
Rivera, E., (2008) Uso de rellenos fluidos en la construcción.

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