Manual Reciclados WIRTGEN

Wirtgen Manual de Reciclado en Frío

Wirtgen Manual de Reciclado en Frío

2da Edición Noviembre de 2004

Wirtgen GmbH Hohner Strasse 2 · 53578 Windhagen · Alemania Tel.: Fax:

+49 (0) 26 45 / 131-0 +49 (0) 26 45 / 131-242

ISBN 3-936215-08-1 2da Edición 2004 2da Revisión 2001 Primera Edición 1998 Copyright © 1998, 2001, 2004 por Wirtgen GmbH. Todos los derechos reservados. Prohibida su reproducción, transmisión o almacenamiento total o parcial por cualquier medio sin permiso de Wirtgen GmbH

Agradecimientos Esta Segunda Edición del Manual de Reciclado en Frío Wirtgen fue realizada por un equipo de especialistas de amplia experiencia en distintas áreas de la rehabilitación de pavimentos, y especialmente en aquellas relacionadas con la reutilización de los materiales existentes en los pavimentos viales. Este equipo incluye a ingenieros de Loudon International, quienes han asesorado a Wirtgen y sus respectivos clientes por más de 10 años en la aplicación de tecnologías de reciclado. Como una forma de reconocer los rápidos avances que ha tenido la ingeniería de pavimentos, y su liderazgo indiscutido en esta área, el profesor Kim Jenkins de la Universidad de Stellenbosch fue invitado a unirse al equipo de especialistas. Sus contribuciones a todo el manual son valiosas y especialmente relevantes en aquellos capítulos en que se expone la rehabilitación, diseño y uso de agentes estabilizadores. Además, los ingenieros de Wirtgen GmbH contribuyeron en corregir errores de la Edición previa y en asegurar que esta nueva versión solucionaría los problemas y dudas manifestados por sus clientes. Wirtgen GmbH agradece a todos aquellos que han contribuido a la elaboración de este Manual e invita a los lectores a retroalimentar y comentar el mismo, sin importar la naturaleza de los comentarios, los cuales pueden ser enviados directamente a: [email protected] Wirtgen GmbH, Noviembre de 2004

Introducción Introducción

13

Capítulo 1 Pavimentos de Carreteras

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1.1 General 1.2 Componentes del Pavimento 1.2.1 Superficie 1.2.2 Estructura de pavimento 1.2.3 Explanada 1.3 Principales Factores que Afectan la Estructura de Pavimento 1.3.1 Condiciones ambientales 1.3.2 Cargas de tráfico 1.4 Factores que Causan el Deterioro del Pavimento 1.4.1 Factores ambientales 1.4.2 Efectos del tráfico 1.4.3 Consecuencias del agrietamiento 1.5 Mantenimiento y Rehabilitación Estructural de Pavimentos 1.6 Opciones de Rehabilitación 1.6.1 Rehabilitación superficial 1.6.2 Rehabilitación estructural

17 18 18 19 20 20 20 21 21 22 22 23 24 25 26 26

Capítulo 2 Reciclado en Frío

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2.1 General 2.2 El Proceso de Reciclado en Frío 2.2.1 Reciclado en planta 2.2.2 Reciclado in-situ 2.3 Aplicaciones del Reciclado en Frío 2.3.1 Reciclado del 100% de RAP 2.3.2 Estabilización con RAP/base granular 2.3.3 Pulverización 2.3.4 Reprocesamiento 2.3.5 Modificación de propiedades mecánicas 2.4 Tipos de Máquinas Recicladoras Wirtgen 2.4.1 Recicladora in-situ 2.4.2 Unidad de mezclado en planta 2.4.3 Equipo auxiliar 2.5 Beneficios del Reciclado en Frío 2.6 Aplicabilidad del Proceso de Reciclado en Frío

29 29 29 30 31 33 33 34 34 34 35 35 39 40 40 41

Capítulo 3 Rehabilitación de Pavimentos

43

3.1 Introducción 3.2 Procedimiento de Diseño para la Rehabilitación de Pavimentos

43 44

3.3 Adquisición de Datos y Procesamiento de la Información Disponible 3.3.1 Información del pavimento existente (información histórica) 3.3.2 Diseño de tráfico

46 46 46

3.4 Investigaciones Preliminares 3.4.1 Determinación de secciones homogéneas 3.4.2 Evaluación visual 3.4.3 Reevaluación de las secciones homogéneas

47 47 50 51

3.5 Investigación Detallada 3.5.1 Excavación de calicatas 3.5.2 Extracción de testigos 3.5.3 Ensayos de laboratorio 3.5.4 Cono de penetración dinámica (CPD) 3.5.5 Análisis de las medidas de deflexión 3.5.6 Medidas de la profundidad del ahuellamiento 3.5.7 Síntesis de todos los datos disponibles

51 51 52 52 53 54 54 54

3.6 Opciones Preliminares de Diseño de Rehabilitación de Pavimentos 3.6.1 Aproximaciones del diseño de pavimentos 3.6.2 Método de guías de diseño 3.6.3 Método del número estructural 3.6.4 Método basado en deflexiones 3.6.5 Método de diseño mecanicista 3.6.6 Resumen de las aproximaciones de diseño de pavimentos

55 56 57 57 57 58 58

3.7 Diseño de Mezclas en Laboratorio para Materiales Reciclados

59

3.8 Finalización del Diseño de Pavimentos

60

3.9 Análisis Económico

61

Capítulo 4 Agentes Estabilizadores

63

4.1 Tipos de Agentes Estabilizadores 4.1.1 Generalidades 4.1.2 Agentes estabilizadores cementados 4.1.3 Agentes estabilizadores asfálticos

63 63 64 64

4.2 Estabiliación con Cemento 4.2.1 Generalidades 4.2.2 Factores que afectan la resistencia 4.2.3 Agrietamiento de capas tratadas con cemento 4.2.4 Aplastamiento (crushing) superficial 4.2.5 Durabilidad 4.2.6 Trabajando con cemento 4.2.7 Tránsito temprano 4.2.8 Propiedades típicas de materiales tratados con cemento

66 66 66 67 68 69 70 73 73

4.3 Estabilización con Asfalto

75

4.4 Estabilización con Emulsión Asfáltica 4.4.1 General 4.4.2 Tipos de emulsión 4.4.3 Trabajando con emulsiones asfálticas

76 76 77 78

4.4.4 4.4.5

Concepto de contenido total de fluido Propiedades típicas de materiales estabilizados con emulsión asfáltica

79 80

4.5 Estabilización con Asfalto Espumado 4.5.1 General 4.5.2 Características del asfalto espumado 4.5.3 Material adecuado para tratamiento con asfalto espumado 4.5.4 Trabajando con asfalto espumado 4.5.5 Propiedades típicas de materiales estabilizados con asfalto espumado

81 81 83 86 88 90

4.6 Resumen: Comparación de Agentes Estabilizadores Cementantes versus Bituminosos

95

Capítulo 5 Soluciones de Reciclado

97

5.1 Cuadro Guía con Posibles Estructuras de Pavimento Reciclado

97

5.2 Sustitución de Mezcla Asfáltica en Caliente Convencional por RAP Estabilizado con Asfalto Espumado

99

5.3 Reciclado en Dos Etapas para Alcanzar Mayor Resistencia

99

5.4 Reciclado In-situ en Dos Etapas

101

Capítulo 6 Consideraciones Constructivas

103

6.1 Generalidades

103

6.2 Planificando el Reciclado 6.2.1 Selección del equipo 6.2.2 Objetivo de producción 6.2.3 Material en el pavimento existente 6.2.4 Geometría del pavimento existente 6.2.5 Acomodamiento de tráfico 6.2.6 Logística 6.2.7 Requerimientos de producto final 6.2.8 Requerimientos pre-reciclado 6.2.9 Requerimientos específicos antes de la apertura al tráfico 6.2.10 Plano de producción diario

104 104 106 106 106 110 110 112 112 112 113

6.3 Trabajo Preliminar Previo al Reciclado 6.3.1 Remoción de las obstrucciones 6.3.2 Pre-conformación del camino existente antes de reciclar 6.3.3 Importación de nuevo material 6.3.4 Fresado previo al reciclado 6.3.5 Pre-pulverizado

114 114 115 116 116 117

6.4 La operación del Reciclado 6.4.1 Configuración del tren de reciclado 6.4.2 Comienzo de la operación 6.4.3 Reciclado 6.4.4 Juntas transversales 6.4.5 Colocación del material reciclado

118 118 118 119 122 122

6.5 Compactación

123

6.5.1 6.5.2 6.5.3

Densidades requeridas Factores que influyen en la densidad de terreno Logro de la densidad máxima de terreno

123 125 127

6.6 Terminando la Nueva Capa Reciclada

129

6.7 Control de Calidad 6.7.1 Chequeos y ensayos de control de procesos 6.7.2 Chequeos y ensayos de aceptación

129 130 131

Lista de Referencias

133

Apéndices

137

Apéndice 1: Rehabilitación de Pavimentos y Ejemplos de Diseño A1.1 Rehabilitación de caminos de tráfico pesado A1.2 Mejorar el estándar de un camino de grava A1.3 Sustituir el RAP estabilzado con asfalto espumado por una base asfáltica en caliente

139 141 157

Apéndice 2: Procedimiento de Diseño de Mezclas para Materiales Estabilizados A2.1 Muestreo y preparación A2.2 Procedimiento de diseño de mezclas para materiales estabilizados con cemento A2.3 Procedimiento de diseño de mezclas para materiales estabilizados con asfalto A2.4 Procedimientos de ensayos de resistencia A2.5 Determinación de las propiedades de corte de los materiales estabilizados con asfalto A2.6 Equipos de laboratorio requeridos

175 177

167

179 181 190 192 194

Apéndice 3: Procedimientos de Diseño Estructural de Pavimentos para Capas Estabilizadas con Asfalto Espumado A3.1 Métodos de diseño de pavimentos A3.2 Diseño de pavimentos utilizando números estructurales A3.3 Diseño de pavimentos usando métodos mecanicistas A3.4 Diseño de pavimentos usando el método de límite de razón de tensiones

210

Apéndice 4: Determinación de la Capacidad Estructural a partir de Información de Tráfico A4.1 Terminología asociada al tránsito A4.2 Clasificación de carga de tránsito A4.3 Estimaciones de cargas de tránsito A4.4 Determinación del tránsito de diseño A4.5 Enfoque práctico para la determinación del tránsito de diseño

215 217 217 218 222 223

Apéndice 5: Recomendaciones para la Preparación de Especificaciones Técnicas para Proyectos de Reciclado A5.1 Alcance A5.2 Materiales A5.3 Planta y equipamiento

225 227 228 230

197 199 200 205

A5.4 A5.5 A5.6 A5.7 A5.8

Construcción Protección y mantenimiento Tolerancias de construcción Inspecciones de rutina y ensayos Medición y pago

234 241 241 242 245

Apéndice 6: Principios del Análisis Económico A6.1 Introducción A6.2 Comparación de costo en un tiempo base A6.3 Técnicas de evaluación económica A6.4 Período de análisis y valor terminal y residual del transporte

251 251 252 255 257

Apéndice 7: Análisis de Costos A7.1 Precios unitarios básicos A7.2 Rehabilitación de caminos de alto volumen de tráfico A7.3 Mejoramiento de un camino de grava existente A7.4 Sustitución de HMA por RAP estabilizado con asfalto espumado

257 259 260 263 266

Introducción El Manual de Reciclado en Frío Wirtgen fue publicado en inglés por primera vez en 1998. Desde este año ha sido traducido a varios idiomas y han sido distribuidas más de 5,000 copias alrededor del mundo. Numerosos reportes, artículos tecnológicos expuestos en congresos, y otras publicaciones técnicas han utilizado al manual Wirtgen como referencia en forma directa o sus bibliografías. Con estos antecedentes, es posible afirmar que el Manual de Reciclado en Frío Wirtgen ha llegado a ser el documento de referencia de esta tecnología. La importancia que ha adquirido este Manual, hace que los contenidos del mismo tengan que evolucionar al mismo ritmo que la tecnología de reciclado en frío, tanto en el área de Ingeniería Mecánica como de Ingeniería Civil. Este desarrollo tecnológico se lleva a cabo en las instalaciones de Wirtgen en Alemania, donde ingenieros especialistas de alto nivel trabajan y transfieren la información y experiencia adquirida en terreno para mejorar el desempeño y capacidad de la maquinaria existente, y también para formular o diseñar nuevos modelos de maquinaria. También trabajan Ingenieros especialistas en diseño de pavimentos, quienes perfeccionan la tecnología aplicable al reciclado, específicamente en el área de la estabilización de agregados de alta calidad que pueden recuperarse de las capas superiores del pavimento existente. En forma paralela a este desarrollo tecnológico, el deterioro de la infraestructura vial a nivel mundial ha seguido su incremento, y muchos países enfrentan una paulatina reducción en los estándares de su infraestructura vial. Incluso, el aumento de las operaciones de mantenimiento, y los esfuerzos de rehabilitar la infraestructura para mantenerla en los rangos de nivel de servicio aceptables, generan demandas enormes en los presupuestos de un país o estado. La situación es exacerbada por el patrón global de crecimiento en los volúmenes de tráfico. Este crecimiento está compuesto por un incremento en las cargas por eje y por el aumento de la presión de los neumáticos, factores que contribuyen al deterioro del pavimento. La enorme problemática podría ser evitada con un significativo incremento en los presupuestos asignados a los caminos o carreteras, en conjunto con una innovación tecnológica en el área de la ingeniería de pavimentos. Debido a que existen escasos presupuestos a nivel de países o estados que aumenten en términos reales, el interés se ha focalizado en conseguir mejores resultados con menores recursos. El reciclado claramente cae dentro la categoría de conseguir más por menos. De hecho, las estadísticas muestran que el número de kilómetros-pista de pavimento deteriorado que es rehabilitado mediante la técnica de reciclado profundo se incrementa año a año. Este fenómeno es el reflejo de la reducción de costos en términos de costo/efectividad del proceso de reciclado. Para actualizar todos los cambios y desarrollos que han acontecido desde la primera vez que se publicó el Manual de Reciclado en Frío Wirtgen, los autores concluyeron se requería de una revisión completa del mismo. La mayor parte del material expuesto en esta versión ha sido reescrita o es completamente nuevo. Un capítulo adicional ha sido añadido al Manual. Además, para hacer más amigable el uso del mismo, cada capítulo ha sido reestructurado y más figuras han sido incluidas. De igual forma que el manual anterior, esta versión se publica como un manual de aplicación que se centra específicamente en el reciclado en frío in-situ de pavimentos flexibles. No incluye reciclado en planta, remezclado en caliente de asfalto, ni tampoco considera rehabilitación de pavimentos de concreto. El primer capítulo es una introducción a los pavimentos de caminos, y se centra en el objetivo de los mismos y cómo se van deteriorando. Esta introducción presenta las opciones de rehabilitación, e introduce el concepto de reciclado en frío el cual es tratado en el Capítulo 2. En este capítulo también se muestra la maquinaria utilizada en el proceso.

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El Capítulo 3 aborda los aspectos de diseño para la rehabilitación de pavimentos, centrándose en el reciclado. Son tratados en profundidad los tópicos de investigación de pavimentos, análisis de materiales y diseño de pavimentos. En el Capítulo 4 se presentan los agentes estabilizadores, uno de los elementos más importantes en el proceso de reciclado. El Capítulo 5, “Soluciones de Reciclado”, presenta una serie de estructuras de pavimentos que pueden ser utilizadas para la rehabilitación mediante reciclado en frío, incluyendo las estabilizaciones tanto con cemento o asfalto. Finalmente, el Capítulo 6, “Consideraciones Constructivas”, expone los aspectos prácticos del proceso de reciclado. Una lista de Bibliografía relevante se incluye después del Capítulo 6. Los Apéndices son una fuente adicional de información. Ejemplos de los procedimientos para la rehabilitación de pavimentos se incluyen como indicaciones en el Apéndice 1. Los procedimientos estándares de diseño de mezclas estabilizadas son expuestos en el Apéndice 2, así como un listado con el equipo de laboratorio utilizado para realizar el diseño de mezclas. En el Apéndice 3, los procedimientos para el diseño de pavimentos con asfalto espumado son completamente nuevos. Fueron incluidos con el objetivo de apoyar al ingeniero o profesional de la construcción con esta tecnología relativamente nueva, que en general ha recibido un escaso aporte de la literatura técnica. La metodología utilizada para determinar el criterio de diseño de pavimentos a partir de los datos de tráfico se expone en el Apéndice 4, seguido del Apéndice 5, el cual incorpora recomendaciones para estructurar especificaciones técnicas acordes a un proyecto de reciclado en frío. El Apéndice 6 entrega información útil para realizar un análisis económico de un proyecto de reciclado, mientras que el Apéndice 7 presenta precios unitarios aproximados para la determinación de los costes ilustrados en los ejemplos del Apéndice 1. Toda la información contenida en estos apéndices es relevante para la tecnología del reciclado en frío, pero incluirla en los capítulos haría que el manual fuese muy difícil de utilizar.

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Capítulo 1: Pavimentos de Carreteras 1.1

General

La superficie o capa de rodadura es la única parte visible de un camino. Bajo esta superficie, existe una estructura constituida por varias capas de distintos materiales, que en ciertos casos puede alcanzar profundidades mayores a 1,0 metro. La estructura de pavimento bajo la superficie es la sección de la carretera que realiza el trabajo de soportar las cargas de tránsito. El peso de los vehículos aplicada en la superficie se transfiere o disipa a la “subrasante” (material natural bajo el pavimento) a través de la estructura de pavimento. La subrasante generalmente es una capa débil en términos de capacidad de soporte. Las fuertes cargas de tráfico aplicadas en la superficie del pavimento se van distribuyendo sobre un área más grande en las capas inferiores hasta llegar a la susbrasante, como se ilustra en la Figura 1.1. Fig. 1.1 Transferencia de carga a través de la estructura del pavimento

Carga de Rueda

Load

Area de Contacto Superficie Estructura de Pavimento

Transferencia de Carga Subrasante

Cada una de las capas que conforman la estructura de pavimento varía en su composición y espesor (generalmente entre 125 mm a 200 mm). Las capas de la superficie son construidas utilizando materiales de alta resistencia (por ejemplo, una mezcla asfáltica en caliente) con el objetivo de resistir las altas tensiones producidas por las cargas de tráfico. A medida que la carga se distribuye sobre un área mayor en las capas inferiores, el nivel de tensiones se reduce. Por lo tanto, las capas inferiores pueden estar constituidas por materiales de calidad inferior (por ejemplo, materiales granulares). Como consecuencia, los materiales de las capas inferiores son más económicos que los materiales de las capas superiores (en la Sección 1.2 se discutirán los distintos componentes del pavimento). Los pavimentos de carreteras se clasifican básicamente en dos tipos: – Pavimentos rígidos, con una capa gruesa de concreto de alta resistencia sobre una base granular estabilizada. – Pavimentos flexibles, construidos de materiales naturales con las capas superiores con algún tipo de ligante (usualmente asfalto y / o levemente cementadas). En términos generales, sólo los pavimentos flexibles pueden ser reciclados in-situ. Los pavimentos rígidos construidos de un hormigón de alta resistencia habitualmente son demolidos al final de su vida útil. Por lo tanto, este manual se centra sólo en pavimentos flexibles compuestos por una superficie asfáltica.

Capítulo 1

17

Una vez que ha finalizado la construcción de una carretera, ésta se somete a las fuerzas destructivas o solicitaciones del medioambiente y tráfico. Ambos factores actúan en forma continua, reduciendo la calidad de rodadura y la integridad estructural del pavimento. Estas solicitaciones se discutirán en la Sección 1.3, además de los mecanismos de deterioro de pavimentos y las acciones que deben tomarse para retardar este proceso (mantenimiento), y las medidas para restaurar la serviciabilidad una vez que el deterioro ha alcanzado un nivel de servicio inaceptable (rehabilitación estructural).

1.2

Componentes del Pavimento

Como se mencionó anteriormente, los pavimentos tienen tres componentes principales: la superficie, la estructura de pavimento y la subrasante. Cada uno de estos tiene un objetivo distinto y se definen a continuación.

1.2.1

Superficie

La superficie es la interface del pavimento con las solicitaciones de tráfico y medioambiente. Su función es proteger la estructura de pavimento de ambos efectos destructivos, entregando durabilidad e impermeabilidad a la estructura.

1.2.1.1 Protección al tráfico El tráfico afecta la superficie en dos formas: – Tensiones generadas en la superficie por las cargas de rueda. Estas suelen ser predominantes en el plano o dirección vertical. Sin embargo, la componente horizontal llega a ser considerable en los bordes, gradientes de cuestas y en intersecciones o cruces donde los vehículos frenan. Las características de resistencia del material utilizado en la superficie debe ser capaz de resistir todas estas tensiones sin romperse o deformarse. – Acción abrasiva de los neumáticos. Esta acción es especialmente significativa en los bordes y tiende a deteriorar y desgastar la superficie, generando el pulido de la misma y produciendo una reducción en la fricción de la superficie (resistencia al patinaje). Las superficies desgastadas se vuelven resbaladizas cuando están húmedas y pueden ser peligrosas para los usuarios de la carretera.

1.2.1.2 Protección del medio ambiente El medio ambiente afecta la superficie mediante dos fenómenos: los efectos térmicos y la radiación ultravioleta. Una superficie de pavimento debería presentar las siguientes propiedades para resistir las acciones del medio ambiente: – Elasticidad, para permitir la expansión y contracción repetitiva de los materiales, producidas por los cambios de temperatura. – Durabilidad, para absorber el bombardeo de radiación ultravioleta del sol, evitando un envejecimiento prematuro. Además de la resistencia al deslizamiento, la superficie asfáltica provee flexibilidad, durabilidad e impermeabilidad en la parte superior de la estructura. Las mezclas asfálticas en caliente (con un porcentaje aproximado de asfalto de un 5% por unidad de peso) generalmente se utilizan como capa superficial para carreteras de tráfico pesado, mientras que los tratamientos superficiales (de menor costo) son aplicados donde el volumen de tráfico es menor.

18

Capítulo 1

1.2.2

Estructura de pavimento

La estructura de pavimento transfiere la carga de tránsito desde la superficie hasta la subrasante. Como se ilustra en la Figura 1.1, la carga aplicada por una rueda se reduce dentro de la estructura a medida que ésta se reparte en una superficie mayor. El pavimento generalmente está compuesto por varias capas de material, con distintas propiedades de resistencia. Cada capa tiene el objetivo de distribuir la carga que recibe desde la parte superior, a un área mayor en la parte inferior. Las capas ubicadas en la parte superior de la estructura están sujetas a tensiones mayores que aquellas en la parte inferior, y por lo tanto requieren de un material más resistente. La Figura 1.2 muestra los tipos de materiales que comúnmente se utilizan para construir pavimentos flexibles. La respuesta de un material (tensiones, deformaciones), a la carga de Fig. 1.2 Estructuración típica de pavimentos flexibles

Posición relativa en la estructura

Superficie

Material de construcción Asfalto o sello asfáltico

Base

Mezcla asfáltica/granular estabilizado con asfalto o cemento/granular

Subbase

Granular estabilizado con asfalto o cemento/granular

Subrasante

Granular estabilizado con cemento/granular/material in-situ

tránsito depende en gran medida de las propiedades elásticas del material y de la carga misma (magnitud, presión, etc). El área de la ingeniería (Diseño Estructural de Pavimentos) que estudia en profundidad la respuesta de los materiales de pavimentos se encuentra más allá del alcance de este manual de reciclado. Sin embargo, los puntos más importantes son: – Los materiales granulares (gravas, material de machaqueo), transfieren las cargas a través de las partículas o esqueleto de la estructura. La fricción interna de las partículas mantiene la integridad estructural bajo condiciones normales. Sin embargo, si los materiales granulares son sometidos a cargas repetitivas de tránsito en conjunto con un incremento en el contenido de humedad, se produce un proceso de densificación gradual en el material (las partículas que lo conforman comienzan a juntarse). Este fenómeno puede ocurrir en cualquier capa granular de la estructura, generando una deformación de la capa superficial del pavimento. Esta deformación se manifiesta habitualmente como un extenso ahuellamiento bajo la huella de los neumáticos. – Los materiales ligados (con asfalto), actúan en forma similar a una losa. La aplicación de una carga vertical a la superficie de una losa genera tensiones de compresión horizontales en la mitad superior de la misma, y tensiones horizontales de tracción en la mitad inferior. Las tensiones horizontales máximas se producen en el extremo superior e inferior. La deformación unitaria producto de estas tensiones, y particularmente la deformación unitaria repetitiva de tracción en la parte inferior de la capa, lleva al material a una falla del tipo fatiga. Las grietas producidas por la fatiga se forman en la parte inferior de la capa y luego se propagan verticalmente a medida que las repeticiones de tráfico aumentan. La deformación producida en el material granular, y el agrietamiento de fatiga del material ligado están relacionados al número de repeticiones de carga. Esto permite determinar la vida funcional del pavimento en términos del número de veces que puede ser cargado hasta que “falle”. Esto se discutirá en profundidad en el Capítulo 3.

Capítulo 1

19

1.2.3

Explanada

La subrasante o material natural que soporta la estructura de pavimento puede estar compuesto por material in-situ (si se trata de una condición de corte) o material importado a la obra (si se trata de una condición de relleno). Las características de resistencia del material de subrasante determinan las características de la estructura de pavimento requerida para disipar las fuerzas aplicadas en la superficie. Estas fuerzas deben ser reducidas hasta alcanzar una magnitud tal que pueda ser tolerada por la subrasante, evitando la deformación permanente de la misma. Los métodos de diseño de pavimentos generalmente utilizan la resistencia y rigidez de la subrasante como parámetros de entrada. La determinación de estos parámetros tiene por objetivo el proveer a la estructura de la resistencia necesaria para proteger la subrasante. Este método o paroximación al diseño de pavimentos fue adoptado por primera vez en la década de los 50, con el método de diseño empírico denominado Razón de Soporte California (California Bearing Ratio o CBR), el cual ha perdurado hasta el siglo 21. En general, las estructuras de pavimento de gran espesor son construidas para proteger una capacidad de soporte deficiente de la subrasante. El espesor requerido usualmente es alcanzado mediante la construcción de capas seleccionadas de explanada o “capping” (por capas).

1.3

Principales Factores que Afectan la Estructura de Pavimento

En el mundo, los caminos se construyen bajo cualquier condición ambiental: desde climas desérticos con altas temperaturas a regiones altamente lluviosas tipo tundra glacial. Sin importar la condición ambiental, todos los proyectos de caminos se diseñan con el mismo objetivo de resistir las cargas de tráfico, utilizando el principio mecanicista de transferencia de carga (generada en la superficie) hacia las capas inferiores de la estructura, de tal forma que la subrasante pueda resistir el tránsito sin sufrir deformaciones. Las condiciones ambientales, y las cargas de tráfico proyectadas, son los dos principios fundamentales que definen los requerimientos estructurales en cualquier tipo de pavimento.

1.3.1

Condiciones ambientales

Las condiciones ambientales afectan a los caminos básicamente en 2 formas:

1.3.1.1 La superficie Además del tráfico, las superficies de los caminos están expuestas al sol, viento, lluvia, nieve, y otros elementos naturales. La importancia de estos fenómenos naturales son las consecuencias que producen en las propiedades de ingeniería de la superficie del camino. Estos efectos se manifiestan principalmente en: – Efectos térmicos que causan los cambios de volumen, producto de la expansión y contracción de materiales por cambios de temperatura. El rango de temperatura diaria que experimenta la superficie del camino es importante. En áreas desérticas, la superficie de un camino de pavimento flexible (negro) puede experimentar un rango de temperaturas de 50 ºC entre las primeras horas de la mañana y el mediodía. Por otro lado, las superficies de caminos que se ubican dentro del Círculo Ártico permanecen enterradas bajo la nieve en el invierno, manteniendo una temperatura relativamente constante. – Efectos de congelamiento, que producen el fenómeno llamado hinchamiento. Ciclos repetitivos de hielo y deshielo causan un mayor daño a las superficies de los caminos. – Efectos de la radiación producen sobre la superficie de los pavimentos lo comúnmente denominado como “insolación”. La radiación ultravioleta aplicada sobre la superficie del pavimento produce la oxidación del asfalto, volviéndolo frágil. Este proceso se conoce como “envejecimiento”.

1.3.1.2 La estructura de pavimento El agua es el principal enemigo de las estructuras de caminos. La saturación con agua hace que los materiales se vuelvan deformables y proporciona una lubricación entre las partículas, al mismo tiempo que las cargas de tráfico son aplicadas. La capacidad de soporte del material en condición seca es siempre mayor que en estado húmedo, y mientras más cohesivo (o arcilloso) sea el material, mayor es la susceptibilidad a la humedad. Además, si el agua presente en la estructura alcanza su punto de congelamiento, se produce una expansión en volumen de la misma, lo que genera daño considerable. Por lo tanto, la importancia de prevenir el ingreso del agua a la estructura de pavimento, especialmente en los materiales de más baja calidad de las capas inferiores es fundamental.

20

Capítulo 1

1.3.2

Cargas de tráfico

El objetivo final de los caminos es permitir el tráfico vehicular. El volumen y tipo de tráfico esperado en un camino determinan los requerimientos geométricos y estructurales de pavimentos. Los ingenieros de transporte trabajan con estadísticas de tráficos proyectados (en términos de: números de vehículos, composición vehicular, y tamaño de los mismos) con el fin de determinar los requerimientos geométricos (alineación, número de pistas, etc). Los ingenieros de pavimentos necesitan las estadísticas de tráfico proyectado (en términos de: número de vehículos, composición vehicular, y cargas por eje) para determinar los requerimientos estructurales del camino. Por lo tanto, la estimación acertada del tráfico proyectado, tanto en volumen como en tipo de vehículos, es de gran importancia. Desde el punto de vista del diseño de pavimentos, las características más importantes del tráfico son aquellas que permiten definir la magnitud y frecuencia de las cargas de superficie que el camino puede anticipar durante la vida estimada del pavimento. La carga que es aplicada sobre la superficie del pavimento por la rueda se define por 3 factores: – La fuerza (en Kilo Newtons, KN) que realmente lleva la rueda. Esta fuerza actúa en conjunto con la – Presión de inflado (en Kilo Pascales, kPa) que determina la “impronta” de la rueda sobre la superficie. Esta impronta define el área de contacto entre el neumático y la superficie. Este es un factor que además depende de la carga, y – La velocidad de viaje. Esta velocidad define el tiempo en que la superficie del pavimento es cargada y descargada. Las presiones de inflado de los automóviles de pasajeros típicamente se encuentra en el rango de 180 a 250 kPa, y llevan una carga menor a 3,6 kN por neumático, o 7 kN en un eje. Esta carga es insignificante si se compara con un camión utilizado para el transporte de cargas pesadas, cuyo rango puede variar entre 80 a 130 kN por eje (dependiendo de los límites legales y control de pesos) con presiones de inflado entre 500 a 900 kPa. Claramente la carga de estos vehículos pesados tendrá un efecto mucho más grande en los requerimientos de resistencia de un pavimento. Esto se discute en el Capítulo 3 (Rehabilitación de Pavimentos) y se cubre con detalle en el Apéndice 4 (Determinación de la Capacidad Estructural a partir de la información de Tráfico).

1.4

Factores que Causan el Deterioro del Pavimento

Los pavimentos se deterioran por un gran número de factores, pero los dos más importantes son los efectos medio ambientales y las cargas de tráfico. El deterioro del pavimento es normalmente medido indirectamente por la calidad de rodado, pero las características visibles como el ahuellamiento y agrietamiento superficial también son relevantes. La Figura 1.3 muestra como estas 3 características relacionan el paso del tiempo y el efecto acumulativo de las cargas de tráfico. El deterioro gradual de los pavimentos es causado por una combinación de los factores ambientales y de tráfico discutido en los puntos siguientes. Fig. 1.3 Indicadores de deterioro de pavimentos Calidad de Rodado

Ahuellamiento

Grietas Tiempo/Tránsito

Capítulo 1

21

1.4.1

Factores ambientales

Los factores medio ambientales son responsables de la mayor parte del inicio del agrietamiento superficial. El principal factor que contribuye a este fenómeno es la radiación ultravioleta solar, que causa un endurecimiento lento pero continuo del asfalto. Con el endurecimiento, la capa asfáltica reduce su elasticidad, lo que produce el agrietamiento cuando la superficie se contrae al disminuir su temperatura. Una vez que la integridad de la superficie se pierde debido al agrietamiento, el pavimento tiende a deteriorarse a una tasa mayor producto del ingreso del agua a las capas subyacentes (ver siguiente punto).

1.4.2

Efectos del tráfico

La carga de tráfico es la responsable de la aparición del ahuellamiento y de la aparición de grietas dentro de la estructura de pavimento. Todo vehículo que utilice un camino va a producir una pequeña deformación momentánea en la estructura de pavimento. Sin embargo, la deformación producida por un vehículo liviano (automóvil) es insignificante, mientras que los vehículos pesados producen grandes deformaciones. El paso de una gran cantidad de vehículos tiene un efecto acumulativo que gradualmente lleva a una deformación permanente y/o agrietamiento de fatiga en el pavimento. Es importante destacar que los ejes sobrecargados de los camiones pesados producen un efecto extremadamente nocivo en la estructura de pavimento, acelerando el deterioro. Este deterioro es causado básicamente por dos mecanismos dentro de la estructura de pavimento: – Deformación permanente causada por densificación, donde las tensiones de cargas repetitivas hacen que las partículas dentro de las capas del pavimento se aglomeren más, produciendo una reducción en los vacíos de los materiales. En el material granular, tal pérdida de vacíos produce un aumento en la capacidad de soporte (materiales más densos son más resistentes), pero en las capas asfálticas el efecto es nocivo. Una reducción en el contenido de vacíos en el asfalto no sólo causa ahuellamiento bajo la huella de los neumáticos, sino que también éste comienza a actuar como una especie de fluido. Este fluido crea una especie de medio hidráulico, el cual genera presiones de poro producidas por las cargas de tráfico. El fenómeno hidráulico causa el desplazamiento lateral de la mezcla asfáltica a lo largo de los ejes de las huellas. – Agrietamiento de fatiga en materiales ligados. Este se inicia en la parte inferior de la capa, donde la deformación unitaria de tracción producida por las cargas de rueda alcanza su máxima magnitud. A partir de este punto de la capa, las grietas se propagan hacia la superficie. La deformación permanente que sufre el material bajo la superficie hacen que esta condición sea aún más crítica, al producirse un incremento de las deformaciones unitarias de tracción por cargas de rueda.

22

Capítulo 1

1.4.3

Consecuencias del agrietamiento

Una vez que el agrietamiento llega a la superficie, el agua puede ingresar libremente dentro de la estructura. Como se describió previamente, los efectos de la pérdida de capacidad de soporte producida por el agua, llevan a la reducción de la resistencia de la estructura. Esta disminución de la resistencia causa una tasa de deterioro mayor bajo las cargas de tráfico repetitivas. Además, el agua en un material saturado puede llegar a ser un elemento destructivo cuando el pavimento está sometido a cargas pesadas. De forma similar que un fluido hidráulico, el agua transmite las cargas verticales de los vehículos en presiones, que rápidamente erosionan la estructura de material granular y produce la segregación del árido en el asfalto. Bajo estas condiciones, la fracción fina del material de pavimento se puede mover dentro de la estructura. Frecuentemente, la fracción fina suele ser expulsada fuera del pavimento a través de las grietas (fenómeno conocido como “bombeo”), lo cual produce vacíos dentro del pavimento. Por lo tanto, después de producido el agrietamiento, se observará la rápida formación de baches y un deterioro progresivo aún mayor. Fig. 1.4 Típico deterioro de pavimento por fatiga y con presencia de bombeo de finos

Cuando las temperaturas descienden bajo los 4 ºC, el agua libre dentro del pavimento se expande a medida que esta se congela, produciendo presiones hidráulicas incluso sin la presencia de cargas de tráfico. El hinchamiento producido por los ciclos de hielo / deshielo es el peor escenario para el pavimento agrietado, generando un deterioro acelerado. Bajo condiciones desérticas secas, las grietas superficiales producen una problemática distinta. Durante la noche, las temperaturas generalmente son bajas (incluso bajo el punto de congelamiento) y la superficie se contrae, haciendo que las grietas aumenten su ancho y actúen como un refugio para la arena arrastrada por el viento. Cuando la temperatura aumenta durante el día, la expansión de la misma comienza a ser restringida por la arena atrapada en la grieta, generando grandes fuerzas horizontales que producen fallas localizadas (spalling) en el borde de la grieta. Estas fuerzas pueden producir el levantamiento de la superficie de la estructura del pavimento en la zona cercana a las grietas, produciendo una calidad de rodado para los vehículos de muy baja calidad. Una causa que va más allá del agrietamiento normal de la superficie, y que se produce principalmente en superficies asfálticas delgadas, son las grietas por ausencia de tráfico. El efecto de amasado generado por el tráfico mantiene el asfalto trabajando a la compresión y tracción en forma continua. La oxidación y el posterior envejecimiento del cemento asfáltico producen grietas térmicas en la superficie. Someter repetidamente al asfalto a cargas de tráfico, genera tensiones y deformaciones unitarias en la superficie, suficientes como para cerrar las grietas térmicas mientras se van formando. De este modo se evita la propagación de las mismas retardando el deterioro del pavimento.

Capítulo 1

23

1.5

Mantenimiento y Rehabilitación Estructural de Pavimentos

Las acciones para el mantenimiento de pavimentos son generalmente focalizadas en mantener el agua fuera y lejos de la estructura. Esto implica mantener la superficie en una condición de impermeabilidad, y además asegurarse que las medidas de drenaje son efectivas, de tal forma que el agua no quede atrapada en el borde del camino. El agua normalmente ingresa por la parte superior de la estructura del pavimento a través de las grietas superficiales, y en ocasiones también ayudada por el estancamiento del agua en la superficie. Por lo tanto, las grietas deberían estar selladas en la medida que estas aparecen, y los bordes del camino deben mantenerse en buen estado de tal forma que el agua se pueda evacuar fácilmente. Los efectos del envejecimiento pueden ser tratados en forma efectiva si son manejados a tiempo, con la aplicación de un “Riego Neblina” (Fog Seal) con emulsión diluida. Las condiciones más severas de tráfico requieren para el mantenimiento una aplicación con Tratamiento Superficial (Riego en gravilla) en el caso de volúmenes de tráfico bajos, o un recapado asfáltico convencional para tráficos mayores. Todas estas medidas apuntan a mantener la flexibilidad y durabilidad de la superficie, y sólo atacan el deterioro producido por el medio ambiente. La deformación y grietas de fatiga causadas por las cargas de tráfico no pueden ser tratadas en forma efectiva con acciones de mantenimiento superficial y requieren alguna forma de rehabilitación. Normalmente, el deterioro del pavimento es un proceso lento. Los indicadores expuestos en la Sección 1.4 (y presentados en la Figura 1.3) pueden ser utilizados para determinar la tasa de deterioro. Las autoridades encargadas de las redes viales generalmente utilizan un sistema de base de datos, conocido como Sistema de Administración de Pavimentos (Pavement Management System, PMS), para controlar en forma continua la calidad de rodado de los pavimentos que componen la red vial. De ese modo ponen énfasis en los que presentan la peor calidad y requieren de un mantenimiento. La Figura 1.5 presenta el gráfico de un PMS típico, el cual muestra la efectividad del mantenimiento oportuno y de las medidas de rehabilitación.

Calidad de Rodado

Fig. 1.5 Administración de pavimentos para el mantenimiento y rehabilitación a través del monitoreo de la calidad de rodado Calidad de rodado inicial

Consecuencias de no recapar Recapado Rehabilitación estructural

Umbral de la calidad de rodado Período de diseño estructural

Tiempo/Tránsito

Esta figura destaca la importancia de tomar las acciones a tiempo para mantener la calidad de rodado tan alta como sea posible. La tasa de deterioro se estima mediante la calidad de rodado. Entre peor sea la calidad de rodado, mayor será la tasa de deterioro. A medida que la calidad de rodado se reduce, las acciones de mejoramiento del pavimento deberán ser mayores, así como el costo de tales medidas.

24

Capítulo 1

La decisión de cuál medida tomar en un pavimento deteriorado (mejorar el pavimento o sólo mantener la calidad de rodado) generalmente está limitada por los recursos disponibles. En ocasiones, las medidas de corto plazo pueden presentar una relación costo – efectividad altamente atractiva. La rehabilitación de pavimentos a veces es postergada, hasta que se combina con un mejoramiento de estándar para mejorar el diseño geométrico del camino e incluir pistas adicionales. Cada decisión de rehabilitación necesita ser tomada separadamente dentro del contexto de la red vial. Sin embargo, el no tomar ninguna acción de mantenimiento y permitir que el pavimento sufra un deterioro mayor es en términos generales la peor decisión, debido a que la tasa de deterioro es exponencial en el tiempo.

1.6

Opciones de Rehabilitación

Normalmente existen varias opciones para la rehabilitación de un camino deteriorado, y en algunas oportunidades es difícil determinar cuál es la mejor. Sin embargo, si se cuenta con la respuesta para dos preguntas importantes desde el inicio del proyecto, será mucho más fácil seleccionar la técnica correcta. La alternativa correcta va a ser la que produce la mejor relación costo – efectividad durante la vida de servicio del pavimento. Las dos preguntas son: – ¿Cuál es el problema del pavimento existente? Una rápida inspección visual más algunos ensayos básicos (por ejemplo, medidas de deflexión) normalmente serán suficientes para ser capaz de entender los mecanismos de deterioro. La importancia de éstos es determinar si el deterioro se produce sólo en la superficie del pavimento (capas superiores) o si existe un problema estructural. – ¿Qué quiere realmente la autoridad vial? ¿Se espera una vida de diseño de 15 años o sólo existe un capital reducido previsto para detener la tasa de deterioro actual, y mantener el pavimento en similares condiciones durante los próximos 5 años? Las respuestas a estas dos preguntas reducirán las opciones de rehabilitación a sólo aquellas que tienen una buena relación costo – beneficio. Si se separara la naturaleza del problema en dos categorías (superficie y estructura) de la duración del proyecto (corto plazo o largo plazo), la selección de la mejor opción es más sencilla. Otro punto importante que afecta la decisión es la aplicación de los métodos de rehabilitación. Acomodaciones de tráfico, condiciones de clima, y disponibilidad de recursos pueden tener una influencia significativa en cómo es ejecutado el proyecto, y se pueden descartar algunas soluciones. Todo este ejercicio de análisis tiene un solo propósito: la determinación de la solución con mejor razón costo – efectividad al problema del proyecto, considerando un contexto global.

Capítulo 1

25

1.6.1

Rehabilitación superficial

Las medidas de rehabilitación superficial están dirigidas a los problemas que relacionados al asfalto y sellos superficiales, generalmente dentro de los 50 a 100 milímetros superficiales del pavimento. Estos problemas se relacionan normalmente al envejecimiento del asfalto y al agrietamiento que se inicia en la superficie debido a las fuerzas térmicas. Los métodos comúnmente utilizados para tratar estos tipos de problemas son: – Recapado asfáltico. Construcción de recapado delgado (40 – 50 mm) de mezcla asfáltica en caliente sobre la superficie existente. Esta es la solución más simple al problema superficial, debido a que el tiempo requerido para completar el trabajo es breve y el impacto al usuario del camino es mínimo. Asfaltos modificados son utilizados en ciertas oportunidades para mejorar el comportamiento del asfalto, con el objetivo de extender la vida útil del recapado. Sin embargo, recapados sucesivos (uno encima del otro) aumentan las cotas de la superficie, lo que puede causar problemas en el sistema de drenaje. – Fresar y reemplazar. Este método remueve la capa deteriorada por agrietamiento del asfalto y luego la reemplaza, generalmente con un asfalto modificado. El proceso es relativamente rápido debido a los altos rendimientos de la maquinaria de fresado moderna. El problema se elimina con la nueva capa de asfalto y las cotas del pavimento se conservan. – Reciclar una capa delgada de material asfáltico del pavimento existente (asumiendo que existe un espesor de asfalto suficiente). Este reciclado es realizado en el mismo lugar de la obra, como una aplicación en caliente (remezclado). Además, las propiedades del asfalto que es reciclado pueden ser modificadas con la adición de nuevos materiales y/o nuevos cementos asfálticos.

1.6.2

Rehabilitación estructural

La rehabilitación para eliminar los problemas dentro de la estructura de pavimento se entiende como una solución de largo plazo. Debe tomarse en cuenta que la estructura de pavimento está deteriorada, y también los materiales que la componen. Además, mejorar el estándar de un pavimento existente por el reforzamiento de la estructura (por ejemplo, un camino no pavimentado de grava a estándares pavimentados) puede ser considerado como una forma de rehabilitación. La densificación (o consolidación) de los materiales granulares es, de hecho, una forma de mejorar la calidad del material. Entre mayor sea la densidad natural del material, mejores serán sus características de resistencia. Sin embargo, las consecuencias de la densificación causan problemas en las capas subyacentes, especialmente en las capas construidas con material ligante. Como una regla general, la rehabilitación estructural debería apuntar a conseguir el máximo beneficio a partir del valor residual del pavimento existente. Esto implica que el material que se ha densificado no debería ser perturbado. El continuo efecto de amasado del tráfico toma varios años en alcanzar esta alta densificación, y los beneficios que tal densidad ofrece debería ser aprovechada.

26

Capítulo 1

Varias opciones típicas para rehabilitación estructural incluyen: – Reconstrucción total: A menudo esta es la opción preferida cuando la rehabilitación se combina con un mejoramiento de estándares que implican cambios significativos al trazado del camino. Esencialmente, la reconstrucción implica botar el material existente y construir de nuevo. En los proyectos donde los volúmenes de tráfico son altos, frecuentemente es preferible construir desvíos para evitar el problema del tráfico. – Construcción de capas adicionales (tanto de material granular como de material asfáltico) sobre la superficie existente. Recapados asfálticos de gran espesor a veces son la solución más sencilla a un problema estructural donde el volumen de tráfico es alto. Sin embargo, como se describió anteriormente, un incremento en las cotas de superficie habitualmente produce problemas de drenaje y de acceso. – Reciclado profundo hasta donde se encuentra el problema del pavimento, mediante el cual se crea una nueva capa homogénea y gruesa que puede ser reforzada con la adición de agentes estabilizadores. Capas adicionales pueden ser colocadas en la superficie de la capa reciclada. Los agentes estabilizadores son generalmente añadidos al material reciclado, especialmente donde el material del pavimento existente es marginal y requiere aumentar su resistencia. El objetivo del reciclado es recuperar la mayor cantidad de material del pavimento existente. Además de recuperar el material en las capas superiores del pavimento existente, la estructura de pavimento que se encuentra a mayor profundidad del nivel de reciclado permanece inalterada. – Combinar 2 métodos de reciclado: reciclado in-situ con reciclado en planta. Esta opción permite tratar pavimentos a una profundidad considerable. El procedimiento consiste en que una parte del material superficial sea removido temporalmente a un acopio. Luego, el material subyacente es reciclado / estabilizado in-situ. El material que se encontraba en acopio se trata en planta y posteriormente es colocado sobre el material reciclado / estabilizado in-situ. Así, la estructura rehabilitada presentará una capacidad estructural adicional sin aumentar significativamente las cotas finales de superficie. En forma alternativa, el material de acopio puede ser esparcido como una capa sobre la capa tratada in-situ, y posteriormente ser estabilizada en el mismo lugar. El objetivo de considerar todas estas opciones de rehabilitación de pavimentos es determinar la solución con la mejor razón costo / efectividad. Este manual tiene por objetivo proveer toda la información disponible para incluir al reciclado como una de estas opciones de rehabilitación de pavimentos.

Capítulo 1

27

28

Capítulo 2: Reciclado en Frío 2.1

General

Este capítulo describe los distintos tipos de procesos y equipos para realizar el proceso de reciclado. Específicamente, describe la gama de productos Wirtgen. También se exponen los beneficios que se obtienen al aplicar este proceso, y los principales factores que afectan la viabilidad del reciclado en frío en un proyecto específico.

2.2

El Proceso de Reciclado en Frío

El reciclado en frío puede ser realizado en planta o in-situ. En planta, el reciclado se logra mediante el transporte del material recuperado de un pavimento existente a un depósito central, donde el material se trabaja con una unidad de procesamiento (como un mezclador continuo). In-situ, el reciclado se logra utilizando una máquina recicladora móvil. En general, el proceso en planta es la opción más cara en términos de costo por metro cúbico de material. Esto se debe principalmente a los costos de transporte, que no existen en el reciclado in situ. Sin embargo, ambos métodos de reciclado tienen su nicho en la industria de la construcción y la decisión sobre cuál debe ser aplicado está definido básicamente por: – Tipo de construcción. El proceso en planta habitualmente es considerado donde el material reciclado se puede utilizar en la construcción de un nuevo pavimento asfáltico, y en el refuerzo de un pavimento existente. – El material in-situ del pavimento existente que va a ser reciclado. Cuando el material de la capa superior de un pavimento existente va a ser reciclado, la variabilidad y/o condición del material en ocasiones requiere un proceso de selección o pre-tratamiento (por ejemplo, reducir el tamaño de una capa asfáltica gruesa). En la actualidad, el tratamiento in-situ de los materiales de pavimentos es de uso generalizado, debido a la llegada de potentes máquinas recicladoras que pueden rehabilitar pavimentos a una fracción del costo de los métodos de reconstrucción convencionales. Además, considerando la situación de los pavimentos a nivel mundial, la rehabilitación de pavimentos existentes excede ampliamente la demanda por caminos nuevos. Como consecuencia de esto, el reciclado in-situ ha sido adoptado en muchos países como el método recomendado para abordar el enorme trabajo pendiente en términos de rehabilitación de pavimentos.

2.2.1

Reciclado en planta

El tratamiento en planta permanece siempre como una opción que debería ser considerada cuando el reciclado tiene aplicación, particularmente en aquellos proyectos que requieren una mezcla de materiales vírgenes a ser tratados, y también cuando son tratados con asfalto espumado y luego almacenados en acopios para su uso posterior. Los principales beneficios del reciclado en planta versus el reciclado in situ son: – Control de los materiales de entrada. Mientras que el reciclado in-situ permite un control limitado del material recuperado del pavimento existente, el reciclado en planta permite producir un producto final específico al mezclar distintos tipos de agregados. Los materiales de entrada pueden ser almacenados en acopios y ser sometidos a ensayos antes de producir la mezcla, y también es posible cambiar la proporción de los mismos en la mezcla. – Calidad de mezclado. Es posible realizar modificaciones en la operación de mezclado contínuo para variar el tiempo en que el material es retenido dentro de la cámara de mezclado, cambiando la calidad de la mezcla. – Posibilidades de acopiar el material. Particularmente en los materiales tratados con asfalto espumado, el producto producido puede ser almacenado y ser utilizado cuando sea requerido, y de ese modo evitar la dependencia de la producción de la mezcla y la colocación de la misma.

Capítulo 2

29

2.2.2

Reciclado In-situ

Las máquinas de reciclado han evolucionado a través de los años, desde las primeras máquinas modificadas para fresar y estabilizar suelos, hasta las recicladoras especializadas utilizadas hoy en día. Estas recicladoras son especialmente diseñadas para lograr la capacidad de reciclar capas de pavimento de gran espesor en una sola pasada. Las recicladoras modernas tienden a ser máquinas grandes y potentes, las cuales pueden estar montadas sobre orugas o sobre neumáticos de flotación. La amplia gama de máquinas Wirtgen y sus diversas aplicaciones de reciclado se describen en las Sección 2.4. El elemento más importante de una máquina recicladora es el rotor fresador-mezclador equipado con un gran número de puntas, especialmente diseñadas para este proceso. El tambor normalmente rota y pulveriza el material del pavimento existente, como se ilustra en la Figura 2.1. Fig. 2.1 El proceso de reciclado Inyección de agua o aditicvos líquidos Reciclado profundo Dirección de operación

Tambor fresador Asfalto deteriorado Material granular

A medida que la máquina avanza con el tambor rotando, el agua de un tanque acoplado a la recicladora se llena mediante mangueras dentro de la cámara de mezclado de la recicladora. El flujo de agua es medido con precisión mediante un micro procesador controlado por un sistema de bombeo, mientras que el tambor mezcla el agua con el material reciclado para alcanzar el contenido necesario de humedad. De esta forma es posible conseguir altos niveles de compactación. Agentes estabilizadores líquidos, como lechada cemento / agua o emulsión asfáltica, tanto en forma separada como combinadas, pueden ser introducidas directamente a la cámara de mezclado de una forma similar. Además, el asfalto espumado puede ser inyectado dentro de la cámara de mezclado mediante una barra aspersora especialmente diseñada. Agentes estabilizadores poderosos, como la cal hidratada, son normalmente repartidos en la superficie del pavimento existente, delante de la recicladora. La recicladora pasa trabajando sobre el estabilizador en polvo, mezclando a éste con el material recuperado, para luego inyectarle agua, todo en una sola pasada.

30

Capítulo 2

Los trenes de reciclado pueden ser configurados de distinta manera, dependiendo de la aplicación de reciclado y del tipo de agente estabilizador que sea utilizado. En cada caso la máquina recicladora ejerce la tracción en el tren de reciclado, empujando o tirando el equipo que está conectado a la misma mediante barras de empuje o lanzas. Configuraciones típicas de trenes de reciclado se ilustran en las Figuras 2.2 y 2.3. El tren de reciclado presentado en la Figura 2.2 se utiliza cuando el material es estabilizado con lechada de cemento. La tasa de aplicación requerida de cemento y agua se mide con exactitud antes de mezclarse para formar una lechada, la cual es bombeada a la recicladora mediante una manguera flexible y posteriormente inyectada dentro de la cámara pulverizadora. Alternativamente, el cemento puede ser esparcido sobre el pavimento existente delante de la recicladora, sustituyendo el mezclador de lechada por un tanque de agua. Fig. 2.2 Típico tren reciclador con mezclador de lechada

Motoniveladora

Compactador

Recicladora WR 2500 S

Mezcladora Lechada de Cemento WM 1000

El material que sale de la recicladora recibe la compactación inicial del rodillo pesado vibratorio para alcanzar una densidad uniforme en todo el material. Posteriormente el material se perfila con una motoniveladora antes de ser finalmente compactado utilizando un compactador neumático y un rodillo vibratorio. Cuando la emulsión o el asfalto espumado se aplican junto con la lechada de cemento se configura un tren de reciclado similar al anterior, formado por un tanque suministrador de asfalto empujado delante del mezclador de lechada, como se ilustra en la Figura 2.3. En los casos donde el cemento se esparce como polvo sobre la superficie del camino delante del tren de reciclado, el tanque de asfalto se acopla directamente a la recicladora y el tanque de agua es empujado, liderando el tren de reciclado. En el caso de utilizar una recicladora montada sobre orugas y equipada con placa compactadora como se muestra en la Figura 2.3, el uso de una motoniveladora para perfilar la superficie puede no ser necesario. Las características de los modelos de recicladoras Wirtgen se detallan más adelante en la Sección 2.4. Fig. 2.3 Típico tren reciclador con mezclador de lechada y camión de asfalto

Compactador

2.3

Reciclador 2200 CR montado sobre oruga

Mezclador de lechada WM 1000

Camión tanque de asfalto

Aplicaciones de reciclado en frío

El reciclado en frío es un proceso con múltiples aspectos que puede satisfacer muchas necesidades en el mantenimiento y rehabilitación en la infraestructura vial. Dependiendo en si el material es tratado o no con un agente ligante, se pueden identificar dos categorías de reciclado en frío. Luego, como un segundo grupo de clasificación, cada categoría (con o sin agente ligante) pude ser a su vez categorizada por el tipo de tratamiento que el material recibe. Este sistema de clasificación primaria y secundaria es ilustrado en la Figura 2.4. Nótese que la abreviación “RAP” utilizada en la Figura 2.4 y en otras partes de este manual se refiere a “Recyled Asphalt Pavement” (Pavimento Asfáltico Recuperado), un término comúnmente utilizado en todo el mundo para el material asfáltico fresado.

Capítulo 2

31

32 Modificación Mecánica

Corrección de granulometría

Volver a trabajar el material

Adición de agua de compactación

Pulverización

Adición de agua de compactación

Adición de asfalto en frío (emulsión)

Rejuvenecedor

Adición de agentes químicos emulsión de asfalto, asfalto espumado y filler activo

Adición de agentes químicos emulsión de asfalto, asfalto espumado y filler activo

Estabilización Material granular / RAP

Material granular con o sin RAP

Con agente estabilizador

Estabilización

¿Tipo de tratamiento?

¿Granulometría deficiente o alta plasticidad? Si

100% Reciclado RAP

Material granular

Tipo de material reciclado

Reciclado en Frío

No

Espesor capas de asfalto y/o material estabilizado

Sin agente estabilizador

Fig. 2.4 Categorías de reciclado

Las distintas categorías se presentan en la Figura 2.4; 100% de reciclado con RAP, estabilización de material granular y/o RAP, modificación mecánica, recompactación y pulverización son discutidos a continuación.

Capítulo 2

2.3.1

Reciclado del 100% de RAP

Esta categoría cubre exclusivamente el reciclado de material 100% RAP y requiere considerar los siguientes factores: – Naturaleza y composición del pavimento existente (por ejemplo, tipo de mezcla asfáltica, granulometría, contenido de asfalto, envejecimiento, etc.). – Tipo y causas del deterioro (por ejemplo, agrietamiento o deformación permanente). – Severidad del deterioro (por ejemplo, aislado a la capa superficial o deterioro profundo). – Objetivo de la rehabilitación (por ejemplo, restauración de la integridad estructural). Existen dos tecnologías distintas que pueden ser aplicadas para reciclar el 100% del material RAP. – Construcción de una capa de mezcla asfáltica en frío, mediante la adición de emulsión como un rejuvenecedor, a una capa reciclada delgada (normalmente de 100 mm de espesor o menos). – Estabilización del RAP con cemento, emulsión o asfalto espumado en una capa más profunda (usualmente mayor a 100 mm). El reciclado del 100% del material de RAP como una mezcla asfáltica en frío requiere el aporte de asfalto adicional en forma de emulsión. Esto es esencial en un proceso de rejuvenecimiento del asfalto. Sin embargo, agregar cemento asfáltico en una mezcla de concreto asfáltico sin estudiar las propiedades volumétricas del material reciclado requiere una aproximación de diseño cuidadosa. La granulometría de la capa reciclada será diferente a la del asfalto original, y además, la fracción fina en general está adherida al material reciclado. Generalmente esto significa que una cantidad adicional de finos debe ser añadida a la mezcla mientras se realiza el proceso de reciclado. Cuando el 100% del material de RAP es reciclado con un agente estabilizador, las propiedades del producto son diferentes cuando rejuvenece, lo cual es descrito en el Capítulo 4, Agentes Estabilizadores. Normalmente se requiere una superficie adecuada sobre la capa reciclada con el objetivo de alcanzar las propiedades funcionales, como la resistencia al deslizamiento y la calidad de rodado. Para caminos de tráfico menor, esto puede conseguirse con un riego con gravilla o con una capa de mezcla asfáltica en caliente delgada (< 40 mm). Si un mejoramiento de estándar es aplicado al pavimento para que este pueda soportar tráfico pesado, en ocasiones puede ser requerida una base asfáltica, además de la capa asfáltica superficial.

2.3.2

Estabilización con RAP / base granular

Esta categoría de reciclado es típicamente aplicada como una medida para tratar estructuras de pavimentos deterioradas compuestas por bases granulares y superficies asfálticas delgadas, constituidas tanto por concreto asfáltico como por varias capas de sellos superficiales. El deterioro en este tipo de pavimentos generalmente se manifesta como capas asfálticas severamente agrietadas, capas granulares deformadas, y baches. El objetivo de añadir agentes estabilizadores mientras se recicla es recuperar la integridad estructural mediante el mejoramiento de las propiedades de ingeniería de los materiales recuperados, al mismo tiempo que es posible alcanzar una calidad de rodado óptima. La estabilización Granular/RAP puede ser efectuada mediante el reciclado a distintas profundidades, generalmente entre 150 mm y 250 mm. Cuando la capacidad estructural necesita ser mejorada para ajustarse a mayores demandas de tráfico, la profundidad del reciclado puede incrementarse, alcanzando un aumento en el espesor de la nueva capa estabilizada. Sin embargo, es necesario que el pavimento existente tenga un espesor mínimo de material natural de buena calidad para aplicar esta alternativa. Los pavimentos deteriorados compuestos por capas estabilizadas (por ejemplo, con cemento o cal hidratada) también pueden ser reciclados. Cuando una estrategia de rehabilitación de corto plazo es adoptada debido a restricciones presupuestarias, o cuando el deterioro del pavimento es causado por la mala capacidad de soporte de las capas superiores, la profundidad del reciclado debe reducirse. Existe siempre un mejoramiento significativo en la

Capítulo 2

33

capacidad estructural del pavimento después de la estabilización. Esto se complementa con la aplicación de una capa superficial de asfalto sobre la capa reciclada. Evitar el ingreso de agua en las capas inferiores mediante la estabilización, también ayudará a extender la vida útil del pavimento reciclado. En esta categoría también se incluye el mejoramiento de los caminos sin recubrimiento superficial. Generalmente, el mejoramiento de estándar de estos caminos no pavimentados se debe a: – Razones económicas. Usualmente, altos costos de mantenimiento están asociados a incrementos en las cargas de tránsito. – Razones medio ambientales. La pérdida anual de agregados entre 25 mm y 35 mm es común en caminos no pavimentados, lo que requiere un aporte continuo de material de empréstito. Además, se ha demostrado que la generación de polvo de los caminos no pavimentados es dañina para la salud. – Razones estratégicas. Necesidades políticas gubernamentales. El reciclado de las capas granulares superficiales existentes generalmente es realizado con agentes estabilizadores. La estabilización con emulsión o asfalto espumado habitualmente es realizada a una profundidad promedio de entre 125 mm a 150 mm más una capa superficial delgada, como un riego con gravilla o una lechada. Estabilizar con cemento o cal hidratada requiere que la profundidad del reciclado sea aumentada a 150-250 mm para alcanzar un producto similar en términos de vida estructural. Una aplicación adicional que cae dentro de esta categoría es la modificación del material plástico mediante el reciclado con cal hidratada. Durante el proceso de reciclado, sólo la cal requerida es agregada al material recuperado para eliminar o reducir la plasticidad. Por lo tanto, la adición de cal no es considerada como una estabilización, ya que la razón de agregar este estabilizador no es conseguir un aumento en la resistencia del material (pese a que a largo plazo es posible conseguir algún incremento en la resistencia).

2.3.3

Pulverización

No siempre es necesario adicionar un agente estabilizador cuando se recicla un pavimento existente que contiene capas asfálticas gruesas. En ocasiones, las capas asfálticas gruesas que presentan un estado de agrietamiento por fatiga severo, se tratan mejor mediante la pulverización previa de la capa asfáltica completa. Posteriormente, se compacta este material para crear un “granular reconstituido”. La base asfáltica nueva y las capas superficiales se construyen sobre esta capa asfáltica reconstituida obteniéndose una estructura de pavimento “equilibrada”. Los pavimentos que incorporan capas deterioradas de base estabilizadas también pueden ser tratados en forma efectiva utilizando pulverización. Las capas ligadas deterioradas usualmente exhiben fallas tipo “en bloque”. En un comienzo, estas fallas se producen en forma espaciada, pero con el tiempo aumentan su frecuencia en la superficie del pavimento. Al pulverizar estos materiales, se elimina el potencial riesgo del reflejo de grietas en las capas que se construirán sobre el material pulverizado.

2.3.4

Reprocesamiento

Los caminos de grava o no pavimentados generalmente mejoran su estándar a caminos pavimentados sin la incorporación de agentes estabilizadores (como se describió en la Sección 2.3.2). Sin embargo, es beneficioso volver a trabajar y recompactar la capa superior del pavimento existente para alcanzar una uniformidad adecuada antes de recapar con una nueva capa de material importado. A pesar de que no se agrega material asfáltico, la humedad del material in-situ normalmente requiere un ajuste. Esto es posible lograrlo con el procedimiento constructivo del reciclado, para asegurar que se consiga el nivel óptimo de compactación. Aplicar la técnica de reprocesamiento también es aplicable a los caminos nuevos construidos con materiales disponibles in-situ. Si la subrasante existente es adecuada, la opción de reprocesamiento es un método equivalente a escarificar y recompactar, tradicionalmente utilizado en la construcción de caminos nuevos. De esta forma, es posible conseguir una capa homogénea y con propiedades de capacidad de soporte consistentes.

2.3.5

Modificación de propiedades mecánicas

Investigaciones realizadas en pavimentos revelan que una de las causas del deterioro se debe a la graduación (granulometría) deficiente de los materiales que componen las capas superiores del pavimento. Corregir la graduación es posible mediante la adición del material granular faltante para lograr una

34

Capítulo 2

granulometría adecuada sobre la capa granular existente, antes de aplicar la técnica del reciclado. El contenido de humedad se ajusta durante el proceso de reciclado, para alcanzar las condiciones óptimas de compactación del material reutilizado. La modificación de las propiedades mecánicas puede ser utilizada en el tratamiento de materiales que presentan una plasticidad inaceptable. En algunos casos, es posible tratar arcillas que se encuentran en terreno, mediante el mezclado de materiales arenosos sin cohesión, reduciendo la plasticidad efectiva del material existente. Esta técnica debe ser aplicada con cuidado, ya que la separación mecánica de partículas plásticas en realidad no produce ningún tipo de reducción química de la plasticidad y, a menos que la graduación de la arena sea compatible con la naturaleza y graduación del material plástico, el desempeño del material existente no necesariamente será mejor.

2.4

Tipos de Máquinas Recicladoras Wirtgen

Las recicladoras Wirtgen son capaces de materializar cualquier proyecto de reciclado en frío. La WR 2000 es ideal para trabajos más pequeños y pavimentos más delgados, mientras que la WR 4200 se adapta mejor al reciclado de carreteras de mayor importancia y otros proyectos mayores. Cada máquina tiene un campo particular de aplicación, como se resume a continuación.

2.4.1

Recicladoras in-situ

2.4.1.1 Máquinas montadas sobre neumáticos: WR 2000 y WR 2500 S (Figuras 2.5 y 2.6) Fig. 2.5 La recicladora Wirtgen WR 2000

Fig. 2.6 La recicladora Wirtgen WR 2500 S

Capítulo 2

35

La aplicación más frecuente de estas máquinas es el reciclado de pavimentos existentes, generalmente incluyendo las capas asfálticas superiores y una porción de la capa subyacente (tanto ligada como no ligada). Las máquinas están equipadas con dos sistemas de microporocesadores que controlan el sistema de bombeo, y dos barras de riego, como se esquematiza en la Figura 2.7. El rendimiento de este tipo de máquinas es enorme, y son capaces de aplicar todos los agentes estabilizadores comúnmente conocidos. Fig. 2.7 Microprocesador para el control del sistema de inyección de la Wirtgen 2500 S Pantalla/ Teclado Constrol del sistema de apertura y cierre de válvulas Impresora Procesador

Control Módulo 1

Control Módulo 2

Control Módulo 3

Medición del flujo Bomba de control

Barra control de inyección

Medición de flujo Bomba de control

Dirección de trabajo

Medición de velocidad de avance Medición de flujo de inyección Sistema control de bomba

Además, las características y tamaño de los neumáticos con tracción a las cuatro ruedas permiten la estabilización de todo tipo de suelos, desde suelos inertes hasta suelos blandos de alta plasticidad. La estabilización de suelos generalmente se aplica a la subrasante de la estructura de pavimento y ha probado ser una técnica altamente efectiva desde el punto de vista de costos y tiempos de construcción. Las máquinas Wirtgen también pueden ser utilizadas para romper roca blanda del tipo piedra caliza desgastada o pizarra. Estos materiales pueden ser llevados a terreno desde cortes o empréstitos, esparcirse sobre un relleno en capas de hasta 500 mm de espesor y luego ser pulverizadas con la recicladora hasta alcanzar una granulometría adecuada antes de ser compactadas. El sistema de aplicación de agua es ideal para aumentar el contenido de humedad y alcanzar la máxima densidad a través de la compactación de estas capas gruesas. La WR 2500 SK es una versión más avanzada de la WR 2500 S con una unidad integrada para la aplicación de cal o cemento, montada en la parte delantera de la cámara de mezclado. Esta unidad es utilizada para aplicar agentes establizadores sin la emisión de polvo al medio ambiente, una característica que cada vez es más importante en términos de aceptación medio ambiental. La WR 2500 SK no se limita a la estabilización de los suelos solamente. También se puede aplicar para proyectos de reciclado de pavimentos.

36

Capítulo 2

2.4.1.2 Máquinas montadas sobre orugas: 2200 CR y WR 4200 S (Figuras 2.8 y 2.9) La 2200 CR se basa en la máquina pulverizadora 2200, una unidad de alto rendimiento. Cuando esta máquina se utiliza con los sistemas de barras de riego y sistema de bombeo, puede ser utilizada en proyectos de reciclado en frío, especialmente donde el pavimento existente incluye capas asfálticas gruesas. Incluso, la 2200 CR usualmente está equipada con un sistema de niveles que en ocasiones elimina la necesidad de una moto niveladora para perfilar el material reciclado. Fig. 2.8 La recicladora Wirtgen 2200 CR

La WR 4200 ilustrada en la Figura 2.9 es una máquina ideal para proyectos de reciclado de gran envergadura. Fig. 2.9 La recicladora Wirtgen WR 4200

Capítulo 2

37

Las características de la WR 4200 incluyen: – Un ancho de trabajo de hasta 4,2 metros. Esto significa que el ancho completo de una pista puede ser rehabilitado con una sola pasada sin una junta longitudinal. – El ancho de trabajo puede ser ajustado hasta un mínimo de 2,8 metros hasta un máximo de 4, 2 metros. Estos ajustes pueden realizarse mientras la maquinaria se encuentra trabajando. – El mezclado se realiza en un conducto-gemelo mezclador continuo que se encuentra en el equipo, con una capacidad de 400 toneladas/hora que alcanza una calidad de mezclado similar a las plantas de mezclado convencionales fijas. – Una pantalla de pavimentación para colocar el material reciclado de acuerdo al perfil requerido y equipado con támperes y vibradores para una precompactación. La recicladora mezcla en forma efectiva el material recuperado del ancho completo del corte. El material pulverizado por el tambor de fresado con ancho variable es levantado dentro del mezclador de doble eje donde se mezcla con agua y los agentes estabilizadores antes de ser depositado sobre el camino como cordón, y ser esparcido por un tornillo sinfín. La configuración se muestra en la Figura 2.10.

Fig. 2.10 Configuración del reciclador WR 4200

Sistema de inyección de emulsión asfáltica Sistema de inyección de agua Tanque de agua

Sistema de inyección de asfalto en caliente Sistema de inyección de lechada de cemento

38

Tanque de petróleo

Generador del sistema de asfalto en caliente Dos motores Diesel de propulsión

Tornillo de distribución

Tanque líquido hidráulico

Tambor fresador fijo Dos tambores de fresado de posición variable

Mezclador de dos cámaras Placa compactadora Vögele AB 500 TV

Capítulo 2

2.4.2

Unidad de mezclado en planta

La planta de mezclado KMA 200 presentada en la Figura 2.11 fue concebida como una planta de mezclado transportable, fácil de instalar y de alto rendimiento. La planta está compuesta por una tolva de agregados, sistemas y bombas aplicadoras de agua, asfalto en forma de emulsión o espuma y un mezclador de doble eje con una capacidad máxima de producción de 200 toneladas la hora. Fig. 2.11 La planta mezcladora Wirtgen KMA 200

La KMA 200 puede ser utilizada para tratar un amplio espectro de materiales de pavimentos, incluyendo: – Material reciclado. RAP y otros materiales recuperados de pavimentos antiguos pueden ser tratados con cemento, asfalto espumado o emulsión asfáltica para la construcción de nuevas capas de base. Cuando es necesario, se pueden adicionar en forma simultánea áridos con materiales reciclados, para mejorar las propiedades de ingeniería. – Nuevos agregados pueden ser mezclados con una variedad de agentes estabilizadores (por ejemplo, cemento, cal hidratada, emulsión asfáltica, asfalto espumado, etc) para producir materiales de alta calidad en la construcción de nuevos materiales de base. Por ejemplo, piedra chancada puede ser mezclada con cemento y agua para producir una mezcla limpia de hormigón magro u hormigón compactado con rodillo. – La reutilización de materiales granulares contaminados con alquitrán. La reutilización de este material en un proceso de mezclado en caliente está prohibido debido a los gases nocivos y cancerígenos causados por la emisión de hidrocarburos poliaromáticos. Además, el depósito de este material es caro, debido a las restricciones medio ambientales del manejo de residuos peligrosos. El proceso de reciclado en frío en planta calza perfectamente con el mezclado de este material contaminado con un material bituminoso apropiado, el cual, si es compactado en forma adecuada en la capa de base de un camino, encapsulará en forma permanente los hidrocarburos nocivos. Los productos mencionados anteriormente pueden ser utilizados para materializar distintas aplicaciones, desde bases para pavimentos de alto tráfico, utilizando una pavimentadora, hasta aquellos construidos en forma más artesanal utilizando métodos que requieren una gran cantidad de mano de obra.

Capítulo 2

39

2.4.3

Equipo auxiliar

La unidad de mezclado de lechada de cemento ilustrada en la Figura 2.12 se denomina WM 1000. Esta unidad complementa la maquinaria de reciclado en frío Wirtgen para la aplicación de cemento. La máquina incluye una tolva y un estanque de agua de 11,000 litros. El cemento es pesado en forma precisa por celdas de carga, mientras se transfiere al tornillo sinfín para ser mezclado con la cantidad necesaria de agua requerida para alcanzar el contenido de humedad óptima del material reciclado. La máxima producción de salida de la máquina es de 1000 litros de lechada de cemento por minuto, suficiente para la gran mayoría de proyectos de reciclado. La lechada es bombeada directamente a la barra esparcidora, montada sobre la cámara de fresado y mezclado de la recicladora, donde se le inyecta al material pulverizado. Dentro del tren reciclador, la WM 1000 se ubica directamente delante de la recicladora, en la mayor parte de las aplicaciones. Fig. 2.12 Mezcladora de lechada Wirtgen WM 1000

2.5

Beneficios del Reciclado en Frío

Algunos de los beneficios más evidentes del reciclado en frío para la rehabilitación de pavimentos son: – Factores medio ambientales. Se hace uso del 100% de los materiales del pavimento existente. No se necesita crear sitios de empréstitos de materiales, y el volumen del nuevo material que debe ser importado a la obra desde pozos de agregados es minimizado. Esto reduce los efectos en el medio ambiente (en la actualidad, y debido a los métodos tradicionales de construcción, es frecuente observar cortes de gran tamaño en cerros, para extraer materiales de construcción), los cuales son inevitables cuando se abre una zona para extraer materiales de empréstito. Además, el transporte es reducido en forma drástica. El consumo de energía total es reducido en forma considerable, así como el efecto destructivo de los vehículos de transporte en la red vial. – Calidad de la capa reciclada. Se logra una alta y consistente calidad de mezclado de los materiales insitu con el agua y los agentes estabilizadores. La adición de fluidos es precisa debido al microprocesador que controla los sistemas de bombeo. El material reciclado, más los aditivos, son mezclados en forma intensa en la cámara del tambor fresador-mezclador. – Integridad estructural. El proceso de reciclado en frío produce capas ligadas gruesas que son homogéneas y no contienen interfaces débiles con otras capas más delgadas.

40

Capítulo 2

– La alteración de la subrasante es mínima. La alteración de la estructura de pavimento subyacente es mínima comparada a la rehabilitación utilizando técnicas tradicionales de construcción. El reciclado en frío generalmente es una operación que requiere una sola pasada de máquina. Cuando se utiliza una recicladora montada sobre orugas, las ruedas traseras pasan sólo una vez sobre el material subyacente. Las recicladoras montadas sobre neumáticos reparten el material detrás de la máquina, evitando cualquier contacto entre las ruedas y el material expuesto bajo la estructura del pavimento (en ocasiones el material de pavimento que se vuelve a trabajar con maquinaria convencional somete a la subrasante a cargas repetitivas con un alto estado de tensiones, causando problemas de levantamiento en esta, lo que se traduce en excavar y rellenar con material importado). – Menores tiempos de construcción. Las recicladoras Wirtgen son capaces de producir con altas tasas de rendimiento que reducen significativamente los tiempos de construcción comparados con métodos alternativos de rehabilitación. Esta reducción de tiempos también disminuye los costos y generan un beneficio intangible para los usuarios del camino, ya que las interrupciones de tráfico son menores. – Seguridad. Uno de los beneficios más importantes del proceso de reciclado en frío es la seguridad vial que es posible conseguir. El tren de reciclado completo se puede acomodar en el ancho de una pista. Por ejemplo, en caminos con dos pistas, el reciclado puede ser llevado a cabo a lo largo de una mitad del ancho del camino durante el día. El ancho completo del camino, incluyendo la pista completamente reciclada, puede ser abierta al tráfico al anochecer. – Costo-efectividad. Los beneficios expuestos anteriormente se combinan para hacer del reciclado en frío una alternativa altamente atractiva para la rehabilitación de pavimentos en términos de costo-efectividad.

2.6

Aplicabilidad del Proceso de Reciclado en Frío

Cuando se decide rehabilitar un pavimento deteriorado, los métodos que poseen una mejor relación costo-efectividad tienden a ser específicos para cada proyecto. Cada proyecto es único en términos de la estructura del pavimento existente y la calidad de los materiales que conforman los mismos. Por lo tanto, es importante utilizar la solución más apropiada y práctica para cada proyecto, tomando en cuenta los siguientes factores relevantes: – Ubicación. La solución más efectiva para cada país o zona en particular está definida por el medio ambiente local, así como las condiciones de tráfico del proyecto. Si este es una calle urbana de alto tráfico donde sólo el trabajo nocturno está permitido, o si es un camino rural secundario sin pavimentar, y se debe aumentar su estándar. Soluciones y estándares de servicio muy distintos son requeridos en ambos casos extremos. Es importante tomar conocimiento de los estándares locales de la construcción de caminos, así como la percepción y aceptación de la población local de los niveles de servicio. – Medio ambiente físico. La topografía y geología deberían ser tomadas en consideración cuando se determina el método apropiado para la rehabilitación de un camino. Específicamente, pendientes pronunciadas pueden hacer que algunos tipos de técnicas constructivas sean imposibles de aplicar en la práctica. El clima también juega un rol importante en la elección y aplicación de distintas soluciones. Las condiciones y soluciones en regiones desérticas con una escasa o nula precipitación serán distintas a las requeridas en proyectos de zonas lluviosas. El efecto de temperaturas extremas, como el agrietamiento térmico inducido por los ciclos hielo-deshielo, también influyen en el tipo de solución adoptada. – Disponibilidad de materiales. La factibilidad de varias opciones de rehabilitación es significativamente influenciada por la disponibilidad de materiales, especialmente los agentes estabilizadores. Estos deben ser provistos en cantidades suficientes y que alcancen niveles adecuados de calidad y consistencia. Las recicladoras Wirtgen utilizan grandes volúmenes de agentes estabilizadores y es necesario establecer una fuente de abastecimiento confiable de estos materiales. Como se discutirá en los capítulos siguientes, siempre existirá más de una solución para la rehabilitación de un camino deteriorado. El reciclado profundo es un concepto relativamente nuevo en la ingeniería de pavimentos y, debido a la inherente reducción de costos que implica aplicar la técnica, siempre debería ser considerada como una opción.

Capítulo 2

41

42

Capítulo 3: Rehabilitación de Pavimentos 3.1

Introducción

Normalmente, la rehabilitación de pavimentos se requiere cuando un camino se encuentra próximo a su condición final, debido a deterioros en la estructura del pavimento, o cuando el pavimento requiere una mejora debido al aumento del volumen de tráfico. Como se describe en el Capítulo 1, cuando un camino pavimentado es diseñado apropiadamente, y es constantemente protegido con mantenimiento rutinario y recapados, la necesidad de rehabilitación estructural puede ser considerablemente minimizada. Sin embargo, en la práctica, el mantenimiento requerido no se realiza con frecuencia, haciendo necesaria la rehabilitación tan pronto como sea pronosticada. Este capítulo describe en detalle la planificación y ejecución de procedimientos de investigación normalmente requeridos para un eficaz diseño de rehabilitación, enfocándose en aquellos que son relevantes para el reciclado en frío de pavimentos. Se entrega un diagrama de flujo para ilustrar la metodología general requerida para la investigación de rehabilitación. Se esquematizan los métodos normalmente utilizados para investigar el deterioro de los pavimentos. Se describen diferentes métodos de diseño de pavimentos y aquellos aplicables al reciclado. La confiabilidad es proporcionada en los niveles de confianza en cuanto a la certeza que puede ser alcanzada en el diseño. Sin embargo, debe ser enfatizado que no se ha realizado un método de diseño de pavimentos en forma detallada para pavimentos que incluyen una capa estabilizada con asfalto espumado (ver Apéndice 3). Es incluida una completa bibliografía (Capítulo 6) en caso de requerir información más detallada. El capítulo siguiente, Capítulo 4, cubre los agentes estabilizadores más comúnmente utilizados en los procesos de reciclado en frío. El Capítulo 5, Soluciones Típicas de Reciclado, contiene guías de diseño de pavimentos para ayudar a conceptuar el tipo de solución de reciclado que puede ser considerada para un conjunto de condiciones dadas, incluyendo una guía de diseño de pavimentos típicos reciclados con cemento y, separadamente, con agentes estabilizadores asfálticos. Además, el Apéndice 1 contiene tres ejemplos de investigaciones de pavimentos y diseños aplicables al reciclado, incluyendo opciones alternativas de diseño y la selección de la opción más costo-efectiva basándose en un análisis económico.

Capítulo 3

43

3.2

Procedimiento de Diseño para la Rehabilitación de Pavimentos

La rehabilitación de pavimentos sólo puede ser realizada después de identificar una necesidad de acción, usualmente a nivel de red, utilizando un Sistema de Administración de Pavimentos (SAP). Esto es seguido a nivel de proyecto recolectando la información disponible y realizando una investigación detallada, acompañada por un diagnóstico de experto para determinar la causa del deterioro (identificación del problema). El proceso de diseño de rehabilitación total de pavimentos incluye análisis de tráfico, identificación de las opciones de rehabilitación, diseño de mezclas y un detallado diseño de pavimentos antes de determinar la solución óptima de rehabilitación. Estos aspectos son descritos más abajo. Sin embargo, previo a describir el marco dentro del cual puede ser realizada adecuadamente la rehabilitación de pavimentos, es importante reconocer las siguientes dos reglas de oro aplicables a todas las acciones de rehabilitación: Regla 1: Debe haber un claro entendimiento de lo que las autoridades esperan del camino rehabilitado. Esto requiere responder a tres preguntas claves: – ¿Se requiere una vida de diseño a corto o largo plazo? – ¿Qué estándar de propiedades funcionales, tal como calidad de rodadura y resistencia al patinaje, es esperado? – ¿Qué nivel de financiamiento debe ser proporcionado para el mantenimiento rutinario del pavimento durante su vida de diseño? Por ejemplo, ¿se espera que el pavimento este sin necesidad de mantenimiento durante su vida de diseño? ¿qué son las capacidades de mantenimiento locales, en términos de mano de obra, equipo y conocimiento? Regla 2: Se deben realizar suficientes investigaciones para adquirir información sobre el comportamiento del pavimento existente, y del modo en que éste se deteriora. Estas reglas entregan el contexto para el proceso completo de rehabilitación de pavimentos. El tipo y alcance del trabajo de investigación de pavimentos dependerá de la información requerida para un proyecto específico, y es esencial una interacción entre la investigación y el proceso de diseño. Los diseños de pavimentos pueden ser adaptados para una amplia variedad de caminos, desde caminos no pavimentados con bajo volumen de tráfico, hasta autopistas de alto tráfico. Estos deben satisfacer los requerimientos específicos de las autoridades con respecto a la vida de diseño y al estándar funcional. Por lo tanto, la atención debe permanecer sobre la exigencia del producto final en todas las partes del proceso de diseño. Un diagrama de flujo generalizado es útil como guía de los pasos a seguir en el proceso de diseño de rehabilitación. El diagrama de flujo presentado en la Figura 3.1 es aplicable prácticamente a todos los proyectos de rehabilitación y puede ser adaptado de acuerdo a las necesidades específicas. Las actividades incluidas en este diagrama son las siguientes: – – – – – – –

Adquisición de datos Investigación preliminar Investigación detallada Opciones preliminares de diseño de rehabilitación de pavimentos Diseño de mezclas en laboratorio para material reciclado Finalización del diseño de pavimentos Análisis económico para seleccionar la mejor opción

Cada una de estas actividades es discutida más adelante en secciones separadas.

44

Capítulo 3

Fig. 3.1 Diagrama de flujo: Investigación y Diseño de Pavimentos

Defina los requerimientos y especificaciones del mandante

Adquisición de datos

No

PASO 1

Búsqueda de datos adicionales

¿Son suficientes los datos? Ejemplo: Tránsito

Si Procese los datos

PASO 2

Investigación preliminar/Identifique secciones uniformes

PASO 3

Investigación detallada y síntesis de toda la información

PASO 4

Formular diseño tentativo basado en propiedades estimadas de los materiales

Considerar opciones alternativas para modificar propiedades de los materiales:

PASO 5

Diseño mezcla de laboratorio

– Diferente agente estabilizador – Importar material nuevo (dilución) – Reciclar más profundo, etc.

No

¿Se lograron cumplir las popiuedades pre-estimadas del material?

Si PASO 6

Término del diseño de pavimentos

PASO 7

Realizar análisis económico

Capítulo 3

45

3.3

Adquisición de Datos y Procesamiento de la Información disponible (Paso 1 en Figura 3.1)

El diseño de rehabilitación de pavimentos debe estar basado en información confiable y apropiada. La adquisición de datos se clasifica en: – Información histórica. – Vida de servicio requerida para el pavimento rehabilitado. Esto requiere un análisis anticipado del tráfico.

3.3.1

Información del pavimento existente (información histórica)

Cuando se encuentren disponibles, los registros deben ser estudiados para determinar: – diseño de pavimentos especificado originalmente – espesor de las capas construidas, junto con algunos cambios para especificar el diseño de pavimentos – detalles de los materiales utilizados en la construcción de las capas del pavimento original, así como las rehabilitaciones posteriores o mejoras. – resultados del proceso y prueba de aseguramiento de calidad obtenidos de registros de construcción – fuente y calidad del material disponible de canteras locales y empréstitos – datos históricos de tráfico – datos geológicos a lo largo del camino – registros meteorológicos señalando modelos climáticos experimentados desde que el camino fue construido inicialmente Debe obtenerse la mayor cantidad de información posible de “estudios de escritorio”, ya que esta ayuda a contextualizar el proyecto y entregar una apreciación preliminar de lo que se puede esperar cuando comience la investigación en terreno.

3.3.2

Diseño de tráfico

Como se introduce en el Capítulo 1, los caminos son construidos para soportar el tráfico. El volumen y tipo de tráfico que tendrá un camino durante su vida de diseño dicta las exigencias del pavimento. Sin embargo los ingenieros de pavimentos necesitan estadísticas anticipadas de tráfico (en términos de números de vehículos, configuración y peso por eje) para determinar las exigencias estructurales para la rehabilitación. Esto es conocido como la “capacidad estructural” del pavimento, y se define como la cantidad y tipo de carga a la cual puede estar sometido el pavimento antes de “fallar”. La capacidad estructural es expresada en términos de millones de “Ejes Equivalentes” (Equivalent Standard Axle Load ESAL, ej. 5 x 106 ESALs). La capacidad estructural es denominada a menudo como el “tráfico de diseño” o la “capacidad de soporte” de un pavimento, los cuales poseen el mismo significado con el fin de que todos estos términos sean citados en millones de ESALs. Por lo tanto, los pavimentos son diseñados para una capacidad estructural específica. Aunque la vida de diseño es generalmente calculada en años, los pavimentos son actualmente diseñados para resistir las cargas de tráfico estimadas en este periodo. Por lo tanto, cualquier cambio imprevisto del tráfico estimado, causará un impacto en la vida de diseño. Este es uno de los aspectos fundamentales de la ingeniería de pavimentos, y es tan importante que se incluye un completo desarrollo en el Apéndice 4, titulado “Determinación de la Capacidad Estructural a partir de la Información de Tráfico”.

46

Capítulo 3

Cuando es evidente que los datos de tráfico son insuficientes, particularmente al diseñar la rehabilitación de pavimentos con tráfico pesado, se debe obtener información adicional. Se debe contabilizar el tráfico para obtener una estimación exacta del porcentaje de vehículos pesados que usan habitualmente el camino. La información respecto a la dispersión del tráfico (configuración de los vehículos), presión de los neumáticos y cargas por eje, debería ser registrada durante el conteo de tráfico. Además las predicciones del volumen y tipo de tráfico futuro, deben ser obtenidas de las autoridades correspondientes. Siempre debe tenerse presente que la información utilizada para calcular el diseño de tráfico (capacidad estructural) es dependiente del incremento de tráfico, factores de deterioro y otros datos que pueden no ser exactos. Además es importante realizar un análisis de sensibilidad para proporcionar confiabilidad en el efecto de cambio de estos datos. Análisis de tráfico detallados son esenciales para el diseño de pavimentos donde se requiere una estrategia de diseño a mediano y largo plazo (típicamente cuando la vida de diseño excede los diez años). Para estrategias a corto plazo raramente es necesario elaborar un análisis de tráfico. Sin embargo, la información sobre volumen de tráfico es útil para planificar el trabajo, reducir las dispersiones del tráfico durante la construcción y minimizar el deterioro de las capas rehabilitadas que pueden estar sujetas al tráfico en una etapa temprana. Una vez que toda la información ha sido obtenida y se ha definido la capacidad estructural, se puede continuar con la investigación preliminar.

3.4

Investigaciones Preliminares (Paso 1 en Figura 3.1)

Los proyectos de rehabilitación son raramente limitados a secciones cortas del camino; estos son normalmente producidos por la necesidad de restaurar secciones largas del camino a estándares aceptables, usualmente cuando la demanda de mantenimiento es excesiva. Los caminos pavimentados usualmente no son homogéneos en distancias largas. Tanto la geología subyacente, como los materiales utilizados en la construcción de las capas individuales (estructura del pavimento) varían a lo largo del proyecto. Además, un camino incluye una serie de secciones diferentes de varias longitudes, cada una con similar composición y comportamiento en respuesta a las cargas de tráfico. Estas son caracterizadas generalmente por síntomas similares de deterioro. Estas secciones son conocidas como “secciones homogéneas” y pueden ser tan cortas como unos cientos de metros o tan largas como varios kilómetros.

3.4.1

Determinación de secciones homogéneas

La clave para investigar el deterioro del pavimento es la identificación previa de estas secciones homogéneas. Una vez identificadas, el camino se divide en una serie de secciones. Secciones con deterioro similar y estructuras de pavimento pueden ser agrupadas para propósitos de investigación detallados. El objetivo principal de emprender una investigación preliminar es la definición de secciones homogéneas. Esto se logra usualmente analizando la información disponible, incluyendo cualquier tipo de dato de deflexión, y desarrollando una inspección visual. Síntomas similares de deterioro y/o medidas de deflexión indican condiciones similares en la estructura de pavimentos subyacentes. Esta información se utiliza para identificar: – Los límites entre las distintas secciones homogéneas – El tipo de deterioro (indicando el modo de falla) Las siguientes secciones describen como se logra esto en la práctica.

Capítulo 3

47

3.4.1.1 Método de las Deflexiones La medida de deflexión es una herramienta no destructiva muy poderosa para la evaluación del pavimento. La técnica principal es usar una carga, un impulso (impacto) o una rueda cargada conocida que simule un vehículo pesado, y medir la respuesta del pavimento. Cuando se aplica una rueda cargada a la superficie del camino, el pavimento se deflecta. La cantidad de deflexión que ocurre bajo la carga y la forma del “cuenco de deflexiones” producido por la carga, entrega un medio útil de evaluación de las propiedades del pavimento in-situ. La Figura 3.2 ilustra este principio. Fig. 3.2 Cuenco de deflexión típico Carga de rueda/carga dinámica do = Deflexión máxima

do

Material blando

Material rígido

Han sido desarrollados varios métodos para medir la respuesta del pavimento bajo carga, principalmente para usarla como un indicador de la condición estructural y la capacidad de carga del pavimento. Los métodos más utilizados son la Viga Benkelman y el Deflectómetro de Impacto (Falling Weight Deflectometer FWD). Las medidas de deflexión son determinadas a menudo por las autoridades nacionales o regionales de caminos en todos los componentes importantes de la red de carreteras, como la principal variable de entrada de su análisis SAP. Cuando se encuentre disponible, esta información es trascendente para la definición inicial de las secciones uniformes usando técnicas estadísticas simples (análisis de suma acumulada) para identificar donde ocurren cambios. La suma acumulada de las deflexiones máximas (u otros índices relevantes) son calculadas usando la ecuación 3.1:

S i = (d i – Ď) + S i-1

Dondei: Si di Ď

[Ecuación 3.1]

= valor de la suma acumulada en la situación i = deflexión máxima en la situación i = deflexión máxima media para la sección completa.

El valor de la suma acumulada es graficado para cada situación respectiva. Una pendiente relativamente constante indica secciones del pavimento con respuestas similares, o secciones homogéneas, como muestra la Figura 3.3. Nota: El método de la suma acumulada no es restrictivo para las deflexiones máximas. El método es usado a menudo con otros índices de deflexión, como el Índice de Curvatura Superficial (Surface Curvature Index SCI).

48

Capítulo 3

64,80 76,70 86,60 94,00 79,10 72,70 71,30 79,50 82,40 71,70 76,80 78,90 110,40 98,70 86,70 97,40 139,60 134,70 164,00 129,50 142,50 152,30 150,10 163,50 198,90 119,60 208,60 132,80 72,10 63,20 61,10 29,80 105,94

30060 30080 30100 30120 30140 30160 30180 30200 30220 30240 30260 30280 30300 30320 30340 30360 30380 30400 30420 30440 30460 30480 30500 30520 30540 30560 30580 30600 30620 30640 30660 30680

Valor medio (Ď)

Deflexión Máxima (d)

Distancia (m)

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –

41,14 70,38 89,71 101,65 128,49 161,73 196,36 222,80 246,34 280,58 309,71 336,75 332,29 339,53 358,76 367,30 333,64 304,88 246,81 223,25 186,69 140,33 96,16 38,60 54,36 68,02 170,69 197,55 163,71 120,98 76,14 0,00

Suma acumulativa (S)

– 400,00 30000

– 300,00

– 200,00

– 100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

Fig. 3.3 Gráfico típico de suma-acumulativa

Suma acumulada

Capítulo 3

49

30100

30200

30300

Sección Uniforme

Distancia (m)

30400

30500

Sección Uniforme

Identificación de sectores uniformes

30600

30700

Sección Uniforme

30800

3.4.1.2 Otros métodos Cuando no se disponga de datos de deflexiones, las secciones homogéneas deben ser identificadas por otros medios. Una información constructiva (cuando se encuentre disponible) es usada a menudo como una guía inicial, complementada por una evaluación visual detallada, como se discute más abajo. Sin embargo, cuando la capacidad estructural del pavimento excede 3 millones de ESALs, siempre es aconsejable realizar una inspección de deflexiones previa. En resumen, para identificar secciones homogéneas, la información derivada de la inspección es trascendente para la evaluación estadística de las propiedades del pavimento in-situ (ver sección 3.5.5).

3.4.2

Evaluación visual

Las evaluaciones visuales son realizadas normalmente caminando o, en proyectos largos, conduciendo lentamente a lo largo de la sección del camino a ser evaluada. Cuando la evaluación se realiza conduciendo, frecuentemente es necesario detenerse para realizar inspecciones más de cerca. Se toman notas detalladas de todos los deterioros evidenciados en la superficie del pavimento y otras observaciones como drenaje, cambios geológicos y características geométricas (pendientes abruptas, curvas cerradas y altos terraplenes). Los modelos de deterioro reconocidos durante la inspección, deben ser clasificados dentro de las tres categorías mostradas en la tabla 3.1.

Tab. 3.1

Modos y Tipos de Deterioro

Deteriodo observado

Tipo de deterioro

Descripción

Daño superficial

Daño ambiental

Pérdida aridos superficial, daño por oscilación térmica

(Figura 3.4)

Daño al tránsito

Pérdida de áridos superficial, exudación, pulido

Deformación

Ahuellamiento

Agrietamiento

Longitudinal, cocodrilo, etc.

Daño avanzado

Baches, desprendimiento del borde

Drenaje

Erosión

Calidad de rodado

Ondulaciones, corrugaciones

Daño estructural (Figura 3.5) Condición funcional

Fig. 3.4 Falla de superficie

Fig. 3.5 Falla por baja capacidad estructural

Reparado

Falla debida a efectos del medio ambiente

Durante la inspección, los diferentes modelos y tipos de deterioros del pavimento son descritos de acuerdo a su severidad, frecuencia y posición. La inspección visual entrega indicaciones valiosas respecto a las causas de deterioro del pavimento dado que los modelos de falla llegan a ser elementales una vez resumidos. Esta característica es ilustrada en un ejemplo incluido en el Apéndice 1.

50

Capítulo 3

3.4.3

Reevaluación de las secciones homogéneas

Las secciones homogéneas definidas del análisis de deflexiones deben ser reevaluadas usando información recogida de la inspección visual, junto con toda la otra información disponible (ej. registros de construcción). Este proceso permite diseños más exactos de las secciones homogéneas individuales, también como la identificación de secciones homogéneas.

3.5

Investigación Detallada (Paso 3 en Figura 3.1)

Para cada sección homogénea se requiere una investigación detallada para evaluar la estructura del pavimento existente (componentes y modo de deterioro) y para determinar el soporte de la subrasante in-situ. Métodos típicamente utilizados son descritos más abajo.

3.5.1

Excavación de calicatas

La excavación de calicatas en un pavimento existente es una de las partes más importantes de cualquier investigación de pavimentos. Además para lograr una apreciación visual útil de las capas y materiales en la estructura del pavimento, las calicatas proporcionan una oportunidad de tomar muestras para ensayos de laboratorio. Estas muestras pueden ser ensayadas para evaluar la calidad de los materiales en las capas del pavimento existente y proveer material para el diseño de mezclas, resultados que son utilizados para establecer los tratamientos más efectivos para los materiales a ser reciclados (como se discute en la sección 3.7). Las calicatas también permiten la determinación de: – – – –

espesor de las capas individuales del pavimento contenido de humedad in-situ densidad precisa in-situ (grado de compactación) de cada capa estado de varias capas (ej. Grado de agrietamiento, cementación o carbonatación de cualquier capa estabilizada con cemento).

Las calicatas son excavadas generalmente en la huella exterior de la pista de tráfico y algunas veces es ubicada en el límite de la pista de tráfico con la berma. Las calicatas son usualmente de 1.2 m de largo, 1 m de ancho y excavadas a 1 m de profundidad. Además se puede excavar una ranura superficial a través del ancho total de la pista de tráfico, con el fin de investigar la profundidad hasta la cual se prolonga la deformación y para determinar la extensión de cualquier ensanche del pavimento original. El trabajo de excavación es realizado cuidadosamente para separar cada capa de diferente tipo de material. Cada tipo de material encontrado es amontonado separadamente junto a la excavación para luego ser mostrado. A medida que la excavación progresa, los ensayos de densidad pueden ser realizados en cada una de las capas en forma sucesiva, y las muestras ubicadas en contenedores sellados para determinar su contenido de humedad.

Capítulo 3

51

Una vez terminada la excavación, el perfil del pavimento determinado por las calicatas es registrado como se muestra en la Figura 3.6, y las muestras representativas de material de cada capa son tomadas para realizar ensayos de laboratorio. Fig. 3.6 Excavación y secciónl típico de una excavación de calicata

Sección de Pavimento Espesor desde la superficie (mm) 0 85

Asfalto

Material granular chancado Estabilización con cemento 420 555 755

Material granular chancado Material granular chancado Estabilización con cemento Material granular chancado

900 1.200

3.5.2

Arena limosa café oscuro sobre granito

Extracción de testigos

Comparado con las calicatas, la extracción de testigos es relativamente más rápida y menos destructiva en cuanto a su extensión. Los testigos permiten chequear en forma precisa espesores de materiales ligados, tales como asfalto y capas estabilizadas. Los testigos pueden ser fácilmente ensayados para conocer su composición volumétrica y propiedades de ingeniería. La profundidad de la muestra es limitada por el largo de la broca utilizada para extraer el testigo. Además, se aprecia que los materiales no ligados (granulares) no pueden ser mostrados usando este método.

3.5.3

Ensayos de laboratorio

Las muestras tomadas desde calicatas y testigos son sometidas a ensayos de laboratorio para establecer la calidad de los materiales en las capas de pavimento existente y en la subrasante. Los materiales usados en las mezclas recicladas son muestreados desde empréstitos y canteras, y también son ensayados. Los ensayos típicos incluyen: tamizado, límites de Atterberg, Razón de Comportamiento de California (California Bearing Ratio CBR) y la relación humedad/densidad. Los resultados son usados principalmente para la clasificación de materiales, la cual entrega una indicación de los parámetros relevantes (ej. Módulo Elástico) a utilizar en el análisis de la estructura del pavimento existente. Estos también son útiles en la selección de las medidas apropiadas de rehabilitación, como la compatibilidad con diferentes agentes estabilizadores.

52

Capítulo 3

3.5.4

Cono de penetración dinámica (DCP)

Fig. 3.7

El DCP es una herramienta simple que consiste en una barra de acero con una punta cónica de acero endurecida que es introducida en el pavimento utilizando un martillo de peso estándar que se deja caer. La razón de penetración, medida en mm/golpe, entrega una indicación de la resistencia in-situ del material en las diferentes capas del pavimento. El DCP es introducido normalmente a una profundidad de 800 mm, o más en el caso de pavimentos con estructuras más duras. Esto permite obtener un perfil que indica las propiedades in-situ con respecto a la profundidad.

Las investigaciones con DCP requieren numerosos ensayos para mejorar la confiabilidad, ya que el coeficiente de variación a menudo es relativamente alto. Por lo tanto, estas medidas deben ser analizadas estadísticamente para obtener el valor del percentil adecuado (normalmente para caminos menores se utiliza el percentil 20 y para autopistas se usa el percentil 5).

Mango Tope superior Martillo (8 kg) Dimensiones del cono

Dimensiones del conMarca cero

575 mm

3 mm

20 mm

Angulo del cono 60°

Tope inferior e indicador de penetración

Ca. 1935 mm

Las medidas del DCP están bien relacionas con el CBR en materiales arenosos (y razonablemente bien para materiales granulares gruesos) en cuanto a la densidad y contenido de humedad in-situ. Las correlaciones con la Resistencia a la Compresión no Confinada (UCS) en materiales ligeramente cementados también han sido desarrolladas. Los resultados del DCP pueden ser utilizados como una guía preliminar para obtener el modulo elástico de los materiales del pavimento in-situ.

Dimensiones del DCP

Clip superior y punto de referencia

Barra cilíndrica de acero, Ø 16 mm Barra de medición con escala ajustable

Clip inferior (Diagrama no está a escala)

Los resultados de una inspección con DCP son útiles para indicar el espesor de capas con resistencia uniforme dentro de la estructura del pavimento. Se encuentran disponibles programas computacionales para analizar los datos de penetración que indican el CBR, UCS, espesor de las capas y modulo elástico in-situ, como se muestra en la Figura 3.8.

0

0

100

100

100

200

200

300 400 500

Espesor de pavimento (mm)

0

Espesor de pavimento (mm)

Espesor de pavimento (mm)

Fig. 3.8 Resultados típico del DCP

300 400 500

200 300 400 500

600

600

600

700

700

700

800 0

150 50 100 Número de Golpes

Curva DCP

Capítulo 3

200

800 1000

100 10 CBR (%)

Diagrama de resistencia de cada capa

1

800 10

100 Módulo Elástico (MPa)

1000

Módulo Elástico

53

3.5.5

Análisis de las medidas de deflexión

Como fue introducido en la sección 3.4.1, las medidas de deflexión entregan información confiable de la estructura del pavimento in-situ. Además para ayudar con la delimitación de las secciones homogéneas, las medidas de deflexión medidas dentro de cada sección homogénea deben ser analizadas estadísticamente, en un nivel de confianza adecuado, y el cuenco de deflexiones retro-analizado (ej. se analiza sólo el percentil 95 del cuenco de deflexiones para una sección homogénea específica). Este procedimiento utiliza los espesores reales de las capas medidos en terreno (y experimentadas con el DCP) para indicar el modulo elástico in-situ de cada capa. Esta información es usada para el análisis de pavimentos con varios métodos de diseño, como se discute más abajo.

3.5.6

Medidas de la profundidad del ahuellamiento

El principal propósito de medir la profundidad del ahuellamiento es evaluar la calidad funcional del camino. El ahuellamiento es medido generalmente en forma manual usando un marco recto de 2.0 m de largo ubicado transversalmente a través de la huella en cada pista de tráfico. Se registra la máxima profundidad del ahuellamiento. El ahuellamiento también puede ser medido usando equipos auscultaciones móviles más sofisticados, que emplean técnicas de mediciones láser (ej. ARAN automatic road analyser). Sin embargo, dado que el protocolo de medición influencia las medidas reales de ahuellamiento, es importante establecer el método que fue empleado. El ancho del ahuellamiento indica la fuente de deformación en la estructura del pavimento; ahuellamientos angostos indican deterioros superficiales del pavimento mientras que ahuellamientos anchos indican soportes de mala calidad de la capa subyacente. La correlación de la profundidad del ahuellamiento y las medidas de deflexión en un mismo punto, también ayudan a determinar si las capas superiores o inferiores en la estructura del pavimento se han deformado, e indican el curso de acción que es necesario seguir.

3.5.7

Síntesis de todos los datos disponibles

La fase de investigación detallada culmina con la compilación en una hoja resumen con todos los datos relevantes para una sección homogénea específica, como se muestra en el ejemplo más abajo. Fig. 3.9 Ejemplo de ficha de investigación de detalle Posición de ensayos Kilómetro 55+2 Pista Rápida Pista Intermedia Pista Lenta Bordillo

56+2 Leyenda Calicata Testigo DCP

Resultados de laboratorio IP Densidad CBR

Espesor (cm) Rango 95 %ile

Módulos (MPa) FWD DCP

Asfalto

11 – 19

13

3.500

Piedra caliza estabilizada

18.5 – 22

19

280

102

NP

2,36

12 – 19

15

210

110

NP

2,29

59

9

2,04

Tipo de Material

Piedra caliza chancada Piedra caliza Mal estado

in-situ

145

165

Los resultados de ensayos e inspecciones mostrados en la Figura 3.9 son típicos de una investigación extensa que incluye todos los detalles de la composición del pavimento y las características de los materiales. A partir de esta información se puede determinar la vida estructural remanente del pavimento e identificar la capa crítica con la menor capacidad estructural. Cuando se analiza en conjunto con la evaluación visual, puede ser identificado el modo de deterioro (falla) y las áreas problemáticas en la estructura del pavimento existente. Esto permite al ingeniero diseñador enfocarse en medidas de rehabilitación alternativas para indicar las debilidades identificadas y las áreas con problemas, como se describe en la siguiente sección.

54

Capítulo 3

3.6

Opciones Preliminares de Diseño de Rehabilitación de Pavimentos (Paso 4 en Figura 3.1)

Ahora pueden ser indicados los problemas específicos identificados en la investigación del pavimento. Con todas las rutinas de solución de problemas, la clave para encontrar la mejor solución es identificar en un principio todas las posibilidades. Las Figuras 3.10, 3.11 y 3.12 son incluidas como una guía para determinar las opciones de rehabilitación alternativas (soluciones), basadas en la situación de problema en que se encuentre el pavimento existente. Fig. 3.10 Alternativas de conservación para falla superficial en la carpeta de rodado Espesor desde la superficie

Espesor máximo de conservación 100 mm

0 mm 100 mm 300 mm

Alternativas de conservación Reciclado en frío

Alternativas convencionales

600 mm Reciclado superficial (fresado) 100% RAP

– Recapado asfáltico – Fresado y reemplazo – Reciclado en sitio en caliente

Fig. 3.11 Alternativas de conservación para falla estructural en capas superiores Espesor desde la superficie

Espesor máximo de conservación 300 mm

0 mm 100 mm 300 mm Alternativas de rehabilitación 600 mm Reciclado en frío

Alternativas convencionales

Reciclado in-situ utilizando diferentes alternativas de agentes recicladores con y sin capa adicional

– Recapado asfáltico – Bacheo y recapado – Construcción de capas adicionales

Fig. 3.12 Alternativas de conservación para falla por asentamiento de la estructura Espesor desde la superficie

Espesor máximo de conservación 600 mm

0 mm 100 mm 300 mm

600 mm Alternativas de rehabilitación Reciclado en frío Reciclado en dos etapas utilizando diferentes agentes recicladores con o sin capa adicional

Capítulo 3

Alternativas convencionales – Reconstrucción – Construcción de capas adicionales

55

Estas simples aproximaciones ubican las medidas de rehabilitación de pavimentos dentro de tres categorías distintas, que pueden ser usadas como guía para las soluciones alternativas más obvias a problemas de deterioro dentro de cada categoría. Cuando se formulan soluciones alternativas para todas las categorías, se debe considerar lo siguiente: – Todas las soluciones alternativas deben tener una capacidad estructural similar. – Es importante considerar en orden todas las opciones razonables, para evaluar la mejor de acuerdo al ciclo de vida útil (discutido más abajo). – El reciclado, permite mantener la altura de la superficie existente (o en forma aproximada) en el pavimento rehabilitado. Se debe analizar apropiadamente las implicancias de un aumento en la altura del camino cuando las medidas alternativas requieren capas adicionales y/o recapados gruesos. – Cuando el reciclado ofrezca claras ventajas, es importante identificar la profundidad preliminar de reciclado (ver Capítulo 5). Además para facilitar el proceso de selección preliminar, al fijar la profundidad del reciclado es posible identificar la naturaleza del material reciclado, permitiendo determinar el tipo apropiado de estabilización. Entonces, puede ser estimada la razón de aplicación del agente estabilizador y las propiedades del material en forma anticipada. Además, este ejercicio es necesario antes de comenzar el procedimiento de diseño de mezclas estabilizadas (ver Capítulo 4). – El deterioro estructural en pavimentos delgados (menos de 300 mm) y el deterioro relacionado a la capacidad de soporte pueden ser solucionados reciclando espesores superiores de capas del pavimento (más de 300 mm), así se proporciona una capa homogénea (pavimentos poco profundos pueden alojar subrasantes débiles). Sin embargo, cuando se selecciona esta solución, se deben considerar asuntos de constructibilidad (ej. alcanzar niveles de compactación en soportes de mala calidad), lo que puede implicar que la alternativa sea descartada. Durante el proceso de identificación de alternativas, algunas serán obviamente inapropiadas (usualmente debido al costo y/o consecuencias de constructibilidad), pudiendo ser ignoradas. Para reducir los datos de entrada para el diseño, el número de soluciones alternativas seleccionadas para el análisis se restringen normalmente a un máximo de tres. Como comentario general, el proceso de reciclado en frío proporciona alcances para la rehabilitación de un amplio rango de pavimentos y tipos de materiales. Cualquier problema en la estructura del pavimento puede ser solucionado mediante el reciclado. Sin embargo, el diseño para esta solución de rehabilitación es distinto al diseño de un pavimento nuevo, lo cual es discutido en detalle más abajo.

3.6.1

Aproximaciones del diseño de pavimentos

En los pasados 50 años se han desarrollado muchos métodos de diseño de pavimentos, registrándose desde métodos empíricos relativamente simples, hasta las más complicadas aproximaciones de modelación (ej. análisis de elementos finitos) que requieren sofisticados programas computacionales. Muchos de estos métodos fueron desarrollados antes de concebir la idea de reciclar material de un pavimento existente. Sin embargo, varios de estos métodos pueden ser adaptados a pavimentos reciclados en frío. Varios métodos de diseño de pavimentos pueden ser resumidos en dos clasificaciones: – Métodos Empíricos: los cuales incluyen: – Método de diseño por CBR, basado en la resistencia de la subrasante – Guías de diseño aproximadas, basados en estructuras típicas de pavimento para aplicaciones específicas – Método de diseño con DCP, el cual utiliza los datos de investigaciones con el DCP para modelar defectos en el pavimento existente – Método del Número Estructural, el cual asigna un coeficiente estructural para varios tipos de materiales

56

Capítulo 3

– Métodos Analíticos: todos estos métodos incluyen procesos analíticos seguidos de interpretaciones (elementos empíricos) para traducir los resultados del análisis de la capacidad estructural (conocidos como funciones de transferencia): – Método de diseño basado en las deflexiones usando medidas de deflexión (análisis del cuenco de deflexiones) – Análisis mecanicista. Estos métodos son basados en análisis de multi-capa lineal elástico, elasto-plástico o de elementos finitos. El método aplicable al diseño de reciclado es revisado brevemente más adelante. Como regla general, pavimentos con altos niveles de tráfico (> 5 millones de ESALs) deben ser diseñados siempre usando aproximaciones analíticas. Para pavimentos con bajos niveles de tráfico, un método empírico puede ser suficiente, pero cuando existan dudas de que el diseño puede no ser apropiado para las cargas de tráfico estimadas (subdimensionar o sobredimensionar) se debe utilizar un método analítico. La descripción de los diferentes métodos de diseño en las secciones siguientes es esencialmente introductoria. Para información más detallada, puede consultar la Bibliografía listada en el Capítulo 6. Sin embargo, dado que el diseño de pavimentos incorporando materiales tratados con asfalto espumado no está muy desarrollado (está en pañales), en el Apéndice 3 se incluye información adicional de este proceso específico.

3.6.2

Método de guías de diseño

Los métodos de guías de diseño están prescritos en el tipo y calidad de materiales requeridos para una estructura de pavimento conveniente. Las guías entregan una lista de tipos de pavimentos para condiciones de soporte y capacidades de tráfico dadas. Aunque este diseño aproximado es usualmente desarrollado usando procedimientos analíticos, es restrictivo (no puede incluir todas las opciones) y no es fácilmente transferible (desarrollado para materiales y condiciones climáticas locales). Las condiciones de soporte usadas en la guía de diseño necesitan ser analizadas en base a las opciones de diseño para las cuales fueron desarrolladas. Por esta naturaleza, el reciclado en frío ofrece un rango de soluciones de pavimentos, de las cuales muy pocas pueden ser proporcionadas en una guía.

3.6.3

Método del número estructural

De la experiencia, los coeficientes han sido desarrollados para ciertos materiales de pavimentos para ser utilizados en el diseño estructural. El número estructural resume el producto del coeficiente estructural y el espesor de la capa correspondiente. Si el total excede una cierta cantidad mínima para el diseño de tráfico y condición de soporte de la subrasante, se considera que la estructura del pavimento debe ser ajustada. El Número Estructural (SN) es simple de usar en materiales conocidos, los cuales cuentan con un registro de su comportamiento en condiciones climáticas dadas. Se debe tener cuidado cuando se utiliza este método bajo condiciones climáticas severas o donde los materiales locales son significativamente distintos. Además, este diseño no es recomendado para pavimentos que requieran una capacidad estructural que excede los 5 millones de ESALs, ya que no existe un mecanismo de control para mantener un pavimento balanceado en términos de la rigidez relativa de las capas superiores.

3.6.4

Método basado en las deflexiones

Los métodos de diseño de rehabilitación basados en las deflexiones son usados para analizar la respuesta de un pavimento existente bajo una carga aplicada. Las medidas del cuenco de deflexiones son usadas para realizar un retro-análisis del modulo resaliente (rigidez) de las capas requerido para crear un perfil de respuesta. Esta rigidez es luego empleada en la selección de la estructura de diseño de rehabilitación apropiada usando análisis mecanicistas, variando los espesores de las capas (aproximaciones iterativas usando prueba y error).

Capítulo 3

57

Algunos de los métodos que utilizan medidas de deflexión superficial de una viga Benkelman (ej. método del Asphalt Institute y TRR) relacionan la deflexión a las repeticiones de cargas de tráfico para una condición terminal dada (ej. 10 mm de ahuellamiento). Este método es útil para el diseño de recapado, donde los daños son resultado de la mala calidad de soporte de la subrasante, pero no son aplicables para diseñar soluciones de reciclado en frío. Los métodos de medidas de deflexión son integrados con métodos de diseño mecanicista. Esta es la aplicación más apropiada para los proyectos de reciclado. En tal caso, los parámetros de entrada para los espesores de las capas y la clasificación de materiales pueden ser obtenidos de un análisis con DCP.

3.6.5

Método de diseño mecanicista

El uso de métodos de diseño mecanicistas de pavimentos para los trabajos de rehabilitación es fundamentalmente la aproximación más confiable. Estos métodos están basados en principios de ingeniería, usando datos de comportamiento desarrollados a través de investigaciones de diferentes materiales. Estructuras de pavimentos que incluyen opciones de rehabilitación (ej. Reciclado en frío) son modeladas para obtener tensiones y deformaciones en las diferentes capas, las cuales son relacionadas con las funciones de transferencia para propiedades de materiales, tanto como para estimar su capacidad estructural. Generalmente se obtiene un nivel elevado de confianza comparado con los métodos de diseño derivados empíricamente. El método de diseño mecanicista multi-capa lineal-elástico es el más usado comúnmente por poseer las aproximaciones más simples, aunque también se encuentran disponibles otros diseños mecanicistas, como los métodos de análisis no-lineal-elástico y elasto-plástico. El diseño mecanicista utiliza programas computacionales para determinar la respuesta del pavimento sometido a cargas. Esta respuesta es determinada como deflexiones, tensiones y deformaciones en cada una de las capas del pavimento. El método de diseño requiere la entrada del espesor de las capas y las propiedades de los materiales (modulo elástico y razón de Poisson) de las diferentes capas del pavimento. Los parámetros de entrada para los análisis mecanicistas y la subsecuente clasificación de materiales pueden ser obtenidos de los ensayos de laboratorio (ej. CBR, PI para granulares y UCS para materiales cementados). Esta información puede ser obtenida en la etapa de investigación detallada (de los datos de testigos) y/o de la etapa de diseño de mezclas. La clasificación de materiales obtenida de los ensayos de laboratorio entrega una indicación de la rigidez y la razón de Poisson para materiales específicos. Además las mediciones in-situ con el DCP pueden ayudar a clasificar la resistencia de la subrasante. El método de diseño mecanicista posee distintas ventajas para el diseño de rehabilitación, ya que es capaz de modelar el deterioro existente en el pavimento, e identificar sus debilidades. El método no restringe las opciones de rehabilitación y acomoda varias posibilidades de reciclado en frío para reforzar el pavimento eficazmente.

3.6.6

Resumen de las aproximaciones del diseño de pavimentos

Investigaciones y fases de diseño deben ser integradas con el primer objetivo de comenzar a entender el comportamiento del pavimento existente. El segundo objetivo es diseñar pavimentos más rentables, tomando en cuenta las expectativas de las autoridades del camino en cuanto a la vida de diseño, propiedades funcionales y costos de mantenimiento. Los métodos de diseño mecanicista son favorables como un medio para chequear la capacidad del pavimento existente, identificar las debilidades y realizar el diseño de rehabilitación. Otros métodos de diseño empíricos pueden ser utilizados para bajos niveles de diseño de tráfico o como un primer intento al diseño de rehabilitación. El Apéndice 1 incluye ejemplos del trabajo completo de investigación y fases de diseño para diferentes tipos de pavimentos.

58

Capítulo 3

3.7

Diseño de Mezclas en Laboratorio para Materiales Reciclados (Paso 5 en Figura 3.1)

El diseño de mezclas juega el rol de verificación de la calidad de los materiales seleccionados para tratamientos con los aditivos escogidos. El diseño de mezclas es la parte fundamental de la investigación de pavimentos y los procedimientos de diseño, y como tal, su objetivo es establecer el método más efectivo de tratamiento de los materiales en las capas recicladas. Muestras representativas tomada de la capa a ser reciclada son sometidas a ensayos de diseño de mezclas. Las muestras deben ser preparadas para simular tan estrictamente como sea posible la proporción y gradación del material que será producido por el proceso de reciclado real. Por lo tanto, cuando sea posible, se debe usar una pequeña máquina recicladora para fresar muestras del pavimento. En algunos casos será necesario mezclar estos materiales con agregados nuevos, dependiendo de la calidad del material a ser reciclado y de las propiedades requeridas en el producto reciclado final. Los procedimientos de diseño de mezclas que pueden ser utilizados en la estabilización con cemento, emulsión asfáltica y asfalto espumado, son incluidos en el Apéndice 2, pero en esencia, el trabajo de diseño de mezcla implica cinco pasos básicos: PASO 1

Selección inicial de los agentes estabilizadores, tomando en cuenta: • conveniencia en relación al tipo y calidad del material a ser reciclado. La selección inicial del agente estabilizador más apropiado esta basada en los resultados de ensayos de laboratorio realizados en la etapa de investigación de pavimentos. • propiedades de ingeniería requerida de las mezclas recicladas relativas a las entradas del diseño de pavimentos • disponibilidad, en términos de capacidad para procurar exigencias de volumen diarias suficientes, y consistencia de calidad de los agentes estabilizadores que pueden ser suministrados • el costo relativo de diferentes agentes estabilizadores (Se entregan referencias en el Capítulo 4, “Agentes Estabilizadores”, para más información sobre agentes estabilizadores). Basado en lo de arriba, se toma una decisión para seguir adelante y realizar un diseño de mezclas completo usando sólo uno de los agentes estabilizadores, o una combinación de dos agentes como emulsión asfáltica y cemento. Varias opciones de diseño de mezclas pueden ser investigadas simultáneamente.

PASO 2

Se realiza un programa de optimización preparando varias porciones idénticas de muestras, mezclándolas con diferentes cantidades de agente estabilizador. Simultáneamente se le agrega suficiente agua para lograr una mezcla con el contenido de humedad óptimo (para la compactación). Se preparan, típicamente al menos cuatro mezclas con diferentes contenidos de estabilizador.

PASO 3

Las probetas son fabricadas usando un esfuerzo de compactación estándar.

PASO 4

Las probetas son curadas para simular las condiciones en terreno.

PASO 5

Después del curado, las probetas son sometidas a varios ensayos para evaluar sus propiedades de ingeniería y su susceptibilidad a la humedad.

Para determinar el contenido óptimo de estabilizador, los resultados de los ensayos son graficados con respecto al contenido de estabilizador de cada mezcla. El contenido de estabilizador que permite lograr las propiedades deseadas, es considerado como el contenido óptimo de estabilizador.

Capítulo 3

59

3.8

Finalización del Diseño de Pavimentos (Paso 5 y 6 en Figura 3.1)

La opción de diseño de pavimentos inicial descrita en la sección 3.6, estuvo basada en estimaciones de las propiedades del material estabilizado en cualquiera de las nuevas capas previstas en la rehabilitación de pavimentos. Estas propiedades son determinadas siguiendo los procedimientos de diseño de mezclas descritos en la sección 3.7. Si las propiedades reales fallan al encontrar aquellas estimaciones, se debe revisar el diseño de pavimentos inicial y los materiales utilizados. Cuando la capa es reciclada, se dispone de las siguientes opciones: – Aumentar el espesor de la capa. Esto resultará en una mayor profundidad de corte, la cual puede incorporar diferentes materiales (usualmente de mala calidad) del pavimento subyacente. Cuando el cambio de material es significativo, el diseño de mezclas debe ser repetido para determinar las propiedades correctas; – Mezclar el material reciclado con agregado importados nuevos. Cuando sea obvio que el reciclado más profundo no indicará un déficit en las propiedades del material, se puede mezclar con agregados importados de mejor calidad. Estos cambios frecuentemente requieren repetir el diseño de mezcla. – Considerar el uso de un agente estabilizador distinto o una mezcla de agentes estabilizadores. Por ejemplo, sustituir la cal hidratada por cemento cuando se combina con asfalto espumado, ha sido apropiado en el mejoramiento de las propiedades de algunos materiales para encontrar las exigencias del diseño preliminar. El paso final es ingresar los parámetros de resistencia del material en los procedimientos de diseño de pavimentos, y confirmar el espesor de la capa estabilizada que logrará las exigencias de capacidad estructural.

60

Capítulo 3

3.9

Análisis Económico (Paso 7 en Figura 3.1)

Es de vital importancia realizar un análisis económico de costos para tomar una decisión racional al momento de seleccionar la opción de rehabilitación más apropiada. La alternativa de diseño de rehabilitación de pavimentos no puede ser comparada sólo en base a los costes de construcción. Las medidas de mantenimiento que será requerido durante la vida del camino, las cuales dependen del tipo de pavimento, estructura, materiales, etc., también deben ser ingresadas dentro del análisis económico. Por lo tanto el periodo completo de análisis del pavimento debe realizarse en base a dichos cálculos. Una de las técnicas utilizada para el análisis económico es el método del Valor Presente del Costo (present worth of cost PWoC). Este método está basado en la sumatoria de los costos de construcción más las medidas de rehabilitación y mantenimiento que pueden ser estimadas para el periodo de análisis, terminando con una reducción del valor residual recuperado. Se utiliza una razón de descuento para representar la escala de costos con respecto al tiempo, para relacionar el costo de futuros mantenimientos y rehabilitaciones medidas en valores corrientes (día presente). A menudo es difícil estimar costos de construcción relativos y pronosticar las medidas de mantenimiento. El conocimiento de materiales y condiciones ambientales locales, como de datos del comportamiento funcional del pavimento (SAM), ayudará a determinar las medidas de mantenimiento futuro y el momento de aplicación. En el Apéndice 6 se incluye un conjunto de antecedentes para evaluaciones económicas, y se describen algunas de las técnicas que pueden ser usadas, incluyendo PWoC, Razón Beneficio/Costo, Razón Interna de Retorno y Valor Presente Neto. Como comentario final, cuando se realiza un análisis económico apropiado para opciones de rehabilitación de pavimentos, el reciclado en frío normalmente comprueba ser la alternativa preferida, principalmente debido a la reutilización de materiales en el pavimento existente. En la mayoría de los proyectos que han sido analizados hasta la fecha, es usual mencionar ventajas de un 30% o superiores, sobre los métodos de rehabilitación convencional.

Capítulo 3

61

62

Capítulo 4: Agentes Estabilizadores El primer uso de agentes estabilizados registrado en la construcción de caminos corresponde a los romanos, hace dos mil años aproximadamente. Sumado a sus avanzados sistemas de pavimentación enbloques (adoquines), también usaban una forma de tratamiento con cal para mejorar la resistencia del pavimento frente al paso de vagones de transporte altamente cargados. Hoy en día, muchos de los diferentes tipos de agentes estabilizadores se utilizan mundialmente para mejorar las propiedades de los suelos naturales. Además de aumentar las propiedades de resistencia de un material, los agentes estabilizadores mejoran la durabilidad y el comportamiento frente a efectos del agua y el medioambiente. En muchas partes del mundo, los materiales de buena calidad simplemente no están disponibles para la construcción de caminos. Los costos de transporte de importar material adecuado han promovido el desarrollo de técnicas de estabilización para poder utilizar los recursos localmente disponibles. En muchas ocasiones, las resistencias requeridas pueden obtenerse de un material local “marginal”, a través de la adición de pequeñas cantidades de agentes estabilizadores a un costo relativamente bajo. Estas técnicas son aplicables tanto al reciclado como a nuevas construcciones. A través de la adición de un agente estabilizador, el material recuperado de un pavimento existente puede ser mejorado, eliminando así la necesidad de importar nuevos materiales que cumplan con las resistencias requeridas por la estructura de pavimento rehabilitada. Sin embargo, existe una percepción errónea en relación al objetivo de los agentes estabilizadores, su comportamiento y, aun más importante, cuándo se debieran considerar o descartar el uso de los distintos agentes estabilizadores. Este capítulo tiene como propósito tratar estos temas.

4.1

Tipos de Agentes Estabilizadores

4.1.1

Generalidades

Hoy en día en el mundo se utiliza una variada gama de agentes estabilizadores. Estos incluyen compuestos químicos tales como cloruro de calcio, polímeros y productos derivados del petróleo (aceites sulfonados), y otros productos y agentes ligantes más convencionales, como cemento y asfalto. Todos ellos apuntan a alcanzar el mismo objetivo de ligar las partículas individuales de agregado para incrementar la resistencia y/o hacer el material más resistente al agua. Algunos son más efectivos que otros en materiales específicos, otros tienen claras ventajas de costo, pero todos tienen un nicho en el mercado, y la mayoría pueden ser aplicados de mejor manera utilizando máquinas de reciclado modernas. Continuamente se están desarrollando nuevos productos y es muy importante para la industria que ellos tengan la posibilidad de ser probados. La innovación siempre debiera incentivarse ya que no existe un agente estabilizador que pueda adjudicarse el mejor comportamiento para todas las aplicaciones. Los ingenieros deben mantener un enfoque de mente abierta cuando se enfrenten a tomar la decisión respecto de qué agente utilizar en un proyecto específico. Tales decisiones son influidas invariablemente por: (en orden de importancia) – Precio. El costo unitario de estabilizar (normalmente expresado en términos de costo por metro cuadrado de superficie completada); – Disponibilidad. Agentes estabilizadores específicos puede que no estén disponibles en algunas partes del mundo. Por ejemplo, las emulsiones asfálticas no se fabrican en algunos países; – Características del material. Algunos agentes estabilizadores son más efectivos que otros en ciertos tipos de materiales. Por ejemplo, la cal debiera ser preferida por sobre el cemento para suelos de alta plasticidad (IP > 10); y – Políticas. Algunas autoridades de caminos tienen políticas rígidas relacionadas al uso de ciertos agentes estabilizadores, en muchas ocasiones influidas por malas experiencias pasadas. La estrategia que se adopta en relación al uso o no de agentes estabilizadores difiere de país en país, y de una autoridad de caminos a otra. Cuando estas diferencias son gobernadas por políticas y no por

Capítulo 4

63

mérito técnico se cometen importantes equivocaciones en las decisiones. La tecnología no conoce fronteras; las características de resistencia de los materiales medidas en cualquier parte del mundo son comparables, dado que los materiales son similares y los criterios de ensayo comunes. Por ello es que no existe una razón real para vetar el uso de un agente estabilizador específico que cumpla con todos los requerimientos técnicos relevantes. Sin embargo, los ingenieros tienden a ser conservadores por naturaleza. El estar en la frontera de la tecnología puede ser una experiencia arriesgada y solitaria y, por esta razón, es que frecuentemente prefieren prácticas que han sido probadas y ensayadas. Los agentes estabilizadores como el cemento y, en un grado menor, los derivados del asfalto, han sido ampliamente estudiados. Ellos son usados extensamente y los métodos estándar de ensayos están disponibles para determinar diseños óptimos de mezclas y requerimientos de garantía de calidad. Además, tanto el cemento como el asfalto tienen una gran utilización en la industria de la construcción y están generalmente disponibles en todo el mundo. Es por esta razón que no es sorprendente que éstos sean los agentes estabilizadores más populares. Los materiales no ligados (no estabilizados) en pavimentos flexibles exhiben un comportamiento dependiente del nivel de tensiones. Esto significa que, cuando se confinan en una capa de pavimento, la rigidez efectiva aumenta con el incremento del estado de carga. Cuando los materiales son repetidamente cargados a niveles de tensiones que superan su resistencia última, se presentan deformaciones de corte (cizalle) que se traducen en ahuellamiento. Al añadir un agente estabilizador, se ligan las partículas del material, cambiando el comportamiento bajo carga a tal nivel que una capa de material estabilizado se comporta de forma similar a una losa con distintos patrones de tensiones. Los agentes estabilizadores cementados, aportan rigidez mientras que los agentes asfálticos tienden a producir un material relativamente flexible. El material cementado es propenso a la retracción, que se manifiesta en un agrietamiento en bloque de la capa cuando se somete a cargas repetidas, mientras que los materiales ligados con asfalto tienden a ser más blandos, con mejores propiedades elásticas, tendiendo a deformarse bajo carga. Sin embargo, en la fibra inferior de las capas de material ligado se generan tensiones de tracción cuando el pavimento se deforma bajo carga. Las cargas repetitivas (normalmente millones de repeticiones) causan que el material sufra una falla por fatiga, o agrietamiento “de abajo hacia arriba” y el tipo de agente ligante es uno de los determinantes más importantes en el número de repeticiones que una capa puede soportar antes de que se desarrolle el agrietamiento. Estos conceptos son discutidos en las siguientes secciones.

4.1.2

Agentes estabilizadores cementados

La cal, el cemento y mezclas de estos productos con cenizas volantes, escoria de alto horno y otros materiales puzolánicos, son los agentes estabilizadores más utilizados. Aparte de los primeros experimentos romanos con cal, el cemento ha sido usado por el período más largo de tiempo. La primera aplicación registrada fue en los Estados Unidos en 1917. La función primaria de estos agentes es aumentar la capacidad de soporte. La cal es un agente estabilizador más adecuado para materiales más plásticos. La cal liberada durante el proceso de hidratación reacciona con las partículas arcillosas en los suelos plásticos, reduciendo esa propiedad. El uso de mezclas de cemento puede, sin embargo, estar limitado al tratamiento de materiales con Índice de Plasticidad menor que 10. La resistencia adquirida está determinada por la cantidad de agente estabilizador agregado y el tipo de material que se está tratando. Contrariamente a la percepción de algunas personas, el agregar más cemento para aumentar la resistencia puede ser perjudicial para el desempeño de la capa. El material tratado con un agente estabilizador cementado tiende a ser relativamente frágil, luego el aumentar la resistencia hace que el material sea aún más frágil con la consecuente reducción en la flexibilidad de la capa estabilizada. Esto lleva inevitablemente a una proliferación de las grietas ante cargas repetitivas de tráfico (especialmente cargas pesadas), reduciendo así el desempeño estructural. Es por ello que es muy importante que los criterios de desempeño de la capa estabilizada sean objetivos y que se realice un diseño adecuado basado en muestras representativas para determinar la correcta tasa de aplicación.

64

Capítulo 4

4.1.3

Agentes estabilizadores asfálticos

Debido a los grandes avances tecnológicos, el uso del asfalto como agente estabilizador ha incrementado enormemente su popularidad, aplicado tanto en su forma de emulsión como asfalto espumado. El tratamiento con asfalto cortado (cut back) no es considerado como un proceso de estabilización, ya que el asfalto se dispersa en una manera similar al asfalto de las mezclas en caliente. Sin embargo, debido a razones ambientales, tal tratamiento ha sido prohibido en la mayoría de los países y por lo tanto no ha sido incluido en este manual. Estabilizar con asfalto es una manera efectiva, desde el punto de vista de los costos, mejorar la resistencia de un material y reducir al mismo tiempo los efectos perjudiciales del agua. La estabilización asfáltica produce una capa relativamente flexible en comparación al mismo material tratado con cemento. El material estabilizado con asfalto, con menos de 1,5 % en peso de cemento, no sufre del fenómeno de agrietamiento por retracción y puede ser abierto al tránsito inmediatamente debido a su resistencia inicial, lo cual previene la pérdida de áridos superficial o desgaste bajo la acción del tráfico. Sin embargo, mientras el material adquiere resistencia y se produce el proceso de curado los vehículos pesados (incluyendo a los compactadores), no deben ser estacionados en la capa terminada. Existen dos formas muy distintas de tratamiento que pueden ser logradas al utilizar una emulsión asfáltica: – Proceso rejuvenecedor, aplicable a pavimentos antiguos con mezclas de asfalto en caliente. Al aplicar una emulsión asfáltica especialmente formulada al RAP se logra incorporar asfalto nuevo, permitiendo así que la mezcla sea colocada y compactada como una mezcla en frío. El criterio de diseño para tal proceso es esencialmente el mismo que para las mezclas asfálticas en caliente y los diseños de mezclas son realizados de acuerdo al método tradicional Marshall (con probetas de 100 mm de diámetro) o a los métodos más recientes SHRP con compactación giratoria. – Proceso de estabilización, aplicable a los materiales granulares. Las probetas de muestra son fabricadas usando una compactación tipo Proctor y todos los procedimientos de mezclas utilizan las propiedades de resistencia para determinar el nivel de aplicación requerido. Siendo esencialmente un material granular “mejorado”, las capas de pavimento construidas de material estabilizado con asfalto deben tener espesores mayores a 100 mm. Reciclar con un agente estabilizador asfáltico (opuesto a un agente rejuvenecedor) crea un material estabilizado con asfalto que no tiene la apariencia típica de un pavimento asfáltico. Típicamente, una base de asfalto de graduación continua presenta un contenido de vacíos entre un 3 a un 6% y cada partícula es cubierta con una capa de asfalto delgada, actuando como un “adhesivo de contacto”. El material estabilizado con asfalto está caracterizado por la dispersión de asfalto, principalmente entre las partículas finas, típicamente, la fracción menor a 0,075 mm para asfalto espumado y una fracción más gruesa para emulsión asfáltica. Por lo tanto, se conforma un material granular con una matriz rica en Fig. 4.1 Dispersión del asfalto espumado en la matriz de finos

Capítulo 4

65

asfalto, como se muestra en la Figura 4.1. El contenido real de vacíos de este material después de compactado es rara vez menor que 10 % y la resistencia bajo carga tiende a ser tomada en parte por la fracción granular, que es capaz de resistir tensiones de compresión/aplastamiento o “crushing” debido a la fricción inter-partícula, y en parte por la matriz fina estabilizada la cual presenta un comportamiento visco-elástico, capaz de resistir tensiones de tracción repetidas. Es por esto que se considera un material híbrido. Ciertos materiales marginales tratados con un agente estabilizador asfáltico no conservan en forma satisfactoria sus propiedades resistentes (por ejemplo, pierden resistencia al sumergirlos en agua). Esto puede ser enfrentado con la adición de un “filler activo” tal como cal hidratada o cemento. En pequeñas cantidades el filler activo (0,5 a 1,5 % en masa) puede producir un aumento significativo de la resistencia retenida sin afectar las propiedades de fatiga de la capa. El filler activo actúa, con el asfalto espumado, como un catalizador de la dispersión y ayuda al quiebre cuando se utiliza una emulsión asfáltica. Es por ello que es una práctica común utilizar cemento o cal hidratada en conjunto con agentes estabilizadores asfálticos.

4.2

Estabilización con Cemento

4.2.1

Generalidades

El cemento es el agente estabilizador más comúnmente utilizado; su utilización mundial excede enormemente el uso de todos los otros agentes estabilizadores juntos. Una de las razones principales para esto es la disponibilidad; el cemento se fabrica en la mayoría de los países. Otra razón es su comprobado historial como material de construcción. Existe gran cantidad de estándares, métodos de ensayo y especificaciones disponibles, y además, las capas estabilizadas con cemento han superado las expectativas de desempeño en miles de kilómetros de pavimentación a lo largo de muchas décadas. Pese a esto, la estabilización con cemento requiere de un adecuado enfoque de diseño. La función primaria de la adición de cemento es aumentar la resistencia del material y la Resistencia de Compresión no Confinada (UCS, Unconfined Compressive Strength) ha alcanzado una aceptación global como el principal criterio de diseño. Sin embargo, muchos otros factores distintos de la UCS también deben ser considerados, como la tasa de ganancia de resistencia, la Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS, Indirect Tensile Strength), el potencial de agrietamiento y la durabilidad. Estos factores son tratados en las siguientes secciones.

4.2.2

Factores que afectan la resistencia

La resistencia a la compresión y a la tracción alcanzada en un material estabilizado con cemento está determinada por la cantidad de cemento que se agrega, el tipo de material y la densidad de compactación. La resistencia normalmente aumenta en una relación lineal con el contenido de cemento, pero a distintas tasas para distintos materiales y tipos de cemento. Los enlaces cristalinos comienzan a formarse entre las partículas tan pronto como el cemento entra en contacto con el agua en el proceso de mezclado. Algunos de estos enlaces son destruidos cuando el material es perturbado (principalmente durante la compactación), reduciendo así la resistencia final que se puede lograr. Por otra parte, tales enlaces tienen el efecto de reducir la máxima densidad posible de alcanzar. Es por esto que es muy importante que el proceso de colocación y compactación sea realizado adecuadamente, de manera de alcanzar la densidad máxima y también obtener las resistencias anticipadas del material compactado. Esto último es particularmente importante cuando las temperaturas ambiente exceden 40 °C y donde el material puede lograr una rápida ganancia de resistencia e impedir una buena densificación. Bajo tales condiciones, un agente estabilizador alternativo al cemento Pórtland se debe investigar, tal como mezclas con escoria y/o cal, para controlar la tasa de ganancia de resistencia.

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Capítulo 4

Agrietamiento de capas tratadas con cemento

Todos los materiales tratados con cemento, incluyendo al concreto, son propensos al agrietamiento. La tasa de ganancia de resistencia (tanto UCS como ITS) en un material tratado con cemento es una función del tiempo, como se muestra en la Figura 4.2. Las tensiones de tracción se desarrollan en todo material tratado con cemento como resultado de la retracción y/o el tránsito y, si estas exceden la resistencia a la tracción en ese minuto, se generan grietas.

Fig. 4.2 Relación de aumento de resistencia para materiales cementados

Hormigón Resistencia

4.2.3

Estabilización con cemento 7

28

365

Tiempo (días, escala logarítmica)

Tales grietas pueden ser controladas y no son necesariamente perjudiciales. Sin embargo, es importante reconocer que el material tratado con cemento se agrieta por dos razones distintas. La primera es función de la reacción química que ocurre cuando los hidratos de cemento se encuentran en presencia de agua y, por lo tanto, no es inducida por el tráfico. La segunda causa es la acción repetitiva de cargas de tráfico. La iniciación del agrietamiento y su posterior propagación es completamente diferente para cada una de ellas, justificando entonces que puedan ser consideradas en forma separada.

4.2.3.1 Grietas no causadas por tráfico Las grietas son inevitables cuando un material es tratado con cemento. A medida que el cemento se hidrata, cristales de silicato de calcio similares a un dedo se forman, uniendo las partículas de material. Además de la generación de calor y otros numerosos cambios que ocurren durante esta reacción química, a medida que los enlaces se desarrollan, el material experimenta un cambio de volumen y se contrae, causando grietas comúnmente conocidas como grietas de retracción. Estas grietas de retracción son inevitables, siendo una característica propia del trabajo con cemento. La intensidad (espaciamiento de las grietas) y magnitud (ancho de grieta) de agrietamiento, o grado de agrietamiento, está principalmente influido por: – Contenido de cemento. El agrietamiento que ocurre durante la hidratación es función de la cantidad de cemento presente. El aumento del contenido de cemento incrementa el grado de agrietamiento, y es una de las razones principales por las cuales se debe minimizar la adición de cemento, de modo tal de alcanzar las propiedades de diseño requeridas. Sin embargo, como se explica mas adelante, los requisitos de resistencia y durabilidad tienen que ser balanceados, y es por eso que no siempre se puede dosificar con una cantidad muy baja de cemento – Tipo de material que está siendo estabilizado. Algunos materiales tienden a retraerse más que otros cuando son tratados con cemento. Adicionalmente, algunos suelos plásticos tienden a ser activos, exhibiendo cambios significativos en volumen entre estados húmedos y secos. Cuando el IP del material excede 10, la adición de cal, o una combinación de cal y cemento debe ser utilizada para reducir la plasticidad, idealmente a un estado no-plástico. – Contenido de humedad de compactación. El grado de agrietamiento es una función de la cantidad de humedad que se pierde a medida que el material se seca. Limitar el contenido de humedad a menos del 75 % del contenido de humedad de saturación (por ejemplo, disminuyendo la relación agua/cemento) al minuto de compactar puede reducir significativamente el grado de agrietamiento. – La tasa de secado. Cuando un material tratado con cemento se retrae, se inducen esfuerzos internos. El grado de agrietamiento está determinado principalmente por la tasa de desarrollo de resistencia relativa a la tasa de desarrollo de tensiones inducidas por retracción. Si el material se seca rápidamente,

Capítulo 4

67

las tensiones de retracción van a ser inevitablemente mayores que el desarrollo de resistencia, y el patrón de agrietamiento va a ser intenso (2 m x 2 m), con grietas de poco espesor (del ancho de décimas de mm). En un secado lento se van a apreciar patrones de agrietamiento menos intensos (6 m x 4 m) con anchos de grieta mayores. Un curado adecuado de la capa terminada va a prevenir que la superficie se seque muy rápido, reduciendo así tanto la intensidad como la magnitud del agrietamiento. Una característica de las grietas de retracción es que son más anchas en la parte superior que en la parte inferior (el secado se inicia en la superficie) y la cara vertical es irregular, pudiendo transmitir efectivamente las cargas de tráfico a lo largo de la grieta.

4.2.3.2 Grietas causadas por tráfico Este tipo de agrietamiento ocurre cuando el material tratado con cemento está sobrecargado o cuando excede su vida de fatiga. La iniciación del agrietamiento ocurre en la parte inferior de la capa en donde las tensiones inducidas por tráfico son máximas, causando deformaciones máximas. Las capas tratadas con cemento son extremadamente sensibles a las sobrecargas de tránsito, al ser relativamente frágil y presentar una resistencia a la flexo-tracción baja. El agrietamiento por fatiga ocurre después de un número predecible de cargas repetitivas. Este agrietamiento no implica una falla inminente. En su estado post-agrietamiento, la capa todavía es capaz de soportar cargas de tráfico; este estado puede ser modelado reduciendo el módulo efectivo de la capa tratada con cemento. La intensidad y magnitud del agrietamiento aumentan a medida que la capa se sigue deteriorando bajo cargas de tránsito repetitivas. Esto reduce el módulo efectivo, aumentando la deflexión bajo carga, promoviendo así un proceso continuo de degradación hasta que finalmente el material tiende a adoptar su estado granular inicial.

4.2.4

Aplastamiento (crushing) Superficial

El agrietamiento ocurre en la porción superior de una capa estabilizada con cemento y ocurre cuando las tensiones inducidas por tráfico exceden la resistencia a la compresión del material. Este mecanismo de falla fue inicialmente identificado en caminos con tránsito pesado utilizado para el transporte del carbón en Sudáfrica. Estos caminos estaban construidos con bases ligeramente cementadas y capas de rodadura relativamente delgadas. Se encontró, a partir de ensayos en HVS (Heavy Vehicle Simulator = Simulador de Vehículos Pesados), que la misma condición de falla se podía repetir en pavimentos similares al aumentar la presión de inflado de los neumáticos de 520 kPa (lo permitido por norma) a 750 kPa (mediciones reales de terreno). Las conclusiones obtenidas de estos ensayos mostraron que la potencial falla por aplastamiento depende de: – la resistencia (UCS) de la capa estabilizada, en particular de la porción superior. – el espesor y tipo de recubrimiento. – la presión de neumático y la carga por eje. Los procedimientos de diseño deben incorporar estos descubrimientos. El aumentar la UCS y engrosar las capas estabilizadas y de recubrimiento va a resolver significativamente el problema. Sin embargo, la sobrecarga sigue siendo la mayor causa de la falla prematura de los pavimentos, particularmente en lugares donde el control de carga por ejes es poco efectivo. Por otra parte, las capas estabilizadas con cemento son vulnerables a fallas por aplastamiento si se someten a tránsito pesado antes de que se haya alcanzado suficiente resistencia. Como se explica en la Sección 4.2.3, el cemento que se utiliza normalmente para la estabilización genera un rápido desarrollo de la UCS inmediatamente después de la construcción, alcanzando un 50 % aproximadamente después de 7 días y un 90 % de la resistencia máxima en 28 días. Por ejemplo, cuando la UCS de diseño de una base es 2 MPa, a los 3 días sólo habrá alcanzado una resistencia de 0,5 MPa, haciendo la superficie de la estructura vulnerable a vehículos pesados de movimiento lento o con presiones de neumáticos altas.

68

Capítulo 4

4.2.5 Durabilidad La durabilidad de un material natural está principalmente relacionada con el desgaste y la degradación de partículas individuales bajo la influencia de condiciones climáticas y cargas repetidas de tráfico. Tal degradación es un proceso lento y las partículas del material usualmente se mantienen inalteradas a lo largo de la vida útil del camino, en particular cuando se utilizan materiales de alta calidad. Sin embargo, cuando se estabilizan materiales de calidad más pobre con agentes cementados, se deben tener en cuenta aspectos adicionales relacionados a la durabilidad. Bajo ciertas condiciones climáticas, sus propiedades pueden cambiar durante cortos períodos de tiempo debido a la carbonatación y a influencias del medio ambiente. El ensayo de Razón de Soporte de California (CBR, California Bearing Ratio) ha sido utilizado ampliamente como un indicador de la resistencia natural de los materiales granulares, pero no es suficientemente sensible para medir las altas resistencias alcanzadas en materiales cementados. El ensayo de UCS fue adoptado para determinar la resistencia de materiales estabilizados con cemento y los límites máximos y mínimos de resistencia (ejemplo, máximo 4 MPa, mínimo 2 MPa) son usados mundialmente. Sin embargo, investigaciones han mostrado que la UCS no es un indicador confiable de la durabilidad; un material estabilizado que cumpla con los requerimientos del ensayo de UCS puede deteriorarse o desintegrarse en un período corto de tiempo. Por ende, se deben realizar ensayos adicionales para asegurar que el material estabilizado con cemento sea suficientemente duradero, particularmente frente a los potenciales efectos destructivos de la carbonatación. La carbonatación es un nombre que se le da a una compleja reacción química, y ocurre entre un material cementado y dióxido de carbono en presencia de agua. En términos generales, esta reacción produce carbonato de calcio a partir de los iones libres de calcio (siempre en presencia de un material cementado) y el cambio resultante en la estructura molecular está asociado con un aumento de volumen. Cuando las fuerzas expansivas ejercidas, debido al aumento de volumen, exceden la resistencia a la tracción del material, el material se destruye. Este fenómeno es bien conocido en la industria del hormigón, pero rara vez es causa de preocupación, dado que la resistencia a la tracción del hormigón es muchísimo mayor que las tensiones inducidas por carbonatación. Adicionalmente, el agregado utilizado en la fabricación del concreto es generalmente piedra chancada con excelentes propiedades de durabilidad. Este no es el caso en donde materiales de relativamente mala calidad son estabilizados con una baja tasa de aplicación de cemento. El potencial destructivo de la carbonatación sólo ha sido valorado recientemente, precipitado por investigaciones que se llevaron a cabo en varios proyectos que presentaron fallas prematuras de la capa estabilizada con cemento. En prácticamente todos los casos, la falla fue atribuida a la carbonatación, causando una pérdida de resistencia en la capa afectada. Cuando se usa cal hidratada como agente estabilizador, la reacción de carbonatación convierte el agente activo (Ca(OH2)) a cal utilizada en la agricultura (CaCO3). Esto elimina la reducción de la plasticidad que se pretende lograr con la cal, haciendo a la capa de pavimento propensa a deformación bajo cargas de tráfico. Varios ensayos relacionados con la durabilidad pueden ser efectuados en el laboratorio para determinar el potencial de carbonatación, tal como el ensayo “cepillado en seco y saturado”. Sin embargo, existe controversia en torno a la relevancia y repetitividad de estos ensayos. Otros ensayos, tales como el Consumo Inicial de Limo (ICL) o Cemento (ICC) están siendo cada vez más populares, particularmente en donde se estabiliza material de mala calidad. La investigación continúa desarrollándose y actualmente se están proponiendo nuevos ensayos, tales como el ensayo “UCS - Residual” el cual somete a ensayo la probeta después de una exposición acelerada a dióxido de carbono y agua. Con el tiempo, estarán disponibles guías de diseño más claras. Por el momento, el consenso general entre los investigadores es que el ITS es el mejor indicador para evitar la falla por carbonatación; se debe aplicar suficiente cemento para alcanzar un ITS mínimo de 250 kPa, sin importar si el UCS relacionado excede los límites actuales.

Capítulo 4

69

4.2.6

Trabajando con cemento

Como se describiera en párrafos anteriores, una de las principales preocupaciones con los materiales tratados con cemento es su inevitable agrietamiento por retracción. Sin embargo, el grado de agrietamiento y la calidad global de las capas estabilizadas dependen en gran parte de los siguientes factores:

4.2.6.1 Diseño de la mezcla Es de vital importancia que se efectúe un procedimiento de diseño apropiado en base a muestras representativas del material tratado con cemento (Un ejemplo de tal procedimiento de laboratorio se incluye en el Apéndice 2). Materiales diferentes requieren de diferentes cantidades de cemento para alcanzar los objetivos de resistencia y durabilidad.

4.2.6.2 Calidad del cemento El cemento tiene una vida de almacenamiento definida y, como regla general, no se debiera usar luego de tres meses a partir de su fecha de fabricación. Determinar la edad del cemento es difícil, en particular cuando se importa a granel. Si se tiene cualquier duda de la edad, o de cualquiera de los aspectos de calidad, se debieran obtener muestras para verificar los parámetros de resistencia en laboratorio.

4.2.6.3 Tipo de cemento Se debiera evitar el cemento de granulometría muy fina con propiedades de endurecimiento veloz.

4.2.6.4 Uniformidad de la aplicación Existen cuatro formas para la aplicación del cemento. En las primeras tres el cemento se esparce sobre la superficie del camino, y en la cuarta se inyecta en forma de lechada de cemento dentro del compartimiento de una máquina fresadora donde se mezcla con el agregado mientras se recicla: – Forma 1: Entrega en bolsas y esparcido a mano. Este método es popular en países en desarrollo en donde la mano de obra es abundante y barata. Se puede alcanzar un nivel de precisión aceptable si la superficie del camino existente está pre-marcada cuidadosamente con un cuadriculado que determina las áreas de cobertura de cada bolsa. Luego, el esparcido es cuidadosamente distribuido con una llana de goma para alcanzar una capa de espesor uniforme.

Fig. 4.3 Aplicación de cemento en forma manual

70

Capítulo 4

– Forma 2: Esparcidores a granel. Este es el método de aplicación más utilizado. Se utilizan diferentes sistemas para descargar el cemento en el camino a la tasa de distribución requerida (cintas transportadoras, distribuidor de tornillos, sopladores neumáticos) y cada uno de ellos tiene sus ventajas y defectos particulares. Se deben realizar ensayos con bandejas en el piso para verificar la tasa de aplicación. Todos los esparcidores a granel tienen sus limitaciones y se debe tener cuidado cuando se intenta colocar el cemento a bajas tasas de aplicación (< 2%). Fig. 4.4 Aplicación cemento a granel con camión

Cualquier forma de esparcir el cemento seco puede ser afectada por el clima, en particular por la lluvia y el viento. Siendo un polvo fino, el cemento es susceptible a ser levantado por el viento o el paso de camiones. Tales pérdidas afectan la tasa de aplicación. Por otra parte, la lluvia o rocío que cae sobre el cemento esparcido inicia el proceso de hidratación, obligando a mezclar inmediatamente o desecharlo; – Forma 3: Estabilizadora/recicladora con un aparato de esparcir integrado. La WR 2500 SK es una versión “extendida” de la recicladora estándar con un compartimiento con forma de embudo integrado inmediatamente detrás de la cabina del operador. La cal o cemento es extraída del compartimiento a través de un conducto especial y esparcida uniformemente en el camino, inmediatamente en frente del compartimiento fresador-compactador. Este sistema “libre de polvo” es ideal para aplicaciones menores al 2% y hasta un 6%, y soluciona todos los problemas relacionados con el clima (viento o lluvia).

Fig. 4.5 Aplicando cemento con equipo Wirtgen WR 2500 SK

Capítulo 4

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– Forma 4: Inyección de lechada. La WM 1000 está específicamente diseñada para premezclar el cemento con el agua requerida para alcanzar el contenido de humedad óptimo de compactación. La suspensión de lechada debe ser suficientemente líquida como para ser bombeada a la máquina recicladora e inyectada en el compartimiento mezclador a través de una barra con aspersores. La relación agua/cemento está usualmente alrededor de 1:1, pero la mayoría de las aplicaciones de reciclado requieren de mayor cantidad de agua que cemento para alcanzar la humedad óptima de compactación.

Fig. 4.6 Aplicando cemento en forma de lechada utilizando equipo Wirtgen WM 1000

La inyección de lechada es el medio más preciso para distribuir el cemento a través del material reciclado. Este método de aplicación es recomendado para todas las tasas de aplicación, en especial cuando se especifican tasas altas (> 4%) para reciclado profundo (> 200 mm) o cuando el esparcido a granel se torna inmanejable, debido al volumen de cemento requerido por metro cuadrado. En donde el espesor de la capa de polvo exceda los 25 mm, se debe tener extremo cuidado para mantener la consistencia (en particular donde un camión aljibe sea empujado frente a la recicladora) y para prevenir que la puerta frontal del compartimiento de fresado y mezclado no arrastre al polvo. Estos problemas son eliminados cuando se utiliza una unidad de lechada. Para tasas bajas de aplicación (1% o menor) que usualmente se especifican cuando se estabiliza con asfalto, también se recomienda inyección de lechada de cemento para asegurar la uniformidad de aplicación en el material reciclado.

4.2.6.5 Uniformidad de mezclado Se han realizado suficientes ensayos como para probar que las propiedades de mezclado de grandes máquinas recicladoras son similares a mezcladores de planta, suponiendo que la máquina es operada a una velocidad de avance apropiada para el sitio específico (normalmente entre 6 m/min y 12 m/min). Los “Factores de Seguridad” determinados en laboratorio, que son agregados a las tasas de aplicación especificadas de los agentes estabilizadores, pueden ser reducidos (y hasta omitidos) cuando se trabaja con máquinas recicladoras modernas.

72

Capítulo 4

4.2.6.6 Adición de agua El material tratado con cemento debiera ser trabajado lo más seco posible, tanto para minimizar el agrietamiento por retracción como para prevenir problemas durante la compactación. Cuando se requiere añadir agua, ésta debiera siempre inyectarse en el compartimiento de fresado y mezclado y tal adición debe ser controlada con criterio de ingeniería para asegurar un contenido de humedad que nunca exceda la humedad óptima de compactación del material.

4.2.6.7 Curado Una vez completado el proceso de mezclado, se debe prevenir, por un período de al menos siete días, que la superficie de la capa estabilizada con cemento se seque. Como se describe en párrafos anteriores, se desarrollarán grietas de retracción en la superficie si la tasa de secado excede la tasa de ganancia de resistencia. El secado prematuro se puede prevenir regando frecuentemente la superficie con agua desde un camión aljibe provisto de una barra con aspersores de ancho completo. Alternativamente, se puede utilizar un sello temporal como membrana de curado si se espera que la capa sea transitada. Sin embargo, como regla, los materiales tratados con cemento debieran ser cubiertos lo antes posible para minimizar los efectos perjudiciales de la carbonatación.

4.2.6.8 Temperatura Cuando las temperaturas ambiente son mayores que 25 ºC, secciones cortas de camino debieran ser tratadas y terminadas lo antes posible para prevenir que se compacte contra un desarrollo temprano de resistencia. La calidad de la capa completada es muchas veces juzgada por la resistencia (UCS, ITS) de los especimenes fabricados a partir de muestras de material tomado detrás de la recicladora. Cuando se hace esto, es importante monitorear regularmente el lapso de tiempo entre el muestreo en terreno y la compactación de los especímenes en el laboratorio. Estos ensayos deben simular condiciones de terreno. Cualquier demora significativa puede resultar en resistencias pobres debido a la hidratación del cemento y su aumento de la resistencia, que es posteriormente destruida en el proceso de compactación.

4.2.7

Tránsito temprano

Fuera de las horas normales de trabajo, el camino puede ser abierto al tránsito. En muchas ocasiones se expresan preocupaciones acerca del tránsito prematuro en la capa estabilizada con cemento. Tales preocupaciones son ciertamente justificadas en los lugares en donde se pueden esperar altas cargas por eje (ver Sección 4.2.4) y donde no se siguen los procedimientos de curado requeridos. Dejar que la superficie se seque puede causar desgaste superficial y una pérdida de resistencia en la porción superior de la capa, causando finalmente la formación de baches. Por lo tanto, la superficie debiera mantenerse constantemente húmeda a través de un riego liviano frecuente.

Capítulo 4

73

4.2.8

Propiedades típicas de materiales estabilizados con cemento

Los aspectos más importantes a considerar cuando se estabiliza con cemento son:

4.2.8.1 Resistencia Tanto la UCS como la ITS son parámetros importantes para la evaluación de “resistencia” de un material estabilizado con cemento. – El valor de UCS es usualmente determinado en probetas que han sido curadas por 7 días a una temperatura de 22 ºC y una humedad superior al 95%. Algunos métodos de ensayo permiten curado acelerado. Tabla 4.1 Dosis de aplicación típicas de cemento (en peso) Tipo de material

< 4 MPa

Valor UCS objetivo Hasta 10 MPa

RAP/granular chancado (mezcla 50/50)

2,0 a 2,5

4,0 a 6,0

Granular chancado de buena graduación

2,0 a 3,0

4,0 a 6,0

Grava natural (IP30)

4,0 a 6,0

5,0 a 8,0

La tabla 4.1 muestra tasas típicas de aplicación de cemento (expresadas como un porcentaje de la densidad seca del material reciclado compactado) para dos categorías UCS: “levemente cementada” (menor a 4 MPa) y “cementada” (hasta 10 MPa). Se debe tener un cuidado especial cuando se utiliza un material de granulometría gruesa. Existe la probabilidad que se produzcan “columnas de piedra” en el cuerpo del espécimen por lo cual se puede obtener una medición falsa de UCS, que se aproxima más a la resistencia de la piedra que a la de la mezcla estabilizada. Si se producen resultados de UCS muy altos (no esperados), se debería investigar el espécimen inspeccionándolo visualmente para observar la forma de falla. – El ensayo de ITS se ha vuelto cada vez más importante como medida de durabilidad de largo plazo. Como se describe en la sección 4.2.5, investigaciones recientes han mostrado que un valor mínimo de ITS de 250 kPa se requiere para resistir las fuerzas destructivas generadas por carbonatación.

4.2.8.2 Tiempo requerido para el proceso de mezclado y compactación El mezclado, colocación y compactación debiera ser ejecutado en el menor tiempo posible. Normalmente se especifica un tiempo límite de 4 horas para el tratamiento con cemento para cuando se utiliza una planta de construcción convencional. El lapso de tiempo se mide desde el minuto en que el cemento entra por primera vez en contacto con el agua hasta el minuto en que se termina la compactación. Este lapso puede ser muy largo cuando el cemento utilizado tenga un potencial de ganancia rápida de resistencia (ver Sección 4.2.2), por lo tanto, es importante minimizar este lapso de tiempo. Con una planificación adecuada, este período puede ser reducido a menos de una hora utilizando equipos modernos de reciclado y compactación.

4.2.8.3 Densidad La compactación siempre debiera lograr alcanzar la máxima densidad posible bajo las condiciones de terreno. Usualmente se especifica la densidad mínima como un porcentaje de la densidad AASHTO modificada, entre 97% y 100% para bases tratadas con cemento. A veces se permite aceptar un gradiente de densidad a través del espesor de compactación. Esto significa que la densidad en la parte superior de la capa puede ser mayor que la de la parte inferior. Cuando se especifica de este modo, es normal incluir una desviación máxima de 2% para la densidad medida en el tercio inferior de la capa. Así, si la densidad promedio especificada es de un 100%, la densidad en la parte inferior de la capa debe ser mayor que 98%.

74

Capítulo 4

4.3

Estabilización con Asfalto

El asfalto es utilizado como ligante de diferentes formas en la industria de construcción de caminos. A temperatura ambiente, el asfalto es un líquido muy viscoso que no es trabajable. En general, existen cuatro maneras para hacer que el asfalto sea trabajable: – – – –

utilizando calor (aumentando la temperatura). mezclándolo con solventes de petróleo (asfalto cortado). emulsificándolo en agua para formar una emulsión asfáltica. creando asfalto espumado en un estado temporal de baja viscosidad.

Los dos primeros procedimientos no son aplicables al reciclado en frío. La primera alternativa es el proceso de mezclas asfálticas calientes, que requieren que el agregado sea precalentado y secado. La segunda alternativa incluye el uso de costosos solventes que son peligrosos y contaminantes. Las siguientes dos secciones se enfocan solo a las aplicaciones con emulsiones asfálticas y asfalto espumado, que son los dos únicos agentes estabilizadores asfálticos técnicamente viables. Como se describe en la Sección 4.1.3, pese a que una emulsión asfáltica también se puede usar como agente rejuvenecedor para el 100 % de las mezclas de RAP, esta sección se enfoca únicamente a la estabilización de suelos (Refiérase a la Parte 5 de la publicación de ARRA, “Basic Asphalt Recycling Manual” para obtener detalles acerca de cómo reciclar RAP como una mezcla de asfalto en frío). La Tabla 4.2 ilustra la aplicación de tres procesos de tratamiento con asfalto. Las diferentes etapas del tratamiento se comparan en la tabla 4.2. Tabla 4.2 Comparación entre distintos tipos de aplicaciones con asfalto Factor Tipo de agregados en que se puede aplicar técnica

Emulsión asfáltica – Roca chancada – Grava natural – RAP, mezcla en frío – RAP, estabilizado

Temperatura mezclado 20 °C – 70 °C del asfalto Temperatura del Ambiente agregado durante (en frío) la mezcla Contenido de humedad 90% de OMC menos el 50% durante la mezcla del contenido de emulsión Recubrimiento parcial de Tipo de recubrimiento partículas gruesas y de partículas del cohesiónde la mezcla con agregado mortero asfalto/ finos Temperatura de colocación y Ambiental compactación Velocidad para Lento adquirir resistencia Asfalto modificado

Parámetros importantes del binder

Capítulo 4

Si – Tipo de emulsión – (aniónica, catiónica) – Asfalto residual – Tiempo de quiebre – Curado

Asfalto espumado – Roca chancada – Grava natural – RAP, estabilizado – Materiales marginales (arenas) 160 °C – 180 °C (antes de espumar)

Mezcla en caliente – Roca chancada – 0% a 50% RAP

140 °C – 180 °C

Ambiente (en frío)

Sólo en caliente (140 °C – 200 °C)

Bajo la OMC, por ejemplo 65% a 95% de la OMC Recubrimiento en zonas puntuales de la mezcla, gracias a mortero asfalto/finos

Seca Recubrimientos de todas las partículas de agregado, verificándose mediante espesor de película.

Ambiental

140 °C – 160 °C

Medio

Rápido

No apropiado

Si

– Vida Media – Razón de expansión

– Penetración – Punto de ablandamiento – Viscosidad

75

4.4

Estabilización con Emulsión Asfáltica

4.4.1

General

Las emulsiones asfálticas fueron originalmente desarrolladas para resolver dificultades constructivas asociadas a la construcción con asfalto caliente, y también fueron ideadas como aplicaciones para eliminar la emisión de polvo. El incentivo para reducir el consumo de combustibles en la crisis energética de los años ’70 hizo que se generara un explosivo aumento en el uso de las emulsiones en la estabilización de agregado mineral, incluyendo el mezclado con material húmedo a temperaturas ambientales. Una emulsión consiste en dos líquidos inmiscibles, uno en la fase dispersa (pequeños glóbulos de asfalto de 0,001 a 0,01 mm) y otro en la fase continua. Los líquidos son mecánicamente dispersados, en un molino coloidal. Las emulsiones asfálticas estándar consisten en una fase de asfalto (en glóbulos) disperso en una fase continua de agua. El empleo de un emulsificante impide, a través de un agente activo que forma un campo electroestático alrededor de los glóbulos de asfalto, que la fase dispersa pueda unirse y le otorga estabilidad a la emulsión. (Nota: Las emulsiones invertidas tienen agua en la fase dispersa con asfalto en la fase continua. Tales emulsiones no son utilizadas en el trabajo de reciclado) La mayoría de las emulsiones utilizadas como agentes estabilizadores tienen una componente de “asfalto residual” de 60%, que significa que el 60% de volumen de la emulsión está compuesto de asfalto disperso en un 40% del volumen que es agua. El porcentaje de asfalto puede, sin embargo, variar entre 30% y 70%, pero los porcentajes de asfalto mayores a 60% no son recomendables para el reciclado debido a que la emulsión se torna viscosa, más difícil de bombear y por lo tanto es más difícil cubrir el agregado. Después de mezclar la emulsión con el suelo a estabilizar se produce el proceso de “quiebre”, que es la separación del asfalto de la fase de agua y la unión de las gotitas de asfalto con el agregado para producir una película continua de asfalto sobre la superficie de agregado. El exceso de agua del agregado se deposita en la mezcla. El lapso de tiempo entre el mezclado hasta la separación del agua de los glóbulos de asfalto se conoce como el tiempo de “quiebre” (setting). El proceso de quiebre es seguido por el curado, que es la pérdida del agua de la mezcla (principalmente a través de la evaporación) y el incremento de la rigidez y la resistencia a la tracción de la capa estabilizada de asfalto. Esto es importante debido a que una mezcla requiere adquirir rigidez y cohesión entre las partículas antes de permitir el tránsito sobre la nueva capa. El quiebre y el posterior curado está afectado por: – La tasa de absorción de agua del agregado (los agregados de textura rugosa y porosa reducen el tiempo de quiebre y de fijación al absorber el agua contenida en la emulsión). – El contenido de humedad de la mezcla previo al mezclado influye en el tiempo de quiebre. – El contenido de humedad de la mezcla después de la compactación influye en el tiempo de curado. – La granulometría del agregado y el contenido de vacíos de la mezcla (densidad alcanzada). – El tipo y calidad de la emulsión. Mayores concentraciones de emulsificador iónico producen emulsiones más estables. – Fuerzas mecánicas causadas por la compactación y el tráfico. – la composición mineral del agregado (por ejemplo, la tasa de curado puede ser afectada por posibles interacciones fisicoquímicas entre la emulsión y la superficie del agregado). – La intensidad de carga eléctrica del agregado en relación a la de la emulsión. – La temperatura del agregado y del aire, debido a que el calor cataliza las reacciones químicas y va a causar que el agua sea disipada y evaporada más rápidamente. – Tipo y porcentaje activo de filler (por ejemplo, cantidad de cal o cemento).

76

Capítulo 4

El cemento se utiliza normalmente en conjunto con la emulsión asfáltica. Además de mejorar la resistencia retenida y proveer resistencia mejorada a la humedad, el cemento actúa como una forma de catalizador al controlar el quiebre, incrementando las propiedades resistentes iniciales, ayudando así al acomodo del tráfico. Las investigaciones realizadas acerca de los efectos de combinar cemento con emulsión asfáltica han mostrado que hasta un 1,5 % en masa de cemento puede ser añadido sin reducir significativamente las características de fatiga de la capa estabilizada.

4.4.2

Tipos de emulsión

Existen tres tipos de emulsión, a saber: – Emulsión aniónica producida utilizando emulsificadores cargados negativamente tales como ácidos grasos. Los emulsificadores reaccionan con el hidróxido de sodio para liberar los iones en la solución en un proceso de saponificación. – Emulsión catiónica producida utilizando emulsificadores cargados positivamente como las aminas. Estos emulsificadores deben reaccionar con un ácido (generalmente ácido clorhídrico) antes de que puedan funcionar. El tipo de aminas (por ejemplo, diamina v/s aminas alcoxiladas) determina si el quiebre va a ser rápido o lento (respectivamente). – Emulsión no-iónica, que es fabricada con emulsificadores no cargados. Estas emulsiones no son utilizadas en el reciclado en frío. Tanto en las emulsiones aniónicas como catiónicas, los emulsificantes son químicamente controlados para estabilizar o aumentar la rapidez de quiebre. Las emulsiones con tiempos de quiebre extendidos de entre 30 minutos y 1,5 horas o más, son denominadas de “quiebre lento” mientras aquellas que quiebran rápidamente se denominan de “quiebre rápido”. La carga iónica de las partículas de asfalto depende de la química del agregado. Por ejemplo, la piedra caliza es un agregado alcalino mientras el granito y la cuarcita son agregados acídicos. La influencia de la interacción entre la emulsión asfáltica y el agregado se resume en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3 Tipo de emulsión asfáltica/compatibilidad del tipo de agregados Tipo de emulsión

Tipo de agregado (roca)

Quiebre

Apariencia Adhesión

Aniónica

Acida

Lento

Mala

Aniónica

Alcalina

Medio

Buena

Aniónica

Acida

Rápido

Excelente

Aniónica

Alcalina

Rápido

Buena

La razón principal para utilizar emulsión asfáltica como agente estabilizador es permitir que el asfalto se pueda mezclar efectivamente con material frío y húmedo. Esto es una fase transitoria, ya que el producto final deseado es un material ligado con asfalto, lo cual requiere que el asfalto se separe de la suspensión para que así, éste pueda actuar como ligante. Es por esto que las condiciones de quiebre y el régimen de curado posterior son muy importantes para el desempeño futuro de la mezcla. Si bien tanto las emulsiones aniónicas como las catiónicas pueden ser utilizadas para el reciclado, de la tabla 4.3, muestra que la emulsión catiónica es casi siempre adecuada para el uso en el reciclado profundo. Cuando se reciclan capas profundas es imperativo el asegurar que la emulsión quiebre lo antes posible sin comprometer el mezclado y la compactación. Esto se logra de mejor manera utilizando una emulsión catiónica.

Capítulo 4

77

4.4.3

Trabajando con emulsiones asfálticas

Cuando se recicla con emulsiones asfálticas, los siguientes aspectos son importantes y deben ser abordados:

4.4.3.1 Diseño de mezcla Como con cualquier forma de estabilización, un procedimiento de diseño apropiado debe ser seguido para determinar la tasa de aplicación correcta requerida para alcanzar la resistencia de diseño (Un ejemplo de tal procedimiento de laboratorio se incluye en el Apéndice 2). Cada material requiere de su propia tasa de aplicación de emulsión asfáltica para alcanzar la resistencia óptima o deseada.

4.4.3.2 Formulación Diferentes emulsificadores y aditivos son utilizados para variar las dosificaciones de manera de ajustar una emulsión a una aplicación específica. Además de determinar la cantidad de asfalto residual suspendido en agua, tal ajuste apunta a controlar las condiciones bajo las cuales el asfalto quiebra. Dado que el tipo de material que se mezcla con la emulsión tiene una gran influencia en la estabilidad (tiempo de quiebre), es importante que al fabricante de la emulsión le sea entregada una muestra representativa del material que debe ser reciclado. Cualquier tipo filler activo que se debe añadir en conjunto con la emulsión asfáltica deben ser también suministrados para permitir desarrollar y ensayar la formulación correcta de la emulsión.

4.4.3.3 Manejo Las emulsiones asfálticas son susceptibles a la temperatura y presión. Las condiciones que van a hacer que el asfalto se separe de la suspensión (lentamente como “floculación”, o instantáneamente como “quiebre instantáneo”) deben ser claramente entendidas para evitar de que esto ocurra en terreno. De igual manera, el fabricante debe conocer las condiciones predominantes en terreno para permitir una formulación correcta, incluyendo los detalles de todas las bombas que serán utilizadas para transferir la emulsión entre los estanques y para suministrar la barra con aspersores en la recicladora. Por ejemplo, el mezclado de emulsiones aniónicas con catiónicas resulta en un quiebre instantáneo y bloqueo de bombas y cañerías con asfalto viscoso. Esto puede ser prevenido marcando y almacenando las emulsiones cuidadosamente y asegurando que los sistemas de distribución estén libres de residuos de la utilización anterior.

4.4.3.4 Contenido total de fluido El control de la humedad en el material reciclado es uno de los aspectos más importantes de la estabilización con emulsiones asfálticas y es por esto que se considera separadamente en la Sección 4.4.4.

4.4.3.5 Tiempo de compactación Cuando una emulsión quiebra, el asfalto se separa de la suspensión y la viscosidad del fluido aumenta significativamente. Las partículas individuales del material reciclado pueden ser cubiertas o semi-cubiertas con una delgada lámina de asfalto frío y viscoso, haciendo más difícil la compactación. La compactación debiera, por lo tanto, ser completada antes o durante el proceso de quiebre de la emulsión.

4.4.3.6 Control de calidad Las probetas (para los ensayos de resistencia) son normalmente fabricadas de muestras obtenidas inmediatamente detrás de la recicladora. Estas probetas deben ser preparadas antes de que la emulsión quiebre, obteniendo así especimenes que reflejan al material compactado en el camino. Muchas veces, la única forma de que esto se logre es teniendo un equipo de compactación móvil para fabricar las probetas. Alternativamente, se pueden extraer testigos en una fecha posterior una vez que la capa haya curado completamente.

78

Capítulo 4

4.4.3.7 Curado De manera de ganar resistencia, una mezcla de emulsión debe expulsar el exceso de agua, o curar. A pesar de que algunos materiales estabilizados con emulsión asfáltica pueden alcanzar su resistencia total en un período corto de tiempo (un mes), el curado puede tardar más de un año para algunos materiales. La longitud de este período está afectada por el contenido de humedad de terreno, la interacción emulsión/ agregado, clima local (temperatura, precipitación y humedad) y el contenido de vacíos de la mezcla. La adición de cemento tiene un impacto significativo en la tasa de ganancia de resistencia. Esto es particularmente útil cuando el tráfico debe ser acomodado en una capa reciclada poco tiempo después del tratamiento, como se describe en la sección 4.4.1. Sin embargo, la investigación ha demostrado que añadir más de 2% en masa afecta negativamente las propiedades de fatiga de la capa estabilizada. Por esta razón es que la tasa de aplicación de cemento está usualmente limitada a un máximo recomendado de 1,5% y un máximo absoluto de 2%.

4.4.4

Concepto de contenido total de fluido

Cuando se trabaja con emulsiones asfálticas, el “Contenido Total de Fluido” es utilizado en vez del Contenido de Humedad al momento de definir la relación humedad/densidad. La densidad máxima se alcanza con el Contenido Óptimo de Fluido Total (Optimum Total Fluid Content, OTFC), que es la combinación del agua de compactación y emulsión asfáltica en la mezcla. Antes de quebrar, la emulsión asfáltica es un fluido con una viscosidad ligeramente mayor que la del agua. Tanto los componentes del agua como del asfalto de una emulsión actúan como un lubricante para ayudar a la compactación, por lo que ambos deben ser considerados como un solo fluido. Esto se ilustra en la Figura 4.7.

Fig. 4.7 Ejemplo para la consideración de fluidos totales en la estabilización de materiales con emulsión

2290

Línea de contenido vacíos nulo

Contenido óptimo de fluidos totales

2280 2270

Densidad Seca (kg/m3)

2260 2250 2240 Humedad in-situ

2230 2220

Adición de emulsión

2210

Adición de agua

2200 2190 0

Capítulo 4

1 2 3 4 5 6 7 8 Contenido de fluídos = humedad in-situ + emulsión bituminosa + agua (%)

9

10

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El ejemplo de la Figura 4.7 muestra el contenido de humedad in-situ de 2,5%, con un 3,5% de emulsión asfáltica aplicada. El material tiene un OTFC de un 7% bajo una compactación estándar. Un porcentaje adicional de 1,0 % de agua se puede agregar durante el reciclado para llevar el contenido total de fluido al óptimo, o aplicar un esfuerzo adicional para alcanzar la densidad máxima (ver Sección 6.5). Si el contenido total de fluido del material se acerca al nivel de saturación (como se indica por la línea de porcentaje de vacíos cero), se desarrollarán presiones hidráulicas bajo el rodillo causando que el material se hinche o descompacte. Cuando suceden tales condiciones es imposible compactar el material. Cuando el contenido de humedad de terreno es alto (por ejemplo, cercano al OTFC), la adición de emulsión asfáltica puede incrementar el contenido total de fluido por sobre el punto de saturación. Esta situación no puede ser solucionada reduciendo la cantidad de emulsión asfáltica adicionada debido a que la calidad del producto estabilizado se compromete. No se debe agregar cemento a la mezcla para “absorber la humedad excedente” debido a que tal práctica modifica la naturaleza del producto y aumenta su rigidez. Los altos contenidos de humedad in-situ se reducen de mejor manera prepulverizando el pavimento existente, exponiendo el material y dejando que se seque lo antes de estabilizar.

4.4.5

Propiedades típicas de materiales estabilizados con emulsión asfáltica

Las propiedades de ingeniería más importantes aplicables a un material estabilizado con emulsión asfáltica se entregan más adelante. Estas propiedades pueden ser alcanzadas cuando la tasa de aplicación de la emulsión asfáltica sea la óptima, y determinada a partir de un procedimiento de diseño de mezclas. El asfalto residual usualmente se encuentra en los rangos mostrados en la Tabla 4.4, esto es además del cemento, el cual se agrega entre un 1% y 1,5 %. Tabla 4.4 Emulsión típica/contenido de asfalto residual (por peso) Tipo de material

Emulsión asfáltica (%)

Asfalto residual (%)

RAP/piedra chancada (mezcla 50/50)

2,5 a 5,0

1,5 a 3,0

Piedra chancada graduada

4,0 a 6,5

2,5 a 4,0

Grava natural (IP