Mantenimiento de Caminos Rurales con Pavimentos Unicapa

MANTENIMIENTO DE CAMINOS RURALES CON PAVIMENTOS UNICAPA Ing. MSc. Marcelo Alfaro Gerente General Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón

1

Introducción

La mayor parte de los caminos rurales de nuestro país no están pavimentados y por tanto presentan diversos problemas de transitabilidad especialmente en época de lluvias, cuando algunas vías pueden tornarse intransitables perjudicando el normal desenvolvimiento de las regiones, que necesitan de rutas adecuadas para su desarrollo. Un paliativo usualmente empleado es la colocación de ripio, pero esta es una solución de corta duración debido a que con el transcurso del tiempo y el paso de los vehículos, se va perdiendo el material y por tanto se requiere de restituciones periódicas de material seleccionado que se vuelven antieconómicas. Esta realidad, común en Latinoamérica, impulsó al Instituto Salvadoreño del Cemento y el Concreto a iniciar una investigación en el año 2000, para lograr un pavimento que constituya una alternativa al ripiado y que simultáneamente sea económica y durable para la red de caminos rurales de bajo tráfico, naciendo de esta manera el Pavimento Unicapa de Alto Desempeño (PUAD). El presente trabajo, se basa en las experiencias desarrolladas en El Salvador, aprovechando la excelente disponibilidad de los técnicos del Instituto Salvadoreño del Cemento y el Concreto (ISCYC), que estuvieron en Bolivia en cuatro diferentes oportunidades, dictando cursos de Suelo – Cemento y Pavimentos Unicapa, además de conferencias en dos importantes eventos. Fruto de este intercambio técnico, en Bolivia se ha desarrollado ya un primer tramo experimental de pavimento Unicapa, el cual es motivo de evaluación para adecuar esta técnica constructiva a los materiales y condiciones climáticas del país, aprovechando sus ventajas técnicas y económicas. El Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón impulsa la realización de nuevos tramos de prueba con diferentes materiales en distintos lugares del país a fin de generar la experiencia local suficiente para implementar paulatinamente esta tecnología. Puesto que la investigación se inició el año 2000, se ha avanzado en los aspectos tanto de diseño estructural así como en los procesos constructivos, monitoreando los tramos experimentales. Los primeros tramos en ser ejecutados por entidades gubernamentales y

privadas son: Río Chiquito – Las Pilas Chalatenango de 5km y Delicias de Concepción – El Limón Morazán de 150m, a los cuales se han unido otros tramos también monitoreados por el ISCYC.

2

Definición

El Pavimento Unicapa de Alto Desempeño, puede definirse como el pavimento formado por el suelo existente el camino, mezclado con un porcentaje de cemento Portland entre el 11 al 18%, que forma una sola capa compactada, capaz de soportar las cargas y el desgaste producido por el tráfico, proporcionando a la vez una superficie de rodaje adecuada para caminos rurales y/o vías de baja intensidad de tráfico. Los pavimentos Unicapa se diseñan para ofrecer capacidad estructural y seguridad al usuario en caminos con velocidades máximas de 65 km/h. y TPDA menor a 500 vehículos. Las consideraciones para los pavimentos Unicapa parten del análisis tanto del diseño así como del comportamiento de los pavimentos compactados con rodillo; suelo-cemento; hormigón pobre; rellenos de baja resistencia controlada y pavimentos rígidos de hormigón. Los pavimentos mencionados pueden dividirse entre aquellos que cuentan con superficies resistentes al tráfico y otros que, si bien proporcionan un importante aporte estructural, requieren de una capa de rodadura, como son las bases de suelo-cemento. En el caso de los pavimentos Unicapa, el aporte estructural es similar al de una base suelo-cemento, y la resistencia al desgaste se logra por el tipo y contenido de cemento, además del proceso de compactación.

3

Antecedentes de la Investigación

En octubre de 2002, se construyó el primer tramo experimental de Unicapa, dentro de las instalaciones de la Planta El Ronco de Cemento de El Salvador, desarrollando estudios de investigación previos, durante y después de la construcción. Se analizaron en profundidad las propiedades de los suelos y se definieron porcentajes de cemento del 13 y 15% en peso. Puesto que este tramo contaba con un alto volumen de tráfico pesado, se constituyó en un tramo de uso acelerado, para obtener resultados de desempeño del pavimento a corto plazo. En El Salvador establecieron la utilización de cemento de mampostería ASTM C91 tipo M, no disponible en Bolivia.

Con los resultados de esta investigación, se construyeron posteriormente los tramos: Delicias de Concepción – Cantón el Limón; San Francisco Gotera, Morazán, Río Chiquito – Las Pilas Chalatenango, con diferentes condiciones de suelo, clima, topografía y tráfico. En Bolivia, el contacto con los profesionales del ISCYC ha permitido que el Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón pueda seguir de cerca los avances de esta tecnología constructiva que ha sido difundida a través de cursos y conferencias y que ha sido motivo de un primer tramo experimental realizado por SOBOCE, con el apoyo del IBCH en la localidad de Limanipata, departamento de La Paz.

4

Ventajas

Pueden destacarse las siguientes ventajas de los Pavimentos Unicapa: 

Utilización de Materiales y Suelos del Lugar. Es posible utilizar la mayoría de los suelos que se encuentran en la traza de la carretera. Los caminos que tienen un ripiado previo pueden requerir menores contenidos de cemento.



Menor Impacto Ambiental. Reduciendo tanto el uso de bancos de préstamo de materiales granulares así como las emisiones generadas por la explotación y transporte de ripio.



Simplificación de Procesos Construcción. Los pavimentos Unicapa se construyen en una sola capa optimizando los rendimientos y la intervención de equipos en la obra, además del control de calidad en obra.



Maquinaria Convencional o de Alto Rendimiento. Puede utilizarse tanto el equipo convencional de carreteras, como motoniveladoras y rodillos compactadores así como equipos pulvimezcladores que en sus versiones más avanzadas dosifican automáticamente el cemento y agua.



Valor Estructural Remanente, al final de la vida útil pude aprovecharse la estructura del pavimento Unicapa como una base de suelo-cemento para apoyar un pavimento rígido o flexible, reduciendo los costos de rehabilitación.



Bajo Costo y Durabilidad. El pavimento Unicapa es una alternativa para los caminos que requieren permanentes ripiados para mejorar su transitabilidad, ofrecen además una mejor superficie de rodadura que un empedrado y su construcción es más rápida. La durabilidad de un UNICAPA se sitúa entre 4 a 6 años y puede ser más económico que efectuar los ripiados y perfilado en este período, además de que al final de este período, tiene una importante vida

remanente, con un aporte estructural que permitirá reducir los espesores de la capa de rodadura que se coloque posteriormente.

5

Campo de Aplicación

Principalmente se puede aplicar en Caminos Rurales; Vías Municipales no Urbanas; Calles en zonas rurales de poco tráfico; Caminos agrícolas; Patios; Plazas y Estacionamientos, siempre en comparación con ripiados periódicos.

6

Estudio de Un Proyecto

6.1 Suelos Inicialmente se debe conocer los suelos existentes a lo largo del camino, identificar cambios en el mismo. Determinar pendientes longitudinales y transversales, obras de drenaje, etc. Si existe material de ripio en un espesor relativamente uniforme, puede excavarse calicatas cada uno o dos kilómetros. Estos pozos de al menos 0.6x0.6x0.75 m, permitirán registrar los espesores de material de ripio que podría estar presente y las distintas capas que conformen la subrasante. Pueden realizarse también ensayos de placa o penetrómetro dinámico de cono (DCP), con los cuales se puede determinar el Módulo de Reacción del Terreno (k). En caso de que no exista material de ripio a lo largo del proyecto y se tengan cambios considerables en el tipo de suelo existente, los pozos de ensayo deberán realizarse cada 500m o según se verifiquen cambios en los tipos de suelos de la traza.

6.2 Diseño de Mezclas Se requiere elaborar un gráfico de módulo de ruptura (resistencia a la flexión), versus porcentaje de cemento, para ello, una vez realizado el diseño estructural, se puede determinar el módulo de ruptura (resistencia a la flexión) requerido, y por tanto el porcentaje de cemento con el que se debe mezclar el suelo. El procedimiento recomendado, incluye la realización de ensayos Proctor T180, de los suelos de lugar mezclados con porcentajes de cemento tentativos a fin de obtener la humedad óptima y la densidad máxima de cada porcentaje considerado. Con los datos de humedad óptima y densidad máxima, se realizan especímenes cilíndricos para determinar la resistencia a la compresión. Si los suelos son finos y plásticos, se utilizan moldes de 10cm de diámetro y 20cm de altura, de igual manera si

son suelos plásticos y medianamente granulares (máximo ¾ de pulgada). Para suelos no plásticos y granulares, se utiliza un molde de 15cm, de diámetro y 30cm de altura (probetas de hormigón). Los procedimientos de compactación en relación al número de capas, golpes por capa y energía, se fundamentan en la fórmula básica y energía de compactación específica de AASHTO T180: E= 56,000 lb-pie/pie3 = N*nx*W*h/V donde: E = Energía específica de compactación. N = Número de golpes del pisón por cada capa n = número de capas W = Peso del Pisón H = altura de caída del pisón V = Volumen total del molde. Adicionalmente, para cilindros de 15x30cm, que requieren un significativo número de golpes, existe un procedimiento de elaboración de especímenes, que consiste en la utilización de un martillo vibrocompactador según se describe en ASTM C1435. Los valores de Módulo de Ruptura a utilizar en el gráfico explicado, deben corresponder a una edad de 60 días, puesto que la hidratación del cemento y el desarrollo de resistencias es mucho más lento en suelos cementados que en hormigones, estos valores pueden obtenerse por correlaciones utilizando los valores de resistencia a la compresión o elaborando vigas de 15x15x60cm según ASTM C78 y ensayándolas a la edad de 60 días. Para la elaboración de dichas vigas, es recomendable el uso del martillo vibrocompactador. En el caso de obtener el Módulo de Ruptura del pavimento Unicapa mediante correlaciones, el ISCYC recomienda aplicar los siguiente criterios: El valor de la resistencia a la compresión a 60 días es 4.5 a 5.5 veces el valor correspondiente a 3 días. El Módulo de Ruptura en mezclas de Unicapa está entre 0.18 a 0.45 del valor de resistencia a compresión a 60 días. Estos valores pueden ser variables, especialmente al ser trasladados a experiencias en Bolivia, por las diferencias tanto en tipos de suelo así como en el propio cemento, de manera que dichas correlaciones deberán ajustarse en la medida en que se puedan realizar más ensayos de laboratorio en el país. En esta etapa del diseño de la mezcla, también se sugiere que antes de ensayar los cilindros para obtener la resistencia a la compresión a 28 y 60 días se utilice un equipo como Pulso Ultrasónico o Frecuencia Resonante para obtener el módulo de elasticidad y el coeficiente de poisson de la mezcla de Unicapa, para utilizar estos valores en el diseño estructural del pavimento.

A largo plazo podría inclusive lograrse un catálogo de dosificaciones en función al tipo de suelo, a partir del cual se pueda determinar los valores de resistencia a la compresión, el módulo de ruptura y el módulo elástico, de forma aproximada, para diferentes contenidos de cemento, para lo cual se necesitará un significativo número de ensayos.

6.3 Diseño Estructural del Pavimento El ISCYC ha trabajado intensamente en el desarrollo de una teoría estructural, habiendo evolucionado en una metodología fundamentada en el método Parmigiani – Di Pace para el diseño de pavimentos de hormigón compactado con rodillo, modificando algunos parámetros, puesto que los pavimentos Unicapa tienen un comportamiento diferente a las mezclas de hormigón. La metodología propuesta ha sido ajustada en función de los resultados de los tramos realizados, dando lugar a un método iterativo que compara el esfuerzo debido a las cargas, con el esfuerzo admisible determinado. Por otra parte, se requiere que el esfuerzo por cargas corresponda al 50% del Módulo de Ruptura, cubriendo así los aspectos de fatiga del material. Debido a lo extenso del procedimiento de cálculo, no es posible cubrirlo en detalle, sin embargo, en el IBCH se cuenta con información completa sobre el método de diseño y también se puede proporcionar asesoramiento técnico al respecto.

6.4 Proceso Constructivo Para construir pavimentos Unicapa, deben seguirse los mismos procedimientos que se emplean para la construcción de bases de suelo-cemento mezcladas en sitio, al respecto, pueden utilizarse desde un tractor agrícola para el mezclado y homogenización, hasta equipos pulvimezcladores con inyección simultánea de cemento y agua. El rendimiento dependerá del equipo a utilizar así como de la habilidad y capacitación del personal. Las etapas para el proceso constructivo son las siguientes:

6.4.1 Preparación del suelo existente Es muy importante verificar los valores de humedad y densidad del suelo en estado natural, para conocer las condiciones del suelo previo a la construcción del pavimento y realizar los ajustes necesarios en la humedad. Se debe escarificar, pulverizar y mezclar el suelo hasta obtener una razonable uniformidad y

conformidad con el alineamiento, niveles y secciones transversales especificadas, se eliminan también los sobretamaños y se realiza una conformación preliminar, aproximada con motoniveladora.

6.4.2 Colocado y extendido del cemento La dosificación y distribución del cemento se pueden realizar manualmente, cumpliendo con la dosificación especificada en el proyecto, procurando obtener una distribución uniforme en toda la superficie de la vía. Es posible también realizar la aplicación del cemento por medio de distribuidores mecanizados en polvo o se puede aplicar en forma de lechada. Una vez colocado el cemento se tiene un plazo máximo de trabajabilidad que depende de las condiciones ambientales, en El Salvador se recomienda 2.5 horas, cementos con puzolana permiten algo más de tiempo, en climas fríos también el proceso de endurecimiento es más lento.

6.4.3 Mezcla del suelo con el cemento Es uno de los temas fundamentales en el proceso constructivo del pavimento, la homogeneización del material y la profundidad del mezclado son dos de los aspectos claves cuya buena ejecución garantizará el adecuado comportamiento del material. El mezclado puede realizarse con motoniveladora o con equipos pulvimezcladores realizando el número de pasadas que sean necesarias para lograr una mezcla homogénea en la profundidad establecida. En Bolivia se cuenta con al menos dos equipos pulvimezcladores, su rendimiento es mucho más alto que las motoniveladoras, el grado de pulverización que se puede alcanzar es también mucho mayor y usualmente en una sola pasada.

6.4.4 Aplicación de agua Una vez realizada la mezcla de suelo-cemento, se recomienda verificar constantemente el contenido de humedad en varios puntos antes de realizar el proceso de compactación, a fin de que se pueda comparar y cumplir con la humedad óptima de compactación del ensayo Proctor AASHTO T180, además se recomienda ejecutar calicatas de observación en la mezcla suelta para asegurarse que el mezclado del suelo, cemento y agua sea eficiente en todo el espesor y que además la humedad sea uniforme en todo el espesor tratado.

6.4.5 Compactación El procedimiento de compactación del Pavimento Unicapa, es el mismo que el caso del suelo cemento o bases tratadas con cemento tradicionales. Se recomienda realizar el procedimiento de compactación en dos fases, especialmente en el caso de que se utilice en suelos plásticos. La primera, inmediatamente después del mezclado, en la cual se deberá lograr una densidad cercana a la especificada utilizando un rodillo de al menos 8 toneladas, tipo pata de cabra, posteriormente, si se requiere se pueden realizar pequeños ajustes al perfil de la vía utilizando motoniveladora, para finalizar el proceso de compactación en una segunda fase mediante la aplicación de un rodillo liso vibratorio de 8 a 10 toneladas, garantizando una superficie densa, libre de surcos y material suelto.

6.4.6 Curado Una vez concluido el proceso de compactación, el pavimento debe protegerse de manera que la humedad de la mezcla compactada no se pierda rápidamente lo que influiría en el proceso de hidratación del cemento. Es posible utilizar riegos continuos de agua posteriormente a las operaciones de compactación por al menos ocho días. También, en el caso de suelos granulares no plásticos, se puede utilizar un compuesto de curado de base acuosa aplicado por aspersión en la misma forma en que se realiza en pavimentos rígidos. Alternativamente se puede aplicar una membrana asfáltica posteriormente a las operaciones de compactación final y acabado.

6.4.7 Apertura al tráfico La apertura al tráfico tanto de construcción como público, puede realizarse en cuanto finalice el procedimiento de compactación y curado.

6.5 Control de Calidad El control de calidad en campo se resume en tres actividades principales: Control en la dosificación del cemento; Humedad de Compactación y Densidad, esto puede alcanzarse a través de las siguientes actividades: 

Verificar que el equipo se encuentre en buenas condiciones.

        

7

Revisión de perfiles longitudinales y transversales Pulverizado correcto del suelo Distribución uniforme del cemento según la dosificación Verificación constante del contenido de humedad de la mezcla Comprobar la adecuada homogenización de la mezcla. Verificar que el grado de compactación alcanzado cumple con la especificación Cumplimiento de los tiempos de ejecución Revisar el espesor de diseño Proporcionar el curado adecuado

Desempeño Estructural y Funcional de los Pavimentos Unicapa

El Pavimento Unicapa es una alternativa al ripiado y se ha observado que tiene una durabilidad considerablemente mayor que un camino al que se realizan continuos ripiados, siendo ésta la alternativa de comparación. Su vida útil es, obviamente inferior a la de un pavimento rígido por ejemplo. En general, en las superficies de Pavimentos Unicapa, aparece en algunos sectores pequeñas fisuras de retracción, especialmente cuando se construye con suelos finos. Estas fisuras no representan ningún riesgo estructural y su aparición es normal. Después de aproximadamente un año de operación, usualmente se produce una pequeña pérdida de material superficial, que al inicio no influye en el comportamiento estructural, pero progresivamente comenzará a deteriorar la superficie, por lo que debe planearse una rehabilitación aproximadamente para el año cinco. Es importante hacer énfasis en que el mantenimiento de las cunetas laterales y obras de drenajes es fundamental y la pendiente transversal del pavimento debe estar en el orden del 3%. La obstrucción de drenajes, especialmente cunetas, unida a al acción del tráfico, puede producir ahuellamientos significativos y daños en el UNICAPA.

8

Costos

Esencialmente, el costo del Pavimento Unicapa depende del porcentaje de cemento en la mezcla y el uso de los equipos para llevar adelante el proceso constructivo. Si el camino está constituido por suelos granulares no plásticos, el costo será menor al de trabajar con suelos finos, de igual manera, el uso de un pulvimezclador en lugar de motoniveladoras, puede abaratar los costos y utilizar un menor tiempo para la ejecución de la obra.

Cuando las distancias de transporte son largas y no es fácil encontrar bancos de materiales adecuados para realizar ripiados continuos, el Pavimento Unicapa será más competitivo. Por otra parte, el uso de Pavimentos Unicapa es una forma de tratar los caminos de forma progresiva, con un costo inicial relativamente bajo, las vías pueden contar un nivel funcional y estructural aceptable durante unos cinco años, cuando es posible colocar una capa de rodadura aprovechando el aporte estructural que puede brindar el pavimento Unicapa.

9

Experiencia en Bolivia

En el país existen interesantes experiencias en el uso de suelo cemento, especialmente mezclado en planta. Los tramos de la carretera Santa Cruz – Puerto Suárez que tienen capa de rodadura de pavimento rígido, tienen especificada una capa sub-base de suelocemento mezclada en planta, que se ha construido normalmente y alcanzando las resistencias de diseño en los tramos San José – Roboré; Roboré – El Carmen; El Tinto – San José y la parte de pavimento rígido de Paraíso – El Tinto. En cuanto al suelo-cemento mezclado en sitio, el IBCH impulsó un tramo experimental en Santa Cruz, en la Circunvalación de Saavedra, realizado en coordinación con el SEPCAM de Santa Cruz, el Comando de Ingeniería del Ejército, las cuatro fábricas de cemento del país y la Alcaldía de Saavedra. Este tramo se realizó con el equipo Pulvimezclador del COMANING, mezclando diversos tipos de materiales y se encuentra en operación con un revestimiento de Tratamiento Superficial desde hace más de dos años. En cuanto al uso de Pavimentos Unicapa, SOBOCE realizó junto al IBCH un tramo de prueba en la localidad de “Alto Limanipata”, zona rural en la cual existe un importante tráfico de volquetas que transportan áridos, con el barrio “Las Nieves” al que se tiene acceso por la Avenida Periférica o la Autopista La Paz – El Alto, por lo que el tráfico es mayor al que se puede esperar en una zona rural típica. Para el diseño, puesto que no se cuenta con un estudio de tráfico a detalle, se ha utilizado el conteo interno de la planta de Áridos San Roque, volquetas de las cuales se tiene además los pesos por eje, siendo el total 31 volquetas cargadas para el carril de diseño, con un peso estimado de 25 toneladas para configuración de eje delantero simple (7 t) y trasero tándem (18 t). Se han realizado estudios de suelos, dando por resultado una clasificación A-1, con CBR de 21% para el 95% de compactación y expansión de 0%. En este sentido, se realizaron pruebas de laboratorio con diferentes contenidos de cemento, dando los siguientes resultados para probetas a la compresión a los 28 días:

11

Resistencia promedio (kg/cm2) 56.7

13

56.1

15

91.3

17

72.9

% de Cemento

En cuanto a los resultados a flexión se han obtenido los siguientes a los 28 días:

11

Resistencia promedio (kg/cm2) 12.0

13

15.3

15

22.0

17

23.7

% de Cemento

Con respecto a la resistencia al desgaste en la máquina de Los Ángeles, se realiza la prueba con un método similar al de Cantabro, sin utilizar las bolas de desgaste y con las probetas que fueron ensayadas a la flexión. Para ello, la recomendación del ISCYC es que no se supere el 50%. % de Cemento

Desgaste (%)

11

67.1

13

53.4

15

29.0

17

23.3

De los resultados obtenidos, aparentemente un contenido de cemento del 14% cumpliría con todos los requisitos de un pavimento UNICAPA. Realizando el procedimiento de diseño y la determinación de tensiones esperadas en el pavimento, el resultado fue de realizar un pavimento de 25cm de espesor con un 14% de cemento mezclado con el suelo de subrasante. En obra, considerando la posibilidad de tener mayores experiencias, se definió construir la capa de 25cm pero utilizando contenidos de cemento de 12% y de 14% por ello se dividió el tramo de prueba en dos subtramos iguales variando el contenido de cemento. La obra fue construida durante el mes de noviembre y hasta el momento muestra un buen comportamiento y está sujeta a evaluación. Se espera realizar nuevos tramos de prueba, en breve, esta vez en la ciudad de Santa Cruz, dentro de la planta de cemento Warnes.