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PROCESO CONSTRUCTIVO DE LA COMPACTACION SUELO - CEMENTO
UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
INTRODUCCION
El suelo – cemento es un tipo de material utilizado principalmente como base
de pavimentos, en autopistas, pistas de aeropuertos, rutas, pavimentos
industriales, etc., y como albañilería en forma de paredes monolíticas,
cimentaciones de zapatas bloques o baldosas pre – moldeadas.
Es una mezcla en seco de suelo o tierra con determinadas características
granulométricas, cemento Portland y, en su caso, aditivos. A la mezcla se le
adiciona una cierta cantidad de agua para su fraguado y posteriormente se
compacta.
Entre las aplicaciones de un suelo modificado o estabilizado se encuentran la
mejora de los suelos granulares susceptibles a las heladas y el tratamiento de
los suelos limosos y/o arcillosos para reducir los cambios de volúmenes.
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OBJETIVOS
Conocer el proceso constructivo de la elaboración de suelo – cemento
Obtener un material adecuadamente mezclado, compactado y curado,
cumpliendo con las especificaciones técnicas particulares del proyecto.
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¿QUE ES COMPACTACIÓN DE SUELOS?
La compactación de suelos es el proceso artificial por el cual las partículas de
suelo son obligadas a estar más en contacto las unas con las otras, mediante
una reducción del índice de vacíos, empleando medios mecánicos, lo cual se
traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles.
IMPORTANCIA DE LA COMPACTACIÓN DE SUELOS
La importancia de la compactación de suelos estriba en el aumento de la
resistencia y disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al
someter el suelo a técnicas convenientes, que aumentan el peso específico
seco, disminuyendo sus vacíos.
APLICACIÓN DE LA COMPACTACIÓN DE SUELOS
Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales
tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y
ferrocarriles, bordes de defensas, muelles, pavimentos, etc.
OBJETIVOS DE LA COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS
Debe tener suficiente resistencia para soportar con seguridad su
propio peso y el de la estructura o las cargas de las ruedas.
No debe asentarse o deformarse tanto, por efecto de la carga, que se
dañe el suelo o la estructura que soporta.
No debe ni retraerse ni expenderse excesivamente
Debe conservar siempre su resistencia e incompresibilidad
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Debe tener la permeabilidad apropiada o las características de drenaje
para su función.
DE QUE DEPENDEN LOS MÉTODOS USADOS EN LAS COMPACTACIONES DE
SUELOS
Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo
de materiales con que se trabaje en cada caso; en los materiales puramente
friccionantes como la arena, los métodos vibratorios son los más eficientes,
en tanto que en suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el
más ventajoso. En la práctica, estas características se reflejan en el equipo
disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos,
neumáticos o patas de cabra.
MEDIDA DE LA COMPACIDAD DEL SUELO.
Se califica la compacidad por la comparación cuantitativa de las densidades
secas o pesos unitarios secos del suelo va adquiriendo gradualmente, al
variar la humedad, la energía o el método de compactación.
MÉTODO PROCTOR.
Consiste en compactar el material dentro de un molde metálico y cilíndrico,
en varias capas y por la caída de un pistón. Existen dos variaciones del
método Proctor.
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a) Proctor estándar o normal, con pistón de 5 ½ lbs, h = 12’’, N = 25 golpes y 3
capas a compactar. El molde de = 4’’ y volumen 1/30 ft3.
b) Proctor modificado, con pistón de 10 lbs, h = 18’’, N = 25 golpes, y
compactando en 5 capas, con el mismo
molde.
MÁQUINAS DE COMPACTACIÓN
Por presión estática: Apisonadoras clásicas de rodillos lisos, rodillos
patas de cabra. Compactadores de ruedas neumáticas. Apisonadoras
clásicas de rodillos lisos. En estas apisonadoras la característica más
importante es la preside que ejercen sobre el terreno. Se considera un
área de contacto en función del diámetro de los rodillos, peso de la
máquina y tipo de suelo, a través del cual se transmite la preside
estática. Estas máquinas, aunque muy empleadas, la verdad es que su
efecto de compactación alcanza muy poca profundidad en suelos
coherentes
Por impacto: algunas máquinas de compactación que trabajan según
el principio de impacto: Placas de caída libre. Pisones de explosión.
Placas de caída libre: Se trata de unas places de hierro de
superficie de contacto lisa de 0,5 m2, de forma rectangular y con
un peso que oscila entre las 2 y 3 Tm., las cuales se eleven
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mediante cables hasta una altura de 1,5 a 2 m. sobre el suelo y
se les deja caer libremente sobre el mismo. Para ello se necesita
una maquina adicional tal como una excavadora, grúa, etc. La
preside de contacto que produce la caída es muy alta y
comprime en combinación con una cierta sacudida hasta los
suelos pesados, rocosos. Es únicamente en la compactación de
roca donde puede ser interesante.
Pisones de explosión: Este tipo de maquina se levanta del suelo
debido a la explosión de su motor, que por reacción contra el
mismo produce la suficiente fuerza ascendente pare elevar toda
ella unos 20 cm. Al caer ejerce un segundo efecto compactador
dependiente de su peso y altura de elevación. Estos pisones son
muy apropiados pare suelos coherentes, aunque también den
resultado con otra clase de materiales. Son muy buenos pare la
compactación de zanjas, bordes de terraplenes, cimientos de
edificios, etc.
Por vibración: Placas vibrantes. Rodillos vibratorios. Hoy día es quizá la
maquina más utilizada. En los últimos años ha sido tal el número de
tipos y marcas disponibles en el mercado, que casi resulta
materialmente imposible conocerlas todas. Se han empleado en la
compactación de toda clase de suelos sin distinción: bases granulares
artificiales, sub-bases naturales, suelo cementos, rellenos rocosos,
asfaltos, arcillas, arenas, etc., y naturalmente, el éxito ha sido variable.
Hay que considerar primordialmente los efectos de resonancia. Esta es
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función, por una parte, de la composición o tipo del terreno, contenido
de humedad del mismo, etc., y por otra, del propio vibrador. Es decir,
que lo importante es la adecuación de frecuencia de resonancia del
suelo y de la mesa del vibrador.
BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS
Aumenta la capacidad para soportar cargas: Los vacíos producen
debilidad del suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas.
Estando apretadas todas las partículas, el suelo puede soportar cargas
mayores debido a que las partículas mismas que soportan mejor.
Impide el hundimiento del suelo: Si la estructura se construye en el
suelo sin afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando
lugar a que la estructura se deforme (asentamientos diferenciales).
Donde el hundimiento es más profundo en un lado o en una esquina,
por lo que se producen grietas o un derrumbe total.
Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la
penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces
regularse.
Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el
agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería
el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la
contracción del mismo durante la estación seca.
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Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el
volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento
se hinche, y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La
compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo.
¿QUE ES EL SUELO – CEMENTO?
El suelo cemento es un material estructural compuesto de suelos finos y/o
granulares y cemento portland normal, mezclados en forma íntima y
compactado a densidad máxima con un contenido de humedad óptima. Al
hidratarse el cemento, la mezcla se convierte en un material de pavimento
resistente y durable.
El contenido de cemento en peso suele ser del orden del 3 al 7% en peso de
materiales secos y a largo plazo, su resistencia a compresión suele ser
superior a 4 MPa. El contenido de agua se elige para obtener mezclas de
consistencia seca que permitan su compactación con rodillo. El suelo-
cemento se usa normalmente como capa de apoyo de otros materiales
tratados con cemento o de concreto hidráulico o bien como capa resistente,
bajo capas bituminosas. Puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse
in situ.
Una vez endurecida la mezcla de suelo y cemento portland, preparada con
requisitos técnicos bien establecidos y fáciles de cumplimentar, tiene la
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resistencia necesaria y experimenta reducidos cambios volumétricos,
cualquiera sea la cantidad de humedad que haya absorbido, condiciones que
le permiten soportar las tensiones a que la someten las cargas del tránsito y
las acciones del clima.
Puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse in situ.
VENTAJAS Y LIMITACIONES
Dentro de las ventajas que tiene el suelo-cemento pueden destacarse las
siguientes:
Material durable:
Numerosos registros de comportamiento indican que el suelo-cemento tiene
mayor durabilidad que otros materiales de pavimentos de similar costo
inicial.
Mayor uso de materiales locales:
El suelo-cemento permite el uso de gran cantidad de tipos de suelo para su
elaboración, con lo que se consiguen reducir considerablemente los costos
de transporte de material de aporte y aumentar los rendimientos de
construcción.
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Reducido impacto ambiental:
Pues existe menor necesidad de explotación de bancos de material. Mayor
rigidez y mejor distribución de las cargas aplicadas al pavimento: Las
propiedades de las mezclas de suelo-cemento permiten que la carga aplicada
se distribuya en un área mayor que en el caso de una capa granular; por
tanto, a igualdad de capacidad de soporte es posible contar con estructuras
de pavimentos de menor espesor robustas o con un menor número de capas.
Resistencia a los agentes atmosféricos:
Es notable su prolongada durabilidad bajo condiciones adversas. Por ello se
ha usado en lugares con condiciones climáticas muy desfavorables.
Aumento de resistencia y menos intervenciones de mantenimiento:
Las propiedades mecánicas del suelo-cemento se incrementan con el tiempo
lo que favorece que el mantenimiento del pavimento sea mínimo,
obteniéndose prolongada vida útil y una reducción en el total de la
estructura del pavimento.
Las limitaciones que presenta el suelo-cemento son:
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• Es un material en el que se producen grietas de contracción, las cuales
pueden reflejarse en las capas bituminosas superiores.
Sin embargo, es posible controlar considerablemente dicha contracción
mediante uso de cementos adecuados, mezclas de cal, cemento y/o técnicas
de prefisuración.
• Se debe seleccionar el tipo de cemento adecuado y realizar el número de
pruebas necesarias antes de pretender construir capas de suelo-cemento con
suelos de mediana alta plasticidad.
• El tiempo para ejecutar el mezclado, conformación y compactación está
limitado por el del fraguado del cemento.
• Tiene una reducida resistencia al desgaste. Por ello, las bases de suelo-
cemento precisan capas de rodadura de concreto asfáltico, tratamientos
superficiales o capas de rodadura de concreto hidráulico.
CONTROLES:
Los controles que deben realizarse en obras para asegurar los resultados
previstos son fáciles y se refieren a tres factores fundamentales:
1.- Contenido mínimo de cemento para endurecer al suelo en forma
satisfactoria.
2.- Contenido adecuado de humedad de compactación para obtener la
máxima utilización del cemento.
3.- Densidad apropiada para conseguir la máxima efectividad del cemento.
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Además, debe lograrse un mezclado íntimo del suelo pulverizado, cemento
portland y agua, y un satisfactorio curado (mantenimiento de la humedad)
para permitir la hidratación del cemento y como consecuencia la obtención
de un suelo cemento estable y durable.
CONTENIDO DE CEMENTO:
La cantidad de cemento con que se mezclan los suelos para construir suelo
cemento se suelen expresar en porcentaje, en peso respecto al peso de suelo
seco o en volumen con respecto al volumen del suelo cemento.
Como regla general se ha hallado que los requerimientos del cemento crecen
cuando crecen los contenidos de limo y arcilla.
CONTENIDO DE HUMEDAD
El suelo – cemento debe ser compactado con un contenido de humedad
óptimo determinado mediante el conocido ensayo humedad – densidad
(ensayo de Proctor) y la cantidad de agua a agregar es la diferencia entre la
humedad existente en el suelo natural y la óptima citada.
Con poca experiencia, el contenido de humedad de una mezcla de suelo y
cemento puede ser estimado a sentimiento y a ojo con mucha aproximación
mediante el ensayo de compresión manual. Por ejemplo, un puñado de
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mezcla con el contenido de humedad óptima o cercana al mismo contenido
suficiente agua para humedecer las manos cuando se lo comprime con ellas.
Las mezclas con mayor humedad que la óptima dejan agua en exceso en las
manos y con menor humedad se desmenuzan y no pueden ser moldeadas. Si
el contenido de humedad es cercano al óptimo es posible moldear la mezcla
en forma de terrón y partirlo en dos partes sin que se desmenucen
mayormente.
REQUISITOS DEL SUELO CEMENTO
Requisitos Granulométricos
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Requisitos Plásticos
CONSTRUCCIÓN DEL PAVIMENTO:
En la construcción del suelo cemento el objetivo es mezclar íntimamente
suelo pulverizado con cemento en proporciones adecuadas y con humedad
suficiente para obtener la máxima densidad por compactación.
Los métodos de construcción son simples y siguen un procedimiento
definido:
a) Preparación previa:
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1.- Perfilar la superficie del camino transversal y longitudinalmente.
2.- Escarificar, pulverizar y mojar previamente el suelo si fuera necesario (Se
recomienda en la noche anterior a la ejecución).
3.- Conformar nuevamente el suelo así preparado de acuerdo con el perfil
transversal y longitudinal del camino, obteniendo un espesor uniforme del
suelo pulverizado.
b) Proceso constructivo
1.- Distribución del cemento portland sobre el suelo anteriormente
conformado.
2.- Mezcla e incorporación de la humedad.
3.- Compactación
4.- Perfilado superficial y terminado
5.- Curado (mantenimiento de la humedad.
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La construcción comienza con la escarificación del suelo del tramo de suelo
cemento que se construirá en el día, para este escarificado se utilizará un
arado de tres o cuatro rejas, o una niveladora provista de dientes para el
escarificado.
La escarificación progresará desde los bordes hacia el centro de la calzada,
verificando su profundidad al iniciar la operación, que corresponderá al
espesor que se asigna al pavimento de suelo cemento. Una vez terminada
esta operación se iniciará la pulverización del suelo con pulverizadoras
rotativas o rastras de discos.
Los suelos preparados para su mezcla con cemento deben estar libres de
raíces y otros restos de materia vegetal.
Una vez terminada la pulverización del suelo éste será conformado, mediante
la motoniveladora, en el ancho y espesor suelto que correspondan a la
calzada a construir.
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Equipo de Arrastre Para El Movimiento Del Suelo.
En lo que sigue nos referiremos al mezclado del suelo con el cemento sobre
la superficie del camino (mezcla en sitio) siguiendo las anteriores operaciones
de escarificado y pulverización.
La distribución del cemento puede realizarse en forma mecánica o manual,
en este último caso utilizando el cemento provisto en bolsas. El cemento se
distribuirá sobre la superficie conformada del suelo pulverizado en el espesor
uniforme requerido.
Las bolsas se ubicarán sobre esa superficie a distancias iguales, tanto
longitudinal como transversalmente, o con cualquier otro procedimiento que
se considere adecuado de modo de utilizar la cantidad de cemento requerido
por metro cuadrado en el tramo a construir.
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Colocación del cemento sobre el camino, en el suelo previamente rotulado y
perfilado
A continuación se abren las bolsas y se vuelca su contenido de modo que
forme un caballete transversal y finalmente se distribuye el cemento entro
los caballetes transversales lo más uniformemente posible, arrastrando
rastras de dientes fijos o de cepillos a lo largo del tramo a construir.
De este modo se obtendrá una distribución uniforme del cemento sobre toda
la superficie del tramo a construir en el día.
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Distribución del cemento en forma uniforme mediante una rastra de clavos.
Completada la distribución del cemento sobre el suelo pulverizado en la
forma indicada, en el tramo a construir se iniciará de inmediato la mezcla del
suelo humedecido con el cemento.
Esta operación puede realizarse con mezcladoras rotativas, rastras de discos
o de dientes flexibles, implementos que, como se ha dicho, se emplean en las
labores agrícolas, siendo necesarias varias pasadas de los mismos sobre todo
la superficie para obtener una mezcla íntima y uniforme.
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Utilización de la rastra de discos para rotular y mezclar el suelo cemento.
Durante las operaciones de mezclado corresponde determinar el contenido
de humedad de la mezcla, extrayendo las muestras del caso, para controlar la
cantidad de agua que debe incorporarse, si corresponde, para llegar a la
humedad óptima de compactación.
Como resultado de las operaciones descriptas anteriormente debemos
obtener una mezcla íntima de suelo, cemento y agua (esta última en la
cantidad correspondiente a la humedad óptima), que una vez conformada
por la acción de la niveladora debe ser compactada de inmediato.
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En estas condiciones se inician las pasadas de los rodillos “pata de cabra”,
comenzando por los bordes del tramo y progresando hacia el centro de la
calzada, realizando esta operación cuantas veces sea necesario para asegurar
en todo el espesor la compacidad uniforme especificada.
Cuando se haya compactado alrededor de las dos terceras partes del espesor
final, se dará una pasada de niveladora para obtener la conformación
transversal preliminar de la calzada y la uniformidad del espesor de la
mezcla.
Compactación del suelo mediante el rodillo “pata de cabra “
Luego se prosiguen las pasadas de mezcla suelta, hasta tanto el espesor que
mueven las patas del rodillo sin mayor compactación sea de unos 5 cm. En
estas condiciones se retiran los rodillos patas de cabra y nuevamente se
verifica el contenido de humedad de la mezcla suelta y se incorpora
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humedad en caso de que su contenido sea inferior al óptimo, todo ello con
riegos ligeros de los camiones regadores.
En seguida se conforma nuevamente el perfil correcto de la calzada con la
motoniveladora, si fuera necesario, y se termina la compactación superficial
de la mezcla mediante pasadas de un rodillo neumático. La cantidad de
pasadas tanto del rodillo “pata de cabra”como del neumático serán las
necesarias para compactar uniformemente y lograr la densidad especificada
el tramo en construcción, en todo su ancho y espesor.
Sellado y compactación final mediante rodillo neumático
La experiencia indica en forma terminante que la superficie debe ser
terminada con la adecuada, generalmente un poco mayor que la óptima
determinada en el ensayo de humedad – densidad, por el retardo desde la
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iniciación de la compactación, pues de este modo todos los granos de suelo y
cemento pueden unirse firmemente entre sí, además ligarse al suelo
cemento subyacente.
Las huellas o planos de compactación que dejan los equipos se remueven
fácil y rápidamente pasando sobre la calzada una rastra de dientes,
relativamente liviana, con dientes separados alrededor de 5 cm., tiradas por
un tractor o camión con rodados neumáticos alisados por el uso.
Los dientes deberán penetrar únicamente hasta la profundidad necesaria
para aflojar las huellas o planos de compactación.
Generalmente será suficiente una rastra de clavos que puede fabricarse en
obra con listones de madera. Las pequeñas huellas o surcos dejados por los
clavos de la rastra pueden borrarse pasando una rastra de cepillos o bien por
el arrastre de una cadena colocada detrás de la rastra.
Una vez realizadas estas operaciones se procede a la compactación final
pasando el rodillo de ruedas múltiples con llantas neumáticas o un camión
cargado.
En esta etapa de la construcción del pavimento de suelo cemento se verifica
su densidad y espesor.
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Una vez terminadas las operaciones constructivas propiamente dichas debe
realizarse el curado del suelo cemento para evitar las pérdidas de humedad
durante el período de endurecimiento del material, que tiene especial
significación durante los primeros siete días.
Con esta finalidad puede cubrirse el suelo cemento con una capa de tierra de
5 cm de espesor o de paja y/o pasto. Estas cubiertas se humedecerán
inicialmente y deberán mantenerse permanentemente en ese estado
durante siete días.
Otro procedimiento de curado puede obtenerse mediante riegos periódicos
de agua, que saturen superficialmente al suelo cemento, a razón de dos a
tres por día, durante siete días, dependiendo de las condiciones climáticas en
ese lapso.
El método más recomendable es cubrir la superficie con material bituminoso.
Con esta finalidad pueden usarse asfaltos diluidos de endurecimiento medio
o rápido, o emulsiones asfálticas. Los riesgos en ningún caso superarán la
cantidad de un litro por metro cuadrado de superficie a regar.
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Empleo de un camión regador, para humedecer el suelo cemento y para el
curado del mismo
Inmediatamente de finalizadas las operaciones de terminación superficial se
procederá a barrer la superficie y a continuación a regar con agua, saturando
los vacíos superficiales, regando de inmediato el material asfáltico, mientras
esa superficie se mantiene brillosa por el agua regada.
De este modo se evita la penetración del asfalto, que puede impermeabilizar
partículas de cemento que aún no se han hidratado, lo que impedirá el
endurecimiento de la capa superficial.
El riego en estas condiciones permitirá que el asfalto se adhiera firmemente
al suelo cemento sin penetrar.
Después de los siete días puede permitirse el tránsito sobre la calzada
siempre que haya endurecido en la medida necesaria para que los vehículos
no la deterioren.
Cuando la calzada de suelo cemento no está destinada a soportar un tránsito
pesado y frecuente la pequeña abrasión superficial que puede ocasionarle
este tránsito le permitirá prestar servicios sin inconvenientes durante varios
años.
Si las condiciones de tránsito lo hacen necesario, sobre la calzada de suelo
cemento se construirá una carpeta bituminosa que absorberá la abrasión que
produce ese tránsito. Bastará para este fin construir un tratamiento
bituminoso tipo simple o doble.
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Es preferible que la construcción de este tratamiento se postergue de dos a
cuatro semanas para que pueda detectarse cualquier falla superficial del
suelo cemento. No obstante, esta carpeta superficial puede construirse casi
de inmediato, una vez terminada la calzada, cuando el procedimiento
constructivo ha sido correcto.
Como puede apreciarse, el suelo cemento sin ningún recubrimiento es un
material muy adecuado para mejorar las calzadas de calles y caminos
vecinales y rurales que soportan un tránsito, que no es pesado y frecuente,
por varios años.
CONCLUSIONES
El suelo- cemento puede fabricarse en planta central, o bien ejecutarse
in situ.
Las pruebas de laboratorio demuestran que los requerimientos del
cemento crecen cuando crecen los contenidos de limo y arcilla.
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La distribución del cemento en el tipo de suelo puede realizarse en
forma mecánica o manual.
El objetivo de la compactación es el mejoramiento de las propiedades
geotécnicas del suelo, de tal manera que presente un comportamiento
mecánico adecuado.
En el campo y laboratorio existen diferentes métodos de
compactación. La elección de uno de ellos influirá en los resultados a
obtenerse, aunque en carreteras los más recomendados son las
compactaciones estáticas.
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