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
17
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
29
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.
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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
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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,
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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.
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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
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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
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– 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
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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.
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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
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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 (IP<10, CBR >30)
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
79
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<10, CBR<30)
5,0 a 7,5
3,0 a 4,5
Una filosofía de diseño alternativa permite utilizar bajos porcentajes de cemento (0,5 a 1,5%) sólo con el objetivo de ayudar a la compactación y mejorar el comportamiento del material en condiciones húmedas, pero no necesariamente para mejorar propiedades de corte y resistencia.
4.4.5.1 Resistencia y rigidez Recientes investigaciones en Sudáfrica han demostrado que un material estabilizado con emulsión asfáltica tiene características de rigidez y resistencia similares que aquellas para tratamiento con asfalto espumado. Éstas investigaciones se describen en las Secciones 4.5.5.1 y 4.5.5.2.
4.4.5.2 Tiempo de procesamiento Aparte de los requerimientos para completar el mezclado, la compactación, y terminación antes de que quiebre la emulsión, no es necesario especificar ningún otro límite de tiempo para trabajar con emulsiones asfálticas.
4.4.5.3 Densidad Tal como se describe en párrafos anteriores 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 98% y 102% para bases estabilizadas con asfalto. 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
80
Capítulo 4
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 en un 100%, la densidad en la parte inferior de la capa debe ser mayor que 98%. Para agregados de mejor calidad (por ejemplo, CBR > 80%), es recomendable especificar una densidad absoluta.
4.5
Estabilización con Asfalto Espumado
4.4.6
General
El asfalto caliente (160 – 180 ºC) se transforma en asfalto espumado cuando se mezcla con una pequeña cantidad de agua atomizada (típicamente un 2 % en masa) en una cámara de expansión especial. En el estado espumado (un estado temporal de baja viscosidad), el asfalto puede ser agregado y mezclado con los agregados a temperatura ambiente y con contenidos de humedad in-situ. El proceso de asfalto espumado es análogo al de un panadero batiendo la clara del huevo para formar espuma de baja viscosidad, antes de mezclarla con la harina. En el proceso de batido, la clara del huevo se transforma en burbujas de películas delgadas llenas con aire, ocupando así un volumen mucho mayor; un estado necesario para la distribución homogénea entre las partículas finas de harina, haciendo posible, de esta manera, alcanzar una mezcla consistente. El proceso de espumado del asfalto es dependiente del cambio de estado del agua de líquido a vapor, un proceso que está acompañado de una expansión de unas 1500 veces el volumen original del líquido a una presión atmosférica normal. Cuando las partículas de agua entran en contacto con el asfalto caliente, la energía calórica del asfalto se transfiere al agua. Tan pronto como el agua alcanza su punto de ebullición ésta cambia de estado, y al hacerlo, crea una burbuja con una delgada película de asfalto llena con vapor de agua. La primera persona en darse cuenta del potencial de usar asfalto espumado como agente estabilizador fue el profesor Ladis Csanyi en la Estación Experimental de Ingeniería (Engineering Experiment Station) en la Universidad Estatal de Iowa (Iowa State University) en 1956. Esta tecnología fue refinada más tarde por la organización Mobil Oil que desarrolló la primera cámara de expansión para mezclar agua con asfalto para generar espuma. El sistema desarrollado por Wirtgen a mediados de los ’90 inyecta tanto aire como agua al asfalto en la cámara de expansión, como se muestra en la figura 4.8.
Fig. 4.8 Producción de asfalto espumado
Asfalto caliente (160°C - 180°C)
Agua
Capítulo 4
Aire
81
El asfalto espumado puede ser utilizado como un agente estabilizador con una variedad de materiales, desde piedra chancada de buena calidad hasta gravas marginales con cierto grado de plasticidad. Las principales ventajas de estabilizar con asfalto espumado en comparación a la emulsión asfáltica son: – Reducción de los costos de ligante, ya que el asfalto espumado comprende un asfalto de penetración estándar y sólo un pequeño porcentaje de agua, típicamente un 2% en masa del asfalto. En el asfalto espumado no se incurren en costos de fabricación distintos al de inversión inicial del equipo. – Reducción de costos de transporte. Para una misma proporción de asfalto residual una emulsión contiene 40% de agua la cual debe ser transportada con el asfalto. – El material tratado con asfalto espumado puede ser colocado, compactado y abierto al tráfico inmediatamente. – El material tratado con asfalto espumado se mantiene trabajable por extensos períodos de tiempo y puede ser acopiado en condiciones climáticas adversas sin que el asfalto sea lavado del agregado. – El proceso de asfalto espumado puede ser usado para tratar materiales in-situ con contenidos de humedad de terreno relativamente altos, debido a que el ligante puede ser agregado sin usar agua adicional. De forma similar a la estabilización con emulsión asfáltica, se debe agregar pequeñas proporciones de cemento o cal junto con el asfalto espumado. El objetivo es similar, mejorar la resistencia retenida en condiciones de humedad. El empleo de un filler activo ayuda además a la dispersión del asfalto al incrementar la fracción menor a 0,075 mm del material así como también mejorar la trabajabilidad de la mezcla y la reducción del Índice de Plasticidad. La adición de filler activo se discute más abajo. A pesar de que la aplicación del asfalto espumado se descubrió en los años ’50, han ido construidos pocos proyectos aplicando esta tecnología. Las pruebas principales eran hechas en secciones cortas de camino y acompañadas por un esfuerzo de investigación limitado. Esta situación se mantuvo hasta que Wirtgen entró al mercado con su sistemas y equipos a mediados de los ’90. Los procedimientos de diseño de mezclas y la caracterización de los materiales fueron basadas en probetas de 100 mm de diámetro fabricados con la compactación Marshall estándar, de manera similar a la tecnología del asfalto caliente. A medida que se hizo evidente el hecho que el material tratado con asfalto espumado se comportaba de distinta forma al asfalto, la estabilidad y fluencia de Marshall fueron gradualmente reemplazadas por ensayos de tracción indirecta, procedimientos que, como se describe más adelante, son utilizados hasta el día de hoy. El interés en esta tecnología fue despertado con el advenimiento del sistema Wirtgen en 1996. El mercado global respondió rápidamente y, a pesar de que el primer sistema fue insertado a una recicladora WR 2500, cientos de sistemas incorporados a distintos modelos de recicladoras tanto en planta como en sitio han sido puestos en marcha. El número de kilómetros de pistas deterioradas que son rehabilitados anualmente a través del reciclado con asfalto espumado se incrementa año a año, incluyendo tanto caminos de bajo volumen de tránsito como carreteras de múltiples pistas con tráfico pesado. Sin embargo, las iniciativas de investigación no han podido seguir el mismo ritmo de desarrollo. En el 2000, una serie de ensayos con el Simulador de Vehículos Pesados (HVS, Heavy Vehicle Simulator) fueron realizados en Sudáfrica en un pavimento reciclado con una combinación de cemento y asfalto espumado. Los resultados formaron la base de un documento guía que fue posteriormente publicado por la Asphalt Academy en la segunda mitad del 2002, llamado “TG2: Guía Técnica Provisoria: Diseño y Uso de Materiales Tratados con Asfalto Espumado” (“TG2: Interim Technical Guideline: The Design and Use of Foamed Bitumen Treated Materials”) (ver Bibliografía). En esta publicación se incluyeron recomendaciones de diseño en conjunto con funciones de transferencia (fatiga) para estimar la capacidad estructural de los pavimentos construidos de material reciclado estabilizado con asfalto espumado. Como se establece en el título, este documento es “provisorio” ya que fue basado en muy poca investigación. Más ensayos de HVS y otros estudios continúan realizándose y es inminente una versión modificada de la guía TG2, cuando esta sea publicada en el 2004.
82
Capítulo 4
4.5.2
Características del asfalto espumado
El asfalto espumado se caracteriza por dos propiedades principales: – Razón de expansión, que es una medida de la viscosidad de la espuma y va a determinar qué tan bien se va a dispersar el asfalto en la mezcla. Se calcula como la razón entre el máximo volumen de la espuma relativo a su volumen original. – Vida media, medida de estabilidad de la espuma y provee una indicación de la tasa de colapso de la espuma. Se calcula como el tiempo, en segundos, que transcurre para que la espuma colapse a la mitad de su volumen máximo. Estas propiedades son ilustradas en la Figura 4.9.
Volumen original del asfalto antes de la espumación = 1
Ejemplo: – Expansión (24 Veces) – Vida Media = 13 seg (= 20 seg – 7 seg)
Mitad de la máxima expansión
Máximna Expansión
Expansión (Número de veces)
Fig. 4.9 Características del asfalto espumado
Tiempo (segundos)
Asfalto espumado en su máxima expansión
Vida Media (segundos)
Asfalto espumado hasta la mitad de su máxima expansión
Vasije de Medición
Capítulo 4
83
4.5.2.1 Factores que influyen a las propiedades de la espuma Se considera que la “mejor” espuma es la que optimiza tanto la expansión como la vida media. La determinación de las propiedades espumantes de un asfalto se presentan en el Apéndice 2, bajo los procedimientos descritos para el diseño de mezclas de material tratado con asfalto espumado. La razón de expansión y la vida-media del asfalto espumado está afectado por: – Adición de agua. Aumentar la cantidad de agua inyectada al asfalto aumenta efectivamente el volumen de espuma producido por un factor multiplicador de 1500. Así, aumentar la cantidad de agua añadida aumenta el tamaño de las burbujas creadas, causando que aumente la tasa de expansión. Sin embargo, el aumentar el tamaño individual de las burbujas reduce el espesor de la película del asfalto que las rodea, haciéndolas menos estables y resultando en una reducción de la vida media. Por ello, la razón de expansión y la vida media están relacionadas de forma inversa a la cantidad de agua que es añadida, como se muestra en la Figura 4.10. Fig. 4.10
Relación entre propiedades del asfalto espumado
15
15
14
14 13 Expansión
12
12
Vida Media
11
11
10
10
9
9
8
8
7
7
6
6
5
5
4
Vida Media (seg)
Expansión (Número de Veces)
13
4 1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Porcentaje de agua adicionada
– Tipo de asfalto. Generalmente se utilizan asfaltos con valores de penetración entre 80 y 150 para espumar, pese a que asfaltos más rígidos que cumplen con los requisitos mínimos de espumado (explicado más adelante) se han utilizados en el pasado. Por razones prácticas, los asfaltos más rígidos son generalmente evitados ya que producen una espuma de peor calidad, generando una dispersión más pobre. – Fuente de Asfalto. Algunos asfaltos espuman mejor que otros debido a su composición. Por ejemplo, las propiedades espumantes de los asfaltos en Venezuela exceden enormemente a aquellos de otras fuentes. – Temperatura de Asfalto. La viscosidad del asfalto goza de una relación inversa con la temperatura; a medida que la temperatura aumenta, la viscosidad se reduce. Lógicamente, mientras más baja es la viscosidad, mayor es el tamaño de la burbuja que se formará cuando el agua cambie de estado en el proceso de espumado. Debido a que este proceso saca energía del asfalto, la temperatura antes del espumar debe exceder los 160 ºC para obtener un producto satisfactorio.
84
Capítulo 4
– Presión de asfalto y de agua. El asfalto y el agua son inyectados en la cámara de expansión a través de pequeñas aberturas. El aumentar la presión en las tuberías de suministro causa que el flujo que pasa a través de estas aberturas se disperse (atomice). Mientras más pequeñas son las partículas individuales, mayor es el área de contacto disponible, mejorando así la uniformidad de la espuma. – Aditivos. Existen muchos productos en el mercado que van a afectar las propiedades espumantes del asfalto, tanto negativa (agentes anti-espumantes) como positivamente (espumantes). Usualmente, los espumantes son sólo requeridos cuando el asfalto ha sido tratado con un agente anti-espumante (normalmente durante el proceso de refinado). La mayoría de los espumantes son añadidos al asfalto antes de calentar a las temperaturas de aplicación y tienden a ser sensibles a la temperatura, siendo su vida efectiva bastante corta. Para obtener los beneficios de añadir un espumante, el asfalto debe ser utilizado dentro pocas horas. Sin embargo, estos productos son generalmente caros y se consideran sólo como un último recurso para mejorar las propiedades de un asfalto difícil de espumar (el cortar el asfalto con petróleo diesel ha probado ser exitoso en reducir suficientemente su viscosidad como para alcanzar una espuma aceptable. Sin embargo, esto no es recomendado a menos que sea llevado a cabo por un proveedor de asfalto).
4.5.2.2 Características aceptables de espumado Utilizando los procedimientos descritos en el Apéndice 2, todos los asfaltos que se pretenden usar para espumar deben ser ensayados en el laboratorio para determinar sus propiedades espumantes. El objetivo de este ejercicio es encontrar la combinación de temperatura de asfalto y adición de agua a la que se consigue un espumado óptimo (La mayor razón de expansión y vida media). Como se describe en párrafos anteriores, cada asfalto es distinto e incluso diferentes partidas de asfalto de una misma fuente van a variar. Sin embargo, siguiendo un simple procedimiento de laboratorio se puede determinar el porcentaje de agua y la temperatura, para cada tipo de asfalto que se desee espumar. Los parámetros determinados en laboratorio serán utilizados en terreno a escala real. No hay límites superiores para las propiedades del espumado y el objetivo siempre debiera apuntar a producir la mejor calidad de espuma requerida para la estabilización. Solamente se encuentran problemas cuando un asfalto no produce una “buena” espuma, generando la necesidad de proveer límites inferiores. Los mínimos valores aceptados de razón de expansión y vida media para estabilizar un material a 25 ºC son: Razón de Expansión: 10 veces Vida Media: 8 segundos La experiencia ha demostrado que la dispersión adecuada de la espuma y la estabilización efectiva es posible cuando las razones de expansión son tan bajas como 8 y la vida media de sólo 6 segundos. Sin embargo, otros factores también son responsables, tales como las temperaturas del material (temperaturas elevadas). Durante su investigación en asfalto espumado a fines de los ’90, el profesor Kim Jenkins desarrolló el concepto de “Índice de Espumación” para medir la combinación de razón de expansión y vida media. Definió el Índice de Espumación como el área bajo la curva obtenida de graficar la razón de expansión v/s la vida media, concluyendo que a mejores propiedades de espumado, mejor el Índice de Espumación y mejor el producto estabilizado alcanzado. Su investigación comparó el efecto del Índice de Espumación con la temperatura del material al tiempo de mezclado, concluyendo que a medida que la temperatura aumenta, un menor Índice de Espumación puede ser usado para alcanzar una estabilización efectiva. Estos importantes descubrimientos se discuten en la Sección 4.5.4.2, más adelante.
Capítulo 4
85
4.5.2.3 Dispersión del asfalto espumado A diferencia de las mezclas asfálticas en caliente, el material estabilizado con asfalto espumado no se ve negro. Esto se debe a que las partículas más gruesas del agregado no se cubren con asfalto. Cuando el asfalto espumado entra en contacto con el agregado, las burbujas de asfalto revientan en millones de pequeñas gotitas de asfalto que se adhieren a las partículas finas, específicamente la fracción menor a 0,075 mm. Las gotitas de asfalto pueden intercambiar calor sólo con la fracción de filler y todavía tener viscosidad suficientemente baja como para cubrir las partículas. La mezcla espumada resulta en un filler ligado con asfalto que actúa como mortero entre las partículas gruesas, como se mostró previamente en la Figura 4.1. Por ende, hay un ligero oscurecimiento del color del material después del tratamiento. La adición de cemento, cal o algún material fino similar (100% que pasa el tamiz de 0,075 mm) ayuda a dispersar el asfalto, particularmente donde el material reciclado es deficiente en finos (por ejemplo, menos del 5% pasando el tamiz 0,075 mm). Investigaciones limitadas han mostrado que fillers activos (y en particular cemento) no solamente reemplazan al filler natural, si no que además proveen irregularidades en la superficie de las partículas debido a la acción puzolánica, a las cuales las partículas de asfalto tienden a adherirse.
4.5.3
Material adecuado para tratamiento con asfalto espumado
La tecnología de asfalto espumado es aplicable en la estabilización de una gran variedad de materiales, que van desde arenas, gravas, hasta piedra chancada y RAP. Tanto granulares seleccionados como marginales, vírgenes o reciclados, han sido utilizados en forma satisfactoria en el proceso de reciclado. Sin embargo, es importante establecer los límites de tolerancia requerida en los agregados, así como identificar la composición óptima del material que va a ser sometido al tratamiento con asfalto espumado. Los materiales que son pobres en finos no se mezclan en forma adecuada con el asfalto espumado. Como se señala en la Figura 4.11, el porcentaje mínimo de finos requerido es del 5%, considerando como finos la fracción del material que pasa la malla de 0,075 mm (No. 200). Cuando un material no tiene la cantidad adecuada de finos, el asfalto espumado no se dispersa en forma apropiada y tiende a formar lo que se conoce en el material reciclado como “filamentos” de asfalto (aglomeraciones de material fino con asfalto), los que varían en tamaño dependiendo de la escasez de finos. Un porcentaje de finos muy bajo producirá largos filamentos, los que en la mezcla actuarán como lubricante y producirán una disminución en la resistencia y estabilidad del material.
Fig. 4.11 Características de los materiales adecuados para tratamiento con asfalto espumado
Porcentaje que pasa (acumulado)
26.5
19.0
13.2
9.50
6.70
4.75
2.36
1.70
1.180
0.600
0.425
0.250
Unidades Métricas
mm
100
100
90
90
80
80 70
70 Muy fino
60
60
50
50
Adecuado
40
40 Muy grueso
30
30
20
20
10
10 0
0 200
86
0.150
0.075
0.053
Granulometría
100
60
40 30
16
10 8
4 1/4"
1/2"
1"
Malla Nº
Capítulo 4
Ensayos granulométricos simples, que se realizan a partir de muestras extraídas del pavimento existente indican si existe una eventual deficiencia en el contenido de finos. Sin embargo, esta deficiencia puede ser corregida mediante la importación de material adecuado, con un alto contenido de finos. Este material se esparce sobre la superficie del pavimento en forma previa a la aplicación del reciclado. No obstante, los materiales cohesivos deben ser tratados con cuidado. Si bien los ensayos de laboratorio de estos materiales pueden arrojar un alto porcentaje de finos que pasan la malla de 0,075 mm de diámetro, generalmente la calidad del mezclado conseguida en terreno es deficiente. Este fenómeno se debe a lanaturaleza plástica del material, la que produce que la fracción fina se aglomere, haciendo difícil la dispersión del asfalto en forma de espuma a través del agregado. Comparaciones entre ensayos granulométricos lavados y no lavados realizados en laboratorio, entregan una indicación sobre la relevancia del problema. La granulometría no lavada indica la calidad de los finos disponibles. El material que es deficiente en finos puede ser mejorado mediante la adición de cemento, cal u otro material que pase en un 100% la malla No 200. Sin embargo, debe evitarse una dosificación de cemento superior al 1,5%. Un porcentaje mayor de cemento tiene un efecto negativo, producto de la pérdida de flexibilidad en la capa estabilizada. Las bandas granulométricas presentadas en la Figura 4.11 tienen un amplio rango de tolerancia y pueden ser ajustadas con el objetivo de obtener una granulometría que entregue la cantidad mínima de vacíos en el agregado mineral. Si se logra producir mezclas con un bajo contenido de vacíos, se obtiene un material estabilizado con asfalto espumado con excelentes propiedades. Una relación única para conseguir la cantidad mínima de vacíos, que permite la variación en el contenido de filler, se presenta en la ecuación 4.1. Esta ecuación es útil, puesto que entrega flexibilidad respecto al contenido de finos de la mezcla. Un valor de n=0,45 se requiere para obtener el mínimo de vacíos.
(100 – F) (dn – 0.075n) P=
Donde:
d P D F n
(Dn – 0.075n)
+F
[Ecuación 4.1]
= tamaño seleccionado del tamiz (mm) = porcentaje en peso del material que pasa el tamiz de tamaño d (mm) = tamaño máximo del agregado (mm) = porcentaje del contenido de finos (inertes y activos) = variable que depende de las características del agregado
Es importante obtener una granulometría continua en el tamaño del agregado menor a 2 mm, debido a la dispersión del asfalto espumado y a la facilidad en la compactación, ya que se reducen los vacíos y por lo tanto la susceptibilidad al ingreso de agua. Por lo tanto, cuando sea necesario, debe considerarse la posibilidad de mezclar dos materiales para mejorar una granulometría deficiente.
4.5.3.1 Muestras de material utilizadas para el diseño de mezclas El método utilizado en la toma de muestras del material que va a ser estabilizado con asfalto espumado es muy importante. Un control inadecuado o deficiente en la toma de muestra se traduce en ensayos no representativos que entregarán resultados erróneos, lo que puede traer serias consecuencias. Por lo tanto, debe tenerse conocimiento de tres factores importantes para la toma de muestras de dosificación: – Profundidad del reciclado, y las proporciones de cada capa in-situ que será mezclada y conformará la capa compuesta. – Variabilidad del material en la longitud y profundidad del pavimento existente. Esto significa que deben realizarse suficientes diseños de mezclas como para considerar esta variación. En los casos donde la variabilidad es significativa, el material de cada capa debería ser separado en sus fracciones correspondientes, y luego ser mezclado en las proporciones requeridas. De esta forma, puede obtenerse una mezcla óptima y luego estudiar la influencia de la granulometría en la variabilidad de la mezcla tratada con asfalto espumado.
Capítulo 4
87
– Preparación del material del pavimento existente para la mezcla. La utilización de una máquina de fresado pequeña para el muestreo del material asfáltico es el procedimiento más adecuado para obtener muestras representativas.
4.5.4
Trabajando con asfalto espumado
Los siguientes puntos deben cumplirse cuando se trabaja con asfalto espumado:
4.5.4.1 Seguridad Se requiere de una alta temperatura del asfalto para lograr la reacción del agua y producir una espuma aceptable (típicamente sobre 160 ºC). A dichas temperaturas, el asfalto es una sustancia letal, y si no se maneja en forma adecuada podría incluso provocar la muerte de una persona. Esta es una característica conocida por los productores de asfalto, que trabajan comúnmente con el material a altas temperaturas. Sin embargo, el constructor que aplica asfalto espumado y ejecuta un proyecto de reciclado por primera vez, debe tomar todas las medidas de precaución necesarias y asegurarse que sus empleados reciban el entrenamiento o capacitación necesarios. Es posible aplicar las mismas normas de seguridad que se utilizan en mezclas asfálticas en caliente para la construcción con asfalto espumado.
4.5.4.2 Temperatura de material La temperatura del agregado es uno de los factores más importantes en la dispersión adecuada del asfalto espumado en el material reciclado y, por lo tanto, en la resistencia de la nueva capa de pavimento. Como se mencionó anteriormente, el concepto de Indice de Espumación desarrollado por el Profesor Jenkins representa las propiedades espumantes del asfalto (razón de expansión y vida media). La investigación desarrollada demostró que el Indice de Espumación y la temperatura del agregado (al momento de producirse la mezcla) son factores importantes en la dispersión obtenida. Para obtener una buena mezcla a temperaturas más bajas son necesarios Indices de Espumación más altos (y por lo tanto, mayor razón de expansión y vida media). A pesar de que estas investigaciones son relevantes, es importante comparar las condiciones de laboratorio a las que realmente se presentan en terreno. La calidad de la espuma producida en la unidad de laboratorio es siempre inferior a la producida por la recicladora. Esto se debe principalmente a que las presiones de trabajo utilizadas en terreno son mayores, y a que la continuidad en la operación del tren reciclador permite trabajar a temperaturas más altas. Por lo tanto, existe una variación entre las mediciones de laboratorio y las de terreno, por lo que es importante verificar las propiedades de espumación en terreno. Estas mediciones deberían ser comparadas con la temperatura del agregado (y no sólo la superficie del camino) y los resultados verificados con las recomendaciones de la Tabla 4.5. Tabla 4.5 Facilidad del asfalto espumado para dispersarse (capacidad de mezclado) Temperatura del agregado (°C) < 15 ºC 15 ºC a 25 ºC
Indice de espumación
Razón de Expansion (implícito)
< 75
<8
Muy mala
Mala
Moderada
75 a 150
8 a 12
Moderada
Buena
Buena
> 150
> 12
Buena
Muy buena
Muy buena
> 25 ºC
El trabajo con asfalto espumado no se debería realizar cuando la temperatura del agregado esté bajo los 10 ºC.
88
Capítulo 4
4.5.4.3 Consistencia del suministro de asfalto Cuando se acopla un nuevo camión-tanque a la recicladora, se deben realizar dos verificaciones para asegurar que el asfalto es adecuado para la producción de la espuma: – Temperatura del asfalto en el tanque. Debería medirse utilizando un termómetro calibrado (termocuplas adheridas al tanque no son confiables). – Calidad de espumación en el tanque. Esta debería ser medida utilizando la boquilla de prueba de la recicladora. La verificación debería realizarse una vez que al menos 100 litros de asfalto hayan pasado a través de la barra aplicadora de asfalto mientras se recicla, con el objetivo de obtener una muestra representativa.
4.5.4.4 Flujo de asfalto El asfalto suministrado en terreno por tanques provistos de tubos calentados por llamas a veces es contaminado con pequeñas partículas de carbón que se forman a los costados de los tubos cuando estos aumentan su temperatura. Al utilizar las últimas toneladas de asfalto del tanque, estas partículas indeseables tienden a introducirse en el sistema de flujo de asfalto, y son la causa de los bloqueos en la recicladora. Este problema puede evitarse tomando precauciones mínimas, como que el filtro en el sistema de abastecimiento funcione correctamente. Cualquier incremento inusual en la presión indicará que el filtro requiere de limpieza. En todo caso, es recomendable la limpieza diaria de este dispositivo (por ejemplo, al término de cada turno de trabajo).
4.5.4.5 Presión de asfalto La calidad de la espuma es función directa de la presión de operación de la recicladora. Entre más alta la presión, mayor será el flujo de asfalto que tiende a “atomizarse” a medida que este pasa a través del surtidor de asfalto a la cámara de expansión. Esto asegura que las partículas pequeñas de asfalto entrarán en contacto con el agua, la cual también ingresará a la cámara de expansión en forma atomizada. Una presión mayor, asegurará uniformidad a la espuma de asfalto. Si el asfalto entrara en la cámara de expansión como un flujo (lo que sucede cuando ingresa a bajas presiones) el agua impactaría solamente sobre una cara del flujo. Por esta cara se produciría espuma, pero sobre la otra permanecería un flujo de asfalto caliente sin espumar. Por lo tanto, es imperativo mantener una presión de operación sobre los 3 bares como mínimo.
4.5.4.6 Aplicación de un filler activo Como se describió anteriormente, es una práctica común adicionar un porcentaje pequeño de cemento u otros agentes estabilizadores cementantes cuando se recicla con asfalto espumado. Esto debe ser realizado con precaución cuando se realiza un tratamiento previo con cemento, debido a que el proceso de hidratación comienza tan pronto como el agente estabilizador entra en contacto con la humedad, aglomerando los finos y reduciendo la fracción menor a 0,075 mm. La calidad de la mezcla cuando se agrega asfalto espumado será deficiente si el contenido de finos es bajo como para dispersar las partículas de asfalto. Por lo tanto, es recomendable que el cemento siempre sea agregado en conjunto con el asfalto espumado.
4.5.4.7 Re-mezclado de la capa finalizada El material estabilizado con asfalto espumado puede ser vuelto a trabajar sin afectar significativamente su resistencia última, siempre y cuando el contenido de humedad se mantenga aproximadamente constante y cercano al que presentaba al momento de la compactación. Esta característica es de gran ventaja cuando el camino debe abrirse al tráfico al corto tiempo después de haber sido construido, a pesar de que no se haya completado el trabajo de terminación. El material puede ser vuelto a trabajar el día siguiente (generalmente, después de una pulverización previa) y luego terminado en forma adecuada. Sin embargo, si éste pierde su humedad, volver a trabajarlo (perfilarlo y compactarlo) afectará negativamente su resistencia última.
Capítulo 4
89
4.5.5
Propiedades típicas de materiales estabilizados con asfalto espumado
A continuación se describen las propiedades de ingeniería más importantes aplicables al material estabilizado con asfalto espumado. Estas propiedades se obtienen cuando la aplicación del asfalto espumado es óptima, de acuerdo al procedimiento de diseño de mezclas descrito en el Apéndice 2. Los rangos de aplicación del asfalto espumado sugeridos en la Tabla 4.6 son útiles para definir un contenido asfáltico aproximado en el diseño de mezclas. Estos rangos de aplicación generalmente son aplicables cuando se utiliza un 1% de filler activo (cal o cemento) en la mezcla. Tabla 4.6 Contenido de asfalto espumado típico relativo a granulometría del agregado Porcentaje que pasa la malla: (%) 4,75 mm
< 50
> 50
Porcentaje de asfalto espumado
0,075 mm
(% en peso sobre el agregado seco)
3.0 – 5.0
2.0 a 2.5
5.0 – 7.5
2.0 a 3.0
7.5 – 10.0
2.5 a 3.5
> 10.0
3.0 a 4.0
3.0 – 5.0
2.0 a 3.0
5.0 – 7.5
2.5 a 3.5
7.5 – 10.0
3.0 a 4.0
> 10.0
3.5 a 4.5
Nota: Los contenidos de asfalto espumado presentados en la tabla son sólo indicadores aproximados. El contenido óptimo de asfalto está definido por muchos otros factores además de la granulometría del agregado, y por lo tanto es imperativo que un diseño de mezclas sea efectuado para determinar el contenido óptimo de cada material (también debería tomarse en cuenta que no es un requisito aplicar siempre el contenido óptimo de asfalto cuando se estabiliza con asfalto espumado. Dependiendo de la aproximación del diseño, un rango de contenido asfáltico bajo el óptimo puede ser suficiente para conseguir las propiedades requeridas. Este rango de aplicación se denomina “contenido mínimo de asfalto”)
90
Capítulo 4
4.5.5.1 Resistencia Para evaluar la resistencia de los materiales estabilizados con asfalto se utiliza la resistencia a la tracción indirecta (Indirect Tensile Strength, ITS), en vez del ensayo Marshall. La Tabla 4.7 muestra los valores que comúnmente se obtienen de estos ensayos. El ensayo ITS puede ser realizado en probetas de 100 mm o 150 mm, confeccionadas y curadas siguiendo los procedimientos señalados en el Apéndice 2. Además, la susceptibilidad a la humedad del material es generalmente determinada en términos de la Resistencia a la Tracción Retenida (Tensile Strength Retained, TSR), ensayando probetas de 100 mm mediante la siguiente ecuación:
TSR =
ITS saturado
[Ecuación 4.2]
ITS seco El valor de TSR saturada se obtiene sumergiendo las probetas curadas en agua durante 24 horas antes de realizar el ensayo, como se describe en el Apéndice 2. Tabla 4.7 Resistencia a la tracción indirecta de materiales estabilizados con asfalto espumado Probetas 100 mm Marshall Tipo de material
Probeta 150 mm Proctor
ITSseco (kPa)
TSR (Razón)
ITSequ (kPa)
RAP/piedra chancada (mezcla 50/50)
250 a 600
0.8 a 1.0
120 a 250
Piedra chancada graduada
200 a 500
0.6 a 0.9
120 a 200
Grava natural (IP<10, CBR<30)
150 a 450
0.3 a 0.75
80 a 150
Investigaciones recientes han introducido la Resistencia a la Compresión no Confinada (Unconfined Compressive Strength, UCS) como un indicador de la capacidad de soporte del material estabilizado (resistencia a la deformación permanente). Este es un valor importante, especialmente cuando se estabiliza material de baja calidad. Se propone un valor mínimo UCS de 700 kPa para una probeta de 150 mm de diámetro, confeccionada con un esfuerzo de compactación del 100% del Proctor Modificado (curada y ensayada en el contenido óptimo de humedad, como se describe en el Apéndice 2).
4.5.5.2 Rigidez El Módulo Resiliente (MR) de un material estabilizado con asfalto puede ser medido en laboratorio si se somete un espécimen a un ensayo de carga repetitiva. El ensayo de probetas Marshall de 100 mm de diámetro (curadas y secas) a tracción indirecta a 10 Hz y 25ºC, entrega los valores presentados en la Tabla 4.8.
Tabla 4.8 Rangos de Módulos Reslientes típicos para material estabilizado, ensayados en laboratorio Tipo de material
MR (MPa)
RAP/piedra chancada (mezcla 50/50)
2500 a 4000
Piedra Granular chancado
2000 a 3000
Grava natural (IP<10, CBR<30)
1500 a 3000
Nota: Debido principalmente a la pérdida de humedad en los especíenes ensayados (pero también debido a la geometría y estado de tensiones producido por la forma del ensayo), estos valores son significativamente mayores a aquellos determinados a partir de ensayos triaxiales dinámicos y de viga flexural, así como aquellos retro-analizados de un cuenco de deflexiones.
Capítulo 4
91
Los modelos de diseño de pavimentos propuestos por el TG2, así como las futuras recomendaciones TG3, próximas a ser publicadas para tratamientos con emulsión (ver Sección 4.5.1), asumen que el material presenta dos fases de comportamiento definidas como: – Fase 1: Rápida pérdida de rigidez ante el tráfico sobre la capa estabilizada – Fase 2: Deformación permanente considerando valores menores de rigidez Los valores de rigidez propuestos por el TG2 y TG3 fueron obtenidos a partir de información limitada. En forma particular, el denominado “estado equivalente granular” (una expresión sacada de la terminología utilizada en las capas levemente cementadas, refiriéndose al momento en que se aproximan al término de su vida útil) en conjunto con los datos establecidos en las recomendaciones TG, se encuentran bajo revisión debido a que estos no correlacionan correctamente con los ensayos de terreno realizados en pavimentos que fueron construidos en los últimos 10 años. Mediciones realizadas en terreno han demostrado que la rigidez de una capa estabilizada con asfalto efectivamente se reduce durante su vida útil. Después de la construcción, la rigidez aumenta en la medida en que el material se “cura”, y el contenido de humedad se reduce hasta alcanzar los niveles óptimos. Posteriormente, pareciera existir una fase de “acomodo” acompañada por una pérdida en la rigidez y también por una pequeña deformación permanente, presumiblemente debido a la consolidación del material producto de las cargas de tránsito. Las densidades de construcción generalmente van a determinar la magnitud de la deformación permanente que se producirá mientras la capa se asienta. Sin embargo, la pérdida de rigidez parece ser una función compleja, dependiente de varios parámetros. Los principales parámetros son la calidad y tipo del material, la cantidad de asfalto y cemento en la mezcla, el soporte entregado por la estructura de pavimento subyacente, y la efectividad de las instalaciones de drenaje. La pérdida de rigidez parece ser mayor en materiales de calidad deficiente que son estabilizados con dosis de cemento altas, en un medio húmedo con un sistema de drenaje inadecuado y que se encuentran sobre estructuras con una baja capacidad de soporte. Mientras no se obtengan mayores avances en la investigación de pavimentos reciclados con asfalto espumado, se puede aplicar el método de diseño transitorio del TG2. Sin embargo, la terminología asociada en éste se debería cambiar a: – Fase 1: Fase de asentamiento. El término que utiliza el TG2 llamado “fatiga efectiva”, indica que el agrietamiento producido está asociado a la carga. Esto no es correcto, puesto que no se produce un agrietamiento evidente a medida que la rigidez de la capa se reduce (a pesar de que alguna micro fracturamiento puede ocurrir). – Fase 2: Estado de régimen. El término también utilizado por TG2 denominado “estado granular equivalente”, sugiere que los efectos de la estabilización se pierden. Este tampoco es el adecuado, debido a que la rigidez que va a alcanzar el material estabilizado con asfalto espumado, es siempre mucho mayor que el material sin estabilizar.
92
Capítulo 4
Resultados de laboratorio indican que los valores de Módulo Resiliente para la modelación mecanicista deberían basarse en los resultados de los ensayos de ITS y UCS utilizando probetas de 150 mm, confeccionadas y ensayadas con el contenido óptimo de humedad, como se describe en el Apéndice 2. Las fórmulas sugeridas para la determinación del Módulo Resiliente (MR en MPa) son:
FASE 1:
MRFase 1 = (log (ITS equ) x 3950 – 7000) x TSR x F drenaje
FASE 2:
MRFase 2 =
Donde:
Tabla 4.9
MRFase 1 ITSequ TSR Fdrenaje MRFase 2 UCSequ
= = = = = =
MFase 1 x TSR
[Ecuación 4.3]
[Ecuación 4.4]
(0.5 x UCS equ) + 0.7
Módulo Resiliente durante la Fase 1 ITS a la condición de humedad óptima Resistencia a la tracción requerida Factor de drenaje determinado de la tabla 4.9 Módulo Resiliente en estado de régimen UCS a la humedad óptima
[MPa] [kPa]
[MPa] [MPa]
Factores de drenaje Fdrenaje para estimar rigideces de terreno de material estabilizado con asfalto
Calidad
Precipitación media anual (mm)
de drenaje
< 200
200 a 600
600 a 1000
> 1000
Muy buena
1.4
1.3
1.2
1.1
Buena
1.3
1.2
1.1
1.0
Normal
1.2
1.1
1.0
0.9
Mala
1.1
1.0
0.9
0.8
Muy mala
1.0
0.9
0.8
0.7
El Módulo Resiliente en estado de régimen (MRFase 2) calculado mediante la ecuación 4.4 debe ser considerado como un indicador y no un valor exacto debido a que la ecuación se desarrolló con una cantidad limitada de datos. El valor verdadero que se obtiene in-situ es una función de muchas variables. Una de las variables más importantes es la cantidad de filler activo y asfalto en la mezcla, la calidad del material no tratado, la densidad del material estabilizado, la temperatura del ensayo y el contenido de humedad. Por ejemplo, incrementar la cantidad de filler activo de un 1% a un 2% se traduce en un incremento del MRFase 1, pero por otro lado se produce una reducción del valor MRFase 2 después de relativamente pocas repeticiones de carga (generalmente, menos de 250.000).
Capítulo 4
93
El valor para el MRFase 2 calculadas utilizando la ecuación 4.4 debería ser verificada siempre con el rango presentado en la Tabla 4.10 debería encontrarse una explicación si el valor calculado es significativamente menor o mayor al rango señalado. Frecuentemente, especimenes confeccionados en laboratorio no son representativos de las condiciones de terreno, y cualquier resultado de ensayo que pareciera ser incorrecto debería ser detectado e investigado. Tabla 4.10 Modulos resilientes para material estabilizado después de alcanzar el estado de régimen (Fase 2) Asfalto espumado
Módulo Resiliente
añadido (%)
MR Fase 2 (MPa)
100%RAP
1.5 a 2.0
1000 a 2500
RAP/ Piedra chancada (mezcla 50/50)
2.0 a 2.5
800 a 2000
Piedra chancada bien graduada
2.0 a 3.0
600 a 1500
Grava natural (IP<10, CBR >45)
2.0 a 3.5
400 a 800
Grava natural (IP<10, CBR >25)
2.5 a 4.0
300 a 600
Arenas no plásticas
3.0 a 5.0
200 a 500
Tipo de material
4.5.5.3 Tiempo de mezclado No existe un período de tiempo específico para trabajar el material estabilizado con asfalto espumado. Este dependerá fundamentalmente del contenido de humedad que el material mantenga. Entre más tiempo se mantenga al contenido óptimo de humedad, el período en que se puede trabajar es mayor.
4.5.5.4 Densidad Como se describió anteriormente, en los materiales tratados con cemento y emulsión asfáltica la compactación debería apuntar siempre a obtener la máxima densidad posible bajo las condiciones prevalecientes en terreno (la denominada “densidad máxima”). Usualmente se especifica una densidad mínima requerida como un porcentaje de la densidad AASHTO modificada, generalmente entre un 98% y un 102% para bases estabilizadas con asfalto espumado. 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 es especificada en un 100%, la densidad en la parte inferior de la capa debe ser mayor que 98%. Para agregados de mejor calidad (por ejemplo, CBR > 80%), es recomendable especificar una densidad absoluta.
94
Capítulo 4
4.6
Resumen: Comparación de agentes estabilizadores cementantes versus bituminosos Estabilización con cemento Ventajas
Desventajas
Disponibilidad. El cemento se puede obtener en cualquier parte del mundo, a granel o en bolsas
El agrietamiento por retracción es inevitable. Sin embargo, puede ser minimizado.
Costo. En relación al asfalto, el cemento no es caro.
Aumenta la rigidez en pavimentos flexibles.
Facilidad de aplicación. El cemento puede ser esparcido a mano si no se encuentran disponibles esparcidores mecánicos o mediante lechadas.
Requiere de un curado apropiado y protección para el tráfico a temprana edad una vez puesto en servicio, particularmente de vehículos pesados que se desplazan a baja velocidad.
Aceptación. El cemento es conocido y ampliamente aceptado en la industria de la construcción. Métodos estándares y especificaciones se encuentran disponibles.
Estabilización con emulsión asfáltica Ventajas
Desventajas
Flexibilidad. La estabilización con asfalto produce un material con propiedades viscoelásticas con una flexibilidad mejorada y resistencia a la deformación. Facilidad de aplicación. Un tanque se acopla a la recicladora y se aplica a través de la barra rociadora Aceptación. Las emulsiones asfálticas son relativamente bien conocidas en la industria de la construcción. Métodos de ensayos estándares y especificaciones se encuentran ampliamente disponibles.
Costo. Las emulsiones de asfalto generalmente no se producen en terreno. Este proceso reqeuiere de un estricto control, y los emulsificadores son caros. Los costos de transportes se ven incrementados debido al transporte (la emulsión además de asfalto tiene una cantidad importante de agua). Donde el contenido de humedad del material sea cercano a la OMC, es posible que se alcance un estado de saturación del mismo. Disponibilidad. La formulación requerida para una aplicación de reciclado no siempre está disponible.
Estabilización con asfalto espumado Ventajas Flexibilidad. La estabilización con asfalto produce un material con propiedades viscoelásticas con una flexibilidad mejorada y resistencia a la deformación. Facilidad de aplicación. Un tanque se acopla a la recicladora y el asfalto caliente es bombeado y esparcido mediante una barra roceadora, donde la espuma de asfalto es inyectada en la cámara de mezclado. Costo. El asfalto espumado utiliza cemento asfáltico de penetración estándar. No existen costos adicionales de producción del mismo.
Desventajas El asfalto espumado requiere que el asfalto esté caliente, generalmente sobre los 160ºC. Frecuentemente esto requiere de instalaciones para calentar el mismo, y medidas especiales de seguridad. Condición y tipo del material. El material saturado y pobre en la fracción fina (menor a 0,075) no puede ser tratado con asfalto espumado sin un tratamiento previo o la adición de material nuevo.
Velocidad para adquirir resistencia. El material puede ser transitado inmediatamente después de ser colocado y compactado.
Capítulo 4
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96
Capítulo 5: Soluciones de Reciclado Todos los proyectos de rehabilitación de pavimentos presentan características particulares. Como se explicó en el Capítulo 3, cada proyecto es único; la profundidad del reciclado y el tipo de estabilización se encuentran establecidos por el tránsito estimado para el periodo de diseño, los materiales del pavimento existente, y la resistencia in-situ de la subrasante. En un esfuerzo para facilitar a los ingenieros proyectistas la visualización del tipo de estructuras de pavimento que puedan ser candidatas para un reciclado profundo, este capítulo proporciona directrices acerca de las soluciones típicas de reciclado para algunas de las condiciones más comunes que se encuentran al rehabilitar pavimentos deteriorados.
5.1
Cuadro Guía con posibles estructuras de pavimento reciclado
En la Figura 5.1 se presentan una guía o catálogo con las estructuras de pavimento típicas utilizadas en la rehabilitación de pavimentos aplicando reciclado. El catálogo entrega cuatro clases de tráfico distintos, comenzando con rangos que van desde menos de 300.000 hasta 10.000.000 de ESALs (Equivalent Standard Axle Loads) de 80 kN, incluyendo las opciones de estabilización con cemento y asfalto. Se muestran tres tipos de pavimentos existentes en tres secciones horizontales separadas, con perfiles que detallan componentes típicos para cada capa: – Estructuras caracterizadas por una superficie asfáltica de mezcla en caliente (espesor >100 mm), sobre una base granular de buena calidad, generalmente de agregado machacado con CBR > 80%. – Estructuras que incluyen una superficie asfáltica (además del recapado), que por lo general es menor a 100 mm de espesor, sobre una base granular de buena calidad, generalmente de agregado machacado con CBR> 80%. – Estructuras que comprenden una base granular de 150 mm de espesor (o una capa de grava en el caso caminos no pavimentados) sobre una subbase de 150 mm de espesor, ambas capas construidas normalmente con material de CBR > 45%. Se consideran tres tipos de soporte de la subrasante (los valores de CBR mostrados asumen densidades obtenidas en terreno): – “Bueno” donde la subrasante consiste de un material de grava natural con valores de CBR que exceden el 45%. – “Regular”, grava natural con valores de CBR de aproximadamente 25%. – “Malo”, suelo de material con un valor máximo de CBR de 7%. Estos son rangos muy amplios y reflejan, esencialmente, condiciones de soporte "promedio" proporcionadas por la estructura del pavimento subyacente a la capa reciclada hasta una profundidad de al menos 1,0 metro. Las estructuras típicas señaladas solamente son indicativas de aquellas que provendrían de un análisis de diseño de pavimentos apropiado y se incluyen únicamente con el objetivo de ilustrar los distintos casos. Estas soluciones son conservadoras, sin embargo, pueden ser útiles como guía para indicar la profundidad del reciclado y el espesor de la capa estabilizada que puede esperarse para diferentes capacidades estructurales, asumiendo varias condiciones de soporte. Para todos los pavimentos que requieren rehabilitación, se debiera realizar siempre un diseño apropiado, siguiendo el proceso descrito paso a paso en el Capítulo 3 (Secciones 3.3, 3.4 y 3.5).
Capítulo 5
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98
no ligados (granulares) (CBR > 45) no ligados (granulares) (CBR > 45) Soporte de la subrasante
Con o sin sello
Soporte de la subrasante
HMA < 100 mm no ligados (granulares) (CBR > 80)
HMA > 100 mm no ligados (granulares) (CBR > 80) Soporte de la subrasante
(kPa) 200 150
(kPa) 750
Valores típicos de cemento (C)
< 7%
(kPa) 1500
Valores ITS típicos para el asfalto (B) cemento (C)
Valores típicos de cemento (C)
(kPa) 300 200
± 25 %
> 45 %
< 7%
± 25 %
Valores ITS típicos para el asfalto (B) cemento (C)
(kPa) 2000
Valores típicos de cemento (C)
< 7%
> 45 %
(kPa) 400 250
Valores ITS típicos para el asfalto (B) cemento (C)
Sello
225 B
50 AC 300 B
300 C
40 AC 50 BC 300 C
40 AC 100 BC 300 C
50 AC 250 C
300 C
200 B
Sello
Sello
Sello
250 C
40 AC 80 BC 300 C
50 AC 225 C
275 C
Sello
Caminos rurales
Sello
50 AC 250 B
200 B
50 AC 300 C
Sello
250 C
175 B
225 C
Sello
Sello
OSello
Residencial o tránsito liviano
Caracterítsticas de Resistencia Típicas del Material Reciclado
40 AC 60 BC 300 B
275 B
Sello
250 B
Sello
50 AC 300 B
225 B
Sello
200 B
Sello
40 AC 200 BC 300 C
40 AC 50 BC 300 C
50 AC 300 C
40 AC 180 BC 300 C
40 AC 50 BC 250 C
40 AC 150 BC 300 B
50 AC 300 B
50 AC 250 B
40 AC 120 B
50 AC 250 B
275 B
Sello
40 AC 80 BC 300 B
40 AC 160 BC 300 C 50 AC 275 C
50 AC 200 B
50 AC 175 B
50 AC 300 C
50 AC 250 C
40 AC 50 BC 300 C
40 AC 220 BC 300 C
40 AC 60 BC 300 C
50 AC 300 C
50 AC 250 B
40 AC 140 BC 300 B
50 AC 275 B
50 AC 225 B
5.0 – 10.0 Autopistas y avenidas urbanas principales
Espesor de capa (mm)
Caminos rurales importantes
C: estabilizado con cemento - B: estabilizado con asfalto Estructuras recicladas de pavimento 0.3 – 1.0 1.0 – 5.0
< 0.3
BC: base asfáltica
Tráfico de Diseño (x 10 ESALs)
AC: superficie asfáltica
± 25 %
> 45 %
Mezcla en caliente (HMA) (pavimento existente) Soporte Tipos de pavide Subramento antes de sante reciclado (CBR)
Fig. 5.1 Guía de espesores estructurales para reciclado y estabilización
Capítulo 5
5.2
Sustitución de Mezcla Asfáltica en Caliente Convencional por RAP Estabilizado con Asfalto Espumado
Numerosas aplicaciones han demostrado que el material de pavimentos asfáltico recuperado (RAP) estabilizado con asfalto espumado puede ser utilizado como una alternativa a una mezcla asfáltica en caliente (HMA). Esto significa que la capa asfáltica en caliente señalada en la Figura 5.1 puede ser sustituida con RAP estabilizado con asfalto espumado. Esto proporciona una oportunidad ideal para eliminar reservas de RAP no deseadas y conseguir beneficios en cuanto minimizar los costos del proyecto e incluso obtener un producto superior. Cuando el RAP es tratado, este toma la propiedad de un material granular grueso, con el asfalto espumado disperso en la fase fina del agregado, y no se considera como material asfáltico ligante. A diferencia de una mezcla asfáltica en caliente convencional, el RAP estabilizado con asfalto espumado no es propenso al ahuellamiento, ya que presenta el comportamiento de un material dependiente de las tensiones de manera similar a un agregado machacado. Además, no es sensible a la temperatura. Una vez obtenida la densidad de terreno producida por una gran energía de compactación (rodillos vibratorios pesados), el RAP tratado con asfalto espumado posee un contenido de vacíos relativamente alto comparado con las HMA. Además de mejorar “la estabilidad” y reducir la propensión a “fluir”, este contenido de vacíos relativamente alto reduce la sensibilidad al agrietamiento térmico. Sin embargo, siendo esencialmente un material “granular”, el RAP estabilizado con asfalto espumado siempre necesita una superficie de protección para prevenir el ingreso de humedad y el efecto de la abrasión del tráfico. Numerosas investigaciones han concluido que el material de RAP estabilizado con asfalto espumado que mantiene el 100% de su resistencia seca cuando está saturado (TSR = 1, ver Capítulo 4), puede mantener un comportamiento similar a una HMA convencional. La resistencia retenida de los materiales estabilizados con asfalto espumado puede ser mejorada mezclando el RAP con agregados machacados, bajo condiciones controladas en una planta mezcladora tipo Wirtgen KMA 200, o colocando cuidadosamente el agregado como una capa uniforme sobre la superficie a reciclar del pavimento, reutilizándola in-situ.
5.3
Reciclado en dos etapas para alcanzar mayor resistencia
Sustituir la capa de mezcla asfáltica en caliente (HMA) en el pavimento presentado en la Figura 5.1 por RAP estabilizado con asfalto espumado, representa una operación de reciclado en dos partes. La primera parte es realizada mediante un reciclado in-situ, y la segunda reutilizando el RAP que puede ser obtenido de las reservas existentes, o del pavimento fresado in-situ delante de la recicladora. Fresar la porción superior de un pavimento permite que las capas subyacentes sean recicladas a una profundidad mayor de la que puede ser alcanzada trabajando desde la superficie existente. De este modo, las capas de subbase o subrasante que presenten problemas pueden ser tratadas (por lo general estabilizado con un agente cementante) y luego cubiertas utilizando el material removido inicialmente. Este método de trabajo es común en lugares donde no se encuentran agregados apropiados para realizar superficies de pavimentos para recapados. El material removido inicialmente es reimportado y tratado in-situ, o pre-tratado fuera del sitio antes de ser importado. Cuando se emplea tratamiento in-situ, el material importado primero debe ser extendido y nivelado sobre la capa de subbase recién reciclada (y pre-compactada) antes de reciclar con el agente estabilizador requerido. El control de la profundidad durante la segunda etapa de reciclado es importante, ya que cualquier material no estabilizado intercalado entre las dos capas recicladas, puede conducir al deterioro prematuro del pavimento. Para evitar esta condición, es normal trabajar aproximadamente a 25 mm por debajo del espesor de la capa de base, con el objetivo asegurarse que el reciclado penetrará hasta la superficie de la subbase. Cuando el material es pre-tratado fuera del sitio, el material estabilizado es importado y colocado (con perfiladora o pavimentadora) en la superficie de la capa recién reciclada.
Capítulo 5
99
La Figura 5.2 ilustra las opciones típicas de las dos etapas de reciclado, con importación de material, y usando el material existente. Fig. 5.2
Dos alternativas de reciclado
Alternativa 1: Reciclado en dos etapas utilizando material importado Paso 1 Pavimento existente con fallas
Reciclado insitu/Estabilización parte superior del pavimento
Paso 2 Importación de material y estabilizción in-situ
O
Estabilización en planta e importación
Aplicación capa superficial
Alternativa 2: Reciclado en dos etapas utilizando material existente Paso 1 Pavimento existente con fallas y subrasante pobre
100
Fresado y remoción de capa superior a un acopio temporal
Paso 2 Reciclado in-situ y estabilización material existente
Paso 3
Importación del acopio temporal y estabilización in-situ
O
Estabilización en planta e importación
Aplicación capa superficial
Capítulo 5
5.4
Reciclado in-situ en dos etapas
El deterioro del pavimento en caminos con bajo volumen de tránsito en ocasiones es producido por materiales sensibles a la humedad en las capas superiores del pavimento. Estos materiales frecuentemente se caracterizan por una alta plasticidad (IP>10), los cuales pueden ser tratados con cal hidratada. Estos tratamientos son normalmente realizados reciclando hasta la parte inferior de la capa de subbase (200 – 300 mm de profundidad) y agregando entre un 2% a 4% de cal. Sin embargo, en ocasiones este proceso por sí solo no es suficiente para alcanzar las propiedades requeridas en la rehabilitación del pavimento, y por lo tanto es necesario construir capas adicionales o un segundo tratamiento (más delgado), normalmente aplicando un reciclado con un agente estabilizador bituminoso. Esta doble operación es conocida como “reciclado en dos etapas”, la cual implica: – Modificación de los materiales del pavimento existente, reciclando con cal hidratada, para reducir o eliminar la plasticidad de estos materiales. – Reciclado de la parte superior del material modificado con cal hidratada dentro de 24 horas, con asfalto espumado o emulsión, a la profundidad determinada por el diseño de pavimento. La Figura 5.3 ilustra el reciclado en dos etapas. Fig. 5.3
Dos etapas alternativas de reciclado Paso 1
Pavimento existente con falla y subrasante pobre
Capítulo 5
Reciclado frío in-situ/ modificación de propiedades del material existente con cal
Paso 2
Reciclado in-situ/ Estabilización de la capa mejorada superior con asfalto
Aplicación capa superficial
101
102
Capítulo 6: Consideraciones Constructivas 6.1
Generalidades
Los proyectos de reciclado se caracterizan principalmente por la maquinaria de gran tamaño, la intensa actividad y las altas tasas de producción logradas en terreno. A diferencia de los proyectos de construcción de caminos nuevos que realizan numerosas operaciones en forma simultánea y en la longitud total del proyecto, la actividad de reciclado se concentra en una ubicación específica. El trabajo progresa en forma lineal dejando un producto que sólo requiere una superficie de protección. Las máquinas de reciclado Wirtgen tienen una enorme productividad. A pesar de que generalmente se planifica una producción diaria conservadora de 5.000 m2, es frecuente lograr el reciclado de un kilómetro de camino de dos pistas en su ancho completo (esto es alrededor de 10.000 m2) utilizando sólo una recicladora. El reciclado es un método constructivo relativamente simple, sin embargo, y como en todas las operaciones de alto rendimiento, el trabajo debe ser correctamente administrado y planificado para que se pueda alcanzar y sacar provecho a los altos rendimientos que puede lograr la maquinaria Wirtgen. El objetivo general del trabajo de reciclado es construir una nueva capa de pavimento que cumpla con los requerimientos previstos por el ingeniero diseñador, tal como se describe en el Capítulo 3. Estos requerimientos deben reflejarse en las especificaciones técnicas de un proyecto, las que definen los dos requisitos más importantes del reciclado: – La calidad del material de la capa reciclada. – El espesor de la capa reciclada. Claramente, el desempeño del pavimento rehabilitado dependerá de alcanzar ambos requisitos básicos. Éstos representan los supuestos claves que se adoptan para predecir la vida útil del pavimento rehabilitado. Cualquier subestimación en uno de ellos puede traer consigo una falla prematura. Para poder obtener el máximo provecho de las operaciones de reciclado debe existir una planificación adecuada en la obra de manera de alcanzar un alto rendimiento y asegurar que el producto alcance los requerimientos finales. Se debe tomar en cuenta principalmente los siguientes aspectos: – Todas las etapas del proceso deben ser analizadas en detalle y planificadas en forma meticulosa. – Los obstáculos que se puedan encontrar en el trabajo de reciclado deben ser identificados y removidos con anticipación. – Los insumos requeridos por la maquinaria (por ejemplo, agentes estabilizadores) deben ser suministrados, y estar disponibles en terreno cuando se requieran. – La maquinaria debe estar correctamente mantenida a través de programas preventivos de mantenimiento. – Los operadores y supervisores deben estar adecuadamente entrenados y tener un acabado entendimiento de todos los aspectos de la operación de reciclado. – Se deben cuidar los aspectos de seguridad, particularmente cuando se trabaja con asfalto caliente. – Se deben cuidar los aspectos de seguridad relacionados al tránsito de vehículos tanto de construcción como los usuarios regulares del camino. El presente capítulo analiza en detalle los puntos anteriores, centrándose en aquellos aspectos de la operación de reciclado que son importantes para crear un ambiente de trabajo productivo, asegurando que el producto final requerido sea alcanzado.
Capítulo 6
103
6.2
Planificando el reciclado
Como en todas las operaciones de actividades múltiples y de alto rendimiento, el éxito del proyecto de reciclado depende de una buena planificación. Antes de comenzar a reciclar es importante considerar todas las operaciones y pasos que deben ser ejecutados. También se debe traspasar toda la información del día o del turno al papel o a un sistema de información para poder configurar un plan de producción. En particular, deben ser considerados los siguientes aspectos claves:
6.2.1
Selección del equipo
El reciclado no sólo requiere de una sola máquina recicladora. Los compactadores, moto-niveladoras, camiones aljibes y los vehículos de transporte requeridos para llevar los agentes estabilizadores a la recicladora también son fundamentales. Cada uno de estos equipos se describe en forma separada a continuación.
6.2.1.1 La recicladora Tal como se describe en el Capítulo 2, existe una amplia variedad de maquinarias Wirtgen que puede ser utilizada para reciclado. La decisión de cuál (o cuántas) máquina se va a utilizar está determinada principalmente por el tamaño y tipo de proyecto. También se deben considerar otros factores, por ejemplo: las máquinas sobre orugas generalmente se utilizan para reciclar capas asfálticas de gran espesor que además colocan el material reciclado mediante una placa compactada en la parte posterior, mientras que las máquinas montadas en neumáticos siempre requieren una moto-niveladora para su terminación.
6.2.1.2 Equipo de compactación Normalmente se utilizan tres rodillos para compactar el material detrás de la recicladora. Primero se posiciona un rodillo primario pesado (liso o “pata de cabra”), aplicando una compactación de alta amplitud de manera de densificar la parte inferior de la capa reciclada. Una vez alcanzada una compactación uniforme en los dos tercios inferiores de la capa reciclada, se utiliza una moto-niveladora para perfilar y obtener las cotas finales requeridas. A continuación, se debe compactar utilizando un rodillo liso a baja amplitud y alta frecuencia para compactar la porción superior de la nueva capa. Cuando se utiliza una máquina sobre orugas, el material se deposita normalmente a través de una placa, dejando que el equipo compactador (rodillo vibratorio simple o doble) complete el proceso de compactación. Al término del proceso de compactación, se utiliza un rodillo neumático para lograr un acabado superficial liso.
104
Capítulo 6
El rodillo primario es crítico, debido a que es el responsable de lograr la densidad requerida en la porción inferior de la nueva capa reciclada. La figura 6.1 representa una guía básica para seleccionar la masa estática y el tipo de rodillo que normalmente se utiliza en proyectos de reciclado. El espesor de la capa reciclada y la granulometría del material reciclado son los criterios principales de selección.
Fig. 6.1
Guía de selección para compactador primario
Guía de Compactadores Rodillo Liso
Rodillo neumático
Espesor capa (mm) 100
Fino
Rodillo “Pata de Cabra”
150
200
250
300
Rodillo neumático
Granulometría material
Rodillo Liso Rodillo “Pata de Cabra”
Grueso 10 t
15 t
20 t
25 t
Peso estático de compactador primario
6.2.1.3 Camiones tanque Los camiones tanque se acoplan a la recicladora para proveer agua y/o agentes estabilizadores líquidos (como emulsiones asfálticas). La capacidad de los tanques debe ajustarse al alcance del trabajo y la geometría del camino. En general en proyectos pequeños se prefieren los camiones tanque con chasis simple de capacidad entre 10.000 y 15.000 litros y también cuando la geometría del camino es dificultosa (curvas cerradas y pendientes fuertes). Existen grandes camiones tanque con capacidades superiores a los 20.000 litros que normalmente son utilizados en proyectos de mayor escala y/o en proyectos de geometría normal. Los camiones tanque conectados a una recicladora deben estar libres de fugas (tanto el tanque como las conexiones). Mientras el tren de reciclado se encuentra en movimiento, el goteo de agua (o de algún agente estabilizador) no causa daño alguno. No obstante, cuando el tren está detenido (por ejemplo: cuando se cambian las puntas del tambor reciclador) y el goteo se mantiene por largos períodos sobre material reciclado suelto se pueden producir los llamados “puntos débiles”: zonas pequeñas en que la dosificación ha sido alterada.
Capítulo 6
105
6.2.1.4 Aplicación de cemento El cemento es el agente estabilizador más utilizado en el mundo. Este material puede ser aplicado como único estabilizador o en conjunto con otros agentes (generalmente estabilizadores bituminosos). Las tasas de aplicación especificadas varían en un amplio rango: (1% a 6%). Las tasas de aplicación siempre se establecen como un porcentaje del peso del material reciclado a densidad de terreno (compactada). La uniformidad de la aplicación sobre el material reciclado es fundamental para que el producto estabilizado alcance las especificaciones de resistencia requeridas. El material reciclado (incluyendo el cemento y cualquier otro material que se extiende sobre la superficie del camino existente) no experimenta un desplazamiento horizontal apreciable por lo que el extendido uniforme del material es un factor importante. Se debe tener en cuenta que, a excepción de la potente máquina WR 4200, las recicladoras no mezclan homogéneamente el material en el sentido transversal y ninguna es capaz de mezclar el material en forma previa. En los casos en que el extendido del material en forma manual no pueda alcanzar suficiente precisión (en particular con aplicaciones inferiores al 2%) se debe considerar el uso de la inyección de lechada con la máquina Wirtgen WM 1000. Como se describe en el Capítulo 2, esta unidad permite la adición de cemento sin levantar polvo y es ideal para alcanzar un alto grado de precisión a diferentes tasas de aplicación.
6.2.2
Objetivo de producción
La cantidad de trabajo de reciclado durante el período planificado debe lógicamente “ajustarse” al camino. Normalmente, un día de trabajo se planifica de tal forma de completar una sección del camino, ya sea en su ancho completo o en la mitad del ancho. Reciclar sólo una porción del camino no es recomendable (por ejemplo, reciclar sólo un corte a lo largo de la línea central del camino que requiere tres cortes por cada mitad de ancho de camino). Este tipo de prácticas generan problemas cuando se retoma el trabajo y se intenta hacer calzar las uniones subsecuentes y mitades de ancho parcialmente recicladas abiertas al tráfico. Además, si se ha abierto al tráfico se genera una confusión a los usuarios del camino, especialmente de noche.
6.2.3
Material en el pavimento existente
El tipo de material que constituye el pavimento existente, la consistencia, y el contenido de humedad in-situ son propiedades relevantes que afectan el proceso de reciclado. Los cambios de espesor de los distintos materiales que constituyen el pavimento existente (en particular las capas de asfalto) pueden tener una influencia significativa en la velocidad de avance de la recicladora. Sumado a esto, la trabajabilidad del material que se recicla va a determinar el método de colocación, compactación y terminación. Además, va a influir en la ejecución del trabajo cualquier restricción de tiempo en la colocación y compactación (especialmente relevante cuando se trabaja con agentes estabilizadores cementados).
6.2.4
Geometría del camino existente
El ancho del camino es de vital importancia debido a que determina el número de pasadas de reciclado (cortes) requeridas para cubrir el ancho completo. Secciones de ensanche o angostamiento, como el inicio y término de pistas de ascenso, requieren especial consideración. Adicionalmente, la forma de la superficie (bombeo o pendiente transversal) influye en el posicionamiento de juntas longitudinales entre cortes adyacentes. Éstos se describen en detalle a continuación.
106
Capítulo 6
6.2.4.1 Juntas longitudinales Cuando se recicla se debe poner atención a dos tipos de juntas constructivas: las juntas longitudinales, que se materializan en forma paralela al eje de la calzada, y las juntas transversales, que se materializan en ángulos rectos con respecto al eje central. Todas las juntas son esencialmente discontinuidades en el pavimento y, a menos de que se traten en forma adecuada, tienen el potencial de afectar negativamente la integridad estructural de la capa reciclada. Las juntas longitudinales y transversales presentan características distintas: las longitudinales se utilizan para ajustarse a la geometría del camino y las transversales se utilizan cada vez que la operación del reciclado se detiene. Excepto cuando se utiliza la recicladora WR 4200, el ancho del corte reciclado va a ser siempre menor que el ancho del camino o del carril. Se requieren de varias pasadas (o cortes) para reciclar completamente el ancho total, generando así una serie de juntas longitudinales entre cortes adyacentes. Se requieren de traslapos a lo largo de cada junta para lograr una continuidad entre cortes adyacentes. Por lo tanto, sólo el primer corte va a reciclar material virgen en todo el ancho del tambor reciclador. Luego, el ancho efectivo de los cortes subsecuentes se reduce por el ancho del traslapo. Se debe tener especial cuidado para asegurar que la tasa de aplicación de agentes estabilizantes y agua sea uniforme y continua en todos los traslapos. El número de cortes necesario para reciclar el ancho completo del camino y la ubicación de cada junta longitudinal está determinada por: – El ancho del camino a ser reciclado y los detalles de las secciones transversales. Los caminos con pendiente transversal distinta a cada lado del eje de la calzada se deberían tratar en mitades de ancho para lograr una profundidad uniforme de reciclado en toda la sección transversal. – El tipo de máquina recicladora utilizada en el proyecto y en particular el ancho del tambor reciclador. Adicionalmente, el lado derecho de todas las recicladoras Wirtgen está diseñado para generar una junta continua contra la cara de la solera u otra junta en un borde. Por ello, generalmente se posiciona este lado hacia el exterior en el primer corte. – El ancho mínimo de traslapo es generalmente 150 mm, pero en muchas ocasiones se incrementa considerando el efecto de espesores mayores de capa (>300 mm), la granulometría gruesa del material reciclado, el tipo de agente estabilizador y el lapso de tiempo entre cortes adyacentes. Generalmente, el ancho de traslapo debiera aumentar con el espesor de capa, el grosor de la granulometría del material reciclado y cuando se trabaja con agentes estabilizadores cementados y si el primer corte fue realizado más de 12 horas antes de empezar el corte adyacente. – Evitar ubicar las juntas longitudinales en las huellas de las ruedas de vehículos pesados.
Capítulo 6
107
Como se describe en párrafos anteriores, el diseño de un plano de cortes que detalle cada traslapo es uno de los primeros requerimientos de la planificación de un proyecto. El traslapo se debe restar del ancho del tambor para determinar el ancho efectivo a estabilizar por cada corte, definiendo a su vez la cantidad de agua y agente estabilizador que se requiere incorporar, como se indica en la figura 6.2
Fig. 6.2
Corte transversal típico mostrando traslapo longitudinal Eje Ancho carril 9000 Mitad de ancho Corte 3
Corte 1
Huella exterior
Corte 4
500
2500
Traslapos
1850
Huella exterior
Corte 2
150
350 Ancho del reciclado 2150
2500
Ancho del pavimento: 9000 Ancho tambor reciclador: 2500 Traslapo mínimo: 150 (todas las dimensiones en mm)
Cuando existen dudas acerca de la uniformidad de la aplicación del agua y los agentes estabilizadores en el ancho de traslapo, se debe usar un plano de cortes ampliado que muestre el traslapo relativo a la posición de las barras aspersoras. El hecho de lograr juntas con traslapos adecuados es muy importante para el desempeño final de la capa reciclada. Como se describió anteriormente, las juntas son discontinuidades en la estructura del pavimento. Cuando surgen problemas, estos son generalmente producidos por la operación impropia de la recicladora, con el resultado de franjas no recicladas entre cortes adyacentes o una dosis doble debido a un aumento accidental del ancho de traslapo. Para ayudar a que el operador maniobre adecuadamente la recicladora se deben entregar guías claras ya sea pintando marcas en el pavimento existente o colocando una lienza que sea fácil de seguir. Antes de comenzar una nueva pasada es muy importante verificar que la guía esté claramente visible a lo largo del tramo a reciclar.
108
Capítulo 6
6.2.4.2 Juntas longitudinales en caminos estrechos Cuando el ancho del camino es menor a 7 m, se debe considerar la opción de trabajar el camino en su ancho completo en vez de en mitades de ancho. Si se utiliza una WR 2500 S con un tambor estándar de 2,5 m de ancho se requerirían dos cortes con un gran traslapo en cada mitad de ancho, teniendo que usar un total de cuatro cortes para cubrir el ancho completo del camino. Sin embargo, si se considera el ancho completo, se necesitan sólo tres cortes con traslapos mucho más pequeños, haciendo la operación aproximadamente un 25% más eficiente. Esta comparación se muestra en la figura 6.3 La decisión de cuál opción se preferirá va a estar determinada por: – El volumen y tipo de tránsito (porcentaje de vehículos pesados) sobre el camino que a su vez dictará los requerimientos mínimos para que éstos se puedan adecuar al camino. Normalmente, caminos estrechos pueden llevar bajos volúmenes de tránsito y relativamente liviano, el cual se puede adaptar a los trabajos mediante distintos estrategias de desvíos. – Un efecto de disminución del contenido de agentes estabilizadores a lo largo de la corona en la mitad del corte central. Este efecto aumenta su importancia a medida que el espesor de la capa reciclada se reduce. Por ejemplo, en donde la profundidad del reciclado es de 200 mm con una pendiente transversal estándar de 2%, la disminución será de aproximadamente un 10% al utilizar un tambor de 2,5 m de ancho. Si bien la disminución puede exceder el límite tolerado por las especificaciones, esto se puede resolver aumentando marginalmente la tasa de aplicación y reduciendo la profundidad de corte (todo esto dentro de límites de tolerancia admisibles). – Después del reciclado, la corona deberá ser reestablecida. Esta es una operación relativamente simple en donde se puede utilizar una recicladora montada sobre orugas dado que la placa niveladora se puede ajustar para lograr la pendiente transversal requerida. Cuando se trabaja con una recicladora con ruedas neumáticas, se deberá utilizar una moto-niveladora para alcanzar la forma requerida final.
Capítulo 6
Fig. 6.3
Alternativas para caminos angostos
7000 Ancho camino Eje
3500 Mitad ancho
3500 Mitad ancho
CORTE 3 1000 Ancho efectivo
CORTE 1 1150 Ancho efectivo
CORTE 4 CORTE 2
2500 Ancho efectivo
2350 Ancho efectivo
1 500
1 350
150
Traslapo 3; 4
Traslapo 1; 2 Traslapo 2; 4
Reciclar cada mitad de ancho, separadamente
Alternativa 1: Cuatro cortes
CORTE 3
CORTE 1
2500 Ancho efectivo
2250 Ancho efectivo
CORTE 2 2250 Ancho efectivo
Disminución de la cantidad de agente estabilizador 250
250 Traslapo 2; 3
Alternativa 2: Tres cortes
Traslapo 1; 2
Reciclar el ancho completo, produciendo un “puente” en la corona del camino
109
6.2.5
Acomodamiento de tráfico
En muchas ocasiones la cantidad de tráfico que utilice el camino existente, su composición en términos de vehículos livianos y pesados, y cómo éstos van a ser acomodados durante las operaciones de reciclado definirán el método de trabajo a ser ejecutado. Frecuentemente se establecen limitaciones en las horas de trabajo y en los requerimientos de accesos temporales para propietarios. En comparación a otros procesos de rehabilitación de profundidad completa (por ejemplo, la excavación y el reemplazo de capas fatigadas), el reciclado en frío tiene un impacto relativamente pequeño en el tránsito del público. La naturaleza del proceso y las altas tasas de producción hacen posible que sólo una porción limitada del camino se deba cerrar cada vez, y normalmente sólo por el ancho de una pista. A través de una planificación cuidadosa de los trabajos, no es necesaria la interrupción del tráfico al menos en una mitad del ancho del camino, pudiendo controlar el tráfico a través de banderilleros o semáforos portátiles. Es importante cumplir con los requerimientos legales en relación a señalización de advertencias en ambos lados de la sección del camino que se recicla, lo cual varía de país en país. Adicionalmente, como disposiciones mínimas se deben colocar grandes conos o delineadores cada 20 m centrados a lo largo del camino, demarcando la sección cerrada al tráfico. Un control de tráfico deficiente puede llevar a grandes alteraciones y dificultades en el sitio de las obras (por ejemplo, vehículos bloqueando el paso de la recicladora) o incluso se puede llegar a suspender los trabajos por la eventualidad de una colisión. Cuando estos problemas ocurren, al rastrear la causa se llega invariablemente a un control deficiente de tráfico.
6.2.6
Logística
Debido a que el reciclado en frío es un proceso constructivo de gran rendimiento, las tasas de producción son altas y las máquinas deben ser suministradas continuamente con agentes estabilizadores, agua y (cuando se requiere) material de empréstito para poder lograr tales tasas de producción. Esto presenta un gran desafío cuando existen dificultades de adquisición de materiales, las cadenas de abastecimiento son largas y/o el acceso al sitio está restringido. Para asegurar un proceso continuo de reciclado se deben calcular por adelantado las demandas diarias para todos los requerimientos de materiales de empréstito, establecer las órdenes y coordinar las entregas. Claramente, sin los insumos y el combustible necesarios, la producción va a estar restringida y va a ser imposible alcanzar el potencial de salida. El estimar los requerimientos de materiales de empréstito, agentes estabilizadores y agua, involucra cálculos simples y directos basados en el objetivo de producción diario, como se demuestra en los siguientes ejemplos. Material de empréstito. Se asume que una capa uniforme de grava natural, de 50 mm de espesor, va a ser esparcida en la superficie del camino existente antes de ser reciclado. La demanda diaria para el material importado es: Item No.
110
Descripción
1
Objetivo de producción diaria
2
Espesor de la capa de grava natural (suelta, sin compactar)
3
Volumen de material suelto a ser importado
4
Densidad de la grava esparcida sobre el pavimento
5
Cantidad de material a ser importado
Fórmula
Item 1 x Item 2 1000
Item 3 x Item 4 1000
Cantidad
Unidad
5.000
m2
50
mm
250
m3
1.800
kg/m3
450
Ton
Capítulo 6
Agente estabilizador. Se asume que la especificación del proyecto requiere una adición de 1,5 % de cemento y 3,0 % de asfalto espumado (por peso). La demanda diaria para el agente estabilizador es: Item No.
Descripción
Fórmula
Cantidad
Unidad
1
Objetivo de producción diaria
5.000
m2
2
Espesor de la capa reciclada
250
mm
3
Densidad del material reciclado (a la densidad especificada)
2.100
kg/m3
4
Cantidad de material reciclado
2.625
T
5
Demanda de cemento Dosificación especificada
1,5
%
6
Cantidad de cemento requerido
39,4
ton
7
Demanda de asfalto Dosificación especificada
3
%
8
Cantidad de asfalto requerido
78,8
ton
Item 1 x
Item 2 Item 3 x 1000 1000
Item 4 x Item 5 100
Item 4 x Item 7 100
Adición de agua. Se asume que el contenido de humedad in-situ del material en la porción del pavimento existente que se va a reciclar es de 4% y que la humedad objetivo de mezclado es de 80% del Contenido Óptimo de Humedad (Optimum Moisture Content, OMC) (referirse a la Sección 6.5). La demanda diaria de agua que se debe agregar a través de un sistema separado de agua/aspersor es: Item No.
Descripción
Fórmula
Cantidad
Unidad
1
Objetivo de producción diaria
5.000
m2
2
Espesor de la capa reciclada
250
mm
3
Densidad del material reciclado (a la densidad especificada)
2.100
kg/m3
4
Cantidad de material reciclado
2.625
t
5
Contenido humedad in-situ
4
%
6
80% de OMC
5,1
%
7
Demanda de agua Para lograr el 80% de la OMC
1,1
%
8
Total de agua requerida
28.875
Litros
Item 1 x
Item 2 Item 3 x 1000 1000
Item 4 x Item 7 x 1000 100
Nota: La demanda de agua calculada en el ejemplo anterior requiere conocer el contenido de humedad de mezclado para el material reciclado. El agua es adicionada al material durante el proceso de reciclado inyectándola en la cámara de mezclado y fresado de la recicladora. Esto no incluye al agua que se adiciona en la superficie completada para fines de terminaciones o de curado. Para esta demanda se deben realizar cálculos por separado.
Capítulo 6
111
En grandes proyectos de reciclado, o en aquellos en que las cadenas de abastecimiento son extensas, hay ocasiones en que se establecen instalaciones temporales de almacenaje como medida de protección frente a atrasos. Típicamente estas instalaciones debieran tener capacidad para satisfacer la demanda de al menos un día de trabajo. Frecuentemente se construyen silos para el cemento, se posicionan contenedores para productos embolsados y estanques para líquidos. En teoría, estas instalaciones debieran ser llenadas y utilizadas sólo cuando ocurre alguna escasez de materiales, evitando así la doble manipulación. Sin embargo, en la práctica es preferible incorporarlas al sistema para así evitar problemas logísticos adicionales. Ejemplos de esto son: – El cemento asfalto caliente (> 160 ºC) almacenado en un estanque bien aislado va a perder temperatura a una tasa aproximada de 1 ºC por hora. Por lo tanto, se debe mantener a alta temperatura si la intención es usarlo en la eventualidad de que no lleguen insumos en forma normal. – No todas las emulsiones asfálticas son estables por largos períodos. Se deben obtener del fabricante instrucciones especiales de almacenamiento para evitar que el asfalto se separe del agua mientras está almacenado. – El cemento se debiera utilizar siempre dentro de los primeros tres meses de fabricación dado que pierde resistencia con el tiempo. Además, los silos o contenedores deben ser sellados para evitar el ingreso de agua. Todos estos factores deben ser considerados en detalle cuando se planifica la logística del proyecto de reciclado. Como se describe arriba, los cálculos para determinar la demanda diaria son relativamente simples y debieran ser considerados meticulosamente para asegurar que se alcance el alto potencial de producción del tren de reciclado.
6.2.7
Requerimientos de producto final
Además del espesor de capa, los requerimientos precisos del producto final deben ser claros. Éstos incluyen los detalles de las tolerancias de niveles y formas, objetivos de compactación, consideraciones de textura superficial y el manejo de cualquier material excedente.
6.2.8
Requerimientos pre-reciclado
Éstos son discutidos en la Sección 6.3 e incluyen: – – – –
Remoción de obstrucciones tales como aberturas de alcantarillado Instalación de nuevas alcantarillas o cualquier sistema adicional de drenaje Pre-pulverizado para alcanzar a rectificar la rasante de acuerdo al nuevo proyecto Importar/extender nuevo material en la superficie del camino existente
6.2.9
Requerimientos específicos antes de la apertura al tráfico
Algunos proyectos requieren que la superficie de la capa completada reciba un tratamiento especial, como un riego de emulsión asfáltica diluida. El tiempo necesario para terminar estas actividades debe ser incluido en el programa diario.
112
Capítulo 6
6.2.10 Plan de producción diario Las consideraciones de todos los aspectos descritos arriba deben ser incluidas en un simple y “fácil de leer” plan de producción. La Figura 6.4 muestra un ejemplo abreviado para ilustrar el tipo de planificación que debiera preceder al reciclado.
Fig. 6.4
Ejemplo de un plan de producción diario
SECCIÓN
NOTAS C L
Segundo corte 100 mm sobre la línea central
CORTE 2
Máquina recicladora: Wirtgen 2200 CR
Traslapo entre cortes 150 mm CORTE 1
Ancho del tambor: 2.200 mm
Ancho efectivo de reciclaje, es decir, adición de ligante (mm)
2100 2050
Ancho mínimo de traslapo: 100 mm
CORTE 2
Aditivo: 2 % de cemento en masa
CORTE 1
Humedad: Adicionar 1,5 % km 4 + 120
km 4 + 120
Final
etc.
Inicio
km 3 + 120 reciclado completo
CORTE 2
CORTE 1
Dirección de corte
PLANTA
Dirección de corte
Objetivo de producción: 1.000 m RHS (4.150 m2 neto)
N
PAVIMENTO EXISTENTE km 3 + 120
Capa asfáltica
50
Base asfáltica
100
Subbase granular
200
Traslapo C L de 100 mm
4,15 m 4,15 m C L
8,3 m
Capítulo 6
Mitad del ancho de vía 4.150 Ancho total de corte 4.250
PAVIMENTO RECICLADO
250 mm reciclado con 2 % cemento
Subrasante
113
6.3
Trabajo Preliminar Previo al Reciclado
Todo el trabajo preliminar que precede al reciclado debe ser completado con tiempo, de manera de permitir que la recicladora trabaje en forma continua. Detener el tren de reciclado no sólo consume tiempo valioso sino que también introduce discontinuidades en el producto final. Al igual que las discontinuidades en otras operaciones constructivas (por ejemplo, pavimentación en asfalto), éstas generan áreas de potencial debilidad en el pavimento y deben ser evitadas cuando sea posible. Frecuentemente se requieren cuatro tipos de trabajo preliminar en proyectos de reciclado. Cada uno de ellos se considera en forma separada en las siguientes secciones.
6.3.1
Remoción de obstrucciones
Cuando se reciclan calles urbanas, es posible encontrar aberturas de alcantarillados y otras estructuras similares. Éstas se tratan de mejor manera a través de su remoción previa al reciclado, como se muestra en la Figura 6.5. Remover este tipo de obstrucciones con anterioridad permite una operación de reciclado continua. La estructura resultante del pavimento es homogénea, tanto en consistencia de material como en espesor, y la capa de asfalto que normalmente se coloca sobre la capa reciclada también puede ser construida sin obstrucciones. Una vez que el pavimento se termina, la abertura de alcantarillado puede reinsertarse en la posición precisa y a nivel con la nueva superficie, a diferencia del recapado asfáltico, que al encontrarse con estas estructuras el resultado se traduce invariablemente en un desnivel. Fig. 6.5 Remoción de obstrucciones previo al reciclado
PAVIMENTO FALLADO EXISTENTE CON OBSTRUCCIÓN DE UN POZO
PASO 1 1. Excavar y remover la tapa existente del pozo, quitando los ladrillos hasta aproximadamente 100 mm por debajo de la profundidad de reciclado. 2. Colocar una placa gruesa de metal sobre el pozo. 3. Llenar la excavación con material fresado/Piedra triturada.
Tapa de acero
PASO 2 1. Reciclar el pavimento existente 2. Completar la capa asfáltica Capa reciclada
114
Capa asfáltica nueva
Profundidad de reciclado
PASO 3 1. Excavar con cuidado para remover la placa de metal. 2. Reconstruir el pozo, rellenando la excavación con una mezcla de concreto compactado. 3. Colocar la nueva cubierta en la posición y el nivel preciso de la capa asfáltica nueva.
Capítulo 6
6.3.2
Pre-conformarción del camino existente antes de reciclar
Los perfiles de los caminos que están en malas condiciones deberían corregirse antes de reciclar. Esto asegura que el espesor de la capa terminada sea uniforme (tanto transversal como longitudinalmente) y que las cotas finales sean las requeridas una vez que la capa haya sido perfilada por la moto-niveladora. Sumado a esto, las barras aspersoras montadas en todas las recicladoras aplican agentes estabilizadores y agua en forma uniforme en el ancho del corte. Si existieran variaciones importantes en el espesor de la capa reciclada, la aplicación resultante del agente estabilizador como del agua va a ser muy variable, como se muestra en la Figura 6.6 (Nota: La única máquina recicladora en frío que no aplica el agente estabilizador en el ancho de corte es la WR 4200. En este equipo las barras aspersoras están colocadas sobre el mezclador de 2 cámaras) Fig. 6.6
Tasa de aplicación variable en superficie irregular Aplicación uniforme de agua a agente estabilizador
Corte de la rasante
Perfil existente de la superficie Dosis insuficiente Exceso de dosis
Profundidad de corte
Ancho del corte
Las correcciones de perfil incluyen cambiar la pendiente transversal, así como también hacer ajustes menores a la rasante para suavizar irregularidades pronunciadas, como protuberancias localizadas y depresiones. Los baches y el ahuellamiento se deben considerar dentro de estas irregularidades. Asentamientos mayores que excedan el espesor de la capa reciclada deben ser tratados en forma separada, con anterioridad al proceso de reciclado. La pre-conformación establece esencialmente la forma final requerida de la superficie (antes del reciclado), tanto transversal como longitudinalmente, asegurando así la integridad de la capa reciclada y la uniformidad en la aplicación de fluidos. La pre-conformación es relativamente fácil de conseguir a través de un o una combinación de los siguientes métodos: – Importando y extendiendo el material en la superficie existente del pavimento para lograr la forma requerida. Esto se discute en la sección 6.3.3. – Removiendo el material de la superficie del camino existente (fresando) (normalmente sólo se hace cuando el espesor del asfalto permite un fresado). Esto se discute en la sección 6.3.4. – Prepulverizando el material en el pavimento existente y utilizando una moto-niveladora para dar forma al material suelto. Esto se discute en la sección 6.3.5. – Volver a trabajar el material en las capas superiores del pavimento existente y utilizar una moto-niveladora para dar forma. Este método se utiliza en caminos ripiados en los cuales es sencillo romper y remoldear el material, pero sólo debe ser considerado cuando hay suficiente espesor de grava de buena calidad.
Capítulo 6
115
6.3.3
Importación de nuevo material
La utilización de material de empréstito y su posterior extensión sobre el camino antes de reciclar se debe realizar por las siguientes razones: – Para corregir la sección transversal del camino: El material requerido se importa y extiende sobre la superficie del camino (para mezclar con las capas superiores del pavimento), llegando al nivel y forma de la cota de diseño para posteriormente compactar. Para prevenir que queden zonas de material sin estabilizador bajo la capa reciclada, es importante asegurar que el espesor de la capa del material importado no exceda la profundidad de reciclado. – Para mejorar la granulometría del material reciclado: Normalmente el material a reciclar presenta deficiencias en algunos tamaños de la curva granulométrica recomendada, especialmente en la fracción de finos (material que pasa el tamiz de 0,075 mm). El importar la fracción faltante y extenderla en el camino mejora la granulometría del producto reciclado. La decisión de qué fracción debe añadirse se basa normalmente en las muestras extraídas del camino. Por lo tanto, se debe tener especial cuidado de que las muestras representen el material que será reciclado. – Para aumentar el espesor de la capa reciclada sin afectar la estructura subyacente: en algunas ocasiones no existe material suficiente en las capas superiores del pavimento existente para poder alcanzar el espesor de reciclado requerido. Esto puede deberse a una mala calidad del material subyacente. En tales casos, se debe importar el material necesario para alcanzar los espesores de diseño del pavimento.
6.3.4
Fresado previo al reciclado
Normalmente el fresado previo al reciclado y la remoción del RAP resultante se realiza para conservar las cotas de la superficie existente, eliminando así costos elevados asociados a los ajustes de alturas de drenaje y otras instalaciones inherentes a un proyecto de pavimentación. Este requerimiento generalmente se encuentra cuando se trabaja en proyectos urbanos. Un prerrequisito antes de cualquier fresado previo es el chequear el pavimento para asegurar que la porción superior pueda ser removida sin perjudicar la resistencia total de la estructura. Además, se debe verificar la calidad del material subyacente para asegurar el espesor requerido de la capa reciclada, sin involucrar material de mala calidad de las capas inferiores. El fresado previo se realiza normalmente en pavimentos con múltiples capas de asfalto, que frecuentemente son producto de sucesivos recapados a lo largo del tiempo.
116
Capítulo 6
Cuando se estima la profundidad del material a fresar en forma previa, se deben considerar 3 factores. Estos se presentan en la Figura 6.7 y se resumen a continuación: – El efecto que cualquier tipo de agregado importado tendrá en el espesor de la capa reciclada: Esto es relativamente simple de estimar cuando se agrega material grueso. Sin embargo, el material fino tiende a absorberse como “filler” entre los intersticios del material reciclado. Es usual que un material fino con diámetro menor a 6,7 mm “desaparezca” en el material reciclado que contiene principalmente asfalto, en especial cuando se agrega menos del 15% en volumen. Mientras más grueso el material reciclado, mayor será la pérdida de estas partículas finas en los vacíos, generando cambios imperceptibles en el volumen. – El tipo de material en el pavimento existente influye en el esponjamiento que se produce cuando se recicla: El asfalto siempre se expande en al menos 10% cuando se recicla como una capa estabilizada. Este fenómeno es causado por un aumento relativo del contenido de vacíos entre el asfalto y el RAP estabilizado. Sin embargo, estos grandes cambios volumétricos no se experimentan cuando sólo se recicla asfalto utilizando un agente tipo emulsión asfáltica rejuvenecedora. – El espesor de cualquier capa adicional y/o recapado que va a ser construido sobre la capa reciclada.
Fig. 6.7 Determinación de la profundidad del fresado preliminar
PASO 1
PASO 2
PAVIMENTO EXISTENTE Antes de la rehabilitación
FRESADO PRELIMINAR Remover el material sobrante, permitiendo así que los niveles se mantengan después de la rehabilitación.
MATERIAL IMPORTADO Extendido como una capa de espesor uniforme sobre la superficie fresada
Niveles existentes en la superficie que deben mantenerse después de que la rehabilitación esté terminada.
Espesores de material fresado para ser retirados del sitio y almacenados.
Espesor de la capa de material importado. (Normalmente 20 mm)
PASO 3 CAPA RECICLADA
Espesor de la capa reciclada (espesor especificado) después de la compactación y terminado. (Típicamente 200 mm)
PASO 4 PAVIMENTO REHABILITADO Completo
Espesor de la capa asfáltica nueva. (Típicamente 40 mm)
ANDÉN EXISTENTE
Espesor de fresado preliminar para dejar espacio a la capa asfáltica (o cualquier otra capa que pueda colocarse sobre la capa reciclada), el material importado y el hinchamiento efectivo del material en el pavimento existente, luego del reciclaje y la compactación. (Espesor típico 70 mm)
Capítulo 6
Aumento efectivo del espesor del material reciclado, incluyendo el material importado y la expansión del material del pavimento in situ. (Espesor típico 30 mm)
117
6.3.5
Pre-pulverizado
Normalmente se considera el pre-pulverizado de un pavimento existente, previo al tratamiento con un agente estabilizador, cuando se presentan las siguientes condiciones en el pavimento: – Las irregularidades superficiales son significativas en relación a la profundidad del reciclado. – La profundidad de reciclado incluye a capas del pavimento que requieren excesiva energía de fresado para romperlas. Estas condiciones pueden reducir la velocidad de avance de la recicladora por debajo el mínimo requerido para un mezclado efectivo. Estas condiciones consideradas difíciles para el fresado se asocian generalmente con capas asfálticas duras de gran espesor y/o cuando el material fue previamente estabilizado con un alto contenido de cemento. – Cuando en un pavimento existe la necesidad de homogeneizar el material en forma transversal, con el objetivo de obtener uniformidad (y no se está utilizando la recicladora WR 4200). Esta situación normalmente ocurre cuando el camino fue ensanchado con una estructura de pavimento diferente a la original (por ejemplo: cuando un camino originalmente compuesto de base granular con piedra machacada se ensancha utilizando una base de grava estabilizada con cemento). La homogenización transversal se logra al mezclar el material pre-pulverizado con una moto-niveladora. Cuando se pre-pulveriza, la profundidad de corte de la pasada inicial debe ser siempre controlada cuidadosamente, por dos razones (ilustrados en la Figura 6.8): – Para prevenir que el tambor penetre en material subyacente de calidad más pobre, sobrepasando la profundidad de reciclado de diseño y así contaminando el material reciclado – El pre-pulverizado normalmente se lleva a cabo sin la adición de humedad y sólo con un esfuerzo marginal de compactación aplicado después de que el material suelto se ha pre-conformado. Por ello, siempre la profundidad del pre-pulverizado debe ser menor que la profundidad de estabilización, para así prevenir la generación de una capa no tratada y no compactada que quede bajo la capa reciclada. Esta capa débil es frecuentemente la causa de fallas prematuras, debido principalmente a la consolidación del material no compactado cuando el pavimento terminado está sujeto a cargas dinámicas de tráfico. Para prevenir que ocurran estos problemas se debe evitar en la medida de lo posible el prepulverizado. Cuando se considere necesario, se deben aplicar estrictos controles de profundidad durante el pre-pulverizado para asegurar que una capa delgada (normalmente menor a 50 mm) de pavimento existente se mantenga para ser reciclada en la segunda pasada. Además se debe considerar la adición de humedad durante la pasada del prepulverizado y la inmediata compactación tras la recicladora, para evitar cualquiera de los problemas presentados anteriormente.
118
Fig. 6.8 (a) Profundidad correcta de pre-pulverización Segunda pasada: Estabilización
Primera pasada: Pulverización
Espesor de reciclado
min. 50 mm
Fig. 6.8 (b)
Profundidad incorrecta de pre-pulverización
Segunda pasada: Estabilización
Primera pasada: Pulverización
Espesor de reciclado
Material no tratado/ no compactado
Capítulo 6
6.4
La operación del reciclado
Las siguientes secciones tratan acerca de los aspectos más importantes de la operación del reciclado. Éstas incluyen la configuración del tren de reciclado, procedimientos a seguir antes y durante la operación del reciclado, condiciones adicionales que deben tomarse mientras se recicla y además el manejo del material reciclado. La compactación y la terminación, pese a ser igualmente importantes, son discutidas en forma separada en las Secciones 6.5 y 6.6 respectivamente.
6.4.1
Configuración del tren de reciclado
El reciclado debe comenzar sólo cuando hayan sido cumplidos todos los requerimientos preliminares. Estos incluyen, en forma secuencial: – Chequear completamente las máquinas y el equipamiento que va a ser usado en la operación de reciclado, incluyendo rodillos de compactación, extendedores de material y camiones cisterna. – Medir la temperatura de cualquier agente estabilizador bituminoso y también la superficie del camino. – Chequear de que existe suficiente agua y/o agente estabilizador en los estanques de los camiones, extendedoras de material y mezcladoras para cubrir la longitud del tramo a reciclar. Cuando sea posible, se debieran hacer mediciones con varillas de nivel a los estanques que contienen los agentes estabilizadores. – Ensamblar el tren de reciclado en la línea del primer corte y asegurar las barras de empuje. – Conectar todas las tuberías alimentadoras a la recicladora, cebar el sistema (extraer el aire) y asegurar de que todas las válvulas estén completamente abiertas. – Chequear que el operador de la recicladora tenga todos los datos que conciernan a la tasa de aplicación de los agentes estabilizadores para ingresarlos a la computadora. – Que exista una clara línea guía de corte para la longitud completa del tramo. – Que todos los procedimientos de arranque del sistema sean comprendidos a cabalidad. Estos chequeos preliminares son rápidos y fáciles de realizar y debieran convertirse en una práctica rutinaria al comienzo de cada turno. Además, es recomendable chequear que todos los operadores de maquinaria y vehículos auxiliares tengan un claro entendimiento de su responsabilidad y hacerlos entender lo que se espera de ellos para asegurar que el reciclado sea exitoso.
6.4.2
Comienzo de la operación
La primera sección a ser reciclada al inicio de un proyecto debe ser considerada como una sección de prueba para determinar cómo se va a comportar el material del pavimento existente. Este trabajo inicial provee una oportunidad a operadores y supervisores de apreciar los aspectos más importantes de la operación de reciclado, como por ejemplo: – La granulometría del material reciclado. El material producido por la recicladora debe ser chequeado para determinar si éste es similar al de las muestras utilizadas para los ensayos de diseño en el laboratorio. – La velocidad de rotación del tambor reciclador y la velocidad de avance de la recicladora influyen tanto en la granulometría del material reciclado como en la calidad del mezclado. Adicionalmente, las recicladoras Wirtgen están provistas de una compuerta en frente del compartimiento de fresado y mezclado que puede ser ajustada para regular el tamaño máximo de las partículas. Otra característica es que la compuerta es abierta y cerrada por un sistema hidráulico. Al forzar el cierre de la compuerta se inserta efectivamente el material al compartimiento de fresado y mezclado, mejorando el mezclado y pulverizado. Estas características deben ser ajustadas para encontrar la mejor combinación de modo de poder alcanzar la granulometría requerida.
Capítulo 6
119
– Compactación. Uno de los factores más importantes en el desempeño final de la capa reciclada es la densidad del material compactado. Capas de gran espesor (> 200 mm) usualmente requieren técnicas especiales de compactación, y una sección de prueba inicial provee una oportunidad para evaluar la efectividad de los distintos métodos de compactación. – Esponjamiento. Las capas asfálticas en pavimentos deteriorados tienden a tener bajos contenidos de vacíos y a la vez, los materiales granulares están altamente densificados. Por lo tanto, al reciclar estos materiales se produce normalmente un incremento de volumen que afecta los niveles finales de la capa terminada. Destinar tiempo para hacer una sección de prueba inicial le proporciona a los operadores, supervisores y administradores una oportunidad ideal para experimentar y tener un entendimiento del comportamiento de los materiales sin la presión de las demandas de producción de obra.
6.4.3
Reciclado
Cuando los procedimientos de inicio del proceso descritos en la sección 6.4.1 son seguidos cuidadosamente, rara vez se experimentan problemas en la operación del reciclado. Sin embargo, una vez que el tren de reciclado ha sido puesto en marcha, un supervisor experimentado debiera realizar una serie de chequeos para asegurar que se está produciendo lo requerido. La atención en los detalles es muy importante, en especial: – La profundidad de corte a ambos lados de la recicladora. Además, la cota inferior del corte de reciclado debe ser chequeada periódicamente con muestreos de estaciones de referencia, tales como varillas de control de nivel, dispuestas a ambos lados del camino. – La recicladora trabaje alineada respecto al ancho de traslapo requerido. Para ayudar al operador se debería macar una línea guía en el camino, paralela al borde de corte. – Velocidad de avance. La velocidad óptima de mezclado es entre 6 m/min y 12 m/min, dependiendo de la profundidad de corte, los materiales reciclados y los aditivos utilizados. Se debe evitar cualquier necesidad de operar la recicladora a su máxima velocidad de avance. (Las recicladoras Wirtgen pueden alcanzar velocidades de avance que sobrepasan los 25 m/min cuando las condiciones de reciclado son “fáciles”). – El contenido de humedad del material tratado es suficiente para proveer una adecuada compactación. Un supervisor experimentado puede determinar rápidamente esta condición al palpar el material. – El producto reciclado se ajusta a lo esperado. El antiguo adagio “si se ve bien, está bien”, se aplica de igual manera al reciclado como a la mayoría de los procesos constructivos.
120
Capítulo 6
La tasa de producción de la operación de reciclado está en gran parte controlada por el tipo y número de recicladoras que se utilizan. Cuando se usa la WR 4200, generalmente se programa para reciclar la mitad de ancho de un camino con una producción continua en una dirección. Tal operación unidireccional se puede alcanzar utilizando más de una WR2500 S o 2200 CR operadas “en tándem” para alcanzar el ancho completo requerido sin la necesidad de cambiar la dirección o realizar una segunda pasada, como se ilustra en la Figura 6.9. Fig. 6.9
Reciclado con dos trenes en tándem
Sin embargo, el uso de múltiples máquinas está normalmente destinado a grandes proyectos; muchas de las operaciones de reciclado son efectuadas sólo por una máquina, requiriendo que la recicladora pase 2 veces para cubrir el ancho completo a tratar. Este modo de operación implica decidir acerca de la longitud “ideal” de corte que debiera ser usada antes de invertir el sentido del reciclado para generar el corte adyacente. Esto es generalmente dictado por el tipo de agente estabilizador que se aplica. Cada uno tiene un requerimiento diferente: – Las secciones más cortas son normalmente preferidas cuando se trabaja con cemento, dejando así suficiente tiempo para reciclar una mitad de ancho completa, hacer los cortes finales de nivelación, compactar y terminar antes de que el cemento adquiera resistencia – Cuando se estabiliza con emulsión asfáltica o con asfalto espumado dependerá de la capacidad del camión cisterna que se utiliza. Es una práctica común continuar un corte hasta que se vacíe el camión antes de invertir el tren. Existen dos puntos adicionales relacionados con la adicción de agentes estabilizadores que son importantes: – El material fresado tiende a desplazarse hacia abajo cuando la recicladora está operando en una pendiente transversal. Esta tendencia sólo se puede apreciar cuando la pendiente excede el 4%. El efecto es más pronunciado cuando se reciclan capas delgadas (< 150 mm). Es recomendable usar una moto-niveladora para nivelar el material a su forma requerida (después de aplicar la compactación primaria, ver Sección 6.5) antes de que se realice el corte adyacente, manteniendo así la forma del camino y asegurando una junta adecuada. Alternativamente, el aumento del ancho de traslapo muchas veces resuelve el problema. – El consumo real de los agentes estabilizadores debe ser chequeado físicamente relacionando la cantidad de agente estabilizador entregado versus el área efectivamente tratada.
Capítulo 6
121
Una consideración adicional que se debe tener presente es el efecto de las altas pendientes en la operación del reciclado. Además de fresar el pavimento existente, la recicladora entrega la fuerza de empuje o tracción a los camiones que contienen los agentes estabilizadores. Por ello, las pendientes fuertes deben ser recicladas pendiente abajo considerando que se debe mantener una presión adecuada en las válvulas de salida de los camiones de suministro.
6.4.4
Juntas transversales
Las juntas transversales son discontinuidades en el ancho de corte que son formadas cada vez que la operación de reciclado comienza o se detiene. Cada detención, incluso aquellas de pocos minutos que se realiza para cambiar los camiones cisterna, crea una junta que es esencialmente un cambio en la uniformidad del material reciclado. Debido a esto se debe intentar minimizar las detenciones y, cuando éstas sean inevitables, asegurar continuidad a lo largo de la unión. La clave para tratar adecuadamente estas uniones es tener un entendimiento de qué es lo que sucede en el interior del tambor fresador-mezclador, en particular, del proceso de adición de agentes estabilizadores. La gran mayoría de los problemas que son enfrentados son una consecuencia de la excesiva o insuficiente aplicación de agentes estabilizadores y/o agua en la junta. Dos de las características más importantes que conciernen a las juntas transversales son: – Cuando se comienza el reciclado, todos los procedimientos de partida deben ser cuidadosamente seguidos, en especial los procedimientos para eliminar el aire de las tuberías de suministro de agentes estabilizadores y agua. Todo el aire debe ser cebado o removido antes de que el fluido alcance las barras aspersoras. Si no se ceba adecuadamente, es posible reciclar varios metros sin aditivo, resultando así una sección no estabilizada (o seca) – Bajas velocidades de avance cuando se comienza o se detiene. A pesar de que está controlada por un microprocesador, una baja velocidad de avance (menor a 2 m/min) significa una tasa mínima de aplicación de fluidos, que hace que la presión en la barra aspersora sea tan baja, que la inyección del fluido sea inadecuada (goteo en vez de aspersión). La mejor manera de sobreponerse a este problema es “enriquecer” el área de la junta, pre-tratándola. Esto se logra haciendo retroceder el tren en al menos un diámetro del tambor de fresado (1,5 m aprox) en el material previamente reciclado, asegurando así que todo el material reciba tratamiento en el ancho efectivo de la junta. Al partir, el operador debiera aplicar potencia máxima y acelerar inmediatamente a la velocidad típica de operación. Al igual que en la pavimentación con asfalto, los problemas de uniones laterales sólo aparecen cuando la operación se detiene. El tren de reciclado debiera detenerse solamente cuando los estanques están vacíos o cuando existe una necesidad similar.
6.4.5
Colocación del material reciclado
Después de que se recicla, el material tratado debe ser colocado en su posición final y luego compactado para alcanzar los requerimientos de densidad especificados. Como se describió anteriormente, las recicladoras montadas sobre orugas usualmente son equipadas con una placa compactadora en su parte posterior para nivelar y pre-compactar el material, sin la necesidad (en la mayoría de los casos) de una moto-niveladora para conseguir la alineación y niveles requeridos. Sin embargo, siempre se requiere de una moto-niveladora para trabajar con una recicladora de neumáticos. La cantidad de trabajo requerido con moto-niveladora después de la colocación está determinado por el tipo de superficie que será colocada sobre la capa finalizada. Si se coloca una capa de asfalto gruesa las tolerancias de niveles van a ser invariablemente más generosas que si se utilizara sólo un sello superficial simple. Cuando las tolerancias sean más exigentes, la mitad de ancho (o ancho total) terminado debería ser repasado por una moto-niveladora para remover inconsistencias (pequeños escalones > 10 mm) que generalmente se generan en las uniones laterales. Además, una moto-niveladora es útil para corregir desplazamientos longitudinales de material que a veces ocurren en las uniones laterales. Sin embargo, el uso de la moto-niveladora debiera estar restringido debido a que algunos materiales reciclados presentan una
122
Capítulo 6
granulometría más gruesa y son susceptibles a segregación cuando se arrastran con moto-niveladora. Por este motivo, se recomienda minimizar la manipulación del material.
6.5
Compactación
La compactación del material reciclado para obtener la densidad especificada (densidad objetivo) es uno de los factores más determinantes en el futuro desempeño del pavimento rehabilitado. El material compactado en forma deficiente se va a densificar con el tráfico, causando ahuellamiento prematuro. Cuando un material estabilizado no es compactado apropiadamente el problema es aún mayor. Además de que no se alcanzan los objetivos de resistencia, una compactación pobre aumenta la permeabilidad, promoviendo así el daño por humedad, envejecimiento de los agentes estabilizadores asfálticos y una carbonatación temprana de los agentes cementados, haciendo inevitable una falla prematura en el pavimento. Por lo tanto es imperativo que el proceso de compactación sea tratado como uno de los aspectos más importantes del reciclado. La medición de la densidad de un material reciclado después de su compactación (densidad de terreno) frecuentemente es más difícil de medir que materiales nuevos de construcción (por ejemplo: un material graduado de grava machacada). Como se discutió previamente, una de las características del material reciclado es la variabilidad, en especial cuando el pavimento existente ha sido extensamente reparado. Esta variabilidad puede ocasionar problemas cuando se utilicen métodos convencionales para verificar que la densidad objetivo haya sido alcanzada. Además, lograr la densidad objetivo puede no ser tan simple como aplicar una compactación adicional. Estos tópicos son discutidos en las siguientes secciones.
6.5.1
Densidades requeridas
El método convencional utilizado mundialmente para monitorear la compactación relaciona una densidad medida en terreno con un ensayo estándar de laboratorio que determina la densidad máxima teórica. Esta práctica fue iniciada por RR Proctor en 1933 para controlar la compactación en las represas rellenas con suelo en California, dando lugar al conocido “Ensayo de Proctor”. Como se muestra en la Figura 6.10, la densidad seca de un material específico es determinada después de que una cantidad estándar de compactación ha sido aplicada a distintos contenidos de humedad. De estas mediciones se traza una curva y se determina la Máxima Densidad Seca (Maximum Dry Density, MDD) y el Contenido Óptimo de Humedad (Optimum Moisture Content, OMC). Es importante recordar que tal relación es específica para el material que se ensaya y que el esfuerzo o energía de compactación es “estándar” Fig. 6.10 Relación Densidad y Humedad Proctor (tres capas iguales del material, de 40 mm cada una, compactadas con 25 golpes con un martillo de 2,5 kg que cae desde una 2150 altura de 300 mm). 2130
Capítulo 6
2110 Densidad seca (kg/m3)
La densidad requerida es generalmente especificada como un porcentaje de la Máxima Densidad Seca de Proctor. Típicamente, la densidad objetivo para una capa en particular en un pavimento se especifica como un “mínimo de 98% de la máxima densidad de Proctor”, implicando que todas las mediciones en terreno después de la compactación deben ser mayores que el 98/100 de la máxima densidad seca alcanzada en el laboratorio usando la compactación Proctor estándar para el material específico que se ensaya (Se utiliza la MDD el la Fig. 6.10 como ejemplo, esto significa que todas las mediciones en terreno de densidad deben exceder 2.040 kg/m3).
Densidad máxima compactada seca (MDD): 2.082 kg/m3 Humedad óptima de compactación (OMC): 7,2 % (por peso)
2090 2070 2050 2030 2010 1990 1970 1950 4
6
7
8
9
10
Contenido de humedad (% por peso)
123
Fig. 6.11
Comparación entre esfuerzos de compactación
2150 2130 Proctor Modificado
Sin embargo, se debe enfatizar que la MDD, para un esfuerzo de compactación estándar, es característica propia de cada material. Por lo tanto, cualquier cambio en el material que se compacta requiere que se determinen nuevas MDD en el laboratorio aplicando el esfuerzo de compactación estándar.
2110 Densidad seca (kg/m3)
En las últimas décadas se ha apreciado un mejoramiento significativo de los equipos de 2070 compactación. Nuevos rodillos son capaces 2050 de alcanzar altas densidades de terreno, requiriendo entonces que se modificaran los 2030 estándares en una manera acorde. El ensayo 2010 Proctor Modificado fue inicialmente desarrollado para dar un estándar de compactación 1990 más alto a la construcción de aeropuertos Próctor Estándar 1970 (5 capas iguales de material, cada una de 1950 25 mm de espesor, compactadas con 55 golpes con un martillo de 4,5 kg cayendo desde 4 6 7 8 9 10 una altura de 4.500 mm). El aumento en la Contenido de humedad (% por peso) compactación aplicada tiene un efecto de aumentar la MDD y disminuir la OMC, como se muestra en la Figura 6.11. Este ensayo fue adoptado rápidamente para trabajos de caminos y se ha mantenido vigente hasta el día de hoy como el estándar más utilizado en todo el mundo. 2090
Un aspecto significativo de estas dos curvas y que puede apreciarse en la Figura 6.11 es su cercanía en el “lado húmedo” del OMC en comparación al “lado seco”. Cuando se utiliza un esfuerzo mayor de compactación en el material con un contenido de humedad que es: – Menor que OMC. Se alcanzará un nivel de densidad significativamente mayor. Por ejemplo, si el contenido de humedad del material de la Figura 6.11 es un 6%, el aplicarle un esfuerzo de compactación Proctor estándar va a lograr una densidad de 2.010 kg/m3. Aplicarle un esfuerzo de compactación Proctor modificado va a aumentar su densidad a 2.105 kg/m3; un aumento de casi 5% para el mismo contenido de humedad. Este fenómeno permite que un material relativamente seco (típicamente OMC menos 2%) pueda ser compactado en terreno aplicándole un esfuerzo de compactación adicional (ya sea haciendo más pasadas o utilizando un rodillo más pesado) de manera de alcanzar la densidad objetivo. – Mayor que OMC. Sólo se va conseguir un pequeño aumento de densidad. Por ejemplo, si el contenido de humedad del material en la Figura 6.11 es 8% aplicando un esfuerzo de compactación Proctor estándar va a alcanzar una densidad de 2.048 kg/m3. Si se aplica un esfuerzo de compactación Proctor modificado va a aumentar la densidad a 2.065 kg/m3, un aumento de menos de 1% en la densidad al mismo contenido de humedad. Si se aplica un esfuerzo de compactación adicional el material se vuelve inestable, debido a que los vacíos se reducen a un punto en que se llenan con agua y actúan como un medio hidráulico, haciendo imposible aumentar la densidad después de que ocurre esto.
124
Capítulo 6
Una cabal comprensión de esta relación básica entre esfuerzo de compactación, densidad y humedad es de vital importancia cuando se compactan capas recicladas gruesas. La densidad objetivo se puede alcanzar si el contenido de humedad está bajo el OMC (ver Sección 6.5.2 abajo) aplicando un esfuerzo adicional de compactación. Sin embargo, una vez que el contenido de humedad excede el OMC, alcanzar la densidad requerida resulta imposible. Mientras más esfuerzo se aplique, el material se vuelve más inestable, con un agrietamiento de piel de cocodrilo en la superficie y una sensación de compactación tipo “esponja”. Cuando se sobrepasa el OMC, la capa debe escarificarse para dejar que el material se seque a un contenido de humedad que sea suficientemente bajo como para alcanzar la densidad objetivo. Cuando se ha aplicado un agente estabilizador cementado, en muchas ocasiones se recomienda rechazar el material. La variabilidad es otro aspecto importante que se debe tener en mente cuando se chequea en terreno la densidad del material reciclado. Muchas veces se califica como aceptable un trabajo pobremente compactado debido a una aplicación incorrecta de la MDD. Como se discutió anteriormente, el material reciclado puede ser tremendamente variable al tener diferencias en los valores de la MDD mayores al 5%. Por ello, es una práctica habitual en muchos proyectos es determinar una MDD específico para cada una de las zonas en que se mide la densidad de terreno.
6.5.2
Factores que influyen en la densidad de terreno
Además del contenido de humedad y el esfuerzo de compactación aplicado, la densidad real que se alcance en terreno es afectada considerablemente por las condiciones de apoyo subyacentes. Todos los ensayos de laboratorio que se realizan para determinar la MDD de un material aplican el esfuerzo de compactación estándar a muestras apoyadas en una base sólida (usualmente hormigón armado). Las condiciones de terreno son totalmente distintas y variables. La rigidez in-situ del material subyacente dictamina la “fundación” sobre la cual el material reciclado va a ser compactado. Una base gruesa estabilizada con cemento sería un excelente apoyo, permitiendo alcanzar densidades muchísimo mayores que si el apoyo fuese una grava natural de relativo menor soporte. Se debe entender que en los proyectos de reciclado, el tipo de apoyo que se encuentra en el pavimento existente es una condición “dada” de terreno y se puede hacer muy poco para cambiar esta situación, aparte de remover la capa reciclada y aumentar la resistencia del material subyacente. Adicionalmente, el tipo de material que se recicla dictamina el nivel de densidad que se puede alcanzar (como se describe arriba, la MDD es específica para el material). Aparte de incorporar agregados nuevos o variar la velocidad de avance y rotación del tambor, poco se puede hacer para cambiar la naturaleza del material que se recupera en el proceso de reciclado. Es lógico pensar entonces que, en lugares donde el material in-situ consiste principalmente de grava machacada bien graduada, se puede alcanzar un alto nivel de densidad al compactar el producto reciclado, si es que se tienen buenas condiciones de apoyo. Considerando la teoría de las Curvas de Fuller, sólo pueden alcanzarse altas densidades si la graduación de la curva del material reciclado es continua. Las condiciones de apoyo y el tipo de material están fuera del control de quienes realizan el reciclado. Sólo el contenido de humedad del material reciclado y el esfuerzo de compactación aplicado son factores controlables en terreno. Por ello que alcanzar una densidad objetivo basada en ensayos teóricos de laboratorio puede ser irrealista. Es importante recordar que este concepto se originó en base a trabajos nuevos en los cuales todas las capas son cuidadosamente construidas en acuerdo con las especificaciones. Desde la preparación de la subrasante hasta la colocación de tratamientos superficiales, el manejo de las capas está controlado, asegurando una consistencia razonable en las características de resistencia y variabilidad de los materiales, garantizando así que las capas superiores puedan ser compactadas a las densidades objetivo requeridas. Claramente, se requieren algunas modificaciones para hacer que estos (o similares) estándares sean aplicables a la rehabilitación del pavimento a través del reciclado. Se requiere de una medida para determinar cuándo un material reciclado ha sido compactado a la máxima densidad que se puede lograr bajo las condiciones de apoyo predominantes. Esta medida además debe considerar las variaciones del material reciclado. En terreno se debe alcanzar una densidad
Capítulo 6
125
mínima relativa a las condiciones de apoyo predominantes, condiciones que pueden variar continuamente. El asegurar que la densidad mínima sea alcanzada requiere ser persuasivo con los contratistas. Recientes desarrollos en la tecnología de compactación han introducido el llamado “compactómetro” incorporado en los rodillos vibratorios. Estos simples aparatos miden esencialmente el rebote vibratorio del material subyacente; un material denso da un rebote alto (por ejemplo, aprecie cómo salta un rodillo vibratorio cuando pasa sobre una losa de hormigón) mientras que un material suelto absorbe la mayoría de la energía vibratoria y da una respuesta muy pequeña. Pasadas repetitivas del rodillo aumenta la densidad del material, produciendo lecturas de rebote más altas. En algún minuto se va a alcanzar la máxima densidad y no se experimentará más incremento en el rebote. Un instrumento en la cabina del operador indicará que este máximo ha sido alcanzado (ver Figura 6.12). Al combinar un GPS (sistema de posicionamiento global) con un compactómetro y un microprocesador, se permite que el proceso completo de compactación sea registrado, documentado y analizado. Tal sistema ha sido desarrollado por Hamm AG y se conoce como el Navegador de Compactación Hamm (HCN). Cuando se opera correctamente, este sistema responde la mayoría de las preocupaciones relacionadas con el aseguramiento del logro la densidad especificada. Por esta razón es que se recomienda considerarlo en todos los proyectos. Pese a esto, dado que todos los sistemas tienen limitaciones, éstos y otros aspectos relacionados con la compactación se discuten a continuación.
126
Fig. 6.12
Medidor de compactación
Capítulo 6
6.5.3
Logro de la densidad máxima de terreno
El compactar capas gruesas (> 200 mm) es hoy en día una práctica estándar en la mayoría de los países. Sin embargo, para tener éxito se debe aplicar correctamente el (los) rodillo(s) adecuado(s). Hamm AG ofrece un rango de servicios especializados enfocados tanto al entrenamiento de los clientes en la aplicación de su equipamiento como en la selección del rodillo más apropiado para la aplicación específica de un proyecto. La tecnología de compactación es un tema bastante investigado y documentado y, dada la enorme variedad de rodillos disponibles, no existe razón por la cual gruesas capas de material no puedan ser compactadas apropiadamente desde la superficie. La herramienta más comúnmente utilizada para compactar capas gruesas es el rodillo vibratorio simple, de frecuencia y amplitud variable (> 15 t de masa estática). Cuando se usen estas máquinas, es importante asegurar que la iniciación de la compactación sea realizada en un modo vibratorio de alta amplitud para compactar así la porción inferior de la capa. A continuación se utiliza el modo de compactación de baja amplitud para compactar la porción superior. Adicionalmente se debieran tener las siguientes consideraciones relacionadas a la aplicación de rodillos vibratorios: – Cuando se usa un compactómetro para monitorear el aumento de la densidad, se debe incorporar el aparato al rodillo primario (inicial). La compactación en el modo de alta amplitud debe continuar hasta que se registre un estado estacionario (máxima densidad) en el compactómetro. El sistema HCN de Hamm indica automáticamente cuando este estado ha sido alcanzado. – Cuando se trabaja con recicladoras montadas sobre neumáticos, el rodillo primario siempre debe aplicarse detrás de la recicladora. Este rodillo (liso o pata de cabra) es operado a una alta amplitud que afecta el material en la parte superior de la capa, distorsionando en muchas ocasiones la superficie. Esto, rara vez es un problema debido a que la moto-niveladora va a ser usada inevitablemente para cortar los niveles finales requeridos, antes de aplicar una vibración de baja amplitud para terminar el proceso de compactación. – Cuando sólo se utiliza una baja amplitud para compactar una capa gruesa, ocurre un fenómeno llamado “bridging (puenteo)” (especialmente cuando el material tiene una granulometría gruesa). La vibración de baja amplitud no tiene la energía suficiente para penetrar en la porción inferior de la capa, resultando únicamente en un aumento de densidad de la parte superior. Esto deja a la porción inferior en un estado relativamente poco compactado que probablemente se consolidará bajo las cargas dinámicas de tráfico, causando ahuellamientos con grandes radios de curvatura en las huellas de neumáticos. – Como se describe arriba, el contenido de humedad es una variable crítica en lograr una densificación con un mínimo esfuerzo. Debido a las demoras entre el reciclado y la compactación final, se debiera aplicar agua en forma prudente antes de cortar los niveles y aplicar el rodillo de compactación liso en modo de vibración de baja amplitud. – Un error que se comete en muchas construcciones es la “sobre-compactación”. Este fenómeno ocurre cuando se aplica un esfuerzo de compactación excesivo. Como se explica en la Sección 6.5.1, los vacíos se reducen continuamente hasta alcanzar un estado en que están todos vacíos llenos con el agua que se ha agregado para facilitar la compactación. Una vez que este estado ha sido alcanzado, la aplicación de un esfuerzo de compactación adicional genera inestabilidad, causando que el material pierda densidad. Esta situación se puede evitar al incorporar en el rodillo un compactómetro.
Capítulo 6
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Dos puntos adicionales importantes relacionados a la compactación: - Un estado uniforme de compactación se debe alcanzar en el ancho de corte completo de la recicladora, antes de usar una moto-niveladora para alcanzar los niveles finales requeridos. Las ruedas traseras de las recicladoras de neumáticos siempre pasan por la superficie del material reciclado, una a cada lado del corte. El peso que lleva cada rueda (8 ton para las WR 2500 S) compacta parcialmente el material reciclado, pero el material entre ruedas sólo está parcialmente compactado debido a la presión aplicada por la compuerta trasera, como se ilustra en la Figura 6.13. Fig. 6.13
Pre-compactación detrás de los neumáticos de recicladora
Pre-compactación bajo la rueda
Material no compactado entre las ruedas
Vista posterior de la recicladora
Material reciclado
El material relativamente suelto entre las ruedas debe ser compactado a la misma densidad que el material en la huella de las ruedas antes de aplicar la moto-niveladora. Si se falla en alcanzar tal compactación uniforme antes de cortar los niveles, esto va a resultar en un diferencial de densidad permanente en la capa reciclada. Debido al tamaño del rodillo requerido para la compactación inicial, el ancho del tambor siempre va a exceder la distancia entre las ruedas traseras de la recicladora. Los extremos del tambor van a pasar parcialmente por el material compactado en la ruta de las ruedas, haciendo imposible alcanzar una densidad uniforme en el ancho de corte. El material bajo la huella de las ruedas siempre va a permanecer a una densidad mayor que el material intermedio, independiente del esfuerzo de compactación aplicado. Esto, inevitablemente va a resultar en un ahuellamiento longitudinal debido a la densificación cuando el pavimento sea sometido a cargas dinámicas de tráfico. Esta situación no se origina cuando se trabaja con recicladoras montadas sobre orugas. Las orugas traseras de estas máquinas corren en el horizonte inferior del perfil de corte mientras que el material reciclado se dirige entremedio de las orugas a una guía (screed) montada en la parte trasera de la máquina. La WR 4200 deposita inmediatamente el material reciclado desde el tambor fresador en una hilera frente la guía (screed). Al igual que en las pavimentadoras de asfalto, la guia (screed) extiende el material en el corte aplicando una compactación uniforme en el ancho completo a través de vibración y barras apisonadoras. – Materiales finamente graduados con baja plasticidad tienden a deformarse por esfuerzos de corte bajo el rodillo liso desplazándose lateralmente. El agua es la mejor ayuda de compactación para tales materiales, pero incluso cuando se trabaja con la OMC, es difícil mantener un nivel de terminación aceptable, requiriendo así una pasada adicional con la moto-niveladora para eliminar las distorsiones generadas por el rodillo. Sin embargo, cuando se realiza el corte final se debe tener extremo cuidado para asegurar de que la superficie completa ha sido cortada y que no han quedado zonas de material húmedo depositado sobre la superficie seca de depresiones leves, generando de esta manera “láminas” que no están unidas al material subyacente.
128
Capítulo 6
6.6
Terminando la Nueva Capa Reciclada
La terminación de la capa reciclada requiere de la creación de una textura superficial “apretada” que pueda repeler el agua. Esto se logra normalmente con un riego de agua prudente y una compactación de neumáticos (normalmente referido como “slushing”), haciendo que los finos migren a la superficie y así llenando los vacíos entre las partículas más gruesas. Estas operaciones son generalmente realizadas después de que el proceso de compactación ha terminado, pero cuando el camino debe ser abierto al tráfico inmediatamente, o cuando la aplicación de un agente estabilizador cementado impone un límite de tiempo, estas operaciones de terminación deben ser completadas en tiempos razonables. De manera similar a una nueva construcción, los requerimientos para terminar la superficie de la capa reciclada están controladas por la naturaleza del material y del agente estabilizador empleado. Cuando el material reciclado contiene una alta proporción de asfalto, el material resultante tiende a ser grueso y no-cohesivo, y por lo tanto, difícil de terminar. Si estas condiciones son identificadas previamente, el material fino puede ser agregado durante el proceso de reciclado para modificar el producto y así aliviar problemas de terminación. Cuando se ha anticipado que la capa reciclada va a ser sometida al tránsito por un largo período, la superficie debe ser protegida para prevenir la pérdida de áridos (ravelling), la formación de baches y otras formas de degradación. La cantidad de tránsito, así como también el material y el tipo de agente estabilizado dictaminan el tipo de medidas preventivas que se necesitan. El aplicar un tratamiento superficial simple, utilizando ya sea una arena de río gruesa o un agregado con un tamaño nominal de 6,7 mm, provee normalmente una protección adecuada, sin embargo, se han conseguido grandes éxitos utilizando una emulsión diluida (30 % de asfalto residual) en el proceso de slushing, resultando en una superficie enriquecida en asfalto a un mínimo costo. Un aspecto final de la terminación que frecuentemente se descuida en la continua ambición por acelerar los procesos, es el drenaje. En muchas ocasiones se completa el proceso de reciclado y se abre al tráfico sin pensar en qué es lo que pueda ocurrir con el escurrimiento superficial en el caso eventual de una lluvia. Un problema común a muchas construcciones es la formación de charcos en la superficie terminada debido a cordones de material a lo largo del borde. Esta agua va a ingresar invariablemente a la estructura del pavimento, saturando el material, hecho que conduce a la formación de baches cuando se somete al tránsito. Estos problemas pueden ser evitados aplicando un mínimo esfuerzo inmediatamente después de que los trabajos principales han terminado.
6.7
Control de Calidad
Se ha mencionado largamente en las secciones anteriores acerca del control del proceso de reciclado. Claramente, la calidad del producto final depende de la correcta operación de la recicladora, de la aplicación de los aditivos en sus dosis correctas y finalmente, la adecuada colocación, compactación y terminación del material tratado. Mientras se trabaja, una serie de pruebas y chequeos de “control de procesos” son requeridos para monitorear la operación. Estos chequeos y pruebas tienen el mismo objetivo: asegurar que las máquinas funcionen apropiadamente, para que se mantengan todas las configuraciones y calibraciones y para poder hacer los ajustes necesarios si es que llega a ocurrir un problema. El reciclado es una operación con una alta tasa de producción, típicamente de 20 m2/min. Si un problema no es detectado y corregido tempranamente éste se agrava rápidamente y hace que sea difícil de rectificar, obligando a rehacer parte del trabajo. Esto tiene un impacto negativo en la productividad y genera pérdidas tanto de tiempo como de dinero. Una vez completado el trabajo, es imperativo que una serie de ensayos de aceptación sean realizados. El propósito de hacer estos ensayos es asegurar que la capa reciclada cumpla con las expectativas de desempeño anticipadas, asegurando que la capacidad estructural (o vida de diseño) del pavimento rehabilitado sea alcanzada. Los requerimientos de calidad están normalmente enmarcados en un conjunto conciso de Especificaciones de Proyecto que detallan los criterios relevantes de aceptación. Los resultados
Capítulo 6
129
de los ensayos van a probar si el producto se ajusta a los criterios de aceptación, permitiendo al contratista proceder con confianza, o si se van a identificar áreas con problemas, permitiendo que se efectúen los esfuerzos necesarios para su rectificación inmediata.
6.7.1
Chequeos y ensayos de control de procesos
Estos son los chequeos que realiza un supervisor para tener la certeza de que el proyecto se desarrolla en forma adecuada y que todos los sistemas internos de la recicladora están funcionando apropiadamente. Estos incluyen: – Chequeos visuales. Son requeridas verificaciones continuas para asegurar que la recicladora esté siguiendo la línea de corte adecuada y, cuando se aplique, mantenga el ancho requerido de traslapo. – Profundidad de reciclado. El espesor final de la capa reciclada es dependiente principalmente de la profundidad de reciclado. Si la profundidad es muy baja, el nivel o cota de la base de la capa reciclada va a ser relativamente alto comparado con los niveles de diseño superficiales; luego el espesor resultante de la capa va a ser menor al requerido. Debe recordarse que el espesor de capa es uno de los parámetros más críticos en el desempeño global del pavimento, por lo que estos chequeos deben ser llevados a cabo adecuadamente y constantemente. Debido a que normalmente es utilizada una motoniveladora para cortar los niveles finales, el desplazamiento de material es inevitable. Es por ello que el espesor de la capa reciclada terminada no es necesariamente el mismo que la profundidad de reciclado, haciendo que el uso del mismo sistema de control sea primordial para chequear el nivel de cotas tanto en la base del corte como para el corte de nivel final superficial (ver también la Sección 6.4.3). – Aplicación de agua y agentes estabilizadores. Los procedimientos operacionales para la recicladora deben ser cuidadosamente seguidos para asegurar que el material reciclado sea tratado con las tasas de aplicación requeridas de todos los aditivos. La información que se ingresa al microprocesador debe ser cuidadosamente verificada, los procedimientos previos al inicio de los trabajos seguidos y, mientras se recicla, las tasas de flujo deben ser monitoreadas en la consola del computador y en las pantallas de los medidores de flujo de la máquina. Cuando se aplica asfalto espumado, las características espumantes del asfalto deben ser chequeadas en terreno (usando la boquilla de prueba al costado de la recicladora), al menos una vez por cada carga del estanque de asfalto. Antes de acoplar un camión cisterna a la recicladora se debe chequear la temperatura del asfalto usando un termómetro distinto al que está incorporado al camión (los termómetros digitales manuales son los ideales). Para todas las estabilizaciones asfálticas, la longitud de corte anticipada a partir de cada carga debe ser calculada y verificada físicamente; se deben encontrar las razones de cualquier discrepancia y registrarlas. – Calidad de mezclado. La velocidad de avance de la recicladora debe ser chequeada regularmente para asegurar que la velocidad óptima de reciclado (entre 6 m/min y 12 m/min) no sea excedida. Además, el material detrás de la recicladora debe ser monitoreado continuamente para asegurar que el contenido de humedad sea el adecuado y que la mezcla “se vea bien”. Idealmente, el supervisor del tren debe estar en contacto por radio con el operador para poder comunicarse y hacer cambios apenas éstos sean requeridos, particularmente si se quiere alterar la adición de agua. Cuando se aplica asfalto espumado, la calidad de la mezcla debe ser periódicamente evaluada tanto visualmente como por la compactación con ambas manos de una bola de material. También es útil chequear las variaciones de temperatura en el ancho de corte usando un termómetro digital. – Juntas Laterales. Se requiere de especial atención en los detalles para asegurar la continuidad de la aplicación de agentes estabilizadores y humedad a lo largo de todas las juntas que se forman cuando el tren se detiene (ver Sección 6.4.4).
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Capítulo 6
6.7.2
Chequeos y ensayos de aceptación
La calidad del trabajo completado está determinada por los resultados de los ensayos que muestran parámetros clave que son discutidos a continuación.
6.2.7.1 La resistencia relevante del material en la capa reciclada La resistencia puede ser determinada indirectamente, a través de la ejecución de varios ensayos de laboratorio en una muestra del material mezclado obtenido de la parte posterior de la recicladora, o directamente, determinando la resistencia verdadera de testigos extraídos del camino. Debido al inevitable lapso de tiempo entre la terminación de la capa y la extracción de testigos, se prefiere el primer método. Los testigos sólo pueden extraerse una vez que el material ha alcanzado la resistencia suficiente, lo que resulta es excesivamente lento, mientras que los resultados de ensayos realizados en muestras obtenidas detrás de la recicladora pueden obtenerse relativamente rápido. Las muestras de material estabilizado que se llevan al laboratorio son utilizadas generalmente para manufacturar probetas de las cuales se determinan la UCS (Resistencia de compresión no confinada) y/o la ITS (Resistencia a la Tracción Indirecta). Es de vital importancia que las probetas sean manufacturadas de manera de representar fielmente las condiciones de terreno. Esto implica que: – El lapso de tiempo entre la mezcla inicial y la compactación sea el mismo para el terreno y el laboratorio. Este tiempo es en muchas ocasiones insuficiente para transportar las muestras al laboratorio, necesitando que las probetas sean compactadas en terreno. Esta situación usualmente se da cuando se trabaja con agentes estabilizadores asfálticos. – El contenido de humedad de una muestra debe ser ajustada al OMC antes de aplicar un esfuerzo de compactación principal. Como se explicó en la Sección 6.5, el material reciclado en terreno siempre se compacta por el lado seco del OMC. Si las probetas son fabricadas a niveles muy bajos de contenido de humedad usando un esfuerzo estándar de compactación, no va a ser posible alcanzar una densidad suficiente (relativa a terreno) y las resistencias van a disminuir considerablemente. Un “test rápido” se debe realizar para estimar el contenido de humedad de terreno y así determinar cuánta agua se debe añadir para alcanzar el OMC antes de que las probetas sean confeccionadas. – Una vez fabricadas, las probetas deben ser curadas bajo condiciones representativas de terreno (como se requiera para el agente estabilizador en particular).
6.7.2.2 La densidad seca del material compactado Este tema ya ha sido abordado en detalle en la Sección 6.5. Sin embargo, la medición de la densidad en terreno sigue siendo el ensayo realizado en las obras de construcción, por lo que los siguientes comentarios obtenidos del TG2 (ver Bibliografía) son relevantes: Dada la variabilidad que muchas veces existe tanto en la composición como en el tamaño de partícula (graduación) del material reciclado, las mediciones comunes de la densidad de terreno como un porcentaje de la máxima densidad seca (MDD) pueden ser difíciles de hacer debido a las variaciones de la misma. Cambios de hasta un 5 % en la MDD en secciones cortas no son poco frecuentes y requieren que ésta sea determinada para cada una de las zonas en que realiza un chequeo de densidad. Esto genera un enorme trabajo adicional en el laboratorio de terreno. La causa de estas variaciones relativamente grandes en la MDD deben ser reconocidas y los resultados de terreno analizados en forma acorde. Un método que puede ser usado para reducir el efecto de estas variaciones es la “MDD Media Móvil” que promedia los valores de la MDD reduciendo la influencia de los valores individuales. Además, cuando el material reciclado tenga un valor de CBR que supere el 80% a un 98 % de la densidad AASHTO modificada, la densidad relativa (Bula Relative Density, BRD) del material puede ser usada como referencia en lugar de la densidad AASHTO modificada. La determinación de la BRD en el laboratorio es relativamente rápida comparada con la MDD. Sin embargo, este método no es ideal para materiales con un CBR menor a 45%.
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Adicionalmente, es importante destacar que los densímetros nucleares no pueden proveer densidades de terreno instantáneas debido a que la medición de la humedad va a ser sobreestimada por la presencia del asfalto. Las variaciones en el material reciclado y la naturaleza imperfecta de la dispersión del asfalto espumado juegan en contra al momento de definir un valor constante para la lectura de la humedad, con el objetivo de determinar el contenido de humedad in-situ. Esto se agrava cuando el pavimento reciclado incluye distintos contenidos de RAP, sellos de agregados y materiales de parches, todos ellos aportando con cantidades variables de asfalto. Debido a esto, el contenido de humedad real de terreno debe ser siempre determinado en laboratorio mediante una muestra secada en horno obtenida de cada zona de ensayo. Estos problemas no se encuentran cuando se usa el ensayo de cono de arena que tiene la desventaja de ser muy demandante tanto en trabajo como en tiempo. Para poder soportar estos problemas, muchos contratistas están incorporando compactómetros en su compactador primario (el que va inmediatamente después de la recicladora). La experiencia ha demostrado que estos simples aparatos son confiables al indicar cuando se ha alcanzado la densidad máxima (normalmente excediendo la densidad especificada requerida) de manera de prevenir la sobre-compactación con la consecuente pérdida de densidad. Cuando se toma la decisión de usar el compactómetro como un indicador de que la densidad ha sido alcanzada, siempre se deben realizar chequeos preliminares para determinar la densidad real relativa a la lectura mostrada por la aguja del compactómetro.
6.7.2.3 El espesor de la capa terminada Esto se chequea simplemente al cortar pequeños agujeros de inspección en la capa mientras el material aún esté fresco, inmediatamente después de la terminación. Alternativamente, testigos de 150 mm de diámetro pueden ser extraídos de las capas estabilizadas después de que el material ha adquirido resistencia, en general posteriormente a un lapso de unos 28 días.
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135
136
Apéndice
Apéndice Nr.
Seite
1
Rehabilitación de pavimentos y ejemplos de diseño
139
2
Procedimiento de diseño de mezclas para materiales estabilizados
175
Procedimientos de diseño estructural de pavimentos para capas estabilizadas con asfalto espumado
197
Determinación de la capacidad estructural a partir de información de tráfico
215
Recomendaciones para la preparación de Especificaciones Técnicas para Proyectos de Reciclado
225
6
Principios del Análisis Económico
249
7
Análisis de costos
257
3
4
5
137
138
Apéndice 1 Rehabilitación de pavimentos y ejemplos de diseño A1.1
Rehabilitación de caminos de tráfico pesado A1.1.1 El camino existente A1.1.2 Requerimientos de diseño A1.1.3 Información disponible A1.1.4 Investigaciones detalladas A1.1.4.1 Información de tráfico A1.1.4.2 Inspección visual A1.1.4.3 Calicatas y muestreo A1.1.4.4 Auscultación con Cono de Penetración Dinámico (DCP) A1.1.4.5 Mediciones de ahuellamiento A1.1.4.6 Mediciones de deflexión A1.1.4.7 Análisis mecanicista de las estructuras de pavimento existentes A1.1.4.8 Resumen de la investigación A1.1.5 Objetivos de la rehabilitación A1.1.5.1 Consideraciones de diseño en la rehabilitación A1.1.5.2 Pulverizar capas ligadas existentes/construir un recapado asfáltico A1.1.5.3 Reciclar y estabilizar con cemento el pavimento existente/construir un recapado asfáltico A1.1.5.4 Reciclar y estabilizar el pavimento existente/aplicar un recubrimiento A1.1.6 Diseño de mezclas A1.1.6.1 Diseño de mezclas con cemento A1.1.6.2 Diseño de mezclas con asfalto espumado A1.1.7 Análisis económico A1.1.7.1 Costos de construcción A1.1.7.2 Medidas de mantenimiento A1.1.8 Recomendaciones para la rehabilitación
A1.2
Mejorar el estándar de un camino de grava A1.2.1 El camino existente A1.2.2 Requerimientos de diseño A1.2.3 Investigaciones a realizar A1.2.3.1 Información de tráfico A1.2.3.2 Inspección visual A1.2.3.3 Agujeros de inspección / Calicatas A1.2.3.4 Pruebas con Cono de Penetración Dinámico (DCP) A1.2.3.5 Ensayos de laboratorio A1.2.3.6 Resumen de resultados
Apéndice 1
139
A1.2.4 Objetivos del mejoramiento de estándares del pavimento A1.2.4.1 Factores que determinan las opciones de diseño A1.2.4.2 Opciones de mejoramiento de estándar del pavimento A1.2.5 Opciones convencionales A1.2.6 Opciones de reciclado A1.2.6.1 Reciclar la superficie de rodado como una nueva subbase A1.2.6.2 Reciclado en dos etapas in-situ A1.2.7 Diseño de mezclas A1.2.7.1 Diseño de Mezclas de la estabilización con cemento A1.2.7.2 Diseño de modificación con cal A1.2.7.3 Diseño de mezclas con asfalto espumado A1.2.8 Análisis económico A1.2.8.1 Costos de construcción A1.2.8.2 Medidas de mantenimiento A1.2.9 Recomendaciones para el mejoramiento de estándar A1.3
140
Sustituir el RAP estabilizado con asfalto espumado por una base asfáltica en caliente A1.3.1 Descripción del proyecto A1.3.2 Investigaciones realizadas A1.3.2.1 Análisis de tráfico A1.3.2.2 Inspección visual A1.3.2.3 Investigación de calicatas A1.3.2.4 Auscultación con Cono de Penetración Dinámico (DCP) A1.3.2.5 Resultados de ensayos de laboratorio A1.3.3 Evaluación mecanicista del pavimento existente A1.3.4 Opciones de Rehabilitación A1.3.5 Diseño de mezclas con asfalto espumado A1.3.6 Diseño de pavimentos A1.3.7 Evaluación económica
Apéndice 1
A1.1
Rehabilitación de caminos de tráfico pesado
El procedimiento de diseño descrito en este ejemplo corresponde a una sección de una red de caminos en un determinado país. La autoridad encargada de los caminos en el país tiene por objetivo rehabilitar un sector de un camino específico, entre los kilómetros 29.900 a 62.800, mediante un Sistema de Administración de Pavimentos (Pavement Management System, PMS).
A1.1.1
El camino existente
Fig. A1.1
Camino existente
El largo de este sector del camino es casi de 33 kilómetros, con una pista por sentido. El ancho total, incluyendo bermas, corresponde a 12,5 metros. El sector donde el proyecto se emplaza es plano, el clima es semi árido con una precipitación media anual menor a 500 mm. La temperatura durante el verano puede alcanzar máximos de 35 ºC, pero en invierno estas son bajas e incluso se producen nevazones ocasionales (temperatura mínima de -10 ºC).
A1.1.2
Requerimientos de diseño
Configuración de las pistas: Superficie: Trazado: Período de diseño estructural:
A1.1.3
2 pistas de 3,75 m más bermas de 2,5 m 40 mm de carpeta asfáltica Se mantiene el existente 15 años / Confiabilidad de 95% (Tipo A)
Información disponible
La información disponible sobre el camino fue recopilada de la autoridad vial de PMS y otros registros adicionales. La información está resumida en las siguientes tablas: Datos de construcción Número de Camino
Kilómetro de Inicio
Kilómetro de fin
Capa
Fecha de construcción
Espesor de capa (mm)
Material de capa
N0233
0
62,8
Superficie
Junio 1969
40
Asfalto
N0233
0
62,8
Base
Junio 1969
80
Asfalto
N0233
0
62,8
Subbase
Junio 1969
150
Cementado
N0233
0
62,8
Seleccionada
Junio 1969
300
CBR +15
Notas
Mantenimiento / Datos de Rehabilitación Número Kilómetro Kilómetro Fecha de de Camino de Inicio de fin Rehabilitación
Número de Capa
Espesor de capa (mm)
Material de capa
Notas
N0233
0
62,8
Agosto 1993
1
13,2
Sello Simple
Modificado
N0233
44,1
62,8
Junio 1995
1
13,2
Sello Simple
Modificado
N0233
0
29,9
Febrero 2001
3
225
Estabilización In-Situ
Cemento
N0233
0
29,9
Febrero 2001
2
150
Base
GCS
N0233
0
29,9
Febrero 2001
1
40
Asfalto
Superficie
Estimación de la condición del pavimento existente a Diciembre 01 Número de Camino
Km Inicio
Km Fin
N0233
0
29.9
0
0
0
0
0
0
0
0
N0233
29.9
44.1
4
2
2
3
3
1
2
3
N0233
44.1
62.8
4
3
2
3
3
1
2
3
Apéndice 1
Mediciones Instrumentales Estimación Visual Desint. Calidad Resist. Exhud. Def. Ahuell. Deflex. Grietas Rodado desliz. Sup.
Notas Reconstruido Feb. 01
141
Una auscultación preliminar utilizando Deflectometría de Impacto (Falling Weight No. Comienzo Fin Largo (m) Deflectometer, FWD) fue realizada como parte del monitoreo del PMS. Los resulta1 29 + 900 32 + 900 3000 dos fueron evaluados utilizando el método 2 32 + 900 35 + 000 2100 de las diferencias acumuladas, el cual se 3 35 + 000 38 + 600 3600 usa para identificar secciones con capacidad de soporte similar (ver Capítulo 3, Sec4 38 + 600 49 + 400 10800 ción 3.4.1.1). Se analizaron las deflexiones 5 49 + 400 54 + 800 5400 máximas y los resultados se graficaron de 6 54 + 800 61 + 000 6200 acuerdo a la distancia donde se tomaron los puntos (ver figura). En el método de las 7 61 + 000 62 + 800 1800 diferencias acumuladas, un cambio de pendiente en el gráfico indica que existe un cambio de sección homogénea. Luego, en el gráfico se identificaron 7 secciones de características similares. Secciones Uniformes
Fig. A1.2
Gráfico de diferencias acumuladas Identificación de secciones homogéneas
7000 6000
Suma acumulada
5000 4000 3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
Distancia (km)
A1.1.4
Investigaciones detalladas
Cada sección homogénea fue investigada separadamente utilizando métodos destructivos y no destructivos para determinar: la condición del pavimento existente, las características de capacidad de soporte de la subrasante, el tipo y calidad del material de cada capa, y la causa del deterioro.
142
Apéndice 1
A.1.1.4.1
Información de tráfico
Se realizaron conteos de tráfico en períodos de al menos 7 días en un punto específico dentro de la sección a rehabilitar. La información obtenida se resume en la siguiente tabla. Descripción
Valor
Estación de conteo
109
Año de Conteo
2000
2001
Tráfico Medio Diario Anual (TMDA) (en ambas direcciones)
2418
2449
Tráfico de camiones promedio
530
551
46 : 54
48 : 52
21.9
22.5
32 : 23 : 45
31 : 27 : 42
Factor direccional (Pista Norte:Pista Surr) Porcentaje de camiones Estratificación de camiones (pequeños:medianos:grandes) Ejes Equivalentes asumidos (pequeños:medianos:grandes) Razón ESAL/camión promedio estimada
0.6 : 1.9 : 2.4 1.7
El tráfico diario anual equivalente (Annual Daily Equivalent Traffic, ADE) es calculado utilizando la ecuación A4.1 del Apéndice 4:
ADE = AADT x fH x fE x fL x fG x fW Donde:
AADT fH fE fL fG fW
= Tráfico medio diario anual (Annual Average Daily Traffic) = Porcentaje diario de vehículos pesados = Promedio de ESAL estimado por vehículo pesado = Factor de distribución de pista (Ver Tabla A4.3) = Factor de pendiente (Ver Tabla A4.4) = Factor de distribución por pista (Ver Tabla A4.5)
Utilizando los siguientes valores en la ecuación se calcula el ADE:
ADE = 2.449 x 0,225 x 1,7 x 0,52 x 1,0 x 1,1 = 535,8 ESAL
Es decir, se tienen 536 ESAL diarios. Donde:
Apéndice 1
AADT fH fE fL fG fW
= 2.449 (del conteo de tráfico, ver tabla arriba) = 22,5 % (del conteo de tráfico, ver tabla arriba) = 1,7 (estimado, ver tabla arriba) = 0,52 (ver Tabla A4.3) = 1,0 (ver Tabla A4.4) = 1,1 (ver Tabla A4.5)
143
Además, la Autoridad Vial entregó información adicional requerida para calcular el tráfico de diseño, y se resume en la tabla siguiente: Descripción
Basada en
Valor
Tasa de crecimiento tráfico “i” (%)
Conteos de tráfico históricos
4
Vida de diseño (y, en años)
Requerimientos Autoridad Vial
15
Factor crecimiento acumulado (fj)
Apéndice 4, Tabla A4.6
7.600
El tráfico de diseño estimado en un período estructural de 15 años (o capacidad estructural) se calcula utilizando la ecuación 4.5 del Apéndice 4.
ESALstotal = ADE x fJ = 536 x 7600 = 4.073.600 = 4,07 x 106
Luego, el tráfico de diseño cae en el rango inferior de la clase de tráfico T3 (Tabla A4.1). Este rango considera un tráfico desde los 3,0 a 10,0 millones de ESALs.
A1.1.4.2
Inspección visual
Las principales características observadas en la inspección visual están incluidas en la ficha de inspección visual presentada a continuación, y puede ser resumida como: – Ancho del camino. El ancho del camino es relativamente constante, de 12,4 metros. En aproximadamente la mitad del sector a rehabilitar, el número de pistas de tráfico aumentan a 3 (pista de adelantamiento). El cambio en el número de pistas se obtiene reduciendo el ancho de la berma pavimentada. El ancho de las pistas es constante y de 3,7 metros. – Deterioro del pavimento. La forma de deterioro más común es fatiga tipo piel de cocodrilo con evidencias de bombeo y deformaciones puntuales. – Grandes zonas de bacheo. Numerosas zonas han sido bacheadas con asfalto. Se observan algunos baches menores con lechada asfáltica, principalmente en áreas donde la superficie ha sido afectada por exudación de material deficiente. La presencia de baches contribuye a una calidad de rodado deficiente. – La exudación también se aprecia en la pista exterior, en las zonas donde existen 3 pistas de tráfico, debido al desplazamiento a baja velocidad de los vehículos pesados. – Drenes profundos (a más de 1 metro) fueron previamente excavados a ambos lados del camino. Estos deben ser despejados para remover la vegetación y sedimentos acumulados. – Formación de baches menores, principalmente asociados a baches que han fallado en los bordes. – El ahuellamiento no es severo, y las deformaciones se observan en la huella exterior en algunas áreas localizadas.
144
Apéndice 1
COMENTARIOS
ABLANDAMIENTO DE LA SUPERFICIE (EXHUD.)
DEFORMACIÓN
DESINTEGRACIÓN (SUPERFICIAL)
GRIETAS
AHUELLAMIENTO
DEFLEXIÓN
ALTA
MODEDERADA
BAJA
SEVERIDAD DEL DETERIORO
Sello modificado Superficie asfáltica Base asfáltica Estabilizado con dolerite Subrasante seleccionada Subrasante
CALIDAD DE RODADO
1993 1969 40 mm 80 mm 150 mm 300 mm
30 31
610
285
125
TP1
Piedra limosa baja calidad
Estabilizado con dolerita
Estabilizado con dolerita
Asfalto
DATOS DE CALICATAS
32
km
DATOS DE CONSTRUCCIÓN
Durban to Cape Town km 29.9 – 62.8
CULVERT PRETORIA
CULVERT
EAST LONDON
National Road 2/33
CULVERT
CRUCE DE ACCESO
A DURBAN
Ficha de inspección visual del pavimento
INSPECCIÓN VISUAL
Fig. A1.3
ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
MEDICIÓN INSTRUMENTAL
INSPECCIÓN VISUAL
Apéndice 1
145
33
CULVERT
600
275
120
TP2
34
35
CULVERT
Piedra limosa baja calidad
Estabilizado con dolerita
Estabilizado con dolerita
Asfalto
RIO
36
37
CULVERT
ACCESO A GRANJA
600
300
130
TP3
38
Piedra limosa baja calidad
Estabilizado con dolerita
Estabilizado con dolerita
Asfalto
39
CULVERT CULVERT ACCESO A GRANJA CRUCE DE ACCESO
A CAPE TOWN
40
A1.1.4.3
Calicatas y muestreo
Nueve calicatas fueron excavadas para verificar la estructura y la condición del pavimento existente. Al menos una calicata fue ubicada dentro de cada uno de los 7 sectores homogéneos anteriormente identificados por las medidas de deflexión. Las calicatas fueron localizadas tanto en áreas de deterioro excesivo como en áreas sin o con un mínimo deterioro, con el objetivo de evaluar los mecanismos de falla que causan el deterioro. Cada calicata fue excavada con las siguientes dimensiones: 700 mm de ancho, 1.200 mm de largo y 1.000 mm de profundidad. Muestras sin alterar de cada capa fueron extraídas para ser ensayadas en laboratorio. La estructura de pavimento existente puede ser considerada como: – Tratamiento asfáltico simple superficial, con asfalto modificado.
Fig. A1.4
Calicata
– Dos capas de asfalto: base y capa de rodado. En casi todas las zonas con evidencia de bombeo de finos a la superficie se observan grietas en todo el espesor del asfalto. En una inspección más acuciosa, se detectó que la carpeta de rodado bajo el tratamiento asfáltico presenta signos de pérdida superficial de agregados. – La capa de subbase está formada por dolerita húmeda y gravas arcillosas provenientes de cortes locales. En general, la capa de subbase es densa a medianamente densa con contenidos de humedad cercanos al óptimo. El espesor de esta capa varía entre 150 a 180 mm. Todo el espesor de la subbase reaccionó al ácido clorhídrico, indicando la presencia de un agente estabilizador químico. Por otra parte, no se registró reacción al fenolfalteno, indicando la carbonatación del agente estabilizador. – Se detectaron dos capas de subrasante seleccionadas, con un espesor total de aproximadamente 300 mm. El material de subrasante es similar al encontrado en la subbase de dolerita húmeda. En general el material se encontraba medianamente densificado, con un contenido de humedad cercano al óptimo.
146
Apéndice 1
Un perfil de calicata típico se presenta en la siguiente tabla:
Leyenda Suelo
Profundidad desde la superficie (mm)
Color
35
Asfalto
125
Asfalto
285
Consistencia
Condición de Estructura Humedad
Lt.Y.Or
Densa
Levemente húmedo
610
Lt.Br.Lt.Y.Or
Medianamente Densa
1000
Lt.G.Dk.Ol
Medianamente Densa
Tipo de Suelo
Origen
Intacta
Grava estabilizada
Subbase Importada
Húmedo
Intacta
Grava natural, dolerita
Subrasante seleccionada importada
Húmedo
Intacta
Suelo Natural, piedra arcillosa fuertemente
Subrasante residual
– La subrasante está conformada por arenas limosas y doleritas húmedas, formada tanto por material in-situ o importado de pozos o cortes locales. La consistencia de estos materiales varía de media a densa a suelto o suaves, indicando que las capacidades de soporte in-situ son bajas. No se encontraron materiales excesivamente húmedos o saturados en ninguna de las excavaciones. Se realizaron pruebas de laboratorio en los materiales que conforman las capas de pavimento y la subrasante, con el objetivo de estimar la calidad de los materiales. A continuación se presentan los resultados típicos de estos ensayos: Calicata Descripción Nº material
Prof. (mm)
Contenido Humedad Terreno (%)
Contenido Óptimo de Humedad (%)
Densidad Máxima Seca (kg/m3)
CBR
PI
1
Asfalto Dolerita estab. Dolerita Piedra - limos
0 – 125 125 – 285 285 – 610 > 610
– 4,5 6,8 7,1
– 8,3 9,4 11,5
– 2.178 2.150 1.920
– 82 57 15
– 4 7 10
2
Asfalto Dolerita estab. Dolerita Piedra - limos
0 – 120 120 – 275 275 – 600 > 600
– 4,8 8,1 9,0
– 8,5 9,5 12,1
– 2.151 2.168 1.945
– 95 48 12
– NP 7 12
Apéndice 1
147
A1.1.4.4
Auscultación con Cono de Penetración Dinámico (DCP)
Se realizaron pruebas de DCP en cada calicata, para estimar la resistencia de los materiales del pavimento in-situ, y comparar estos resultados con los valores obtenidos en laboratorio, realizados con muestras tomadas de distintas capas. Además, una auscultación completa con DCP fue realizada en intervalos de 100 metros en la totalidad del proyecto. Los resultados fueron analizados utilizando el programa computacional “Analizador de DCP”. Además, el programa determinó la resistencia de la subrasante existente, e identificó las áreas homogéneas de resistencia de subrasante. Los análisis mostraron valores de CBR y Módulos relativamente altos, especialmente para la capa de subbase, indicando que el material todavía se encuentra en un estado estabilizado. Además, las mediciones de terreno parecen ser afectadas por los bajos contenidos de humedad y la naturaleza gruesa de los materiales en la estructura del pavimento. Los valores del 5 percentil de módulo elástico y DCP calculados a partir de la auscultación se resumen y presentan a continuación. Sección uniforme
Módulo Elástico (MPa)
Valores de CBR (%)
300 – 500 mm
500 – 800 mm
300 – 500 mm
500 – 800 mm
km 29 + 900 a km 32 + 900
280
61
78
13
km 32 + 900 a km 35 + 000
177
74
45
16
km 35 + 000 a km 38 + 600
137
52
33
10
km 38 + 600 a km 49 + 400
164
67
41
14
km 49 + 400 a km 55 + 800
161
56
40
11
km 54 + 800 a km 61 + 000
235
48
64
10
km 61 + 000 a km 62 + 800
160
37
40
7
La conclusión principal que se obtiene a partir de la auscultación, es que las características de soporte de la subrasante son relativamente consistentes a lo largo del trayecto analizado.
A1.1.4.5
Mediciones de ahuellamiento
También fueron registradas mediciones de ahuellamiento profundo a intervalos de 10 metros en ambas pistas, utilizando un Analizador Pista norte 83,1 15,7 1,2 Automático de Caminos (AutomaPista sur 85,0 14,2 0,8 tic Road Analyser, ARAN). Cada pista fue estudiada individualmente como se muestra a continuación. Un porcentaje pequeño de ahuellamiento cae dentro de la condición de severidad, con un 15% dentro de la condición de precaución. Se considera aceptable que hasta el 5% de las mediciones de ahuellamiento caigan en la condición de severidad al término de la vida útil de un camino Categoría A. Evaluación Camino Categoría A
148
Porcentaje del del camino Aceptable Precaución Severidad < 10 mm 10 – 20 mm > 20 mm
Apéndice 1
A1.1.4.6
Mediciones de deflexión
La auscultación de deflexiones detallada muestra valores relativamente altos en el punto donde se produce la carga (D0), y variaciones considerables dentro de secciones pequeñas del camino. Las deflexiones fueron analizadas para cada pista, sin embargo, los análisis para las pistas norte y sur presentaron una buena correlación, y por lo tanto ambos grupos de resultados fueron reagrupados y vueltos a analizar. Se determinó la media y desviación estándar para cada sección, y posteriormente se obtuvo el percentil 95 calculada como (Media + 1,625 x Desviación Estándar). Las siete secciones homogéneas analizadas se muestran a continuación.
Sección Uniforme
Mediciones de deflexión (x 10-3 mm) D0
D200
D300
D450
D600
D900 D1200 D1500 D1800 SCI
BDI BCI
km 29 + 400 – km 32 + 900
719
469
296
218
157
104
78
63
55
423
139
53
km 32 + 900 – km 35 + 000
482
310
205
165
131
93
67
51
45
277
74
39
km 35 + 000 – km 38 + 600
572
355
218
157
116
73
52
39
36
353
103
42
km 38 + 600 – km 49 + 400
526
334
202
148
111
73
53
40
36
324
91
38
km 49 + 400 – km 54 + 800
526
355
210
142
99
64
47
39
36
316
110
35
km 54 + 800 – km 61 + 000
445
292
154
98
85
38
25
24
23
291
90
27
km 61 + 000 – km 62 + 800
891
630
363
225
136
72
49
40
31
527
227
64
Donde: D0, D200, etc. = Distancia desde la carga de impulso hasta la medición de deflexión (el índice es la distancia en milímetros) SCI = Indice de Curvatura de Superficie BDI = Indice de Daño en la Base) BCI = Indice de Curvatura en la Base Estos indicadores del cuenco de deformaciones (SCI, BDI y BCI) son utilizados para indicar la vida remanente del pavimento existente. Sin embargo, si se aplica una evaluación mecanicista completa se obtienen resultados más precisos, los cuales serán discutidos a continuación.
A1.1.4.7
Análisis mecanicista de las estructuras de pavimento existentes
La capacidad estructural del pavimento existente fue evaluada en forma mecanicista utilizando los espesores de las capas y los Módulos Resilientes obtenidos a partir de: calicatas, resultados de DCP, valores retroanalizados con FWD y ensayos de laboratorio. Los valores de FWD fueron obtenidos realizando retrocálculo mediante un programa computacional iterativo, utilizado para generar curvas o cuencos de deflexión. Al programa se le asignaron módulos elásticos y espesores por capa, con el objetivo de hacer coincidir las mediciones reales con los valores entregados por el programa computacional. Estos módulos fueron calculados utilizando el percentil de deflexiones 95 para cada sección homogénea. Se obtuvieron módulos bajos en la subbase en todos los casos excepto en uno, indicando que esta capa se aproxima a su estado granular equivalente. El caso excepcional reveló que la subbase se encuentra en un estado compuesto por bloques de gran a mediano tamaño.
Apéndice 1
149
La capacidad estructural residual del pavimento existente se obtuvo utilizando un programa computacional para calcular tensiones, deformaciones unitarias, y deflexiones en un sistema multicapa lineal elástico, utilizando los módulos inferidos anteriormente. Las tensiones y deformaciones unitarias relevantes fueron utilizadas como un parámetro de entrada en las funciones de transferencia que predicen la vida residual. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: Vida Residual Calculada a partir de Análisis Mecanicista (Millones de ESALs) Capacidad estructural basada en (Millones de ESALs) CBR Saturado FWD Sección uniforme Estado de humedad del material Moderado Saturado Moderado Saturado km 29 + 400 – km 32 + 900
2,8
0,4
2,3
0,4
km 32 + 900 – km 35 + 000
3,2
1,2
2,6
0,6
km 35 + 000 – km 38 + 600
1,8
0,3
2,2
0,5
km 38 + 600 – km 49 + 400
1,6
0,6
1,7
0,4
km 49 + 400 – km 54 + 800
1,6
0,6
1,8
0,5
km 54 + 800 – km 61 + 000
2,9
1,3
2,7
0,9
km 61 + 000 – km 62 + 800
1,1
0,1
1,6
0,6
Del análisis mecanicista realizado es evidente inferir que la capacidad estructural residual del pavimento existente es insuficiente para soportar la estimación de tráfico de 4,1 millones de ESALs, especialmente si se permite el ingreso de agua a las capas que componen el pavimento. En todos los casos, la subbase es la capa crítica debido a la pérdida de capacidad de soporte y pobre protección de la misma.
A1.1.4.8
Resumen de la investigación
El sello modificado de la superficie ha presentado un comportamiento satisfactorio pero se acerca al término de su vida útil. La inspección visual indica que la superficie del pavimento existente se encuentra excesivamente agrietada. Además, de la presencia de finos en la superficie se puede inferir que el agua ha ingresado a las grietas que penetran en el espesor total de las capas asfálticas. El estudio del pavimento reveló que las capas asfálticas están envejecidas y por lo tanto se encuentran en un estado frágil con alguna pérdida de áridos en la capa superficial superior. Todos los análisis indican que la subbase previamente estabilizada se ha agrietado sistemáticamente y se acerca a su estado granular equivalente. La investigación realizada con DCP indicó que los valores de CBR son relativamente altos, presumiblemente debido a los bajos contenidos de humedad in-situ. Estos valores altos indican que a pesar de que la carbonatación ha contribuido a la pérdida de la resistencia, la humedad no ha tenido aún un efecto significativo en la capa de subbase. Esto también lo acredita el bajo porcentaje de ahuellamiento observado en el camino. Sin embargo, con la pérdida de integridad en la superficie (envejecimiento del sello modificado y agrietamiento de fatiga del asfalto), se puede esperar un mayor ingreso del agua a las capas del pavimento, lo que en definitiva producirá un rápido deterioro.
A1.1.5
Objetivos de la rehabilitación
A1.1.5.1
Consideraciones de diseño en la rehabilitación
La totalidad de las investigaciones realizadas indican que la estructura de pavimento existente es inadecuada y requiere de algún tipo de refuerzo. A pesar de que los materiales en la capa superior del pavimento existente están compuestos por materiales de buena calidad, la integridad estructural de las capas se ha deteriorado debido a las cargas repetitivas de tráfico. Estas capas asfálticas se encuentran fatigadas, con grietas que atraviesan su espesor completo. Las grietas se originan en la parte inferior de
150
Apéndice 1
las capas, originadas por las repetitivas tensiones de tracción generadas cuando el pavimento se deforma. Construir un recapado asfáltico no repondrá la capacidad estructural, a menos que una enorme actividad de bacheo sea realizada, con el fin de eliminar las zonas agrietadas por fatiga. Si esta actividad no llegara a realizarse, las grietas se reflejarán a través del recapado en un período de tiempo relativamente breve, debido a que la estructura subyacente permanece agrietada. Luego, las grietas seguirán abriéndose en la medida que el pavimento sufra deformaciones, las cuales serán producidas por las cargas de tráfico. Debido a que el grado de agrietamiento es extensivo y afecta a gran parte de la superficie, la solución de bacheo/recapado se consideró como poco económica y de alto riesgo. Por lo tanto, no calificó como una opción razonable de rehabilitación para el proyecto. Para reducir riesgo involucrado en la solución, una opción es fresar y remover el asfalto deteriorado, y luego construir un pavimento nuevo con una capa asfáltica de espesor completo. Otra alternativa de rehabilitación propone eliminar las deficiencias en el pavimento existente mediante el reciclado con o sin agentes estabilizadores. Debido a que el reciclado parece ser una solución más económica y durable, 3 alternativas de rehabilitación que reutilizan el material en el pavimento existente se exponen a continuación. Debido a que la intención es aplicar reciclado, ahora puede asumirse que la parte superior del pavimento existente será reemplazada por una estructura nueva. Sólo la parte inferior de la subbase estabilizada existente permanecerá sin alteración sobre la subrasante. Un estudio de los resultados de DCP muestra que la subrasante es relativamente consistente y, si la subbase remanente se considera como parte de la subrasante, todas las secciones homogéneas pueden ser agrupadas como una sola. Además de simplificar el proceso de diseño, esto aumentará el nivel de confianza mediante la introducción del factor de seguridad. Todos los diseños deben satisfacer la capacidad estructural de 4,1 millones de ESALs. Utilizando el método de diseño del Número Estructural (ver Apéndice 3, párrafo A3.2), las condiciones de soporte de las capas subyacentes (se asumió 50 MPa en promedio) indicaron que el Número Estructural requerido (Nreq) es de 4,0. Todos los diseños apuntan a conseguir este valor.
A1.1.5.2
Pulverizar capas ligadas existentes/construir un recapado asfáltico
Esta alternativa consiste en pulverizar el material completamente y parcialmente ligado el la parte superior del pavimento, y posteriormente reutilizar el producto como una nueva base granular. Se construye una base y capa de rodado de asfalto convencional sobre la nueva base granular. El diagrama presentado a continuación describe la secuencia constructiva.
Fig. A1.5
Alternativa 1: Pulverizar/construir pavimento asfáltico Pavimento existente
Asfalto deteriorado Grava estabilizada previamente
Apéndice 1
PASO 2 Construir un pavimento asfáltico nuevo
PASO 1 Pulverizar y construir una Nueva base nueva base asfáltica y capa superficial
Base granular nueva a partir del material existente
Subbase de grava sin estabilizar
Subbase granular sin estabilizar
Subrasante
Subrasante
151
Como objetivo principal del pulverizado es eliminar las grietas de fatiga, el espesor debe alcanzar la totalidad de las capas asfálticas y la mayor cantidad de espesor posible de la capa estabilizada subyacente, sin afectar el material sin estabilizar de las capas inferiores. Una profundidad de pulverizado de 300 mm y un espesor similar de nuevo material de base granular se asume en el siguiente análisis.
Coeficiente Estructural capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de capa t (cm)
ai x di x t
Superficie Asfáltica
0,1654
1,0
4,0
0,66
Base Asfáltica
0,1496
1,0
7,5
1,12
Nueva Base Pulverizada
0,0551
1,0
30,0
1,65
Subbase Granular
0,0472
0,9
15,0
0,64
Tipo de Capa
SNact = Σ ai x di x t = 4.07
A1.1.5.3
Reciclar y estabilizar con cemento el pavimento existente/construir un recapado asfáltico
Esta alternativa considera reciclar/estabilizar con cemento la parte superior del pavimento, más una base y capa superior asfálticas para lograr la resistencia estructural requerida. La base asfáltica necesita ser colocada como una medida de protección para la nueva capa estabilizada con cemento, antes de someter al tráfico pesado la estructura.
Fig. A1.6
152
PASO 2 Alternativa 2: Reciclar y estabilizar con cemento/ Construir un PASO 1 pavimento asfáltico pavimento Pulverizar asfáltico nuevo y construir Pavimento Nueva base una nueva existente base asfáltica y capa superficial Asfalto Base granular deteriorado nueva a partir del material existente Granular previamente estabilizado Subbase granular sin estabilizar
Subbase granular sin estabilizar
Subrasante
Subrasante
Apéndice 1
La profundidad del reciclado/espesor de la capa estabilizada con cemento se determina utilizando el Número Estructural, como se muestra a continuación. Considerando el potencial aplastamiento que puede producirse en la superficie de las capas estabilizadas con cemento, se contempla un espesor mínimo de 60 mm para la base asfáltica. Coeficiente Estructural capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de capa t (cm)
ai x di x t
Superficie Asfáltica
0,1654
1,0
4,0
0,66
Base Afáltica
0,1496
1,0
6,0
0,90
Base Estabilizada Cemento
0,0669
1,0
25,0
1,67
Subbase Granular
0,0472
0,9
20,0
0,85
Tipo de Capa
SNact = Σ ai x di x t = 4.08
Se debe notar que una porción del material estabilizado existente que no se recicla ha sido incluido con la subbase granular subyacente, como un material sin estabilizar. Serán requeridos los diseños de mezclas con cemento para determinar el coeficiente estructural de la capa, y hacer este ejemplo más cercano a la realidad.
A1.1.5.4
Reciclar y estabilizar el pavimento existente/aplicar un recubrimiento asfáltico
Esta alternativa requiere la estabilización de la parte superior del pavimento existente, más un recubrimiento asfáltico superficial. La profundidad del reciclado/estabilización con asfalto requiere penetrar el espesor completo de las capas de asfalto existentes, con el objetivo de eliminar la eventual reflexión de grietas. Una ventaja de utilizar asfalto en vez de cemento es el mejoramiento de la durabilidad, debido principalmente a que las grietas producidas en el material tratado con cemento son un factor negativo en zonas lluviosas. En este proyecto en particular se preferirá utilizar asfalto espumado debido a que el camino debe ser abierto al tráfico inmediatamente después de que la capa reciclada se construya. Fig. A1.7
Alternativa 3: Reciclar y estabilizar con asfalto/ superficie asfáltica PASO 1 Reciclar con asfalto Pavimento espumado existente Asfalto deteriorado Granular previamente estabilizado
Apéndice 1
PASO 2 Construir superficie asfáltica nueva
Nueva base estabilizadaa partir del material existente
Subbase granular sin estabilizar
Subbase granular sin estabilizar
Subrasante
Subrasante
153
La profundidad del reciclado/espesor de la capa estabilizada con asfalto es determinada mediante el Número Estructural, tal como se muestra a continuación. Coeficiente Estructural Capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de capa t (cm)
ai x d i x t
Superficie Asfáltica
0,1654
1,0
4,0
0,66
Base Estabiliza da Asfalto
0,1024
1,0
25,0
2,56
Subbase Granular
0,0472
0,9
20,0
0,85
Tipo de Capa
SNact = Σ ai x di x t = 4.07
Se debe notar que la porción del material existente estabilizado que no es reciclada ha sido incluida en la subbase subyacente como un material no estabilizado. Deben realizarse diseños de mezclas con asfalto espumado, con el fin de determinar el coeficiente estructural de la capa en forma realista.
A1.1.6
Diseño de mezclas
Los diseños de mezclas fueron realizados con el objetivo de determinar la cantidad óptima de agentes estabilizadores, y determinar las resistencias alcanzadas por los materiales considerando distintas cantidades de cemento y asfalto.
A1.1.6.1
Diseño de mezclas con cemento
El asfalto y el material de dolerita previamente estabilizado se mezclaron proporcionalmente según los espesores de las capas respectivas, considerando una profundidad de reciclado de 250 mm y tomando en cuenta las densidades in-situ de los materiales. El procedimiento de diseño de mezclas se describe en el Apéndice 2. Se realizaron Pruebas de Resistencia a la Tracción Indirecta (Indirect Tensile Strength, ITS) y Resistencia a la Compresión no Confinada (Unconfined Compressive Strength, UCS), las cuales se resumen en la siguiente tabla. Prueba
Porcentaje de Cemento en la Mezcla (por peso)
Mezcla: 60:40 asfalto:grava
2.0
2.5
3.0
ITS (kPa)
157
235
405
UCS (kPa)
1436
2190
2987
La resistencia mínima ITS/UCS requerida para la base estabilizada es de 200 kPa/0,75 Pa respectivamente. Estas resistencias se consiguen con un 2,5% de cemento.
154
Apéndice 1
A1.1.6.2
Diseño de mezclas con asfalto espumado
El material se mezcla en forma similar al procedimiento aplicando cemento. Se toman en cuenta las proporciones de los materiales y se considera que la profundidad de reciclado/espesor de la capa reciclada es la misma. El procedimiento de diseño de mezclas se realizó utilizando el método descrito en al Apéndice 2 para probetas Marshall de 100 mm. Un resumen de los resultados de laboratorio se muestra a continuación. Asfalto espumado añadido
2,0
Aditivo y porcentaje
2,5
3,0
3,5
1% de cemento normal Portland
Densidad (kg/m3)
2136
2114
2096
2093
ITS Seco (kPa)
368
458
436
386
ITS Saturado (kPa)
272
343
323
266
TSR (ITS Retenido) (%)
74
75
74
69
Las resistencias óptimas se consiguen con una aplicación de 2,5% de asfalto y un 1,0% de cemento. Con esas resistencias, se obtiene un coeficiente estructural de 0,1024 por centímetro. Esta resistencia significa que la capa presentará un Módulo Resiliente inicial de 2.000 MPa (ver Apéndice 3, Figura A3.2).
A1.1.7
Análisis económico
El costo directo de construcción para cada opción se estima y se compara con otros costos que pueden esperarse durante la vida de diseño de 15 años del pavimento.
A1.1.7.1
Costos de construcción
Los costos estimados de las distintas opciones de rehabilitación, en Euros/m2 se presentan en detalle en el Apéndice 7 y se resumen a continuación. El costo de construcción por kilómetro se asume constante. Se esperan 12.500 m2 de pavimento por cada kilómetro. Estos son sólo costos de construcción y excluyen instalación de faenas, duración del proyecto, instalaciones para las acomodaciones de tráfico y otros trabajos complementarios. Opción de Rehabilitación
Costos de Construcción en Euros (e) Por m2
Por Kilómetro
1
Pulverizar/Recapado Asfáltico
24,49
306.125
2
Base Estabilizada Cemento/Recapado Asfáltico
22,26
278.250
3
Base Estabilizada Asfalto/Superficie Asfáltica
14,79
184.875
Todas las opciones pueden ser construidas trabajando en la mitad de ancho del camino, y por lo tanto no existe la necesidad de desvíos de tráfico. Sin embargo, el tiempo requerido para la estabilización con asfalto es menor a las otras dos opciones debido a que tiene una actividad menos (construcción de la base asfáltica).
Apéndice 1
155
A1.1.7.2
Medidas de mantenimiento
Se deben enfatizar las medidas de mantenimiento oportuno en la protección de la superficie asfáltica, que probablemente presentará una vida de entre 8 a 12 años dadas las condiciones tropicales del proyecto. Esta protección se puede lograr aplicando un sello a los 8 años y probablemente construyendo una nueva capa superficial al término del año 15 del período de diseño. La utilización de asfalto polimérico modificado en la superficie extendería la vida de diseño en unos 15 años, evitando la aplicación del sello. Estas medidas de mantenimiento son comunes para las tres alternativas de rehabilitación propuestas.
A1.1.8
Recomendaciones para la rehabilitación
Las investigaciones realizadas mostraron serias deficiencias en la capacidad estructural del pavimento existente, además de la necesidad de reforzarlo para soportar el tráfico estimado. El reciclado in-situ se eligió para mejorar la capacidad estructural debido a los beneficios que presenta la técnica, específicamente en lo referido a la reutilización de los materiales de buena calidad en la parte superior del pavimento existente. De esta forma, se reduce la necesidad de importar materiales y el inherente impacto negativo al medio ambiente. Los tres diseños de pavimentos propuestos demostraron ser estructuralmente adecuados y la diferencia entre estos se reduce a un problema de costos. Por lo tanto, el asfalto espumado es una opción recomendada para la rehabilitación. La secuencia de construcción prevista es: – Reciclado in-situ de 250 mm del pavimento existente, aplicando 2,5% de asfalto espumado con un 1,0% de cemento. Perfilar y compactar. – Aplicar riego de liga con un 30% de emulsión a 0,3 litros por metro cuadrado dentro de las primeras 24 horas. – Después de un período de 4 días, siempre y cuando el contenido de humedad del la capa estabilizada con asfalto espumado sea menor al 50% de la humedad óptima de compactación, barrer la superficie y construir la superficie asfáltica de 40 mm de espesor.
156
Apéndice 1
A1.2
Mejorar el estándar de un camino de grava
Este ejemplo describe la investigación y proceso de diseño requeridos para mejorar el estándar de un camino existente compuesto por grava, para conseguir una carpeta resistente al agua con una superficie asfáltica.
A1.1.1
El camino existente Largo: Ancho del camino: Terreno: Clima: Lluvia:
A1.2.2
Fig. A1.8
Camino de grava existente
5,4 kilómetros Varía, desde 8 a 10 metros Generalmente plano Subtropical 650 mm (precipitación media anual)
Requerimientos de diseño Configuración de pistas: Superficie: Trazado: Período de diseño estructural: Tipo de pavimento:
A1.2.3
Investigaciones a realizar
A1.2.3.1
Información de tráfico
2 x 3,5 pistas con bermas (arcenes) de 0,5 m Superficie asfáltica Se mantiene el existente 15 años / 80% de confiabilidad Se espera algún tipo de sobrecarga (agrícola)
(Referirse al Apéndice 4, Determinación de la Capacidad Estructural a partir de la Información de Tráfico). Se realizó un conteo manual de 12 horas en las categorías de vehículos livianos, camiones y buses. Se utilizó un factor de 1,2 para convertir el período de 12 horas a 24 horas, como se muestra a continuación. Ubicación de la estación de conteo Período de conteo
km 3 + 500 12 horas
24 horas
Tráfico total
206
247
Tráfico de camiones
21
25
Tráfico de buses
10
12
El tráfico anual equivalente se determina utilizando la ecuación A4.1 del Apéndice 4:
ADE = AADT x fH x fE x fL x fG x fW
Donde:
Apéndice 1
AADT fH fE fL fG fW
= Tráfico medio diario anual = Porcentaje diario de vehículos pesados = Promedio de ESAL estimado por vehículo pesado = Factor de distribución de pista (Ver Tabla A4.3) = Factor de pendiente (ver Tabla A4.4) = Factor de distribución por pista (Ver Tabla A4.5)
157
Utilizando los siguientes valores en la ecuación se calcula el ADE: AADT fH fE fL fG fW
= 247 (del conteo de tráfico, ver tabla arriba) = (25+12)/247 = 15% (del conteo de tráfico, ver tabla arriba) = 1,6 (experiencia local – de estudios de pesajes por eje anteriores) = 0,5 (ver Tabla A4.3) = 1,0 (ver Tabla A4.4) = 1,1 (ver Tabla A4.5)
ADE = 247 x 0.15 x 1.6 x 0.5 x 1.0 x 1.1 = 32.6 ESALs
Es decir, se tienen 33 ESALs diarios. Un análisis de sensibilidad fue realizado ante la ausencia de datos históricos, con el objetivo de evaluar el efecto del crecimiento del tráfico en la capacidad estructural del diseño. ADE (ESALs)
33
Período de diseño
15
Tasa de crecimiento (%) Factor de creciemiento (Tabla A4.6) Tráfico de Diseño (ESALs)
4
6
8
7601
9005
10703
250 833
297 165
353 199
El tráfico estimado de diseño en un período de diseño estructural de 15 años (o capacidad estructural) puede ser considerado dentro de la clase de tráfico T1 (Tabla A4.1) de 0,3 a 1,0 millón de ESALs.
A1.2.3.2 Inspección visual Se realizaron algunas observaciones claves a partir de la inspección visual: – El camino cruza un terreno levemente accidentado, a través de zonas de arbustos y tierras cultivadas. – Los drenes laterales se encuentran tapados con un material fino arcilloso, el cual ha sido lavado del camino de grava. – La superficie del camino de grava se encuentra en buen estado debido a un mantenimiento reciente.
158
Apéndice 1
A1.2.3.3
Agujeros de inspección / Calicatas
Para determinar el espesor de la superficie de rodado del camino de grava, se excavaron 11 agujeros de inspección (300 mm x 300 mm) que fueron excavados a intervalos de 500 metros en el espesor completo de la capa. Los agujeros se ubicaron en la línea de centro y a 1 metro de cada borde. La siguiente tabla presenta los resultados. Distancia (km)
Espesor de la superficie (mm) 1 m del borde izquierdo
Centro (eje)
1 m del borde derecho
0 + 100
110
175
116
0 + 500
122
164
127
1 + 000
121
148
158
1 + 500
151
154
118
2 + 000
149
138
131
2 + 500
116
145
133
3 + 000
119
154
152
3 + 500
111
180
121
4 + 000
148
164
145
4 + 500
124
167
129
5 + 000
142
169
139
Promedio
128
160
134
Además, se excavaron 3 calicatas para determinar la estructura de pavimento y la calidad del material. Muestras de los materiales de cada capa se extrajeron para pruebas de laboratorio y pruebas de diseño de mezclas. El diagrama muestra un perfil de calicata típico, con una estructura de pavimento consistente en aproximadamente 150 mm de grava, sobre la subrasante compuesta por arenas y limos arcillosos de consistencia firme.
Fig. A1.9
Calicata
Capa de grava
Arcillas limosas
Los ensayos indicaron que el contenido de humedad in-situ de todos los materiales se encontraban consistentemente bajo el contenido óptimo de humedad. El horizonte bajo los 75 mm de la capa de rodado de grava fue contaminado por el material limoso arcilloso subyacente, debido a que se encontró un alto porcentaje de material fino que pasa la malla de 200.
Apéndice 1
159
A1.2.3.4
Pruebas con Cono de Penetración Dinámico (DCP)
Las pruebas de cono de penetración dinámico se realizaron hasta una profundidad de 800 mm, a intervalos de 100 metros para estimar la resistencia de los materiales in-situ. Se utilizó el programa computacional “Analizador de DCP” para analizar los datos e identificar el percentil 20 en cada horizonte de 150 mm a una profundidad de 450 mm, más la subrasante subyacente, como se muestra a continuación. Módulo Resiliente
Profundidad bajo la superficie (mm)
In-Situ (MPa)
0 – 150
150 – 300
300 – 450
450 – 800
Percentil 20%
180
140
120
70
A1.2.3.5
Ensayos de laboratorio
Los resultados de laboratorio fueron realizados en muestras de materiales de la capa de rodado y de subrasante. Capa de rodado de grava Análisis granulométrico – Porcentaje que pasa
Indice de 4,75 2,36 1,18 0,600 0,300 0,150 0,075 Plasticidad
CBR @ 95%
Tamaño (mm)
19,0 12,5
Calicata 1
98,5 93,6 85,8 64,6 47,2 31,8 19,1 10,7
5,7
5
48
Calicata 2
99,0 91,1 83,7 68,4 50,3 39,2 29,6 20,1 12,7 10,4
7
65
Calicata 3
94,8 87,8 81,3 65,3 49,5 35,8 28,1 21,4 15,2 12,7
7
56
9,5
7,0
Subrasante Composición en porcentaje Propiedades
Límites de Atterberg Límite Límite Índice de Líquido Plástico Plasticidad
Grava
Arena
Limo
Arcilla
Calicata 1
3
23
25
49
34
18
16
Calicata 2
3
30
24
43
35
17
18
Calicata 3
3
12
38
47
32
15
17
A1.2.3.6
Resumen de resultados
El tráfico acumulado en los 15 años demandará 0,35 millones de ESALs. El espesor promedio de la capa de rodado de grava es de 160 mm en el centro, reduciéndose a 128 mm en el lado izquierdo y 134 mm en el derecho. El análisis de las pruebas realizadas con DCP indica que la resistencia de la subrasante in-situ se reduce con la profundidad. Esto fue confirmado por pruebas de laboratorio a partir de los materiales extraídos de las calicatas.
160
Apéndice 1
A1.2.4
Objetivos del mejoramiento de estándares del pavimento
A1.2.4.1
Factores que determinan las opciones de diseño
El tráfico de diseño no justifica el uso de una superficie tipo concreto asfáltico. Los tratamientos superficiales son más económicos y más apropiados para este tipo de proyectos. El pavimento existente tiene una calidad de subrasante relativamente pobre, que también requerirá reforzamiento y/o protección mediante el aumento en el espesor de la estructura que se encuentra sobre esta. La capa de rodado de grava está compuesta por materiales de buena calidad. Estos pueden estabilizarse para mejorar sus características de resistencia y reducir la susceptibilidad a la humedad. Además, un tratamiento entregará protección a las capas subyacentes. Por la sección del camino en estudio transitan aproximadamente 250 vehículos por día. Por lo tanto, es necesario contar con acomodaciones de tráfico mientras el camino se encuentre en construcción. Luego, los métodos que puedan ser aplicados en la mitad del ancho del camino serán preferidos antes que construir desvíos de corta duración.
A1.2.4.2
Opciones de mejoramiento de estándar del pavimento
Se consideraron dos alternativas para el diseño de una estructura de pavimento adecuada para el proyecto: – Una solución convencional, utilizando catálogos estandarizados a partir de materiales granulares – Mediante una solución utilizando reciclado, donde se obtendría un beneficio mayor a partir de los materiales del pavimento existente. Dos alternativas de diseño de reciclado fueron consideradas: la primera basada en el catálogo de diseño, utilizando un agente estabilizador cementante, y la segunda utilizando Números Estructurales y una combinación de agentes estabilizadores cementantes y bituminosos.
A1.2.5
Opciones convencionales
Existen numerosas recomendaciones de diseño empíricas que pueden ser utilizadas para mejorar el estándar de caminos de grava. Por ejemplo, la publicación sudafricana “TRH 4, Diseño Estructural para Pavimentos Flexibles” incluye catálogos que contienen estructuras de pavimentos estándar para varias clases de tráfico y categorías de caminos. Para un proyecto con una clase de tráfico T1 (0,3 a 1,0 millones de ESALs), considerando una categoría de camino C (confiabilidad del 80%), utilizando materiales granulares en un medioambiente definido como “húmedo”, sobre una subrasante de CBR 3% (al 93% de su Densidad Máxima Seca) el catalogo recomienda la estructura de pavimento presentada en el diagrama siguiente. Fig. A1.10 Estructura de pavimento, opción tradicional Doble tratamiento superficial 150 mm
Base granular chancada
150 mm
Subbase granular CBR > 45% al 95% DMCS
150 mm
Subrasante superior seleccionada CBR > 15% al 93% DMCS
150 mm
Subrasante inferior selccionada CBR > 7% al 93% DMCS
Las pruebas con DCP indican que el material de subrasante subyacente es adecuado en términos de capacidades de soporte, siempre y cuando los drenes laterales sean despejados para prevenir la saturación del pavimento.
Apéndice 1
161
Pruebas de laboratorio indican que el CBR del material que compone la carpeta de rodado de grava cumple con los requerimientos para subbase. Sin embargo, agujeros de inspección corroboraron que la capa de material existente en el ancho completo es menor a los 150 mm requeridos (ver Sección A1.2.3.3). Por lo tanto, deberá ser importado y mezclado material adicional con la grava existente. Basándose en los espesores del material existente al lado izquierdo, se estima que un 15% (del volumen de la capa) adicional de material deberá ser importado. Una vez que la nueva subbase se complete, puede ser llevado a terreno el material de piedra chancada graduada y construirse la nueva base, la cual deberá ser imprimada. Finalmente se deberá aplicar un doble tratamiento superficial. Este tipo de construcción con nuevas capas no permite que el tráfico sea acomodado en las mitades de ancho, y por lo tanto se requiere de desvíos. Esto significa que deberá construirse un camino temporal con grava, adyacente al trazado existente.
A1.2.6
Opciones de reciclado
Se consideran dos opciones para reutilizar el material del pavimento existente.
A1.2.6.1
Reciclar la superficie de rodado como una nueva subbase
Esta opción también sigue un diseño de catálogo, la cual permite que la capa de rodado existente sea reciclada con cemento para obtener una nueva subbase estabilizada. Para un proyecto con una clase de tráfico T1 (0,3 a 1,0 millones de ESALs) en un camino de categoría C (confiabilidad del 80%), utilizando una base granular sobre una subbase estabilizada con cemento, la cual tiene como capa subyacente la subrasante de CBR 3% (al 93% de su Densidad Máxima Seca), el catalogo recomienda la estructura de pavimento presentada en el diagrama siguiente. Fig. A1.11
Estructura de pavimento, de acuerdo a guía TRH 4 Doble tratamiento superficial 125 mm
Base granular chancada
150 mm
Base estabilizada con cemento, 0,75 MPa > UCS > 1,5 MPa (Reciclada a partir de la carpeta granular existente)
150 mm
Subrasante superior seleccionada CBR > 15% al 93% DMCS
150 mm
Subrasante inferior selccionada CBR > 7% al 93% DMCS
Será necesario contar con diseños de mezclas para determinar el porcentaje de aplicación del cemento, con el objetivo de conocer las propiedades de resistencia mínimas. La preparación de muestras para los diseños de mezclas deberán incluir una proporción del la parte superior de la subrasante debido a que no existe espesor suficiente de la capa de rodado para conformar la capa reciclada de 150 mm de espesor. Tan pronto como la subbase sea finalizada, se puede importar a terreno el material granular chancado graduado y luego ser repartido en la superficie para facilitar el curado de la subbase. Posteriormente, la nueva base puede ser construida, imprimada y es posible aplicar el doble tratamiento superficial.
162
Apéndice 1
En forma similar a la opción convencional, este tipo de construcción con capas nuevas no permite la acomodación de tráfico en la mitad del ancho del camino, haciendo necesaria la habilitación de desvíos. Esto significa que un camino temporal de grava deberá ser construido en forma adyacente al trazado existente.
A1.2.6.2
Reciclado en dos etapas in-situ
Esta opción recicla la grava existente en la superficie de rodado y una parte del material subyacente de subrasante. Esto se puede lograr realizando dos aplicaciones de agentes estabilizadores, en dos operaciones distintas. La primera ventaja de esta solución es que permite la modificación de los materiales insitu, que se encuentran entre 200 mm a 300 mm de profundidad, con el objetivo de obtener una subbase adecuada para la base estabilizada con asfalto espumado. Dentro de las 24 horas siguientes, la capa superior, entre 100mm a 150 mm, se estabiliza con asfalto espumado para obtener una base adecuada y flexible. El método del Número Estructural fue aplicado, utilizando coeficientes estructurales estimados para determinar el espesor requerido de las capas de subbase y base (ver Apéndice 3 para las recomendaciones del uso de este método en el diseño de capas estabilizadas con asfalto espumado). El programa computacional de análisis de pavimentos Winpas fue utilizado para determinar el Número Estructural requerido (SNreq). Los parámetros de entrada incluyeron el requerimiento de capacidad estructural de 0,35 millones de ESALs y una capacidad de soporte efectiva de subrasante de 70 MPa. Los cálculos entregaron un Número Estructural Requerido de SNreq = 2,55. Coeficiente Estructural Capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de capat (cm)
ai x di x t
Reciclado Espumado
0,095
1,0
12,5
1,19
Subbase modificada con cal
0,079
1,0
17,5
1,38
Tipo de Capa Superficie Asfáltica
SNact = Σ ai x di x t = 2,57
Para obtener la estructura utilizando el reciclado en dos etapas, se debe reciclar primero a una profundidad de 300 mm. El proceso se muestra en el diagrama siguiente.
Fig. A1.12
Proceso de reciclado in-situ en 2 etapas
Etapa 1: Reciclado profundo con cal
Etapa 2: Segundo recicladocling con asfalto espumado
Reciclado a 300 mm con cal hidratada
Tratamiento superficial doble
Segundo reciclado de 125 mm con asfalto espumado
Subrasante in-situ existente
Apéndice 1
163
Es necesario realizar el diseño de mezclas para determinar los porcentajes de aplicación de cal y asfalto espumado, y luego definir los parámetros de resistencia después de la estabilización. Estos valores son utilizados para verificar los coeficientes estructurales de cada capa que fueron asumidos inicialmente. Esto último se aplica en caso de que sea necesario afinar algunos valores y recalcular un nuevo Número Estructural Real para el pavimento. Una vez que la base reciclada se ha completado, el doble tratamiento superficial puede ser aplicado. No es necesario imprimar la base estabilizada con asfalto espumado. Esta alternativa de construcción permitirá que el tráfico sea acomodado en la mitad del ancho del camino, haciendo innecesarias instalaciones para desvíos. Incluso, debido a que las nuevas capas superiores de pavimentos se obtendrán mediante el reciclado, no habrá un aumento en las cotas finales de superficie.
A1.2.7
Diseño de mezclas
Se realizaron diseños de mezclas con el objetivo de determinar la cantidad óptima de agente estabilizador y las resistencias de materiales para: – Estabilización con cemento para la nueva subbase requerida en la Sección A1.2.6.1 – Modificación con cal en la capa reciclada de 300 mm, seguido de una aplicación con asfalto espumado en los 125 mm superiores descritos en la Sección A1.2.6.2.
A1.2.7.1
Diseño de mezclas de la estabilización con cemento
Los materiales de la capa de rodado de grava y la subrasante fueron mezclados en una proporción 6:1 respectivamente, con el objetivo de simular el peor escenario (el lado izquierdo) para el reciclado, a una profundidad de 150 mm del pavimento existente. Este material fue sometido al procedimiento de diseño de mezclas para la estabilización con cemento descrito en el Apéndice 2. El cemento Portland ordinario fue utilizado en el diseño de mezclas y las resistencias objetivo fueron: – Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS) > 200 kPa – Resistencia a la Compresión No Confinada (UCS) mayor a 750 kPa, pero menor a 1.500 kPa Los resultados se muestran en la tabla siguiente. Porcentaje de cemento añadido
2.0
3.0
4.0
5.0
Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS) (kPa)
175
230
273
303
Resistencia a la Compresión No Confinada (UCS) (kPa)
820
1510
2140
2400
6
SP
NP
NP
IP después de la estabilización
Estos resultados indican que para una aplicación de 3% en peso se obtendrá la resistencia mínima de ITS, mientras que el UCS cae marginalmente sobre el límite superior.
164
Apéndice 1
A1.2.7.2
Diseño de modificación con cal
Se mezclaron muestras de la superficie con grava y la subbase subyacente en una proporción 45:55 respectivamente, para simular el peor escenario de reciclado, a una profundidad de 300 mm (lado izquierdo). Se utilizó cal hidratada para el diseño de mezclas, y las resistencias objetivo fueron: – Indice de Plasticidad ≤ 6 – Resistencia a la Compresión No Confinada (UCS) mayor a 500 kPa, pero menor a 750 kPa. Los resultados se muestran en la tabla siguiente. Porcentaje de cal añadida
1,0
1,5
2,0
2,5
Resistencia a la Compresión No Confinada (UCS) (kPa)
201
540
690
1200
IP después de la estabilización
10
7
SP (< 4)
NP
Estos resultados indican que es necesario aplicar una tasa de del 2% en peso para la modificación requerida.
A1.2.7.3
Diseño de mezclas con asfalto espumado
La mezcla de material utilizado en el diseño de mezclas con asfalto espumado fue el mismo que el utilizado en el diseño de la modificación con cal debido a que el material es el mismo. Se prepararon muestras, mezcladas con el 2% de cal, y después de 24 horas se les aplicó el asfalto espumado. El procedimiento de diseño de mezclas se realizó de acuerdo al método descrito en el Apéndice 2, utilizando especimenes de 100 mm de diámetro y compactación Marshall. Los resultados se muestran en la tabla a continuación. Asfalto espumado adicionado
2,0
2,5
3,0
3,5
Material tratado con 2% de cal 24 horas antes de añadirse el asfalto espumado
Filler activo Densidad Bulk (kg/m3)
2010
2019
2025
2012
ITS seco (kPa) 239
259
273
262
ITS saturado (kPa)
139
161
188
191
TSR (Resistencia a la Tracción Retenida, %)
58
62
69
73
El contenido con asfalto espumado óptimo es de 3,0%. Respecto a la Figura A3.2 en el Apéndice 3, el resultado de ITS seco indica que se obtendrá una rigidez inicial de 1.300 MPa después de la construcción, con un coeficiente estructural respectivo de 0,24 por pulgada o 0,095 por centímetro de capa. El valor TSR para este contenido de asfalto supera el 60%, el valor mínimo aceptable para las condiciones de lluvia y drenaje del proyecto. Por lo tanto, se confirman las hipótesis asumidas en el cálculo del Número Estructural.
Apéndice 1
165
A1.2.8
Análisis económico
A1.2.8.1
Costos de construcción
Los costos de construcción estimados para las distintas opciones de mejoramiento de estándar en Euros/m2, se presentan en detalle en el Apéndice 7 y se resumen a continuación. Los costos de construcción por kilómetro se asumen constantes para los 7.000 m2 de pavimento por kilómetro. Estos son sólo costos de construcción y excluyen instalación de faenas, duración del proyecto, instalaciones para las acomodaciones de tráfico y otros trabajos complementarios. Opción de Rehabilitación
Costos de Construcción en (e) Por m2
Por Kilómetro
1
Pavimento convencional utilizando material granular
11,99
83.930
2
Base chancada sobre una subbase estabilizada con cemento
12,55
87.850
3
Reciclado en dos etapas
10,51
73.570
Las opciones 1 y 2 incluyen la construcción de una base chancada, solución que requiere desvíos temporales de tráfico. El costo de construir estos desvíos se estima en 20.000 Euros por kilómetro. Este requerimiento no es necesario para el reciclado en dos etapas, ya que el tráfico puede ser acomodado en mitades del ancho del camino. Además, el tiempo requerido para la construcción debería ser del orden de un 20% menor en comparación con las opciones 1 y 2 para el reciclado en dos etapas. Esto se debe principalmente a que hay menos actividades incorporadas en este proceso.
A1.2.8.2
Medidas de mantenimiento
Las bases machacadas o chancadas deben ser protegidas del ingreso de agua y por lo tanto requieren un sellado en intervalos regulares, normalmente entre 5 a 7 años. Sin embargo, las bases estabilizadas con asfalto en general son más resistentes a la humedad y no son propensas al agrietamiento. La acción de mantenimiento para esta alternativa es un sello después de 10 años. Por lo tanto, el valor presente de la alternativa de reciclado in-situ en dos etapas es significativamente menor que las otras opciones.
A1.2.9
Recomendaciones para el mejoramiento de estándar
Se recomienda la alternativa de reciclado en dos etapas para mejorar los estándares del camino de grava existente. Además de los beneficios en los costos directos, esta opción reutiliza el material de las capas superiores del pavimento, reduciendo la necesidad de importar material y el consecuente efecto negativo que esto tiene en el medioambiente. A pesar de que las tres alternativas de diseño son adecuadas en términos de la capacidad estructural (utilizando métodos empíricos), la resiliencia de la base estabilizada con asfalto espumado en términos de tolerar las sobrecargas de tránsito es una de las características que posiciona esta opción sobre las otras. Incluso, la alternativa de reciclado en dos etapas mejora la resistencia y durabilidad de materiales relativamente pobres que se encuentran tanto en la parte superior como a mayor profundidad. Basado en estas observaciones, el reciclado in-stiu en dos etapas debe ser recomendado como solución de rehabilitación. La secuencia de construcción prevista es: – Reciclado de 300 mm del pavimento existente en mitades de ancho, aplicando un 2% de cal. Perfilar y compactar a una densidad objetivo y abrir al tráfico cuando se finalice esta etapa – Dentro de las siguientes 24 horas, volver a reciclar los 125 mm superiores de la capa modificada con el 3% de asfalto espumado. Perfilar, compactar a una densidad objetivo y abrir al tráfico cuando se complete – Dentro de los 7 días siguientes, barrer cualquier pérdida de material y aplicar el doble tratamiento superficial.
166
Apéndice 1
A1.3
Sustituir el RAP estabilizado con asfalto espumado por una base asfáltica en caliente
El procedimiento de diseño descrito en este ejemplo corresponde al uso de RAP estabilizado con asfalto espumado como un sustituto del recapado con mezcla asfáltica tradicional en caliente (Hot Mix Asphalt, HMA). Los acopios de RAP se han transformando en un problema medioambiental importante en muchos países, generado una presión creciente en la población, lo que ha llevado a las autoridades a buscar un uso alternativo de estos materiales. Algunas autoridades permiten reciclar un pequeño porcentaje del RAP en sus mezclas de bases asfálticas, pero esta práctica no ha tenido un efecto significativo en el tamaño de los acopios.
A1.3.1
Descripción del proyecto
La sección de camino correspondiente a este proyecto es de aproximadamente un kilómetro de largo, y forma parte del acceso principal a un área residencial densamente poblada. Este sector del camino es una ruta importante de buses, y puede ser clasificada como Categoría A con una confiabilidad en el diseño del 95%. La sección transversal existente incluye dos pistas de 3,75 metros con bermas de 1,0 metro de ancho, las cuales presentan un tratamiento superficial. El clima es tibio a caluroso (tropical) con una precipitación media anual por sobre los 1.000 mm.
A1.3.2
Investigaciones realizadas
No existían mediciones de deflectometría previas en el camino, y el tamaño del proyecto no justifica el costo de contratar dicha inspección. Por lo tanto, el pavimento debe ser evaluado utilizando otros métodos descritos más adelante.
A1.3.2.1
Análisis de tráfico
Se realizó un conteo de tráfico. Éste clasificó a los vehículos en autos, vehículos comerciales y buses. El conteo se realizó entre las 07:00 hasta las 18:00, utilizándose un factor de 1,06 para convertir el conteo real a un conteo de 24 horas. Los resultados se presentan en la tabla siguiente. Composición de tráfico
Conteo Real
Estimación 24 horas
Número de autos
9352
9913
Número de vehículos comerciales
512
543
Número de buses
166
176
10030
10632
Número total de vehículos (AADT estimado)
ADE = AADT x fH x fE x fL x fG x fW
Donde:
Apéndice 1
AADT fH fE fL fG fW
= Tráfico medio diario anual = Porcentaje diario de vehículos pesados = Promedio de ESALs estimado por vehículo pesado = Factor de distribución de pista (Ver Tabla A4.3) = Factor de pendiente (ver Tabla A4.4) = Factor de distribución por pista (Ver Tabla A4.5)
167
Utilizando los siguientes valores en la ecuación se calcula el ADE: AADT fH fE fL fG fW
= 10.632 (del conteo de tráfico, ver tabla arriba) = (543+176)/10.632 = 6,8% (del conteo de tráfico, ver tabla arriba) = 1,5 (experiencia local – de estudios de pesajes por eje anteriores) = 0,5 (ver Tabla A4.3) = 1,0 (ver Tabla A4.4) = 1,1 (ver Tabla A4.5)
ADE = 10632 x 0.068 x 1.5 x 0.5 x 1.0 x 1.1 = 596 ESALs
Datos históricos indican que el crecimiento total del tráfico en los últimos 10 años fue aproximadamente de un 8%. Sin embargo, el crecimiento de los vehículos pesados fue significativamente menor a un 6%. Se realizó un análisis de sensibilidad para evaluar el efecto del crecimiento del tráfico en la capacidad estructural utilizada en el diseño. ADE (ESALs)
596
Período de diseño (años)
20
Tasa de crecimiento (%) Factor de creciemiento (Tabla A4.6) Tráfico de Diseño (ESALs)
4
6
8
11.304
14.232
18.039
6 737 184
8 482 272
10 749 456
El tráfico estimado de diseño en un período de diseño de 20 años (o capacidad estructural) puede asumirse dentro de la clase de tráfico T3 (Tabla A4.1) de 3 a 10 millones de ESALs.
A1.3.2.2
Inspección visual
Esta parte del camino presenta una pista por sentido, con una ancho pavimentado de aproximadamente 9,5 metros. La superficie existente es de asfalto. Existen soleras y drenes al costado del camino, casi en la longitud total de la sección, alternándose de un lado a otro de acuerdo al peralte observado.
Fig. A1.13
Capa superficial del camino existente
El asfalto de la superficie se encontraba envejecido. La textura de la superficie era rugosa, debido a la pérdida de agregados. El agrietamiento térmico era extensivo, excepto sobre las huellas de los neumáticos. La inspección general concluyó que esta sección del camino se encontraba en buen estado, sin deficiencias estructurales mayores.
A1.3.2.3
Investigación de calicatas
Se excavaron 3 calicatas a una profundidad de 0,9 metros, para definir las capas del pavimento existente, e identificar el tipo y condición de los materiales utilizados en la construcción original. Se enviaron al laboratorio muestras representativas de cada capa encontrada para realizar ensayos estándares de suelos (CBR, límites de Atterberg y granulometrías) y clasificar los materiales.
168
Apéndice 1
El pavimento estaba compuesto por dos capas de recapado asfáltico sobre una subbase granular. El espesor total del asfalto era variable entre los 125 mm y 160 mm. Se observó que las capas de asfalto en los lugares donde se axcavaron las calicatas se encontraban en buenas condiciones, sin evidencias de agrietamiento por fatiga.
Abb. A1.14 Calicata
La capa de subbase fue construida con material graduado chancado. El contenido de humedad del material de subbase era relativamente alto, aproximándose al contenido óptimo de humedad. La calidad del material chancado era deficiente, con un alto contenido de finos. La capa de subbase era de consistencia densa y pruebas con ácido clorhídrico y fenolftaleno no arrojaron evidencias de estabilizaciones realizadas con anterioridad. Las capas superiores seleccionadas de subrasante fueron construídas a partir de tillita húmeda y el material de subrasante subyacente estaba compuesto por un material similar con bolones de de 200 mm de diámtero. El material en la porción inferior de la subrasante se encuentra en estado húmedo. En general, estas capas presentaban una consistencia media a densa.
A1.3.2.4
Auscultación con Cono de Penetración Dinámico (DCP)
Ante la ausencia de medidas de deflexión, se realizaron pruebas adicionales con DCP (a intervalos de 100 metros en ambas huellas de neumáticos, en ambas pistas) para determinar las condiciones de capacidad de soporte. Las capas asfálticas son muy duras como para ser penetradas por el DCP. Por lo tanto, se utilizó un taladro de impacto para perforar el asfalto (de espesor medio de 150 mm), permitiendo al DCP iniciar la medición en la parte superior de la subbase hasta una profundidad estándar de 800 mm desde la superficie. Los datos de penetración registrados fueron analizados utilizando el programa computacional “Analizador de DCP” para calcular el CBR in-situ y el módulo elástico, a partir de la tasa de penetración. Un resumen del análisis de DCP se muestra en la siguiente tabla.
Promedio de Módulos (MPa)
CBR Promedio (%)
Distancia (m) desde el extremo Norte
150 – 300 mm (subbase)
300 – 800 mm (subbase)
150 – 300 mm (subbase)
300 – 800 mm (subbase)
100
761
301
227
85
200
416
153
126
38
300
239
176
65
45
400
265
170
74
43
500
318
157
91
39
600
635
270
195
75
700
140
222
34
59
800
535
215
170
57
900
270
68
75
14
1000
197
175
51
45
5 percentil (por dato)
166
106
42
25
Apéndice 1
169
A1.3.2.5
Resultados de ensayos de laboratorio
La calidad del material de subbase chancado parece haber disminuido con el tiempo. El índice de plasticidad (IP) incrementó a un valor promedio de 8 con una considerable disminución del CBR. El CBR promedio saturado, medido de tres muestras fue de un 52%, a un 95% de la compactación AASHTO T-180 modificada. Pruebas de laboratorio de la subrasante demostraron que el índice de plasticidad se encontraba entre 9 y 11. El porcentaje que pasó la malla de 0,075 mm superaba el 20%, y el CBR promedio saturado del material al 93% de la compactación AASHTO fue de 9%.
A1.3.3
Evaluación mecanicista del pavimento existente
La capacidad estructural del pavimento existente se evaluó en forma mecanicista lineal elástica, utilizando técnicas de modelación estándares. El espesor de cada capa se calculó a partir de las pruebas de DCP y las mediciones de las calicatas. Los módulos elásticos fueron estimados a partir de los resultados de CBR y análisis de DCP para las capas de subbase y subrasante, como se muestra en la siguiente tabla.
Capa
Profundidad des de la superficie (mm)
Vida remanente (en millones de ESALs) de cada capa de pavimento utilizando distintos módulos a partir de: CBR Laboratorio
DCP
Módulos (MPa
ESALs
Módulos (MPa
ESALs
Superficie CA
0 – 75
1000 Se asume
>1
1000 Se asume
>1
Base CA
75 – 150
2000 Se asume
0,23
2000 Se asume
0,40
Subbase
150 – 300
200
0,60
270
0,33
> 300
70
>1
68
>1
Subrasante
El análisis muestra que la vida remanente del pavimento existente corresponde a un rango entre 0,23 y 0,33 millones de ESALs, valor que se encuentra bajo la necesidad del refuerzo estructural requerido.
A1.3.4
Opciones de rehabilitación
La autoridad vial propuso recapar el pavimento existente con 140 mm de asfalto (100 mm como base, más 40 mm de capa superficial) para obtener los requerimientos de capacidad estructural. Verificando en forma mecanicista, una solución de ese tipo debería alcanzar una capacidad estructural de 10 millones de ESALs. Sin embargo, debido a que estaba disponible un gran acopio de RAP, más los beneficios económicos ofrecidos por la alternativa de reciclar, se consideró sustituir la base asfáltica con un material estabilizado con asfalto espumado.
A1.3.5
Diseño de mezclas con asfalto espumado
Se realizaron diseños de mezclas a partir de muestras tomadas del acopio de RAP. Los resultados fueron utilizados para determinar las tasas de aplicación del asfalto espumado y filler activo (cemento), para obtener las resistencias óptimas y para determinar las características de resistencia a considerar en el proceso de diseño estructural.
170
Apéndice 1
Las muestras se prepararon descartando la fracción superior en tamaño a 19 mm. Se utilizó un cemento asfáltico de penetración 80/100 obtenido de una refinería local para el diseño de mezclas. El asfalto espumado se produjo utilizando el laboratorio Wirtgen WLB10, con el objetivo de simular la espuma producida por la recicladora KMA 200 que debería ser utilizada en el proyecto. El diseño de mezclas se realizó siguiendo los procedimientos para especimenes de 100 mm de diámetro descritas en el Apéndice 2. Los resultados obtenidos se resumen en la siguiente tabla: Asfalto espumado añadido (%) Aditivo y Porcentaje
2,00 1 % cemento
2,25 1 % cemento
2,50 1 % cemento
ITS seco (kPa)
423
396
377
ITS saturado (kPa)
420
412
385
TSR (ITS retenido, %)
99
104
102
Los resultados indican que la tasa óptima de aplicación para el asfalto espumado es de un 2%. Se confeccionaron especimenes adicionales de 150 mm de diámetro con el porcentaje óptimo de asfalto espumado (2% de asfalto espumado y 1% de cemento) con una compactación AASHTO al 100%, curadas como se describe en el Apéndice 2. Los valores obtenidos de ITSequ y UCS fueron 175 kPa y 2.210 kPa respectivamente. Además, se realizaron ensayos triaxiales que entregaron valores de 400 kPa para la cohesión, y un ángulo de fricción interna de 35º.
A1.3.6
Diseño de pavimentos
En forma similar al procedimiento descrito anteriormente (sección A1.3.3 para calcular la vida remanente) se creó un modelo del pavimento existente aplicando un procedimiento de diseño mecanicista, incluyendo una capa de RAP estabilizada con asfalto espumado más una capa asfáltica superficial (referida al método de diseño incluida en la sección A3.3, en el Apéndice 3). Los parámetros de entrada se muestran en el diagrama siguiente. Las fórmulas presentadas en el Capítulo 4, sección 4.5.5.2 fueron utilizadas en forma preliminar para determinar el módulo resiliente del RAP estabilizado con asfalto espumado. Se asumieron distintos valores para el espesor de la capa estabilizada. El ejemplo siguiente corresponde a una capa con espesor de 135 mm:
Apéndice 1
Espesor de Capa (mm) 40 ”X“
Módulo Elásti- Estructura del Pavimento co (MPa) 2500 Fase 1 – 1841 Fase 2 – 1010
Superficie asfáltica RAP estabilizado con asfalto espumado
150
1000
Asfalto existente
150
200
Subbase existente
∞
70
Subrasante existente
171
Paso 1: Determinación del módulo resilitente para la modelación Utilizando la ecuación 4.3 para la fase 1, o fase de asentamiento: MRFase 1 = (3950 x log (ITSequ) – 7000) x TSR x Fdrenaje Utilizando ITSequ = 175 kPa, TSR = 0.99 y Fdrenaje = 1.0 se obtiene MRFase 1 = 1841 MPa Utilizando la ecuación 4.4 para la Fase 2, o fase de estado permanente: MRFase 2 =
MRFase 1 x TSR (0.5 x UCSequ) + 0.7
Utilizando MRFase 1 = 1841 MPa, TSR = 0.99 y UCSequ = 2.21 MPa se obtiene MRFase 2 = 1010 MPa Paso 2: Determinación de la capacidad estructural en la Fase 1 Utilizando MRFase 1 = 1.841 MPa, el pavimento fue modelado y se calculó la deformación unitaria en la base del RAP estabilizado con asfalto espumado. El valor fue de ε = 94. Utilizando la fórmula del TG2: NF,FB = 10
[c – 0.708 (ε/εb )]
[ESALs]
Considerando ε = 94, εb = 172 (Tabla B.3 del TG2) y c = 6.339 ((Camino de categoría A)
NF,FB = 0.9 x 106 ESALs Step 3: Determinación de la capacidad estructural en la Fase 2 Utilizando MRFase 2 = 1.010 MPa en el modelo, las tensiones principales a 3/4 de profundidad de la capa estabilizada con asfalto espumado (entre las ruedas) fueron determinadas como σ1= 251 und σ3 = – 52 kPa. [k + 11.938 RD + 0.0726 PS – 1.628 SR + 0.68 (cem/bit)]
Utilizando la formula del TG2: NPD,FB = 1/30 x 10 Considerando c = 400 kPa y φ = 35º (ensayo tri-axial) y σ1 = 251 und σ3 = – 52 kPa (modelo para calcular la razón de tensiones SR, stress ratio), k = -2.047 (camino de categoría A), RD = 80 %, PS = 14.4 % (18 mm de ahuellamiento a 125 mm de espesor) y cem/bit = 0.5 (1 % cemento y 2 % asfalto espumado)
NPD,FB = 11.6 x 106 ESALs Combinando las dos fases, se obtiene una capacidad estructural de 12,5 x 106 ESALs.
172
Apéndice 1
A1.3.7
Evaluación económica
Los costos de construcción estimados para las opciones de recapado asfáltico y asfalto espumado se muestran en detalle en el Apéndice 7, y se resumen a continuación. Los costos de construcción por kilómetro asumen un ancho de camino de 9,5 metros (o 9.500 m2 por kilómetro).
Opción de rehabilitación
Costos de construcción en Euros (e) Por metro cuadrado
Por kilómetro
1 Recapado asfáltico convencional
25,72
244.340
2 RAP estabilizado con asfalto espumado más capa asfáltica
13,83
131.385
El ahorro en costos que significa utilizar el RAP estabilizado con asfalto espumado en lugar de una base de mezcla asfáltica en caliente en la rehabilitación es del orden del 45 %. Otros costos asociados con el comportamiento a largo plazo de ambas soluciones son similares bajo condiciones normales. Sin embargo, debe considerarse que el RAP estabilizado con asfalto espumado no es un material sensible a la temperatura, a diferencia de la mezcla tradicional. Esto hace que el RAP estabilizado con asfalto espumado sea un producto altamente atractivo en proyectos donde las temperaturas son altas, particularmente en regiones tropicales y zonas desérticas.
Apéndice 1
173
174
Apéndice 2 Procedimiento de diseño de mezclas para materiales estabilizados A2.1
Muestreo y Preparación A2.1.1 Muestreo en Terreno A2.1.2 Preparación de Muestras para el Procedimiento de Diseño de Mezclas A2.1.2.1 Ensayos Estándar de Suelo A2.1.2.2 Mezclado de la Muestra A2.1.2.3 Proporción Representativa A2.1.2.4 Cantidades de Muestra A2.1.2.5 Contenido de Humedad Higroscópico
A2.2
Procedimiento de Diseño de Mezclas para Materiales Estabilizados con Cemento A2.2.1 Determinación del Contenido Óptimo de Humedad (Optimum Moisture Content, OMC) y la Densidad Seca Máxima (Maximum Dry Density, MDD) del Material Estabilizado con Cemento A2.2.2 Fabricación de Probetas Estabilizadas con Cemento para Ensayos de Resistencia (Resistencia a la Compresión no Confinada y Resistencia a la Tracción Indirecta) A2.2.3 Curado de Probetas Estabilizadas con Cemento A2.2.4 Determinación del Contenido Optimo de Estabilizador
A2.3
Procedimiento de Diseño de Mezclas para Materiales Estabilizados con Asfalto A2.3.1 Exigencias del Filler Activo A2.3.2 Determinación del Contenido Optimo de Fluido (Optimum Fluid Content, OFC) y la Densidad Seca Máxima (MDD) para el material tratado A2.3.3 Preparación del Material Estabilizado con Asfalto A2.3.3.1 Preparación de materiales estabilizados con emulsión asfáltica A2.3.3.2 Preparación de Materiales Estabilizados con Asfalto Espumado A2.3.3.2.1 Determinación de las Propiedades de Espumación del Asfalto A2.3.3.2.2 Preparación de Muestras para Tratamientos con Asfalto Espumado A2.3.4 Fabricación de probetas de 100 mm de diámetro A2.3.4.1 Compactación (Método Marshall) A2.3.4.2 Procedimiento de Curado A2.3.4.3 Determinación de la Densidad Bruta A2.3.5 Determinación del Contenido Optimo de Asfalto para Materiales Estabilizados con Asfalto A2.3.6 Fabricación de probetas de 150 mm de diámetro A2.3.6.1 Compactación (Método AASHTO T-180 Modificado) A2.3.6.2 Procedimiento de Curado A2.3.7 Determinación de la Resistencia de los Materiales Estabilizados con Asfalto
A2.4
Procedimientos de Ensayo de Resistencia A2.4.1 Determinación de la Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS) A2.4.2 Determinación de la Resistencia a la Compresión No Confinada A2.4.3 Determinación de la Densidad Seca
A2.5
Determinación de las Propiedades de Corte de los Materiales Estabilizados con Asfalto A2.5.1 Fabricación de probetas para ensayo tri-axial A2.5.2 Ensayo Tri-axial Estático
A2.6
Equipos de Laboratorio Requeridos
175
176
A2.1
Muestreo y Preparación
A2.1.1
Muestreo en Terreno
Las muestras son obtenidas durante las investigaciones en terreno y la excavación de calicatas. Cada una de las capas superficiales del pavimento (±300 mm) deben ser muestreadas separadamente, recuperando al menos 150 kg de material de cada capa, el cual probablemente se utilizará en algún procedimiento de diseño de mezcla.
A2.1.2
Preparación de Muestras para el Procedimiento de Diseño de Mezclas
A2.1.2.1
Ensayos Estándar de Suelo
Determinar la granulometría (ASTM D 422) y el índice de plasticidad (ASTM D 4318) del material muestreado de cada capa en forma individual.
A2.1.2.2
Mezclado de la Muestra
En caso de ser necesario, mezclar el material muestreado de las diferentes capas para obtener una mezcla combinada que sea representativa del material reciclado a profundidad total. La densidad in-situ de los componentes debe ser considerada cuando los materiales están mezclados, como se muestra más adelante en el ejemplo. Repetir los ensayos descritos en A2.1.2.1 para determinar la granulometría y el índice de plasticidad de la muestra mezclada. Estructura superior del pavimento existente 60 mm Asfalto (densidad in-situ 2.300 kg/m3) Profundidad de reciclado 200 mm =
200 mm Grava (densidad in-situ 2.000 kg/m3)
60 mm Asfalto + 140 mm Grava
Los materiales son mezclados en proporción al espesor de las capas y a la densidad del material in-situ: Material
Por metro cuadrado (kg)
Proporción en peso (%)
Por 10 kg de muestra (g)
Asfalto (60 mm en 2.300 kg/m3)
0,06 x 2.300 = 138
138/418 = 0,33
0,33 x 10.000 = 3.300
Grava (140 mm en 2.000 kg/m )
0,14 x 2.000 = 280
280/418 = 0,67
0,67 x 10.000 = 6.700
Total
418
1,00
10.000
3
A2.1.2.3
Proporción Representativa
Separar el material en muestras representativas dentro de las siguientes cuatro fracciones: i. ii. iii. iv.
Apéndice 2
Retenido en el tamiz de 19,0 mm Que pase el tamiz de 19,0 mm, pero queda retenido en el tamiz de 13,2 mm Que pase el tamiz de 13,2 mm, pero queda retenido en el tamiz de 4,75 mm Que pase el tamiz de 4,75 mm
177
Reconstituir muestras representativas conforme a la granulometría (determinada en A2.1.2.2) sobre la porción que pasa el tamiz de 19,0 mm. Sustituir la porción retenida en el tamiz de 19,0 mm con el material que pasa el tamiz de 19,0 mm, pero es retenido en el tamiz de 13,2 mm. Este procedimiento es explicado en la tabla siguiente: Análisis por Tamiz
Cantidad de Material a ser incluido en una muestra de 10 kg
Tamaño Tamiz (mm)
% que pasa
Pasa 4,75 mm
19,0
90,5
(53,6/100 x
((72,3 – 53,6)/100 x
((100 – 72,3)/100 x
13,2
72,3
10000)
10000)
10000)
53,6
= 5.360 g
= 1.870 g
= 2.770 g
4,75
Pasa Retenido
13.20 mm Pasa 4.75 mm Retenido
19.0 mm 13.2 mm
Si el material es insuficiente (por ejemplo, el que pasa el tamiz de 19,0 mm pero queda retenido en el tamiz de 13,2 mm) para sustituir el retenido en el tamiz de 19,0 mm, entonces triturar ligeramente el material retenido en el tamiz de 19,0 mm para proporcionar más de esta fracción.
A2.1.2.4
Cantidades de Muestra
Las cantidades de material requerido para los ensayos de la Tabla A2.1 deberían ser utilizadas como guía: Tabla A2.1: Cantidades de Muestras Ensayo
Cantidad de Muestra Requerida
Proctor Modificado, AASHTO T180
5 x 7 kg
Resistencia a la Tracción Indirecta (diam.150 mm)
20 kg por contenido de estabilizador
Resistencia a la Compresión no Confinada (diam.150 mm)
20 kg por contenido de estabilizador
Diseño de Estabilización con Asfalto (probetas Marshall)
Mín.10 kg por contenido de estabilizador
Contenido de Humedad
Aproximadamente 1 kg
A2.1.2.5 Contenido de Humedad Higroscópico Para determinar el contenido de humedad higroscópico (secado al aire) del material se utilizan dos muestras representativas de 1 kg aproximadamente, secadas al aire. (Nota: se requerirá muestras de mayor tamaño cuanto más grueso sea el agregado). Las muestras secadas al aire se pesan, con aproximación a 0,1 g, y luego se colocan en un horno a una temperatura entre 105 ºC y 110 ºC hasta alcanzar masa constante. El contenido de humedad higroscópico es la pérdida de masa expresada como un porcentaje de la masa seca de la muestra
178
Apéndice 2
A2.2
Procedimiento de Diseño de Mezclas para Materiales Estabilizados con Cemento
A2.2.1
Determinación del Contenido Óptimo de Humedad (Optimum Moisture Content, OMC) y la Densidad Seca Máxima (Maximum Dry Density, MDD) del Material Estabilizado con Cemento
PASO 1
Pesar la masa requerida de agente estabilizador para cada una de las cinco muestras de 7 kg preparadas como se describe en la Sección A2.1.2. La cantidad requerida de agente estabilizador (expresado como un porcentaje de la masa de la muestra) debiera estar cercana al contenido óptimo esperado para el material a ser tratado. En ausencia de ensayos previos, se pueden usar como pauta las siguientes cantidades: Capas de Subbase
2% para material grueso (> 50% retenido en el tamiz de 4,75 mm) 3% para material fino (< 50% retenido en el tamiz de 4,75 mm)
Capas de Base
4% para material grueso (> 50% retenido en el tamiz de 4,75 mm) 6% para material fino (< 50% retenido en el tamiz de 4,75 mm)
PASO 2
Añadir al agente estabilizador al material original y mezclar inmediatamente antes de agregar el agua. Para simular las condiciones de terreno, postergar la compactación del material estabilizado por una hora después de mezclar el material con el agente estabilizador y agua. El material mezclado es colocado en un contenedor hermético para prevenir la pérdida de humedad y es mezclado a fondo cada quince minutos.
PASO 3
Determinar el OMC y la MDD del material estabilizado conforme al procedimiento de ensayo de relación humedad-densidad modificada (AASHTO T-180).
A2.2.2
Fabricación de Probetas Estabilizadas con Cemento para Ensayos de Resistencia (Resistencia a la Compresión no Confinada y Resistencia a la Tracción Indirecta)
PASO 1
Colocar 20 kg de muestra, preparada como se describe en la Sección A2.1.2, dentro del contenedor mezclador indicado.
PASO 2
Determinar la masa seca de la muestra usando la ecuación A2.1:
Msample = Mair-dry / (1 + (Wair-dry / 100))
[Ecuación A2.1]
Donde:
Msample = masa seca de la muestra Mair-dry = masa seca al aire de la muestra Wair-dry = contenido de humedad de la muestra seca al aire
[g] [g] [%]
PASO 3
Determinar la cantidad requerida de agente estabilizador usando la ecuación:
Mcement = (Cadd / 100) x Msample
Donde:
Apéndice 2
Mcement = masa de cal o cemento requerido Cadd = porcentaje de cal o cemento requerido Msample = masa seca de la muestra
[Ecuación A2.2]
[g] [%] [g]
179
PASO 4
Determinar el porcentaje de agua a ser agregada para lograr un mezclado óptimo usando la ecuación A2.3. Luego determinar la masa de agua a ser agregada a la muestra usando la ecuación A2.4:
= = = = = =
Wadd = WOMC – Wair-dry
[Ecuación A2.3]
Mwater = (Wadd / 100) x (Msample + Mcement)
[Ecuación A2.4]
Donde:
Wadd WOMC Wair-dry Mwater Msample Mcement
agua agregada a la muestra contenido de humedad óptimo contenido de humedad de la muestra seca al aire masa de agua agregada masa seca de la muestra masa de cal o cemento requerido
[%] [%] [%] [g] [g] [g]
PASO 5
Mezclar el material, cemento y agua hasta que esté uniforme. Deje descansar el material por una hora mezclándolo ocasionalmente (como se describe en Sección A2.2.1) antes de compactar tres probetas de 150 mm de diámetro usando el método de compactación AASHTO modificado. (Nota: se elaboran tres probetas de 150 mm de diámetro por cada ensayo ITS o UCS).
PASO 6
Las muestras son tomadas durante el proceso de compactación para determinar su contenido de humedad.
PASO 7– 9
Repetir los pasos anteriores para un mínimo de tres contenidos diferentes de estabilizador.
PASO 10
Desmoldar las probetas desmontando el molde partido o, si se usan moldes comunes, sacando las probetas cuidadosamente con un gato extrusor, evitando la distorsión a las probetas compactadas.
PASO 11
Registrar la masa y el volumen de cada probeta y determine la densidad seca utilizando la ecuación A2.5:
DD = (Mbriq / Vol) x (100 / (Wmould + 100)) x 1000
wobei:
DD Mbriq Vol Wmould
Nota:
Con ciertos materiales que carecen de cohesión, puede ser necesario dejar las probetas en el molde durante 24 horas para que desarrollen su resistencia antes de extraerlas. Cuando esto ocurre, las probetas sin desmoldar deberían ser mantenidas en un cuarto de curado, o cubiertas con un paño húmedo (arpillera).
180
= = = =
densidad seca masa de la probeta volumen de la probeta contenido de humedad de la probeta
[Ecuación A2.5]
[kg/m3] [g] [cm3] [%]
Apéndice 2
A2.2.3
Curado de Probetas Estabilizadas con Cemento
Curar las probetas durante siete días a una humedad relativa del 95 % al 100 %, y a una temperatura de 20 a 25 ºC, en un cuarto de curado adecuado, o en bolsas plásticas selladas para conservar su humedad. Una alternativa al método de curado es colocar las probetas en bolsas plásticas selladas y curar en horno a una temperatura de: 70 a 75 ºC 60 a 62 ºC
por 24 horas para cemento; o por 45 horas para cal.
Después del período de curado, sacar las probetas del cuarto de curado (o bolsas plásticas) y dejar enfriar a temperatura ambiente, si fuera necesario. Las probetas para el ensayo de resistencia a la compresión no confinada (UCS) deben ser sumergidas en agua a una temperatura de 22 ºC a 25 ºC durante cuatro horas antes de ser ensayadas.
A2.2.4
Determinación del Contenido Optimo de Estabilizador
Las probetas son ensayadas por resistencia a la compresión no confinada y resistencia a la tracción indirecta como se describe en la Sección A2.4. Las resistencias ITS y UCS alcanzadas son graficadas para cada porcentaje de agente estabilizador agregado usando el promedio UCS o ITS de tres probetas para cada contenido de estabilizador, e ignorando cualquier resultado incorrecto que pueda haber sido causado por algún daño a la probeta antes del ensayo. La razón de aplicación requerida de agente estabilizador es aquel porcentaje al cual se alcanzan los criterios mínimos requeridos.
A2.3
Procedimiento de Diseño de Mezclas para Materiales Estabilizados con Asfalto
A2.3.1
Exigencias del Filler Activo
La estabilización con asfalto es realizada normalmente en combinación con una pequeña cantidad de filler activo (cemento o cal hidratada). Las siguientes tasas de aplicación de cal hidratada o cemento deben ser usadas como guía: Índice de Plasticidad: < 10
Índice de Plasticidad: 10 - 16
Índice de Plasticidad: > 16
Agregar 1% Cemento Pórtland
Agregar 1% de Cal Hidratada
Tratar previamente con 2% de Cal Hidratada
El tratamiento previo requiere que la cal y el agua sean añadidas al menos 4 horas antes de agregar la emulsión asfáltica o el asfalto espumado. El material tratado debe ser colocado en un contenedor hermético para conservar la humedad. Sin embargo, debido al proceso de hidratación, siempre se debe verificar el contenido de humedad y, si es necesario, ajustarlo antes de agregar el agente estabilizador asfáltico. Aunque se recomienda el uso de filler activo, en algunas partes del mundo, estos agentes no se encuentran fácilmente disponibles. En tal caso, puede ser utilizado polvo de trituración (abertura del machacador menor a 6 mm) o un material similar. Durante el proceso de diseño de mezcla se realizan ensayos adicionales sin filler activo y/o con polvo de trituración. Los resultados de estos ensayos permiten tomar una decisión para garantizar la adición de filler activo o polvo de trituración.
Apéndice 2
181
A2.3.2
Determinación del Contenido Optimo de Fluido (Optimum Fluid Content, OFC) y la Densidad Seca Máxima (MDD) para el material tratado
Nota:
Para la estabilización con asfalto espumado, se puede asumir que el OFC y MDD son iguales al OMC y MDD determinados para muestras representativas de materiales no tratados.
El OFC para materiales tratados con emulsión asfáltica es el porcentaje por masa de emulsión asfáltica más la humedad adicional requerida para alcanzar la densidad seca máxima en el material tratado. Como se describe abajo, la OFC es determinada agregando un porcentaje constante de emulsión asfáltica mientras se varía la cantidad de agua añadida.
PASO 1
Medir la emulsión asfáltica como un porcentaje de la masa del material secado al aire para cada una de cinco muestras preparadas (siguiendo el procedimiento descrito en la Sección A2.1.2). El porcentaje de emulsión asfáltica agregada es normalmente entre un 2 y 3 % de residuo asfáltico (p.ej. para un 3 % de residuo asfáltico, añadir el 5 % de una emulsión asfáltica al 60%).
PASO 2
Inmediatamente antes de la compactación de las probetas de 150 mm de diámetro, agregar la emulsión asfáltica y el agua al material mezclándolo hasta quedar uniforme.
PASO 3
Determinar el OFC y MDD para el material estabilizado conforme al procedimiento de ensayo de relación humedad-densidad modificada (AASHTO T-180).
A2.3.3
Preparación del Material Estabilizado con Asfalto
A2.3.3.1
Preparación de materiales estabilizados con emulsión asfáltica
PASO 1
Colocar la cantidad de muestra requerida dentro de un contenedor mezclador adecuado (10 kg para elaborar probetas de 100 mm de diámetro, o 20 kg para probetas de 150 mm de diámetro).
PASO 2
Determinar la masa seca de la muestra usando la ecuación A2.1.
PASO 3
Determinar el porcentaje requerido de filler activo (cal o cemento) utilizando la ecuación A2.2.
PASO 4
Determinar el porcentaje requerido de emulsión asfáltica usando la ecuación A2.6:
Memul = (RBreqd / PBE) x Msample
Donde:
182
Memul RBreqd PBE Msample
= = = =
masa de emulsión asfáltica agregada porcentaje de residuo asfáltico requerido porcentaje de asfalto en la emulsión masa seca de la muestra
[Ecuación A2.6]
[g] [%] [%] [g]
Apéndice 2
PASO 5
Determinar la cantidad de agua a ser agregada para lograr un mezclado óptimo usando la ecuación A2.7:
Mwater = {((WOFC – Wair-dry) / 100) x Msample} – Memul
= = = = =
contenido de fluido óptimo contenido de humedad de la muestra seca al aire masa de agua agregada masa de emulsión asfáltica agregada masa seca de la muestra
[Ecuación A2.7]
Donde:
WOFC Wair-dry Mwater Memul Msample
[%] [%] [g] [g] [g]
PASO 6
Mezclar el material junto con el filler activo, la emulsión asfáltica y el agua hasta que esté uniforme. Inmediatamente elabore las probetas siguiendo los procedimientos pertinentes para probetas de 100 mm o 150 mm de diámetro, como se describe en la Sección A2.3.4 y A2.3.6 respectivamente.
PASO 7
Las muestras son tomadas durante el proceso de compactación para determinar su contenido de humedad.
Repetir los pasos anteriores para un mínimo de tres contenidos diferentes de estabilizador.
A2.3.3.2
Preparación de Materiales Estabilizados con Asfalto Espumado
A2.3.3.2.1
Determinación de las Propiedades de Espumación del Asfalto
Las propiedades de espumación de cada tipo de asfalto están caracterizadas por: – Razón de Expansión: medida de la viscosidad del asfalto espumado, calculada como la razón entre el máximo volumen de espuma alcanzado y el volumen de asfalto original. – Vida Media: medida de la estabilidad del asfalto espumado, calculada como el tiempo tomado en segundos en que la espuma decae a la mitad de su volumen máximo. El objetivo es determinar la temperatura y el porcentaje de agua requerida para producir las mejores propiedades de la espuma (máxima razón de expansión y vida media) para un asfalto en particular. Esto es determinado para tres diferentes temperaturas de asfalto como se describe a continuación: PASO 1
Calentar el asfalto en el recipiente calentador del laboratorio Wirtgen WLB 10 con la bomba circulando asfalto por el sistema, hasta alcanzar la temperatura requerida (normalmente comenzando con 160 °C). Mantenga la temperatura requerida durante al menos 5 minutos antes de comenzar las pruebas.
PASO 2
Calibrar la razón de descarga de asfalto y ajuste el temporizador en el laboratorio Wirtgen WLB 10 para descargar 500 g de asfalto.
PASO 3
Ajustar el medidor de caudal de agua para alcanzar la razón de inyección requerida de agua (normalmente comenzando con un 2 % de la masa de asfalto).
PASO 4
Descargar asfalto espumado dentro de un recipiente de acero precalentado (± 75 ºC) durante un tiempo de rocío calculado para 500 g de asfalto. Inmediatamente después que la descarga de espuma se detiene, comenzar a medir el tiempo con un cronómetro.
Apéndice 2
183
PASO 5
Utilizando la varilla de aceite suministrada con el Wirtgen WLB 10 (la cual está calibrada para un recipiente de acero de 275 mm de diámetro y 500 g de asfalto) medir la altura máxima alcanzada por el asfalto espumado en el recipiente. Esto es registrado como el v olumen máximo.
PASO 6
Use el cronómetro para medir el tiempo, en segundos, que transcurre para que la espuma colapse a la mitad de su volumen máximo. Este tiempo es registrado como la vida media del asfalto espumado.
PASO 7
Repetir el procedimiento anterior tres veces o hasta alcanzar lecturas similares.
PASO 8
Repetir los pasos 3 al 7 para un rango de al menos tres razones de inyección de agua. Típicamente se usan valores de 2 %, 3 % y 4 % por la masa de asfalto.
PASO 9
Trazar un gráfico de la razón de expansión versus vida media para las diferentes razones de inyección de agua sobre los mismos ejes (mirar el ejemplo en la Figura A2.1). La adición óptima de agua es escogida como un promedio de los dos contenidos de agua requeridos para encontrar los criterios mínimos.
Repetir el Paso 1 a 9 para otras dos temperaturas de asfalto (normalmente 170 y 180 °C). Fig. A2.1 Determinación del contenido óptimo de agua para la espumación 15
15 Temperatura del asfalto 170°C
14
14
13
13 Expansión
12
Vida Media
11
11
10
10 Mínima expansión aceptable
9
9
8
8
7
Contenido óptimo de agua para espumación
6 5
igual
Vida media (seg)
Expansión (veces)
12
7
Mínima vida media aceptable
6 5
igual
4
4 1
1.5
2
2.5 3 3.5 Porcentaje de agua añadidal
4
4.5
5
La temperatura y la adición óptima de agua que produce la mejor espuma son usadas luego en el procedimiento de diseño de mezclas descrito abajo. Nota:
Las propiedades de espumación mínimas aceptables para una estabilización efectiva son: Razón de Expansión: 8 veces Vida Media: 6 segundos
Si estos requerimientos mínimos no pueden ser alcanzados, el asfalto debe ser rechazado como inadecuado para espumación.
184
Apéndice 2
A2.3.3.2.2
Preparación de Muestras para Tratamientos con Asfalto Espumado
PASO 1
Colocar la cantidad de muestra requerida dentro de un contenedor mezclador adecuado (10 kg para elaborar probetas de 100 mm de diámetro, o 20 kg para probetas de 150 mm de diámetro).
PASO 2
Determinar la masa seca de la muestra usando la ecuación A2.1.
PASO 3
Determinar el porcentaje requerido de filler activo (cal o cemento) usando la ecuación A2.2.
PASO 4
Determinar el porcentaje de agua a ser agregada para lograr un mezclado óptimo usando la ecuación A2.8. Luego determine la masa de agua a ser agregada a la muestra usando la ecuación A2.9:
[Ecuación A2.8]
Mwater = (Wadd / 100) x (Msample + Mcement)
[Ecuación A2.9]
Donde:
Wadd WOMC Wair-dry Mwater Msample Mcement
PASO 5
Mezclar el material, el filler activo, y el agua en un mezclador hasta que esté uniforme.
Nota:
PASO 6
= = = = = =
Wadd = 1 + (0.5 WOMC – Wair-dry)
agua agregada a la muestra contenido de humedad óptimo contenido de humedad de la muestra seca al aire masa de agua agregada masa seca de la muestra masa de cal o cemento requerido
Inspeccionar la muestra después del mezclado para asegurar que el material no quede adherido a las paredes del mezclador. Si esta situación ocurre, mezclar una muestra nueva con un contenido de humedad inferior. Comprobar que el material se mezcla fácilmente y permanece en un estado suelto o esponjado. Si alguna partícula de polvo es observada al final del proceso de mezclado, agregar pequeñas cantidades de agua y mezclar nuevamente hasta alcanzar un estado suelto sin polvo.
Determinar el asfalto espumado a ser agregado usando la ecuación A2.10:
Mbitumen = (Badd / 100) x (Msample + Mcement)
Donde:
Apéndice 2
[%] [%] [%] [g] [g] [g]
Mbitumen Badd Msample Mcement
= = = =
masa de asfalto agregado contenido de asfalto espumado masa seca de la muestra masa de cal o cemento requerido
[Ecuación A2.10]
[g] [% Massenanteil] [g] [g]
185
PASO 7
Determinar el ajuste del temporizador en el Wirtgen WLB 10 usando la ecuación A2.11:
T = factor x (Mbitumen + Qbitumen)
= = = =
[Ecuación A2.11]
Donde:
T Mbitumen Qbitumen factor
[s] [g] caudal de asfalto para el WLB 10 [g/s] compensación de pérdidas de asfalto en el equipo mezclador. La experiencia ha mostrado que un factor de 1.1 es aplicable al usar un mezclador Hobart y 1.0 usando un mezclador tipo tornillo.
PASO 8
Colocar el mezclador mecánico adyacente al laboratorio de espumado de modo que el asfalto espumado pueda ser descargado directamente en el mezclador.
PASO 9
Comenzar el mezclado y dejar mezclando durante al menos 10 segundos antes de descargar la masa de asfalto espumado requerida dentro del mezclador. Seguir mezclando durante 30 segundos más, después de que el asfalto espumado se ha descargado dentro del mezclador.
PASO 10
Determinar la cantidad de agua requerida para que la muestra alcance el contenido de humedad óptimo usando la ecuación A2.12.
tiempo de ajuste en el temporizador del WLB 10 masa de asfalto agregado
Mplus = (WOMC – Wsample) / 100 x (Msample + Mcement)
= = = = =
masa de agua agregada contenido de humedad óptimo contenido de humedad de la muestra preparada masa seca de la muestra masa de cal o cemento requerido
[Ecuación A2.12]
wobei:
Mplus WOMC Wsample Msample Mcement
[g] [%] [%] [g] [g]
PASO 11
Agregar la cantidad de agua adicional y mezcle hasta que quede uniforme.
PASO 12
Traspasar el material tratado con asfalto espumado a un contenedor y sellarlo inmediatamente para conservar la humedad. Para reducir al mínimo la pérdida de humedad de la muestra preparada, elaborar cuanto antes las probetas siguiendo los procedimientos pertinentes para probetas de 100 mm o 150 mm de diámetro, como se describe en la Sección A2.3.4 y A2.3.6 respectivamente.
Repetir los pasos anteriores para un mínimo de cuatro contenidos diferentes de asfalto espumado.
186
Apéndice 2
A2.3.4
Fabricación de probetas de 100 mm de diámetro
A2.3.4.1
Compactación (Método Marshall)
PASO 1
Preparar el molde y martillo Marshall limpiando el molde, collar, plato base y la cara de compactación del martillo. Nota: el equipo de compactación no debe ser previamente calentado, sino mantenerse a temperatura ambiente.
PASO 2
Pesar material suficiente para alcanzar una altura de compactación de 63.5 mm ± 1.5 mm (usualmente 1150 g). Punzar 15 veces la mezcla con una espátula alrededor del perímetro y 10 veces en la superficie, dejando la superficie levemente redondeada.
PASO 3
Compactar la mezcla aplicando 75 golpes con el martillo de compactación. Debe asegurarse que el martillo caiga libremente.
PASO 4
Retirar el molde y el collar del pedestal, invertir la probeta (dar vuelta). Volver a colocar y presionar firmemente para asegurar que descanse firmemente sobre el plato base. Compactar la otra cara de la probeta aplicando nuevamente 75 golpes.
PASO 5
Después de la compactación, retirar el molde del plato base y desmoldar la probeta por medio de un extrusor.
Nota:
A2.3.4.2
Con ciertos materiales que carecen de cohesión, puede ser necesario dejar las probetas en el molde durante 24 horas para desarrollar la resistencia antes de extraerlas.
Procedimiento de Curado
Colocar las probetas sobre una bandeja plana y curar en un horno con aire forzado durante 72 horas a 40 °C. Retirar del horno después de 72 horas y dejar enfriar a temperatura ambiente.
A2.3.4.3
Determinación de la Densidad Bruta
Después de enfriar cada probeta a temperatura ambiente: PASO 1
Determinar la masa
PASO 2
Medir la altura en cuatro sitios uniformemente espaciados alrededor de la circunferencia y calcule la altura promedio
PASO 3
Mida el diámetro
PASO 4
Calcule la densidad bruta usando la ecuación A2.13
BD = (4 x Mbriq) (π x d2 x h) x 1000 [Ecuación A2.13] wobei:
BD Mbriq h d
= = = =
densidad bruta masa de la probeta altura promedio de la probeta diámetro de la probeta
[kg/m3] [g] [cm] [cm]
Excluya cualquier probeta cuya densidad bruta difiera del promedio en más de 50 kg/m3.
Nota:
Apéndice 2
La densidad bruta puede ser verificada usando el método de “peso en aire/peso en agua”.
187
A2.3.5
Determinación del Contenido Optimo de Asfalto para Materiales Estabilizados con Asfalto
Las probetas de 100 mm de diámetro son ensayadas por resistencia a la tracción indirecta bajo condición seca y saturada siguiendo el procedimiento descrito en la Sección A2.4.1. Los resultados de los ensayos de ITS seco y saturado son graficados con respecto al contenido de asfalto respectivo que fue agregado. El contenido de asfalto óptimo es aquel que permite alcanzar las mejores propiedades deseadas.
A2.3.6
Fabricación de probetas de 150 mm de diámetro
Cuando la exigencia de capacidad estructural del pavimento es superior a 5 millones de ESALs, se recomienda que los ensayos de UCS e ITS sean realizados con el contenido de humedad de equilibrio. Los resultados de estos ensayos son requeridos para la modelación mecanicista, como se describe en los Capítulos 3 y 4. Debido a la cantidad de material requerido para estos ensayos, las probetas son normalmente preparadas sólo con el contenido de asfalto óptimo. Sin embargo, se pueden utilizar contenidos de asfalto adicionales para determinar la susceptibilidad de estos materiales, especialmente a las variaciones en el contenido de filler activo. Los procedimientos descritos abajo permiten fabricar cuatro probetas de 150 mm de diámetro. Normalmente dos de estas probetas son ensayadas para ITS y dos para UCS. Si se requieren probetas adicionales, se debe aumentar la cantidad de muestra.
A2.3.6.1
Compactación (Método AASHTO T-180 Modificado)
PASO 1
Preparar 24 kg de muestra con el contenido de asfalto óptimo
PASO 2
Cuando se requiera, añadir la humedad suficiente para lograr que la muestra alcance el contenido de humedad óptima de compactación y mezclar hasta que esté uniforme. Inmediatamente después del mezclado, colocar el material en un contenedor hermético.
PASO 3
Tomar muestras representativas (± 1 kg) de la primera y tercera probeta compactada y seque hasta masa constante. Determinar la humedad de cada probeta usando la ecuación A2.14:
Wmould = (Mmoist – Mdry) / Mdry x 100
[Ecuación A2.14]
Donde:
Wmould = contenido de humedad de la probeta Mmoist = masa de material húmedo Mdry = masa de material seco
PASO 4
Compactar al menos cuatro probetas usando un molde de 150 mm de diámetro, aplicando el esfuerzo de compactación AASHTO (T-180) modificado (5 capas de 25 mm de espesor aproximadamente, 55 golpes por capa usando un martillo de 4.536 kilogramos con una caída de 457 mm).
188
[%] [g] [g]
Apéndice 2
PASO 5
Apartar cuidadosamente el exceso de material de la probeta como se especifica en el método de ensayo AASHTO T-180.
PASO 6
Remover cuidadosamente las probetas del molde y ubicarlas en una bandeja plana. Dejarlas a temperatura ambiente durante 24 horas o hasta que el contenido de humedad se haya reducido al menos al 50 % de OMC.
Nota:
Con ciertos materiales que carecen de cohesión, puede ser necesario dejar las probetas en el molde durante 24 horas para desarrollar la resistencia antes de extraerlas.
A2.3.6.2
Procedimiento de Curado
Colocar cada probeta en una bolsa plástica sellada (de al menos dos veces el volumen de la probeta) y colocar en horno a 40 ° C durante 48 horas. Quite las probetas del horno pasadas las 48 horas y séquelas de sus bolsas plásticas respectivas, asegurando que cualquier humedad en las bolsas no entre en contacto con las probetas. Deje enfriar a temperatura ambiente. Después de enfriar a temperatura ambiente, determinar la masa de cada probeta. Calcular la densidad bruta usando la ecuación A2.15:
BDmould = (Mbriq / Vol) x 1000
Donde:
BDmould= densidad bruta de la probeta Mbriq = masa de la probeta Vol = volumen de la probeta
[Ecuación A2.15]
[kg/m3] [g] [cm3]
Las probetas deben ser ensayadas cuanto antes para prevenir la pérdida de humedad.
A2.3.7
Determinación de la Resistencia de los Materiales Estabilizados con Asfalto
Las probetas de 150 mm de diámetro son ensayadas a ITS y UCS siguiendo los procedimientos descritos en la Sección A2.4. Los valores de ITS y UCS obtenidos son usados para estimar el comportamiento del material en el pavimento. Ver Capítulos 3 y 4.
Apéndice 2
189
A2.4
Procedimientos de Ensayo de Resistencia
A2.4.1
Determinación de la Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS)
El ITS es usado para ensayar probetas bajo diferentes condiciones de humedad: seco, saturado y contenido de humedad de equilibrio. El ITS es determinado midiendo la carga última de falla de una probeta sujeta a una razón de deformación constante de 50.8 mm/minutos sobre su eje diametral. El procedimiento es el siguiente:
PASO 1
Ubicar la probeta en el cabezal para ensayos de ITS. Colocar la probeta tal que las bandas de carga estén paralelas y centradas en el plano vertical diametral.
PASO 2
Ubicar el plato de transferencia de carga sobre la banda superior y colocar el cabezal de ensayo ensamblado de manera que quede centrado bajo el pistón de carga de la máquina de compresión.
PASO 3
Aplicar carga a la probeta a una razón de avance de 50,8 mm por minuto hasta alcanzar la carga máxima. Registrar la carga máxima P (en kN), con aproximación a 0,1 kN.
PASO 4
Inmediatamente después de ensayar la probeta, romperla y tomar una muestra de 1.000 g aproximadamente para determinar el contenido de humedad (Wbreak). Este contenido de humedad es usado en la ecuación A2.19 para determinar la densidad seca de la probeta.
PASO 5
Calcule el ITS de la probeta con aproximación a 1 kPa usando la ecuación A2.16:
ITS = (2 x P) / (π x h x d) x 10000
= = = =
resistencia a la tracción indirecta carga máxima aplicada altura promedio de la probeta diámetro de la probeta
[Ecuación A2.16]
Donde:
ITS P h d
[kPa] [kN] [cm] [cm]
PASO 6
Para determinar el ITS saturado, coloque las probetas bajo agua a 25 ºC ± 1 ºC por 24 horas. Saque las probetas del agua, séquelas superficialmente y repita los pasos 1 al 5.
La “Razón de Resistencia Retenida (Tensile Strength Retained, TSR)” es la relación entre el ITS seco y el ITS saturado para un conjunto específico de probetas, expresada como porcentaje usando la ecuación A2.17:
TSR = ITSsaturado/ITSseco x 100
190
[Ecuación A2.17]
Apéndice 2
A2.4.2
Determinación de la Resistencia a la Compresión No Confinada
El UCS es usado para ensayar probetas con el contenido de humedad de equilibrio. Se asume que esto representa el contenido de humedad real del pavimento. El UCS es determinado midiendo la carga última de falla de una probeta de 127 mm de alto y 150 mm de diámetro sujeta a una razón de carga constante de 140 kPa/s (153 kN/min). El procedimiento es el siguiente:
PASO 1
Ubicar la probeta entre las placas de compresión de la máquina de ensayo. Colocar la probeta tal que se encuentre centrada en las placas de carga.
PASO 2
Aplicar carga a la probeta a una razón de avance de 140 kPa/s hasta alcanzar la carga máxima. Registrar la carga máxima P (en kN), con aproximación a 0,1 kN.
PASO 3
Inmediatamente después de ensayar la probeta, romperla y tomar una muestra de 1.000 g aproximadamente para determinar el contenido de humedad (Wbreak). Este contenido de humedad es usado en la ecuación A2.19 para determinar la densidad seca de la probeta.
PASO 4
Calcular el UCS de la probeta con aproximación a 1 kPa usando la ecuación A2.18:
UCS = (4 x P) / (π x d2) x 10000 Donde:
A2.4.3
UCS P d
[Ecuación A2.18]
= resistencia a la compresión no confinada = carga máxima aplicada = diámetro de la probeta
[kPa] [kN] [cm]
Determinación de la Densidad Seca
Utilizando el contenido de humedad determinado en cada uno de los ensayos descritos anteriormente, calcule la densidad seca usando la ecuación A2.19:
DD = (Mbriq / Vol) x (100 / (Wbreak + 100)) x 1000
Donde:
Apéndice 2
DD Mbriq Vol Wbreak
= = = =
densidad seca masa de la probeta curada volumen de la probeta contenido de humedad de la probeta
[Ecuación A2.19]
[kg/m3] [g] [cm3] [%]
191
A2.5
Determinación de las Propiedades de Corte de los Materiales Estabilizados con Asfalto
El ensayo tri-axial es necesario para determinar la cohesión y el ángulo de fricción interna de un material estabilizado con asfalto. El ensayo es normalmente realizado sólo con el contenido óptimo de asfalto, pero se pueden utilizar contenidos de asfalto adicionales para investigar la susceptibilidad de los parámetros de corte.
A2.5.1 Fabricación de probetas para ensayo tri-axial PASO 1
Preparar 45 kg de muestra (cantidad adecuada para fabricar 4 probetas) con emulsión asfáltica o asfalto espumado, con el contenido óptimo de asfalto. Incluir algo de filler activo.
PASO 2
Cuando se requiera, añadir la cantidad de agua suficiente para lograr que la muestra alcance el contenido de humedad óptima de compactación y mezclar hasta que esté uniforme. Colocar el material en un contenedor hermético.
PASO 3
Tomar muestras representativas (± 1 kg) de cada probeta para determinar la humedad de la probeta usando la ecuación A2.14.
PASO 4
Compactar al menos cuatro probetas usando un molde de 150 mm de diámetro con una altura interna efectiva de 250 mm, aplicando el esfuerzo de compactación AASHTO (T-180) modificado (10 capas de 25 mm de espesor aproximadamente, 55 golpes por capa usando un martillo de 4.536 kilogramos con una caída de 457 mm).
PASO 5
Apartar cuidadosamente el exceso de material de la probeta como se especifica en el método de ensayo AASHTO T-180, determinar la masa de la probeta y calcular la densidad bruta usando la ecuación A2.15.
PASO 6
Curar las probetas como se describe en la Sección A2.3.6.2.
192
Apéndice 2
A2.5.2 Ensayo Tri-axial Estático El ensayo tri-axial estático es usado para determinar la resistencia del material con respecto a la cohesión (c) y al ángulo de fricción interna (φ). Se realizan cuatro ensayos a diferentes presiones de confinamiento y los resultados son usados para definir la envolvente de rotura de Mohr-Coulomb (ejemplo mostrado en la Figura A2.2):
Fig. A2.2
τ
Gráfico de Mohr-Coulomb
φ = Angulo de Fricción Interna c
φ
= Cohesión
c
El siguiente procedimiento es tomado del Protocolo de Prueba para Ensayos Tri-axiales en la Universidad de Stellenbosch, Sudáfrica:
σ3
σ1,f
σ
Todos los ensayos tri-axiales son realizados a 25 ºC. PASO 1
Las probetas son cubiertas con dos membranas de látex para asegurar que no ocurran fugas de aire, evitando alteraciones en los resultados del ensayo.
PASO 2
Las membranas son selladas en la parte superior e inferior de la probeta con un anillo de goma sobre el plato base y el plato de carga, y es colocada en la celda de carga.
PASO 3
Se aplica la tensión de confinamiento bombeando aire en la celda hasta alcanzar la presión deseada.
PASO 4
El ensayo se realiza en modo de desplazamiento controlado con una razón de desplazamiento de 6,25 mm por minuto. La muestra es ensayada hasta la rotura, se registra la carga máxima y la presión de confinamiento.
PASO 5
Inmediatamente después de ensayar la probeta, rómperla y tomar una muestra de 1.000 g aproximadamente para determinar el contenido de humedad (Wbreak). Este contenido de humedad es usado en la ecuación A2.19 para determinar la densidad seca de la probeta.
Repetir los pasos 1 al 5 para todas las probetas a ser ensayadas a diferentes presiones de confinamiento. Se dibuja la envolvente de rotura de Mohr-Coulomb y se determina la cohesión y el ángulo de fricción interna.
Apéndice 2
193
A2.6
Equipos de Laboratorio Requeridos
Descripción
Cantidad
Preparación de Muestras Separador (abertura de 25 mm) Recipientes Tamices (450 mm diámetro) 19,0 mm 13,2 mm 4,75 mm Contenedores herméticos 20 lt Balanza Mecánica (o balanza de 50 kg usada en Proctor Modificada)
1 3 1 1 1 20 1
194
Proctor Modificado (AASHTO T-180) Molde (incluyendo plato base con ± 150 mm φ Pisón de Compactación
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 20 1 1
1 1 2 1 1 1 1 50
diámetro 50 mm)
Balanza (Electrónica) 12 kg ± 1 g Mezclador de cuenco Mezclador de paleta 1 lt Medidor Cilíndrico (plástico) Regla de acero con borde bicelado (ajustable) Contenedor (para determinación de humedad) 500 ml Horno de Secado
1 1 1 1 1 1 40
(para pocas muestras use horno de sección
400 lt Equipamiento Opcional Compactador Mecánico con base rotatoria de análisis de tamiz)
1
1
Razón de Soporte de California (CBR) Moldes (incluyendo plato base con ± 150 mm φ Pisón de Compactación espaciador y collar)
30
(peso 2.495 kg, caída 305 mm y diámetro 50 mm)
Medidor de hinchamiento Baño de agua 2 x 1 x 0.4 m Máquina de Ensayo a la Compresión (preferentemente con tasas ajustables para incluir ensayos de ITS y UCS)
1 2 1
1
Diseño de Mezclas con Asfalto Espumado Laboratorio de Asfalto Espumado Wirtgen WLB 10 Compresor de Aire (tanque 8–10 lt
1
mínimo y presión continua de 10 bares)
1
Mezclador Hobart para 1
1
(peso 4.536 kg, caída 457 mm y
(500 mm x 500 mm x 300 mm)
Límites de Atterberg Dispositivo para Límite Líquido de Casagrande Acanalador Recipiente para Mezclar ± 100 mm φ Espátula Botella para lavado 250 ml Temporizador Cristal de vidrio 300 x 300 mm Vasos de vidrio 100 ml Horno de Secado (o use horno de sección de análisis de tamiz) 40 lt
Cantidad
espaciador y collar)
Análisis de Tamices Tamices (200 mm diámetro) 50,0 mm 37,5 mm 25,0 mm 19,0 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,75 mm 2,36 mm 1,18 mm 0,60 mm 0,30 mm 0,15 mm 0,075 mm Fondo Tapa Balanza (electrónica) 10 kg ± 0.1 kg Hornos de Secado 240 lt Fondos 300 mm Cepillo para tamiz Equipamiento Opcional Tamizadota Mecánica de Agitado
Descripción
probetas de 100 mm
de φ y tipo tornillo helicoidal para 150 mm de φ)
1
Apéndice 2
Descripción
Cantidad
Elaboración de Probetas Marshall Compactador (Manual/Automático con pedestal de madera y martillo) Moldes (con collar y plato base)
1 1 1 1
Plato de transferencia de carga 150 mm φ
1
Máquina de Ensayo a la Compresión (razón de avance de 153 kN/min. Use prensa para CBR si ésta es ajustable)
1
Equipos Auxiliares
Curado de Probetas Bandejas Horno de Secado Bolsas Plásticas Balanza (electrónica)
Cantidad
Ensayo UCS
100 mm φ
Calibrador Vernier 250 mm Gato Extrusor
Descripción
250 x 350 mm 240 Liter ± 10 Liter 10 kg ± 0.1 g
12 1 500
Termómetro
± 250 °C
(chequeo de temperatura del horno y baño)
3
Pala
1
300 mm
Guantes (resistentes al calor)
1
Cepillo de Pintura 50 mm
2
Baño de agua con temperatura controlada
Escoba manual
1
(o use baño para CBR cuando Tº ambiente ± 25 ºC) 1
Martillo
2 kg
1
Grasa de Silicona
100 g
1
500 g
1
(o use la balanza de la sección análisis de tamices)
1
Ensayo ITS
(suave)
Cabezal de ensayo ITS 100 mm φ Cabezal de ensayo ITS 150 mm φ
1
Limpiador manual
(de ser requerido)
1
Trapos de limpieza
Máquina de Ensayo a la Compresión (razón de avance de 50.8 mm/min. Use prensa para CBR si ésta es ajustable)
Apéndice 2
Cordón
1 Ovillo
1
Lápiz Marcador 1
(para etiquetar probetas)
1
195
196
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 A3.2.1 Visión General del método de diseño de Número Estructural A3.2.2 Ejemplo: Determinación del espesor de capa usando el método del Número Estructural A3.2.2.1 El pavimento existente A3.2.2.2 Requerimientos básicos de rehabilitación A3.2.2.3 Diseño de Pavimento A3.2.2.4 Diseño de mezcla
A3.3
Diseño de Pavimentos usando Métodos Mecanicistas A3.3.1 Descripción general del método de diseño mecanicista A3.3.2 Ejemplo: Determinación del espesor de capa usando el método mecanicista A3.3.2.1 Pavimento existente A3.3.2.2 Requerimientos básicos de rehabilitación A3.3.2.3 Diseño de pavimento
A3.4
Diseño de Pavimento usando el Método del límite de razón de tensiones A3.4.1 Descripción general del método de diseño por razón de tensiones A3.4.2 Determinación de los parámetros de corte (cohesión C y ángulo de fricción interna φ) A3.4.3 Módulo resiliente de materiales estabilizados con asfalto espumado A3.4.4 Razón de tensión deviatoria en materiales estabilizados con asfalto espumado A3.4.5 Deformación permanente en la capa estabilizada con asfalto espumado
197
198
A3.1
Métodos de Diseño de Pavimentos
El objetivo del Apéndice 3 es proveer una guía para el diseño de estructuras de pavimentos de caminos que incorporen capas tratadas con asfalto espumado. El uso del asfalto espumado en el reciclado en frío como tecnología de rehabilitación, está aumentando en forma global dado que provee un efectivo medio, de bajo costo, para mejorar la calidad de los materiales existentes. Sin embargo, como con la mayoría de las tecnologías innovadoras, las herramientas de diseño no tienen el mismo desarrollo que las técnicas constructivas. Es importante ser claro y preciso en esta área y, a pesar de que la intención no es generar un manual detallado de diseño, este apéndice entrega alguna guía a los ingenieros diseñadores de pavimentos. En este apéndice se incluyen tres herramientas diferentes de diseño de pavimentos que pueden ser usadas para diseño de rehabilitación de pavimentos que incorporen tratamiento con asfalto espumado. Estos son: enfoque del Número Estructural, análisis mecanicista y el método del límite de la razón de tensiones. Estos métodos de diseño debieran ser seleccionados de acuerdo al incremento de requerimientos de capacidad estructural. Para conseguir diseños más confiables se requieren de métodos más sofisticados, sin embargo, los parámetros de entrada y los esfuerzos de diseño se tornan más complejos. Esto significa que se necesita mayor información acerca de las características de comportamiento y parámetros de desempeño del material tratado con asfalto espumado. Como se muestra en la Figura A3.1, no es recomendado para el diseño de pavimentos un método empírico simple, como el enfoque del Número Estructural, si el diseño requiere un pavimento de mediana o pesada capacidad estructural. Este método es correcto para estimaciones preliminares del espesor de la capa de material tratado con asfalto espumado, requerido después del reciclado, y es por ello un primer análisis útil antes de utilizar alguno de los otros dos métodos. Adicionalmente, este método es ventajoso para decidir acerca de las proporciones de material de las muestras compuestas para diseños de mezclas (que requieren de una estimación preliminar del espesor de la capa que se va a reciclar). Las divisiones de capacidad estructural de la Figura A3.1 se pueden usar como guía, ya que los bordes no están bien definidos, pero no se debieran ignorar por completo. En este apéndice, los tres procedimientos de diseño están descritos con suficiente detalle como para que puedan ser aplicados a ejemplos reales. Las referencias también se proveen de manera que si se requiere se pueda hacer un seguimiento de la información. En conjunto con la descripción de los procedimientos se dan ejemplos de los métodos. Estos ejemplos de diseño de rehabilitación son también un indicador de la aplicación del método pertinente para las estructuras típicas de pavimento que se encuentran en la práctica.
Fig. A3.1 Recomendaciones para seleccionar el mçetodo de diseño apropiado
<5
Requerimiento de capacidad estructural ESALs x 106
5 a 10
+ 10
Apéndice 3
Aproximación del número estructural
Análisis mecanicista utilizando funciones de transferencia del TG2
Límite de Razón de Tensiones
199
A3.2
Diseño de Pavimentos utilizando Números Estructurales
A3.2.1
Visión General del método de diseño de Número Estructural
La guía AASHTO, entre otras guías en el mundo, utiliza el enfoque de Número Estructural, (SN, Structural Number) para el diseño de pavimentos. Este enfoque tiene numerosas ventajas, como su simplicidad de uso, la conveniencia de obtener un diseño rápido, y la posibilidad de incorporar conocimiento local a los diseños en términos de clima, comportamiento y desempeño del material. Además, se pueden incorporar fácilmente nuevos materiales. Por estas razones, este enfoque ha sido extendido para incluir a las capas estabilizadas con asfalto espumado para proveer un diseño adecuado para pavimentos con tráfico < 5 millones de ESALs. El número estructural es un método de diseño empírico y por ello tiene una serie de limitaciones que deben ser consideradas. No entrega necesariamente las combinaciones correctas de tipos de capa para obtener un desempeño óptimo del pavimento, y puede dar origen a estructuras “mal balanceadas de pavimento”. Por esta razón, no debiera ser utilizado por diseñadores poco experimentados y su aplicación debe estar limitada a estructuras livianas. El procedimiento de NE requiere que se conozca el tipo y calidad del material para que se pueda incluir en la estructura del pavimento. Para que la calidad del material y el espesor de cada capa individual puedan ser estimados, el NE para la estructura completa de pavimento puede ser calculado usando los “Coeficientes Estructurales de Capa” asignados a cada tipo de material. La capacidad total de la estructura del pavimento se calcula como la suma de los productos de los coeficientes estructurales de capa y los espesores de cada capa individual. Tabla A3.1
Coeficientes estructurales de capa típicos (de AASHTO)
Tipo de Material
Característica
Capa Asfática
Módulo Elástico 2.500 hasta > 10.000 MPa
0,20 a 0,44 / 0,08 a 0,17
Base Asfáltica
Continuamente graduada, 6% de vacíos
0,20 a 0,38 / 0,08 a 0,15
Base tratada con asfalto
200
Coeficiente Estructural de Capa (por pulgada/por cm)
0,10 a 0,30 / 0,04 a 0,12
Piedra chancada graduada
CBR > 80 %
0,14 / 0,055
Grava Natural, tipo 1
CBR 65 a 80 %
0,12 / 0,047
Grava Natural, tipo 2
CBR 40 a 65 %
0,10 / 0,040
Suelo, tipo 1
CBR 15 a 40 %
0,08 / 0,032
Suelo, tipo 2
CBR 7 a 15 %
0,06 / 0,024
Arena no cohesiva
PI = 0
0,04 a 0,05 / 0,016 a 0,020
Piedra chancada tratada con cemento
UCS 1,0 a 3,0 MPa
0,17 / 0,067
Grava tratada con cemento
UCS < 1,0 MPa
0,12 / 0,047
Apéndice 3
Una guía general para estimar el coeficiente estructural de capa de un material tratado con asfalto espumado se muestra en la figura A3.2 Fig. A3.2 Coeficientes estructurales sugeridos para materiales estabilizados con asfalto espumado pro cm
0,051
0,063
0,083
0,103
0,120
0,140
0,13
0,16
0,21
0,26
0,30
0,35
pro inch COEFICIENTES ESTRUCTURALES DESPUÉS DE LA ESTABILIZACION
RANGOS REPRESENTATIVOS DE RIGIDEZ 500
750
1000
1500
2000
3000
250
450
600
800
1000
1500
100 Resistencia a la tracción indirecta (kPa)
150
200
300
400
500
Rigidez Inicial Fase 1 (MPa) Rigidez Permanente Fase 2 (MPa)
CARACTERÍSTICAS ESPERADAS DEL MATERIAL (DESPUÉS DE LA ESTABILIZACIÓN) Nota:
1. Para un tráfico de diseño mayor a 300.000 ESALs la resistencia a la tracción indirecta (ITS) siempre debería obtenerse a partir de un diseño de mezclas en laboratorio. 2. Ver la tabla de abajo para una Razón de Tensiones adecuada (TSR)
3
TASA DE APLICACIÓN ESPERADA DE ASFALTO ESPUMADO (% EN PESO)
3 / 4
2 1/2
3
1 2
3 1/2
4 1/2
4 A-1-a
CLASIFICACIÓN AASHTO DE MATERIAL NATURAL ANTES DE LA ESTABILIZACIÓN
A-1-b A-2-4 A-2-6
A-2-5
A-2-7 A-3
A-4 A-5 A-6 A-7-5
A-7-6
1
10
100
Valor CBR saturado a la densidad especificada Notas:
Apéndice 3
1. 2. 3. 4.
Todos los materiales clasificados como A4 o de menor calidad deberían ser pretratados con cal hidratada. Materiales con IP < 10 y CBR < 45% deberían ser tratados con cemento a un procentaje nominal de 1%. Si se requiere, será necesario agregar finos bajo 0,075 mm para aumentar lograr el 5% mínimo requerido. Las siguientes resistencias retenidas a la tracción son requeridas: (%)
Geometría del camino y drenaje
Seco (precipitación menor a 600 mm por año)
Moderado (precipitación entre 600 a 1000 mm por año)
Saturado (precipitación sobre los 1000 mm por año)
Sinuoso – buen drenaje
50
60
70
Plano – mal drenaje
60
65
75
201
El objetivo de la Figura A3.2 es proveer un indicador del Coeficiente Estructural de Capa, aplicable para que estos materiales puedan ser incorporados en diseños de NE. El procedimiento para el uso de la tabla es partir desde abajo con las características naturales del material tratado con asfalto espumado. Luego, procediendo en forma vertical, se puede utilizar cualquier información adicional relacionada al contenido de asfalto, (resultados del Ensayo de Resistencia de Tracción Indirecta, Módulo Resiliente) para definir la posición horizontal de manera más precisa. Se debe notar que es posible obtener resultados que se contrapongan. En tales casos se debe apelar al criterio, para poder balancear el sentido común y la postura conservadora. Los valores de rigidez que se entregan son valores de mediciones típicas de terreno (que pueden ser usados en el diseño mecanicista). Valores de rigidez de tracción indirecta bajo cargas repetitivas determinados en el laboratorio entregan valores significativamente más altos y no debieran ser usados en la Figura A3.2. Los coeficientes estructurales de capa de diferentes materiales en un pavimento se combinan para proveer un número estructural compuesto para ser usado la Ecuación A3.1.
NEact = a1 x h1 x d1 + a2 x h2 x d2 + a3 x h3 x d3 + ...... + ai x hi x di Donde:
NEact ai hi di
= = = =
Número estructural para una estructura de pavimento coeficiente de capa para la capa i espesor de la capa i coeficiente de drenaje para la capa i
[Ecuación A3.1]
[cm]
El valor de NEact debe exceder el NEreq,que se determina a partir del tráfico que la estructura de pavimento debe resistir en conjunto con las características de soporte de la subrasante. Los coeficientes de drenaje son determinados de acuerdo a la Tabla A3.2. Tabla A3.2
Coeficientes de drenaje Coeficiente de drenaje di
Calidad de drenaje
% del tiempo en que la estructura está expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación 1%
25 %
Excelente
1,35
1,2
Bueno
1,25
1,0
Regular
1,15
0,8
Pobre
1,05
0,6
Muy Pobre
0,95
0,4
El espesor de capa de material tratado con asfalto espumado se determina incrementando o reduciendo el espesor hasta que el NE sea igual o mayor al requerido. Este procedimiento se muestra en el siguiente ejemplo.
202
Apéndice 3
A3.2.2
Ejemplo: Determinación del espesor de capa usando el método del Número Estructural
A3.2.2.1
El pavimento existente
Tabla A3.3
Estructura existente de pavimento (ver también Figura A3.3) CBR (%)
Coeficientes estructurales de capa asignados (por cm
150 mm Piedra Chancada
> 80
0,056
Subbase
150 mm Granular
> 45
0,048
Subrasante
Suelos In-situ
Promedio 8
Capa
Espesor de Material y Tipo
Superficial
Tratamiento superficial
Base
Módulo Resiliente (MPa)
55
Mediciones indican que el Índice de Serviciabilidad del Pavimento (PSI, Pavement Serviciability Index) inicial es de 4,2. Se asume un coeficiente de drenaje de 1,0 (Regular, cercano a la saturación en un tiempo de 1% - 5 %)
A3.2.2.2 – – – –
Requerimientos básicos de rehabilitación
Confiabilidad de Diseño Desviación estándar global PSI terminal Capacidad estructural (período de diseño de 15 años)
A3.2.2.3
90 % 0,4 2,5 2,5 x 106 EE
Diseño de Pavimento
La información anterior se utiliza como entrada a un software de análisis de pavimento, (como por ejemplo, Darwin o Winpas). Alternativamente, se pueden utilizar las ecuaciones de la guía AASHTO para determinar el número estructural requerido (NEreq). Utilizando la información anteriormente expuesta, el análisis indica que NEreq=3,83. El reciclado con asfalto espumado es una opción a ser considerada para rehabilitar este pavimento, como se ilustra abajo en la Figura A3.3. La profundidad de reciclado (“X” mm) requerida para alcanzar el NEreq es posteriormente calculada usando el método del Número Estructural. Fig. A3.3
Estructuras existentes y soluciones propuestas
Pavimento Existente
Tratamiento superficial Base granular 150 mm chancada Subbase granular
Subrasante
Apéndice 3
Pavimento Rehabilitado 50 mm
Asfalto
“X” mm
Reciclado / estabilizado con asfalto espumado
(300 – X) mm
Subbase granular
150 mm
∞
∞
Subrasante
203
Asumiendo que el CBR del material mezclado por la recicladora (antes del tratamiento) es de al menos 50 %, el coeficiente estructural de la capa tratada con asfalto espumado puede ser obtenido del la figura A3.3 como 0,12 por cm. Se consideran dos opciones alternativas de recapado. Asumiendo que una capa superficial de asfalto de 50 mm de espesor nominal va a ser aplicada sobre una capa reciclada, el espesor de la capa estabilizada con asfalto espumado se ajusta hasta que el número estructural (NEact) sea igual o exceda el valor requerido NEreq, como se muestra abajo en la Tabla A3.4. Tabla A3.4
Cálculo del Número Estructural. Recapado Asfáltico Coeficiente de capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de Capa t (cm)
ai x d i x t
Asfalto
0,173
1,0
5
0,87
Espuma reciclada
0,120
1,0
22
2,64
Subbase granular
0,048
1,0
8
0,38
Capa
NEact = Σ ai x di x t = 3,89
El Número Estructural calculado NEact excede a NEreq (3,89 > 3,83). Esto significa que una capa de 220 mm de espesor de material reciclado tratado con asfalto espumado con una superficie asfáltica de 50 mm de espesor va a cumplir los requerimientos de capacidad estructural. Como una alternativa, sustituir el asfalto por un tratamiento superficial de sello doble de agregados por el asfalto de 50 mm requiere que el espesor de la capa de asfalto espumado se incremente, como se muestra en la Tabla A3.5. Tabla A3.5
Cálculo del Número Estructural. Sello Doble de Agregados Capa
Espumada reciclada
Coeficiente de capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de capa t (cm)
0,120
1,0
32
ai x d i x t 3,83
NEact = Σ ai x di x t = 3,83
Aumentar el espesor de la capa tratada con asfalto espumado a 320 mm permite que el NEreq pueda ser alcanzado. Sin embargo, tal profundidad de reciclado va a penetrar unos 20 mm en el material pobre de la subrasante subyacente. Si esta mezcla va a reducir el CBR del material mezclado a menos del 50%, una alternativa que puede ser considerada es importar y esparcir una capa de 30 mm de espesor de material de buena calidad sobre la superficie del camino existente antes de reciclar, manteniendo así la profundidad de reciclado sobre la subrasante.
A3.2.2.4
Diseño de mezcla
Debido a que el requerimiento de capacidad estructural para el pavimento es menor a 5 x 106 ESALs, el resultado obtenido usando el ejercicio de Números Estructurales descrito arriba es adecuado. Sin embargo, debido a que la capacidad estructural excede los 0,3 x 106 ESALs, se deben realizar diseños de mezcla para verificar que se alcancen los requerimientos mínimos de resistencia (ITS) para el material estabilizado con asfalto espumado. Adicionalmente, en los lugares donde existan dudas acerca del diseño, se pueden verificar las estructuras utilizando el método de diseño mecanicista descrito a continuación.
204
Apéndice 3
A3.3
Diseño de Pavimentos usando Métodos Mecanicistas
A3.3.1
Descripción general del método de diseño mecanicista
Cuando el requerimiento de capacidad estructural exceda 5 millones de EE, se recomienda el uso de métodos de análisis mecanicistas para diseñar estructuras de pavimento que incorporen materiales tratados con asfalto espumado. Estos métodos, tales como el Método de Diseño Mecanicista Sudafricano, se denominan mecanicistas debido a que las estructuras de pavimento propuestas son modeladas usando la teoría lineal-elástica para poder determinar parámetros clave (por ejemplo, tensión y deformación). Los parámetros clave son analizados en posiciones críticas de cada capa, y utilizados después como criterios de entrada en funciones de fatiga determinadas a través de investigaciones para cada tipo de material. Es importante considerar que siempre hay un elemento empírico en la estimación de la fatiga (en la forma de supuestos y simplificaciones) y por ello, los procedimientos de diseño son frecuentemente llamados “empírico-mecanicistas”. El diseño mecanicista entrega un resultado analíticamente más legítimo y más preciso que el del enfoque de Número Estructural, y por ello el primero es favorecido para niveles de tráfico más altos. Dadas las propiedades claves de los materiales (módulo resiliente y coeficiente de Poisson) y haciendo una estimación de los espesores de cada capa individual, la estructura del pavimento puede ser modelada en un diseño mecanicista. Muchas funciones de desempeño o “funciones de transferencia” han sido desarrolladas en diversas partes del mundo para distintos tipos de material en determinadas condiciones climáticas. Las funciones de transferencia son relaciones empíricas entre las estimaciones de tensión y deformación y el deterioro del pavimento. Tales funciones son derivadas normalmente mediante ensayos de pavimento acelerado, y han sido desarrolladas para materiales estabilizados con asfalto espumado y con emulsiones asfálticas. Estas funciones son contínuamente revisadas y actualizadas, en la medida de que más investigación se desarrolla.
A3.3.2
Ejemplo: Determinación del espesor de capa usando el método mecanicista
A3.3.2.1
Pavimento existente
Tabla A3.6
Estructura existente de pavimento CBR (%)
Módulo Resiliente (MPa)
200 mm Piedra Chancada
> 80
250
Suelos In-situ
Promedio 10
90
Capa
Espesor de Material y Tipo
Superficial
50 mm Asfalto
Base
70 mm Asfalto
Subbase Subrasante
Apéndice 3
205
Fig. A3.4 Estructuras existentes y soluciones propuestas
Pavimento Existente Base asfáltica superficial 50 mm Base 70 mm asfáltica
50 mm
Asfalto
“X” mm
Subbase granular chancada
Reciclado / estabilizado con asfalto espumado
(320 – X) mm
Subbase granular chancada
Subrasante
A3.3.2.2 – – – – –
Pavimento Rehabilitado
200 mm
∞
∞
Requerimientos básicos de rehabilitación
Confiabilidad de Diseño Región climática Condición terminal Capacidad estructural (período de diseño - 15 años) Condición de carga de diseño:
A3.3.2.3
Subrasante
90 % Normal Ahuellamiento 20 mm 5 x 106 ESALs Cargas de rueda dobles de 20 kN, presión de inflado de 100 kPa
Diseño de pavimento
Es recomendable que antes que se haga un diseño con el método mecanicista, se realice un diseño preliminar utilizando el enfoque del Número Estructural para estimar el espesor de la capa reciclada tratada con asfalto espumado. Esto entrega un espesor inicial de pavimento, aproximación útil para el análisis con el enfoque mecanicista. Tomando un ejemplo similar al que se da en el enfoque del Número Estructural arriba, se debe considerar el análisis preliminar de NE antes del diseño mecanicista como se muestra en la Tabla A3.7. Tabla A3.7
Diseño de NE preliminar Coeficiente de capa ai
Coeficiente de Drenaje di
Espesor de Capa t (cm)
Asfalto
0,173
1,0
5
0,87
Espuma reciclada
0,120
1,0
20
2,40
Subbase granular
0,047
1,0
12
0,56
Capa
ai x di x t
NEact = Σ ai x di x t = 3,83
Número Estructural Actual NEact = NEreq (3,83) OK La profundidad de reciclado requerida (“X” mm en la Figura A3.4) es por lo tanto 200 mm.
206
Apéndice 3
Se debe llevar a cabo un análisis de sensibilidad utilizando propiedades supuestas para la capa estabilizada con asfalto espumado. El análisis se hace utilizando un software adecuado de diseño mecanicista y funciones de transferencia relevantes. Para este ejemplo, los valores señalados en la Tabla A3.8 entregan la capacidad estructural requerida. Tabla A3.8
Propiedades supuestas para la modelación de la estructura de pavimento rehabilitada Espesor (mm)
Módul (MPa)
Nueva
50
2500
50
Reciclada
200
1500
250
Deformación de tracción máxima al fondo de la capa
Reciclada
200
800
250
Tensiones a profundidad de 3/4 del espesor de capa
Roca Chancada
Existente
120
250
310
Tensiones en mitad de capa
Subrasante
Existente
Semi infinito
90
371
Deformación vertical de compresión arriba de la capa
Pavimento Rehabilitado Asfalto Estabilización de Asfalto Espumado Fase 1: Asentamiento Estabilización de Asfalto Espumado Fase 2: Estado Estacionario
Profundidad de Evaluación (mm) y parámetros críticos Deformación de tracción máxima al fondo de la capa
Para el análisis han sido utilizadas las funciones de transferencia presentadas en la Tabla A3.9. Se debe notar que, si corresponde, se pueden utilizar funciones de desempeño locales disponibles para una región específica. Tabla A3.9
Origen de las funciones de transferencia publicadas para análisis mecanicista Material
Función de Transferencia
Asfalto
Asphalt Institute – Fatiga del Asfalto Shell – Fatiga del Asfalto CSIR – Fatiga del Asfalto
Estabilización de asfalto espumado
CSIR – Fatiga TG2
Roca Chancada (granular)
CSIR – Factor de Seguridad
Suelos
Asphalt Institute – Ahuellamiento de subrasante Shell – Ahuellamiento de subrasante CSIR – Ahuellamiento de subrasante
Para representar el material reciclado a una profundidad de 200 mm, el diseño de mezcla del asfalto espumado debe realizarse con una mezcla de 60 % de asfalto y un 40 % de roca chancada. La Tabla A3.10 muestra los resultados típicos de los ensayos ITS preliminares, para el material dado (probetas de 100 mm de diámetro compactadas con el método Marshall). Tabla A3.10 Resultados de ensayos iniciales ITS en probetas de 100 mm de diámetro Asfalto espumado añadido Aditivo (%)
2,00 1 % cemento
2,25 1 % cemento
2,50 1 % cemento
ITS deco (kPa)
283
316
306
ITS saturado (kPa)
209
253
260
TSR
0,74
0,80
0,85
Los resultados indican un contenido de asfalto espumado de un 2,25 % corresponde al óptimo, ya que el valor de ITS seco alcanza su máximo, y un valor de TSR de 0,8 es suficiente.
Apéndice 3
207
Tabla A3.11
Resultados de Ensayos de Resistencia
Asfalto espumado añadido (%)
2,25
Aditivo (%)
1% cemento
ITSequ (kPa) 170
[=resistencia a la tracción indirecta con contenido de humedad de equilibrio]
Como se describe en el Apéndice 2, los especimenes de 150 mm de diámetro son confeccionados con el contenido óptimo de asfalto espumado, aplicando el esfuerzo de compactación modificado de la AASHTO. Los resultados de los ensayos de resistencia se muestran en la Tabla A3.11.
UCSequ (MPa) [=resistencia a la compresión no confinada con contenido de humedad de equilibrio]
1,5
Humedad de equilibrio (%)
3,2
El usar los resultados de los ensayos en las ecuaciones 4.3 y 4.4 en la Sección 4 provee los siguientes valores de entrada para el modelamiento mecanicista: MRFase 1 = 1448 MPa, und MRFase 2 = 799 MPa. Los módulos obtenidos son aproximadamente los mismos que los de las estimaciones iniciales (ver Tabla A3.8). Se puede asumir que para la mezcla de material que está siendo estabilizada con asfalto espumado, la profundidad de reciclado es de 100 mm. Si los valores de los módulos obtenidos en los ensayos son significativamente menores, estos deben ser utilizados como parámetros de entrada en el análisis mecanicista. El espesor de la capa se deberá incrementar hasta obtener la capacidad estructural requerida. Si el incremento de espesor significa que la mezcla de material sea significativamente distinta, esta debe ensayarse para verificar si se cumple con los valores iniciales de ITS y UCS. Estos ensayos debieran realizarse modificando el contenido de asfalto espumado, con el objetivo de determinar si es que existe un cambio en el contenido óptimo por el cambio en las proporciones del material. Tabla A3.12
Predicciones de la capacidad estructural de varias capas de asfalto Evaluación
Capa Rehabilitada de Pavimento
Capa Superficial Asfáltica Fase 1: Asentamiento
Base Estabilizada con Asfalto Espumado Fase 2: Estado Permanente Subbase de piedera chancada Subrasante
Espesor (mm)
Módulo (MPa)
Profundidad desde superficie (mm)
50
2500
50
εh = 115 µε
200
1500
250
εh = 148 µε
0,8
200
800
200
σ1 = 118 kPa σ3 = -64 kPa
11,1
120
250
310
σ1 = 48 kPa σ3 = -22 kPa
> 99
Semi infinita
90
370
εvert = 435 µε
> 99
Valor Crítico
(Phase 2)
Capacidad Estructural (millones de ESALs) 8,1
Se debe notar que se generan tensiones de tracción en el plano horizontal dentro de la subbase de piedra chancada. Esto es improbable para materiales granulares, pero ocurre debido a las simplificaciones adoptadas en el análisis lineal elástico mechanistic-empírico. Para neutralizar este fenómeno se debe mantener la tensión desviatoria constante y mover los Círculos Mohr a tensiones de compresión más altas σ3 = 0, lo cual ha sido aplicado en este ejemplo.
208
Apéndice 3
Utilizando las funciones de transferencia de TG2, el material tratado con asfalto espumado se clasifica como un material FB2 de acuerdo a los resultados de los ensayos de ITS y UCS. Si el camino ha sido diseñado para un 90% de confiabilidad, el diseño también debiera realizarse utilizando una información diferente para el material tratado con asfalto espumado. Los siguientes resultados del material son aplicables a la capa tratada con asfalto espumado: Cohesión Ángulo de fricción interna Densidad de terreno Densidad aparente del agregado Deformación de quiebre, εb
= 250 kPa = 45 º = 2145 kg/m3 = 2600 kg/m3 = 171µε (Material FB2)
Las siguientes funciones de diseño para fatiga efectiva y la deformación permanente son aplicables para diseños con un 90 % de confiabilidad (del Manual de TG2):
NEF = 10
NPD = En donde:
[6.499 – 0.708 (ε/εb)]
1 [– 1.951 + 11.938 x RD + 0.0726 x PS – 1.628 x SR + 0.68 x (cem/bit)] x 10 30 RD PS SR
σ1,max
Cem/Asf
[Ecuación A3.2]
[Ecuación A3.3]
= Densidad Seca / Densidad Aparente = 2.145 / 2.600 = 0,825 = Deformación en porcentaje = Ahuellamiento permitido / Espesor de capa = 18 / 200 x 100 = 9 % = Cuociente de Tensiones = (σ1– σ3)/(σ1,max– σ3) = (118 + 64)/ (σ1,max + 64) = 0,2027 = [(1 + sinφ) x σ3 + 2C x cosφ]/(1 - sinφ) = 834 kPa = 1/2.25 = 0,444
La aplicación de todas las variables relevantes en las ecuaciones A3.2 y A3.3 entrega los valores de capacidad estructural para una capa tratada con asfalto espumado, resumidos en la Tabla A3.12. El ciclo de vida de la capa tratada con asfalto espumado es 0.8 + 11.1 = 11.9 millones de ESALS. La capa crítica en este ejemplo es la capa superficial de asfalto con 8,1 millones de ESALs. Por lo tanto, esta capa va a determinar la vida total del pavimento.
Apéndice 3
209
A3.4
Diseño de Pavimento usando el Método del límite de razón de tensiones
A3.4.1
Descripción general del método de diseño por razón de tensiones
Algunos proyectos de rehabilitación requieren soportar un tráfico futuro significativo, que puede requerir una capacidad estructural que supere los 10 millones de ejes de 80 kN. En tales casos, es importante usar una herramienta de diseño más sofisticada y confiable. La herramienta de diseño recomendada para ese tipo de proyectos es el “Método del límite de razón de tensiones” (Stress Ratio Limit). Este método es aplicable tanto a capas granulares como a capas tratadas con asfalto espumado o con emulsión asfáltica. Investigaciones en la Universidad Tecnolológica de Delft (Delft University of Technology) han demostrado que cuando un material granular en una estructura de pavimento se somete a carga, el cuociente de tensiones desviadoras máximas debe ser limitado a aproximadamente 0,4 en materiales granulares. De esta manera se asegura que el material presente un desempeño satisfactorio. Este enfoque fue desarrollado en forma más profunda para mezclas de asfalto espumado en la Universidad de Stellenbosch por Jenkins en su tesis doctoral, y publicado en ICAP en 2002 por Jenkins et. al. Esta investigación muestra que valores límite del cuociente de tensiones entre 0,4 y 0,45 son aplicables a materiales tratados con asfalto espumado.
A3.4.2
Determinación de los parámetros de corte (cohesión C y ángulo de fricción interna φ)
Se deben utilizar ensayos triaxiales para determinar la cohesión y el ángulo de fricción interna de la capa tratada con asfalto espumado. Los especímenes deben ser preparados para ensayarlos a valores representativos de asfalto espumado, contenido de filler activo (cemento o cal), contenido de humedad después del curado, compactación y graduación compuesta (con capas mezcladas). Valores típicos de cohesión y ángulos de fricción interna se entregan en la Tabla A3.13 y gráficamente en la Figura A3.5. Sin embargo, es altamente recomendable que cada material individual sea ensayado, en vez de usar valores típicos, ya que éstos pueden variar significativamente. Tabla A3.13
Valores típicos de los parámetros de falla por corte, C y φ para material granular y mezclas con asfalto espumado equivalentes Tipo
C (kPa)
φ (º)
Granular
80
53
Base de Roca Chancada Graduada
2 % asfalto espumado más 1 % cemento
160
45
Base de Grava
Granular
160
45
Base de Grava
3 % asfalto espumado más 1 % cemento
330
36
Material Base de Roca Chancada Graduada
210
Apéndice 3
Gráfico típico de Mohr-Coulomb con parámetros de corte para: material granular chancado sin estabilizar y material estabilizado con 2% asfalto espumado y 1% cemento Mezcla Espuma C = 0.168 MPa φ = 44.7° R2 = 0,995
Esfuerzo de Corte τ (MPa)
Fig. A3.5
– 0,5
0
Mezcla Granular
0,5
1
1,5
2
2,5
Tensión Normal σ (MPa)
A3.4.3
Módulo resiliente de materiales estabilizados con asfalto espumado
En forma muy similar a los materiales granulares, se ha encontrado que los materiales estabilizados con asfalto espumado exhiben un comportamiento dependiente del nivel de tensiones. Esto significa que a mayores niveles de tensiones aplicadas, el material estabilizado con asfalto espumado entrega una respuesta más rígida (módulo resiliente más alto). Sin embargo, ensayos triaxiales realizados en las Universidades de Stellenbosch de Delft encontraron que la rigidez inicial (1.500 a 2.500 MPa) no perdura más allá de 50.000 a 250.000 repeticiones de carga. Después de estos “ciclos de acondicionamiento” se alcanza un valor permanente de rigidez. Esta rigidez asintótica varía en un rango de 500 MPa a 1.200 MPa, dependiendo de la calidad del agregado original que fue estabilizado con asfalto espumado. En este estado de rigidez, incluso las mezclas estabilizadas con asfalto espumado con un alto contenido de cemento (sobre el 2%) exhiben un comportamiento dependiente de las tensiones. Este fenómeno fue verificado por el CSIR realizando Ensayos Acelerados de Pavimentos a escala real, en capas estabilizadas con asfalto espumado. Las relaciones que se usan normalmente para la modelación del Módulo Mr versus la Tensión Total σ1 + σ2+ σ3 para mezclas de asfalto espumado son:
θ k2 ) θ0
[Ecuación A3.4]
σd k6 θ k6 ) (1 – k7 ( ) ) θ0 σd.f
[Ecuación A3.5]
Mr = k1 (
Mr = k5 (
En donde:
Mr
θ θ0 σ3 σd σd.f
k1 … k8
Apéndice 3
= = = = = = =
Módulo Resiliente [MPa] suma de tensiones principales = σ1 + σ2+ σ3 [kPa] valor de referencia (= 1 kPa) tensión principal menor [kPa] tensión deviatoria (σ1 – σ3) [kPa] tensión deviatoria de falla (σ1.f – σ3.f) [kPa] coeficientes de regresión
211
Con el propósito de establecer los parámetros de entrada para modelar el pavimento, se debe determinar la relación de Mr con las Tensiones Totales utilizando ensayos triaxiales. Los coeficientes de regresión pueden ser determinados a partir de los resultados de los ensayos triaxiales. Un resultado típico se muestra en la Figura A3.6. Fig. A3.6
Relación entre rigidez y tensiones totales para un material estabilizado con un 2% de asfalto espumado
Módulo Resiliente Mr (MPa)
1350 1150 950 750
12 kPa 24 kPa
550
48 kPa 72 kPa
350 150 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Suma de tensiones principales θ (kPa) Tabla A3.14
212
Coeficientes típicos de Mr para materiales granulares y mezclas con asfalto espumado equivalentes
Material
Modelo
k1
k2
R2
Base granular tratada con asfalto espumado
Mr-θ
132.5
0.319
0.94
Material
Modelo
k5
k6
k7
k8
R2
Base granular
Mr – σ3 – σ1/σ1.f
350.0
0.300
0.600
0.100
0.69
Base granular tratada con asfalto espumado
Mr – θ – σ1/σ1.f
30.0
0.600
0.700
1.000
0.89
Base granular tratada con asfalto espumado
Mr – θ – σd/σd.f
48.0
0.500
0.500
1.200
0.90
Apéndice 3
A3.4.4
Razón de tensión deviatoria en materiales estabilizados con asfalto espumado
Es necesario contar con técnicas de modelación para determinar la distribución de tensiones en la estructura del pavimento, incorporando la capa reciclada con asfalto espumado. Para ello se pueden utilizar métodos de elementos finitos automatizados o métodos mecanicistas estándar (discutidos en el Capítulo 3). Estos consisten en un procedimiento iterativo, el cual hace variar el Mr para un estado de tensiones dado, hasta que converja la relación Mr – θ. En todo caso, la capa reciclada no debe ser analizada como una capa monolítica de gran espesor, sino que debe subdividirse como un material multicapa. En cada subcapa se deben calcular cuocientes de tensiones, como se muestra en la Figura A3.7, por ejemplo, a un 25 % de la profundidad de la capa reciclada. Fig. A3.7
Análisis conceptual de posiciones relativas a las ruedas en la estructura de pavimento para determinar las razones de tensión
Pavimento Reciclado
Razón de tensiones =
σ1 – σ3 σ1,f – σ3
Superficie t/4 Base estabilizada con asfalto t espumado
Datos entrada
Análisis de posiciones t/4
Subbase A partir de pruebas de laboratorio, ver Ecuación A3.6
Subrasante
σ1.ƒ = (1 + sinφ) σ3 + 2 x C x cos φ (1 – sinφ)
Apéndice 3
[Ecuación A3.6]
213
A3.4.5
Deformación permanente en la capa estabilizada con asfalto espumado
El paso final utiliza el cuociente de tensiones desviatorias (determinadas anteriormente), con el objetivo de obtener el valor máximo de deformación permamente en la capa tratada con asfalto espumado. Las relaciones desarrolladas en la Universidad de Stellenbosch para la deformación permanente ante ensayos triaxiales de carga repetitiva que puedan ser utilizadas en los cálculos se resumen en la Figura A3.8. La predicción de la deformación permanente total en la capa reciclada se calcula como la suma de los productos de los porcentajes de deformación permanente y los espesores de las subcapas individuales (para la razón de tensiones aplicada). De esta forma, se puede verificar si el espesor de la capa estabilizada con asfalto espumado es suficiente. Si la deformación total bajo el número de ciclos de carga de diseño es inadecuada, se debe aumentar el espesor de la capa (para reducir el cuociente de tensiones) y recalcular el cuociente de tensiones desviatorias. Se debe notar que la razón de tensiones desviatorias crítico para materiales tratados con asfalto espumado es aproximadamente un 40 % a 45 %, lo que se correlaciona en forma consistente con la razón de los materiales granulares investigado en la Universidad Tecnológica de Delft. La diferencia radica en que la resistencia al corte de los materiales tratados con asfalto espumado es significativamente mayor, por lo que las tensiones de trabajo para el material estabilizado con asfalto espumado van a ser menores para la misma carga de rueda. Esto significa que la vida de un pavimento que contiene capas estabilizadas con asfalto espumado es mayor que un pavimento que utiliza sólo capas granulares sin estabilizar. Fig. A3.8
Deformación permanente de materiales estabilizados con asfalto espumado en función de repeticiones de carga y razón de tensiones
Deformación Unitaria Permanente (%)
10 1
0,1 sd/sd, f = 50% sd/sd, f = 45%
0,01
sd/sd, f = 40% sd/sd, f = 30%
0,001 1,00E-04
1,00E-05
1,00E-06
1,00E-07
1,00E-08
1,00E-09
Número de Repeticiones N
Para que el método del límite de la razón de tensiones sea aplicado correctamente, es fundamental que el diseñador tenga un buen entendimiento de los fundamentos del comportamiento de los materiales dependiente de las tensiones, así como de su aplicación en los análisis mecanicistas de pavimentos. La determinación del cuociente de tensiones es fuertemente dependiente del uso de técnicas correctas de modelación. Los procedimientos lineales-elásticos simplificados no son recomendables para estas aplicaciones. Por otro lado, los métodos de elementos finitos que incorporan rutinas iterativas automáticas entregan los resultados más confiables. Nota: Es también primordial que los ensayos de laboratorio para determinar los parámetros de corte (c y φ) sean realizados en condiciones representativas de compactación y humedad. Estas condiciones deben ser representativas de las condiciones de terreno previstas para el material tratado con asfalto espumado.
214
Apéndice 3
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 A4.3.1 Conteos de Tránsito A4.3.2 Procedimientos de pesaje Estático o Dinámico
A4.4
Determinación del Tránsito de Diseño
A4.5
Enfoque Práctico para la Estimación del Tránsito de Diseño
215
216
A4.1
Terminología Asociada al Tránsito
Existen tres términos claves utilizados para describir el tránsito que utiliza un camino. Estos deben ser claramente definidos para evitar confusiones. – Tránsito Medio Diario Anual (Annual Average Daily Traffic, AADT) medido en vehículos por día. Esta es una medida del volumen diario total de tránsito que circula por un camino. Incluye a todo el tránsito que viaja en ambos sentidos, y no hace diferencia entre los distintos tipos de vehículos (autos, camiones livianos, camiones pesados) que conforman el espectro de tránsito ni tampoco el número de pistas involucradas. Si bien el AADT es ampliamente utilizado para definir volúmenes de tránsito, no es una medida muy útil para los propósitos del diseño estructural. Un entendimiento del espectro de tránsito y de la distribución entre las pistas es esencial para determinar la estructura requerida de un pavimento. – Carga de Eje Equivalente Estándar (Equivalent Standard Axle Load, ESAL). La carga permitida de vehículos pesados dependerá de la legislación vigente en el país o región donde se encuentre el camino, y por lo tanto los pavimentos se diseñarán de acuerdo a ella. El término límite legal de eje se refiere a la máxima carga permitida en un eje determinado (simple, doble o trídem) y este varía de país en país, típicamente entre 80 kN a 130 kN. Para los propósitos de diseño de pavimentos, la configuración de ejes en un vehículo también es importante para la determinación de la carga aplicada en términos de ESALs. Los pavimentos están diseñados para llevar un cierto número de ESALs durante su vida útil, lo cual se define como Capacidad Estructural de un pavimento y es usualmente expresada en millones (por ejemplo, 5 x 106 ESALs). – Tránsito Medio Diario Equivalente (Average Daily Equivalent, ADE). Esta es la información más relevante para el diseño de un pavimento, ya que define el número de ESALs que realmente utilizan el camino por pista. La determinación de este número clave se discute más adelante.
A4.2
Clasificación de Carga de Tránsito
Los pavimentos son clasificados por el número de Tabla A4.1 Clasificación típica de pavimentos ESALs que el camino puede llevar durante su vida de servicio de acuerdo al diseño (Capacidad Clase ESALs x 10 6 Estructural). Esto introduce un marco de tiempo, T0 < 0,3 lo cual requiere que se defina una “vida de diseño”. Las autoridades viales normalmente esperan T1 0,3 – 1,0 un retorno de su inversión en un pavimento, y paT2 1,0 – 3,0 ra ello se utilizan rangos de 5 a 30 años en las evaluaciones. Posteriormente, este período de retorT3 3,0 – 10,0 no se utiliza para definir la vida de diseño de un T4 10,0 – 30,0 pavimento. Por lo tanto, la predicción del tránsito T5 30,0 – 100,0 de diseño es de gran importancia, debido que una mala estimación de estos implicará costos adicionales (o recursos insuficientes) en cuanto a número de capas, espesores, y composición del material. Existen numerosos sistemas de clasificación para describir la carga del tránsito. Los términos comúnmente utilizados “liviano/medio/pesado” son demasiado subjetivos y no debieran ser usados para el diseño de un pavimento. Un sistema normalmente utilizado es el que clasifica el tránsito en rangos de ESALs, como el que se ilustra en la Tabla A4.1, el cual ha sido adoptado como una guía regional para todos los países del sur de África.
Apéndice 4
217
Traducir el conteo de tránsito en información relevante para el diseño requiere convertir todos los datos Tipo de Vehículo Rango Normal Promedio recogidos en el espectro de tránsito Camión 2 ejes 0,3 – 1,1 0,70 (discutido más adelante) en ESALs. Bus 2 ejes 0,4 – 1,5 0,73 La Tabla A4.2 puede ser usada como una aproximación preliminar para Camión 3 ejes 0,8 – 2,6 1,70 determinar el número de ESALs que Camión 4 ejes 0,8 – 3,0 1,80 deberá soportar el camino para disCamión 5 ejes 1,0 – 3,0 2,20 tintos tipos de vehículos pesados. Se debe notar que a los vehículos Camión 6 ejes 1,6 – 5,2 3,50 livianos no se les asigna un factor de Camión 7 ejes 3,8 – 5,0 4,40 ESAL y, por lo tanto, no producen ningún efecto destructivo desde el punto de vista del diseño del pavimento. Los datos de ESAL por vehículo presentados en la Tabla A4.2 y fueron derivados de un estudio obtenido en Sudáfrica, y puede no ser representativo para otros países con distintos tipos de vehículos y espectros de tráfico. Luego, esta información debe obtenerse de la autoridad Vial correspondiente (si se encuentra disponible) o de un ejercicio de conteo. Tabla A4.2
Ejemplo de EE típicos por vehículo pesado
Las clases de tráfico ultra pesadas también están definidas para pavimentos de trabajo pesado, como los que se encuentran en grandes pistas de aterrizaje o caminos destinados a la minería. Sin embargo, esos pavimentos se encuentran fuera del alcance de esta guía y deben ser considerados como aplicaciones especiales de pavimentos.
A4.3
Estimaciones de Cargas de Tránsito
Los datos disponibles son utilizados como base para estimar el ADE de las cargas de tránsito existentes. Si sólo se dispone de los valores del AADT, se puede utilizar la ecuación A4.1 para obtener una estimación inicial del ADE.
ADE = AADT x fH x fE x fL x fG x fW En donde:
218
fH fE fL fG fW
= = = = =
[Ecuación A4.1]
porcentaje de vehículos pesados en el espectro de tránsito ESAL estimado promedio por vehículo pesado Factor de distribución de pista (ver Tabla A4.3) factor de pendiente (ver Tabla A4.4) factor de ancho de pista (ver Tabla A4.5)
Apéndice 4
La determinación del “factor de Tabla A4.3 Factor de distribución por pista (ejemplo fL) distribución por pista” requiere ser considerado cuidadosamente, en Pistas totales especial para autopistas de múltiPista lenta Pista central Pista rápida ples pistas, en donde el carril lento (ambas direcciones) lleva inevitablemente un número más elevado de vehículos pesados que las pistas centrales o rápidas. La Tabla A4.3 entrega líneas gene2 0.5 rales basadas en patrones de tráfico registrados en Sudáfrica. Es probable que estos factores varíen de país en país, ya que reflejan hábitos de conducción, prácticas de 4 0.48 0.15 leyes de tránsito, etc. Los datos separados por pista en la Tabla A4.3 reflejan patrones normales de tránsito para autopistas interurbanas. Los caminos que son predo6 0.35 0.3 0.13 minantemente rutas de transporte de carga unidireccionales (por ejemplo: rutas de zona agrícola a zona de mercados, zona minera a zona de ferrocarril) obviamente no van a ajustarse a ese patrón. El “factor de pendiente” (fg) toma en consideración el incremento en la carga efectiva de rueda debido a la reducción en la velocidad de los vehículos pesados cuando transitan por pendientes fuertes. El “factor de ancho de pista” (fw) reconoce el efecto de la concentración de la carga del tránsito en una pista. Entre más ancha la pista, menos localizado será el paso de las ruedas de los vehículos. Las Tablas A4.4 y A4.5 incluyen factores recomendados por las autoridades alemanas de carreteras, publicados en “RStO 01”. Tabla A4.4
Factor de Pendiente
Tabla A4.5
Pendiente (%)
fG
Menor que 2
1,0
2a4
1,02
4a5
1,05
5a6
1,09
6a7
1,14
7a8
1,20
8a9
1,27
9 a 10
1,35
más de 10
1,45
Factor de ancho de pista Ancho de pista
fW
menor que 2,50 m
2,0
2.5 m a 2.75 m
1,8
2.75 m a 3.25 m
1,4
3.25 m a 3.75 m
1,1
mayor que 3,75 m
1,0
(Los códigos de diseño en algunos países excluyen el factor de ancho de pista debido a que se asume una canalización del flujo. Por lo tanto, fw en esos casos es igual a 1,0) Las estimaciones basadas en el AADT, el porcentaje promedio de vehículos pesados y el número promedio de ESAL por vehículo pesado (fE) debieran ser tratados con atención. Estos son sólo estimadores, y por lo tanto no debieran considerarse como los parámetros de entrada principales para el diseño de pavimentos importantes. Si existiera alguna duda acerca de la precisión o relevancia de los datos de
Apéndice 4
219
tránsito disponibles, se debe llevar a cabo un estudio detallado para determinar el ADE “correcto” por pista. Para ello se pueden usar varios métodos de estudio, como los que se detallan a continuación.
A4.3.1
Conteos de Tránsito
Los conteos son realizados normalmente en puntos específicos (por ejemplo, intersecciones) en períodos de 12, 18 o 24 horas. Cuando sea necesario, el conteo real puede ser convertido a períodos de 24 horas para obtener el AADT, aplicando factores apropiados. El número de vehículos pesados es normalmente expresado como un porcentaje del AADT. Los conteos de tránsito debieran incluir al número total de vehículos por día que viajan en cada pista (en cada dirección), clasificado por tipo de vehículo. La categoría del camino (por ejemplo, una autopista principal o un camino de acceso a una granja) y la tecnología disponible normalmente van a dictaminar si el conteo será ralizado electrónicamente o mediante otro método. Actualmente, se encuentran disponibles métodos sofisticados para contar el número de ejes (e incluso pesar en movimiento). Sin embargo, estos son de alto costo y por lo tanto se utilizan sólo en las autopistas principales. Los conteos físicos (manuales con lápiz y papel) aún son comunes y, dependiendo de la habilidad de la gente que realiza los conteos, se pueden obtener mediciones visuales confiables que confirmen ciertos supuestos y que aseguren una predicción de tráfico más precisa. Los siguientes detalles debieran ser obtenidos de estas observaciones: – – – –
Nivel de carga de vehículos (vacío, medio cargado, lleno) y la naturaleza de las cargas El tipo de vehículo y el número de ejes por vehículo pesado El uso del terreno y tendencias de desarrollo actuales Un posible “tránsito generado” una vez que el camino ha sido construido.
Estas observaciones ayudan a asignar ESALs para los distintos tipos de vehículos (ver Tabla A4.2), y mejorar la precisión de las proyecciones de crecimiento de tránsito. Una vez que los estudios sean realizados, se determina el ADE para cada pista utilizando la fórmula:
ADE = Σ (nJ x (FE)J) En donde:
nJ (FE)J
[Ecuación A4.2]
= número de vehículos por cada tipo de vehículo (J) en el espectro de tránsito = ESAL promedio estimado por vehículo para cada tipo de vehículo (J). (ver Tabla A4.2)
El grado y magnitud de la sobrecarga es una estadística importante, ya que la filosofía de diseño de pavimentos se basa en la carga de eje estándar. El exceso de carga causa un daño severo en los pavimentos. Cualquier información acerca de excesos de carga debiera ser reportada, usualmente mediante las autoridades encargadas de ejercer y aplicar la ley. En ausencia de información relevante, es recomendable realizar un estudio de cargas. Se debería pesar una muestra representativa de los vehículos pesados de manera de determinar el número de vehículos sobrecargados y el grado de sobrecarga. Los resultados pueden ser extrapolados a la población total de vehículos pesados.
220
Apéndice 4
A4.3.2
Procedimientos de pesaje Estático o Dinámico
El pesaje es una medición física que se hace en terreno para determinar el rango real de cargas por eje: – El pesaje estático es el pesaje estacionario de vehículos, y por ello está limitado sólo a una muestra de vehículos en un camino específico. Se debe tener cuidado de que la muestra elegida represente al espectro completo de tránsito, y no sólo a aquellos que son pesados. Por lo tanto, no debiera ser utilizado el pesaje de control para para ver si se cumple el límite legal. – El pesaje dinámico es un procedimiento continuo de medición, típicamente sobre un período de 7 días en un lugar específico. Este método es el más preciso y adecuado para la estimación de tránsito, y entrega el número de ejes en cada una de las categorías de peso por eje. Sin embargo, debido a sus costos relativamente altos, este método es rara vez justificable para caminos menores. Una vez que el estudio se ha completado, el ADE se determina para cada pista usando la fórmula:
ADE = Σ (nM x DM)
En donde:
nM DM
[Ecuación A4.3]
= número de ejes para cada categoría de peso por eje predefinida (M) = número calculado promedio de ESAL por categoría de peso por eje (M)
El número promedio de ESAL por cada categoría de peso por eje se calcula de:
DM = (PM / SAL)d En donde:
Apéndice 4
PM SAL d
[Ecuación A4.4]
= carga de eje en kN para cada categoría de peso por eje = carga relevante de eje estándar (e.g. 80 kN) = coeficiente de daño. Dependiente de tanto el tipo de pavimento como del material en las variadas capas. Un valor de d=4 se usa en general como promedio. Pavimentos poco profundos (relativamente delgados pero con capas superiores resistentes) tienen valores de d que exceden a 4, mientras que los pavimentos menos sensibles (profundos) tienen valores de d inferiores a 4.
221
A4.4
Determinación del Tránsito de Diseño
Una vez que el ADE real por pista ha sido determinado, el aumento del ADE debido al crecimiento de tránsito esperado durante el período de diseño se calcula de esta manera:
ESALstotal = ADE x fJ
[Ecuación A4.5]
ESALstotal = capacidad estructural para el período de diseño
En donde:
fJ = factor de crecimiento acumulado
[Ecuación A4.6]
365 x (1 + 0.01i) x [(1 + 0.01i)y – 1] = (0.01i) En donde:
i y
= crecimiento de tráfico anticipado en porcentaje = número de años de la vida de diseño
El factor de crecimiento acumulado (fJ) también puede ser obtenido de tablas estándar, como la que se muestra abajo en la Tabla A4.6
Tabla A4.6
Factor de Crecimiento Acumulado fJ
Vida de diseño y (años)
i = 2%
5
1.937
2.056
2.181
2.313
2.451
8
3.195
3.498
3.829
4.193
4.592
10
4.077
4.558
5.100
5.711
6.399
12
4.993
5.704
6.527
7.481
8.586
15
6.438
7.601
9.005
10.703
12.757
20
9.046
11.304
14.232
18.039
22.996
25
11.925
15.809
21.227
28.818
39.486
30
15.103
21.290
30.588
44.656
66.044
Nota:
fJ para crecimiento de tránsito i por año i = 4% i = 6% i = 8%
i = 10 %
Los datos que se muestran en la Tabla A4.6 no incluyen a todos los valores de las variables “i” e “y”. Se debe ser cuidadoso cuando se estimen valores intermedios debido a que la interpolación o extrapolación directa puede producir un resultado impreciso. Por ello es que se debiera usar la Ecuación A4.6 para calcular los valores de fJ.
Cuando se estima la tasa proyectada de crecimiento de tránsito (i), se debieran identificar influencias de crecimiento distintas de los factores de crecimiento económico. El mejoramiento de los caminos y la rehabilitación del pavimento generan, en muchas ocasiones, una atracción de un tránsito que normalmente usaría rutas alternativas. En el Apéndice 1 se incluye un ejemplo de cómo se debieran usar las fórmulas para determinar el tránsito de diseño de un proyecto.
222
Apéndice 4
A4.5
Enfoque Práctico para la Estimación del Tránsito de Diseño
Los procedimientos descritos anteriormente debieran ser considerados siempre que se determine la capacidad estructural (tránsito de diseño) a nivel de proyecto. Sin embargo, en muchas ocasiones existe la necesidad de estimar en forma preliminar la capacidad estructural de un camino, para obtener un rango apropiado de valores de tal manera de poder planificar a nivel de red, como también determinar elementos inadecuados en pavimentos existentes. Además, tales estimaciones son realizadas normalmente al inicio del proyecto para tener una idea del tipo de pavimento que se requiere, relativo al nivel de tránsito que debe ser acomodado. Cuando se conoce el número de vehículos pesados, se puede obtener una estimación aproximada a partir de la Tabla A4.7. Esta tabla relaciona el “Número de vehículos pesados por pista por día” con el “Tránsito de Diseño” (capacidad estructural) en términos de ESALs x 106, mediante tres variables; crecimiento de tránsito compuesto, vida de diseño del pavimento (años) y el factor de estratigrafía de carga (número promedio de ESALs por vehículo pesado). Por ejemplo: Cuando el número de vehículos pesados que viajan en una dirección por un camino de dos pistas es de 100 por día, el promedio de los ESALs por vehículo pesado es 2 y el crecimiento de tránsito compuesto es 4 % por año, la capacidad estructural requerida para un período de vida de diseño de 10 años, obtenido de la Tabla A4.7, es de 0,91 x 106 ESALs. Si el número promedio de ESALs por vehículo pesado se incrementa a 3,5, el requerimiento de capacidad estructural aumenta a 1,6 x 106 ESALs. Nota preventiva: Los lectores que utilicen esta tabla deben reconocer que cualquier estimación de capacidad estructural que se derive tiene severas limitaciones y sólo puede ser usada como un indicador. La mayor limitación es la falta de una definición de “vehículo pesado”, ya que se asume que todos tienen el mismo número de ESALs de 80 kN. Por lo tanto, los diseños de pavimento no deben ser basados en tal información; siempre se debe realizar un análisis de tránsito adecuado y una predicción que siga los procedimientos descritos en esta sección.
Apéndice 4
223
224
Apéndice 4
5000
3000
1000
500
100
50
20
10
2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8% 2% 4% 6% 8%
0,58 0,62 0,65 0,69 1,16 1,23 1,31 1,39 3,49 3,70 3,93 4,16 5,81 6,17 6,54 6,94
0,6
0,39 0,41 0,44 0,46 1,94 2,06 2,18 2,31 3,87 4,11 4,36 4,63 11,62 12,34 13,09 13,88 19,37 20,56 21,81 23,13
2
5
0,34 0,36 0,38 0,40 0,68 0,72 0,76 0,81 3,39 3,60 3,82 4,05 6,78 7,20 7,63 8,09 20,34 21,59 22,90 24,28 33,91 35,98 38,17 40,47
3,5
0,6
0,43 0,45 0,48 0,51 0,85 0,27 0,90 0,31 0,96 0,34 1,02 1,22 4,26 1,37 4,52 1,53 4,80 1,71 5,09 2,45 8,52 2,73 9,05 3,06 9,60 3,43 10,18 7,34 25,57 8,20 27,14 9,18 28,79 10,28 30,53 12,23 42,62 13,67 45,23 15,30 47,98 17,13 50,88 Leyenda:
4,4
15
0,41 0,46 0,51 0,57 0,82 0,91 1,02 1,14 4,08 4,56 5,10 5,71 8,15 9,12 10,20 11,42 24,46 27,35 30,60 34,26 40,77 45,58 51,00 57,11
2
0,36 0,40 0,45 0,50 0,90 1,00 1,12 1,26 1,79 2,01 2,24 2,51 8,97 10,03 11,22 12,56 17,94 20,05 22,44 25,13 53,81 60,16 67,32 75,38 89,68 100,27 112,19 125,63
4,4
0,27 0,32 0,39 0,46 0,54 0,64 1,93 2,28 2,70 3,21 3,86 4,56 5,40 6,42 11,59 13,68 16,21 19,27 19,32 22,80 27,02 32,11
0,6
< 0,25 x 106 ESALs
0,29 0,32 0,36 0,40 0,71 0,80 0,89 1,00 1,43 1,60 1,78 2,00 7,13 7,98 8,92 9,99 14,27 15,95 17,85 19,99 42,80 47,85 53,55 59,96 71,34 79,76 89,24 99,94
3,5
0,26 0,30 0,36 0,43 0,64 0,76 0,90 1,07 1,29 1,52 1,80 2,14 6,44 7,60 9,01 10,70 12,88 15,20 18,01 21,41 38,63 45,61 54,03 64,22 64,38 76,01 90,05 107,03
2
4,4 0,28 0,33 0,40 0,47 0,57 0,67 0,79 0,94 1,42 1,67 1,98 2,35 2,83 3,34 3,96 4,71 14,16 16,72 19,81 23,55 28,33 33,44 39,62 47,09 84,99 100,33 118,87 141,28 141,64 0,27 0,34 0,43 0,54 0,54 0,68 0,85 1,08 2,71 3,39 4,27 5,41 5,43 6,78 8,54 10,82 16,28 20,35 25,62 32,47 27,14 33,91 42,70 54,12
0,6
> 250 x 106 ESALs
0,27 0,32 0,37 0,45 0,53 0,63 0,75 1,13 1,33 1,58 1,87 2,25 2,66 3,15 3,75 11,27 13,30 15,76 18,73 22,53 26,60 31,52 37,46 67,60 79,81 94,56 112,39 112,67 133,02
3,5
Factor de carga por vehículo (80 kN ESAL por vehículo pesado)
10
Vida de diseño del pavimento (años)
0,28 0,36 0,36 0,45 0,57 0,72 0,90 1,13 1,42 1,80 1,81 2,26 2,85 3,61 9,05 11,30 14,23 18,04 18,09 22,61 28,46 36,08 54,28 67,82 85,39 108,24 90,46 113,04 142,32
2
20 3,5 4,4 0,40 0,32 0,50 0,40 0,63 0,50 0,79 0,63 0,80 0,63 0,99 0,79 1,25 1,00 1,59 1,26 1,99 1,58 2,49 1,98 3,13 2,49 3,97 3,16 3,98 3,17 4,97 3,96 6,26 4,98 7,94 6,31 15,83 19,90 19,78 24,87 24,91 31,31 31,57 39,69 31,66 39,80 39,56 49,74 49,81 62,62 63,14 79,37 94,98 119,41 118,69 149,21 149,44 189,41
Guía para estimar el tráfico de diseño (Capacidad Estructural), en millones de ejes equivalentes estándar de 80 kN (ESALs x 106)
Número de Crecimiento del vehículos tráfico pesados combinado por días
Tabla A4.7
Apéndice 5 Recomendaciones para la preparación de Especificaciones Técnicas para Proyectos de Reciclado A5.1
Alcance
A5.2
Material A5.2.1 Material de pavimento in-situ A5.2.2 Material importado natural o procesado A5.2.3 Agentes Estabilizadores A5.2.4 Agua para la construcción
A5.3
Planta y Equipamiento A5.3.1 Recicladoras A5.3.2 Equipamiento para compactación o terminación A5.3.3 Camiones estanque para el suministro de agentes estabilizantes asfálticos
A5.4
Construcción A5.4.1 Limitaciones generales y requerimientos A5.4.2 Requerimientos antes del comienzo del reciclado A5.4.3 Adición de agentes estabilizadores A5.4.4 Reciclado A5.4.5 Inestabilidad de la subrasante A5.4.6 Compactación y terminación A5.4.7 Secciones de prueba
A5.5
Protección y Mantenimiento
A5.6
Tolerancias de Construcción A5.6.1 Niveles de Superficie A5.6.2 Espesores de Capa A5.6.3 Ancho A5.6.4 Sección transversal A5.6.5 Regularidad superficial
A5.7
Inspecciones de Rutina y Ensayos A5.7.1 Tasa de aplicación de agentes estabilizadores A5.7.2 Resistencia del material estabilizado A5.7.3 Densidad alcanzada
A5.8
Medición y Pago A5.8.1 Ejemplo de una programación típica de cantidades
Apéndice 5
225
226
Apéndice 5: Recomendaciones para la preparación de Especificaciones Técnicas para Proyectos de Reciclado Debido a que la rehabilitación de pavimentos aplicando reciclado es una tecnología relativamente nueva, se han escrito pocas especificaciones técnicas estándar que abarquen los requerimientos de construcción. Este apéndice se ha incorporado al manual para ayudar a la preparación de la documentación contractual pertinente. Además, se siguen los formatos y encabezados típicos de una especificación estándar, dando ejemplos y guías de características importantes que deben ser incluidas para evitar conflictos y reclamos que son inevitables cuando existen ambigüedades en las especificaciones.
A5.1
Alcance
Las especificaciones del reciclado deben cubrir todas las operaciones que tengan relación con la construcción de una nueva capa de pavimento, utilizando principalmente material reciclado de las capas superiores de un camino existente. Estas operaciones incluyen: – El fresado o rompimiento más la recuperación del material de las capas superiores de los pavimentos de caminos existentes. – El cambio de las propiedades del material recuperado a través de la adición de material importado. – La provisión y aplicación de agentes estabilizadores y agua. – Mezclado, colocación, compactación y conformación del perfil para lograr una nueva capa de pavimento. Las secciones de pavimento tienen, en general, una composición no uniforme. Además de las diferencias con el espesor de capa y la calidad de material existente, las medidas de mantención, mejoramiento y rehabilitación aplicados durante la vida de servicio del camino incorporan variabilidad a la porción superior del pavimento. La descripción general del (los) pavimento(s) a ser reciclados por contrato, la profundidad y tipo de reciclado (por ejemplo, 175 mm tratados con 2,5% de cemento Portland corriente y 2,5% de emulsión asfáltica) así como la calidad del producto final requerida deben estar claramente definidas. Cuando se realiza más de un tipo de operación de reciclado, cada una de ellas debe ser completamente definida. Por ejemplo, si la longitud total del proyecto a ser rehabilitado utilizando reciclado es de 32,9 km y hay siete tipos distintos de pavimentos (cada uno con un procedimiento constructivo diferente), éstos deben ser detallados como se muestra en el ejemplo a continuación. Tabla A5.1
Ejemplo de distintas operaciones de reciclado requeridas
Nº
Km Inicio
Km Fin
Longitud (m)
Profundidad de reciclado (mm)
Tratamiento requerido para la rehabilitación
1
29 + 900
32 + 900
3000
175
Pre-tratar con 2% de cal. Dentro de 24 horas estabilizar con 3,5 % de asfalto espumado
2
32 + 900
35 + 000
2100
200
Reciclar con 1% de cemento y 3% de asfalto espumado
3
35 + 000
38 + 600
3600
150
Añadir capa de polvo de roca de 40 mm antes de reciclar con 2,5 % de asfalto espumado
4
38 + 600
49 + 400
10800
250
Reciclar con 3% de cemento como subbase nueva. Importar una capa de 125 mm de RAP y reciclar con 2% de asfalto espumado
5
49 + 400
54 + 800
5400
225
Pre-tratar con 2% de cal. Dentro de 24 horas estabilizar con 3,5% de asfalto espumado
6
54 + 800
61 + 000
6200
150
Añadir capa de 40 mm de polvo de roca antes de reciclar con 2,5% de asfalto espumado
7
61 + 000
62 + 800
1800
250
Reciclar con 3% de cemento como subbase nueva. Importar una capa de 125 mm de RAP y reciclar con 2% de asfalto espumado
Apéndice 5
227
Además, los requerimientos de diseño para cada tipo de material reciclado tratado con uno o más agentes estabilizadores deben ser especificados. Esto se incluye normalmente como una tabla que muestra los requerimientos mínimos en términos de parámetros de resistencia y densidad de la capa compactada. La siguiente tabla muestra un ejemplo de un proyecto de reciclado típico que incluye estabilizaciones tanto con cemento como con asfalto espumado: Origen de material/ profundidad de reciclado (mm)
Sección
Tasa de aplicación Requerimientos de de agente estabiresistencia mínima lizador (% en masa) (especímenes φ 150 mm) Asfalto ITS UCS Cemento espumado (kPa) (MPa)
km1 + 200 to 2 + 800
In-situ / 250
3
km1 + 200 to 2 + 800
Importado / 125
1
km2 + 800 to 8 + 600
In-situ / 200
1
km8 + 600 to 12 + 800
In-situ / 300
2.5
km8 + 600 to 12 + 800
Importado / 150
1
Densidad mínima % de modo AASHTO T-180
200
1.5
98
3.5
200
1.2
102
2.5
175
1.0
100
200
1.5
98
225
1.2
102
3.0
Los resultados del diseño de mezclas en conjunto con los supuestos hechos en la determinación del diseño del pavimento son utilizados como base para construir la tabla. También se debe especificar el método adecuado para la determinación de la resistencia del material. En general, se recomienda que los valores especificados de resistencia debieran ser alcanzables en terreno, y por ello es sumamente importante estar en contacto con los responsables de las investigaciones de terreno y procedimientos de diseño. Por ejemplo, especificar un requerimiento de densidad de 102% para la capa reciclada cuando la capa de soporte está compuesta por material no estabilizado es poco factible de conseguir en la práctica. De igual manera, especificar un requerimiento de diseño similar al promedio alcanzado en los diseños de mezclas de laboratorio es irreal. Además, la siguiente cláusula normalmente es incluida para definir las responsabilidades por parte del contratista encargado del control de los trabajos: “Va a ser obligación del constructor organizar y ejecutar sus operaciones de manera que los requerimientos sean alcanzados”.
A5.2
Materiales
A5.2.1
Material de pavimento in-situ
Los detalles de todas las investigaciones de pavimento que fueron llevadas a cabo por los responsables del diseño y especificación de los requerimientos de rehabilitación deben ser presentadas en un documento. Estas investigaciones deben incluir: – Descripción detallada de las estructuras de pavimento que serán recicladas – Los resultados de los ensayos llevados realizados, indicando la graduación, plasticidad y otras propiedades relevantes del material que será reciclado de las capas superiores del pavimento – Contenidos de humedad relevantes de los distintos materiales del pavimento existente, medidos cuando se realizaron las investigaciones.
228
Apéndice 5
Normalmente se incluye la siguiente afirmación: “Esta información se ofrece de buena fe pero, en las circunstancias correspondientes al muestreo y a los procedimientos de ensayo y al tipo de información dada (usada), no se puede dar garantía de que toda la información sea correcta o representativa de las condiciones in-situ al momento de la construcción. Cualquier decisión adoptada por el contratista respecto a esta información deberá ser tomada bajo su propio riesgo y él deberá realizar su propio programa de ensayos de manera de determinar las condiciones que prevalezcan al momento de construir”
A5.2.2
Material importado natural o procesado
Cuando los requerimientos de un proyecto establezcan que se debe mezclar material importado con el reciclado del pavimento existente, los requerimientos de dicha importación deben definirse con claras especificaciones de tipo y calidad del material importado. Un material se importa normalmente por al menos una de las siguientes razones: – Cambiar la granulometría del material reciclado – Modificar propiedades mecánicas del material y/o – Suplir al material reciclado con el objetivo de cambiar el perfil Los contratistas deben entender el razonamiento detrás de los requerimientos, de manera de formular mejorar su oferta económica dada la variedad de alternativas disponibles (por ejemplo, comprar un material de una planta de áridos o establecer sus propios equipos de machacado o chancado). Además, deben establecerse las condiciones especiales bajo las cuales el material será importado (por ejemplo, importar antes o después de que el pavimento existente sea pulverizado). El tipo de material (por ejemplo, piedra chancada graduada con CBR > 100 % dentro de una banda granulométrica específica) y la cantidad que debe ser importada debe estar claramente definidas (por ejemplo, 30% por volumen de nueva capa o, esparcida como una capa de espesor nominal de 75 mm antes de la compactación, en la superficie del camino existente).
A5.3.2
Agentes Estabilizadores
El tipo y calidad de todos los agentes estabilizadores que van a ser usados en el proyecto deben estar claramente especificados en conjunto con cualquier estándar relevante que rija su fabricación o elaboración y uso (por ejemplo, cemento Portland corriente conforme a los requerimientos de BS-12). Además, cualquier requerimiento especial (por ejemplo, manejo y almacenamiento) debe estar estipulado. El siguiente párrafo normalmente se incluye cuando se especifica cemento como agente estabilizador: “Desde que se compra hasta el minuto de ser aplicado en terreno, todo el cemento debe ser almacenado en zonas cubiertas, protegiéndolo de la humedad, de acuerdo a las recomendaciones del fabricante o distribuidor. Toda recomendación de utilización de estos materiales debe ser seguida hasta su entrega en terreno. El stock almacenado sobre tres meses no debe ser utilizado en el trabajo sin autorización.”
Apéndice 5
229
Cuando se requiere de estabilización con asfalto espumado, se debe especificar el tipo de asfalto a utilizar (por ejemplo, Grado de Penetración 80/100) y los siguientes requerimientos (que normalmente se incluyen en esta sección de las especificaciones): “El asfalto para la estabilización con asfalto espumado debe ser calentado, almacenado y aplicado en estricta concordancia con los requerimientos descritos en los puntos siguientes (se deben listar los requerimientos específicos, por ejemplo, temperatura máxima de 200 ºC). Todo el asfalto para la es tabilización debe entregarse en terreno a través de camiones estanque y cada camión estanque debe ser proporcionado de un “Certificado de Carga” que contenga la siguiente información: – – – – – – – –
Detalles de la identificación de la unidad de transporte. Identificación del producto (por ejemplo, Asfalto de Grado de Penetración 150/200). Nombre del suministrador de asfalto. El número de lote y fecha de fabricación. Certificado del pesaje indicando la masa neta del producto. La temperatura a la cual el producto fue cargado al camión estanque. La fecha, hora y lugar de carga. Comentarios con relación a cualquier anormalidad acerca del estado del camión estanque al minuto de cargar (por ejemplo limpieza interna, detalles de la carga previa, y si existía producto residual de la carga previa). – Detalles de cualquier sustancia química o de otro tipo que se haya añadido al producto antes, durante o después del procedimiento de carga (por ejemplo, agente espumante).”
A5.2.4
Agua para la construcción
Cualquier limitación acerca de la calidad del agua que va a ser usada en la construcción debe ser especificada. El siguiente párrafo normalmente se incluye cuando se trabaja con cemento como agente estabilizador: “El agua debe ser limpia y libre de concentraciones perjudiciales de ácidos, álcalis, sales, azúcares y otras sustancias orgánicas o químicas. Si el agua utilizada no se obtiene de una matriz principal de agua potable, puede que sea necesario hacer ensayos para probar su idoneidad”.
A5.3
Planta y Equipamiento
Para protegerse de malos resultados de reciclado debido al uso inapropiado de la maquinaria, es frecuente incluir los siguientes párrafos en las especificaciones: “Todas las plantas y equipos deben ser suministrados y operados de tal forma de reciclar el material in-situ a la profundidad especificada, y construir una nueva capa de acuerdo a los requerimientos de la especificación. Todas las plantas y equipamientos dispuestos en terreno deben tener una capacidad y orden adecuadas para realizar un trabajo correcto. Una planta obsoleta, mal mantenida o en mal estado no se permitirá en terreno” “Los requerimientos mínimos que deben ser cumplidos para que se pueda usar una planta o un equipo para el trabajo de reciclado están dadas en las siguientes sub-cláusulas. El contratista debe entregarle al ingeniero los detalles y especificaciones técnicas de todo el equipo y plantas que van a ser utilizadas para el trabajo de reciclado al menos 2 semanas antes del inicio de la construcción”
230
Apéndice 5
A5.3.1
Recicladoras
“El reciclado será efectuado por una máquina fresadora modificada o por una recicladora para recuperar el material de las capas superiores del pavimento existente y mezclarlo con cualquier material importado previamente extendido como capa uniforme en la superficie del camino existente. La máquina empleada debe ser capaz de alcanzar la graduación y consistencia de mezcla requerida en una sola pasada. Como mínimo, la recicladora debiera tener las siguientes características: – Debe ser fabricada por una compañía reconocida que tenga un registro e historial de fabricación en el tipo de equipo en particular. – Si la máquina tiene una vida superior a 10 años, ésta debiera tener un certificado de buen funcionamiento técnico previo a los tres meses del inicio del proyecto, realizado por el fabricante o por un agente autorizado del fabricante – El tambor de fresado debe tener un ancho mínimo de corte de 2,0 metros con la capacidad de cambiar la velocidad de rotación. La máquina debe ser capaz de reciclar a una profundidad de “X” mm en una sola pasada (incluida la máxima profundidad de reciclaje del proyecto). – La máquina debe tener un sistema de control de niveles que mantenga la profundidad del fresado con una tolerancia de ± 10 mm de la profundidad requerida durante la operación continua. – El tambor de fresado debe rotar en una dirección ascendente de corte en una cámara cerrada, dentro de la cual se incorporan el agua y los agentes estabilizadores al material recuperado a la tasas requeridas, de manera de poder alcanzar la mezcla de diseño especificada en laboratorio durante la operación continua. – Todos los sistemas de aspersión incorporados a la recicladora deben ser controlados por un microprocesador para regular el flujo con la velocidad de avance de la máquina. Todos los sistemas de aspersión también deben permitir la aplicación en anchos variables. – Debe tener suficiente potencia para mezclar el material reciclado en conjunto con todos los aditivos de manera de producir un material reconstituido homogéneo y uniforme durante la operación continua.”
Apéndice 5
231
Especificaciones adicionales se incluyen para cubrir el tipo de agente estabilizador que se aplica. Los siguientes son ejemplos para la estabilización con cemento, emulsión asfáltica y asfalto espumado. Requerimientos adicionales cuando se estabiliza con cemento Cuando el agente estabilizador cementante no sea aplicado directamente sobre la superficie del camino antes de reciclar, la recicladora debe alimentarse con una lechada de cemento que se produzca en forma separada en una unidad móvil de mezclado empujada en frente de la recicladora. Tal unidad mezcladora debe estar equipada con los siguientes requerimientos: – Debe tener la capacidad de suministrar la lechada de cemento a la tasa requerida durante la operación continua, con el objetivo de cumplir con el diseño de mezclas – Debe ser capaz de regular la tasa de aplicación de la lechada de acuerdo a la velocidad de avance de la recicladora y el volumen de material durante la operación continua – Debe proveer una aplicación uniforme de lechada de cemento al material reciclado para producir una mezcla homogénea – Debe existir un método para monitorear el uso del cemento durante la operación que pueda ser validado por una medición física simple para efectos de control. Requerimientos adicionales cuando se estabiliza con emulsión asfáltica Adicionalmente, la recicladora debe tener las siguientes capacidades: – Suministrar la emulsión asfáltica a la tasa de aplicación requerida durante la operación continua, con el objetivo de cumplir con el diseño de mezclas. – Regular la tasa de aplicación de la emulsión asfáltica de acuerdo a la velocidad de avance de la recicladora y el volumen de material reciclado. – Proveer una aplicación uniforme de la emulsión asfáltica al material reciclado para producir una mezcla homogénea. – Tener un método para monitorear la emulsión asfáltica durante la operación que pueda ser conciliado con una medición física simple para efectos de control. Requerimientos adicionales cuando se estabiliza con asfalto espumado Adicionalmente, la recicladora debe tener las siguientes capacidades: – Debe tener la capacidad de suministrar el asfalto espumado a la tasa requerida durante la operación continua para cumplir con el diseño de mezclas. – Debe ser capaz de regular la tasa de aplicación del asfalto espumado de acuerdo a la velocidad de avance de la recicladora y el volumen de material durante la operación continua. – Debe proveer una aplicación uniforme del asfalto espumado al material reciclado para producir una mezcla homogénea. – Debe existir un método para monitorear el uso del cemento durante la operación que pueda ser validado por una medición física simple para efectos de control. – Debe contar con medidores de temperatura y presión en la tubería suministradora de asfalto para efectos de monitoreo. – Un medio para entregar una muestra representativa de asfalto espumado en cualquier etapa durante la operación (boquilla de prueba). La siguiente cláusula es frecuentemente es agregada al final de esta sección: “El material mezclado debe salir de la cámara de fresado evitando la segregación de las partículas, y de forma tal que pueda ser colocado en forma continua en la excavación producida por la recicladora, a medida que ésta avanza. La extensión y colocación para formar una nueva capa deben ser realizadas por una motoniveladora sólo después de que se haya hecho la primera compactación, a menos que la colocación sea realizada a través de una placa compactadora montada en la parte trasera de la máquina recicladora”
232
Apéndice 5
A5.2.3
Equipamiento para compactación o terminación
Para prevenir la aplicación incorrecta del equipamiento de compactación y protegerse contra el fenómeno de “puenteo” descrito en la Sección 6.5.3, es recomendable incluir lo siguiente: “La compactación inicial del material reciclado debe realizarse usando un rodillo vibratorio pesado liso o pata de cabra operado solamente en un modo de vibración de alta amplitud. La masa estática del rodillo utilizado debe ser determinada por el espesor de la capa reciclada, de acuerdo a la siguiente tabla:
Espesor de la capa compactada
Masa estática mínima del rodillo (tons)
< 150 mm
12
150 mm to 200 mm
15
200 mm to 250 mm
19
> 250 mm
24
La velocidad de operación del rodillo principal nunca debiera exceder 3 km/h y el número de pasadas aplicada sobre el ancho completo de cada corte debe ser suficiente como para alcanzar al menos la densidad de capa especificada en los dos tercios inferiores de la capa. Cuando se especifique un compactómetro para controlar la densidad, éste debe incorporarse al rodillo principal.”
A5.3.3
Camiones estanque para el suministro de agentes estabilizantes asfálticos
Se debiera incluir la siguiente cláusula cuando se estabiliza con emulsión asfáltica o con asfalto espumado: “Sólo los camiones estanque con una capacidad superior a los diez mil litros pueden ser utilizados para suministrar agentes estabilizadores asfálticos a la recicladora. A cada camión estanque se le deben incorporar anclajes de arrastre con pasador, uno en el frente y otro en la parte posterior, con el objetivo de que el camión estanque pueda ser empujado desde atrás por la recicladora y además pueda empujar a un camión aljibe en frente. No se debe permitir fuga alguna en los camiones estanque en terreno. Además, cada camión estanque debe equiparse con: – Un termómetro que funcione para señalar la temperatura del contenido del tercio inferior del estanque. – Una válvula trasera de alimentación, con un diámetro mínimo de 75 mm cuando esté completamente abierta, que sea capaz de drenar el contenido del estanque.” Cuando se aplique asfalto espumado, se deben considerar las siguientes condiciones adicionales en el estanque: – Sistema de aislación completo, para mantener la temperatura del asfalto constante – Sistema calentador capaz de aumentar la temperatura del contenido del estanque en al menos 20°C por hora.”
Apéndice 5
233
A5.4
Construcción
A continuación se establecen cláusulas típicas que son normalmente incluidas en las especificaciones.
A5.4.1
Limitaciones generales y requerimientos
A5.4.1.1
Limitaciones climáticas
“No se debe realizar trabajo alguno durante condiciones mojadas o de niebla ni tampoco se debe comenzar un trabajo en el que se corra el riesgo de no ser completado antes de la aparición de estas condiciones. En forma similar, no se debe comenzar el trabajo si la temperatura es inferior a los 5°C. Tampoco se deben realizar trabajos distintos de compactación y terminación si es que la temperatura del aire cae por debajo de los 10°C durante la operación. No se debe permitir el esparcimiento de agentes estabilizadores químicos en polvo (cal y cemento) en el camino cuando las condiciones de viento afecten negativamente la operación.”
A5.4.1.2
Acomodamiento de tránsito
“El contratista debe ser responsable del paso del tránsito en las secciones del camino que él está interviniendo y debe, a toda hora, tener el cuidado necesario para proteger los usuarios (conductores y peatones) y facilitar el flujo vehicular.”
A5.4.1.3
Limitaciones de tiempo
El período de tiempo máximo entre el mezclado del material reciclado con un agente estabilizador y la compactación del material colocado debe ser determinado por el tipo de agente estabilizador que se utilice. Cuando se utilicen más de dos agentes estabilizadores en forma combinada, la limitación de tiempo está dada por el agente individual más restrictivo: – – – –
Cemento Cal hidratada Emulsión asfáltica Asfalto espumado
Estabilizadores especiales
: : : : :
Tres (3) horas Veinticuatro (24) horas si se mantiene húmeda Antes del quiebre de la emulsión Cuarenta y ocho (48) horas si se mantiene húmedo en forma continua Como lo indique el fabricante.”
A5.4.2
Requerimientos antes del comienzo del reciclado
A5.4.2.1
Plan de producción
Antes del comienzo del trabajo diario, el contratista debe preparar un plan de producción en el cual detalle sus objetivos del día. Como mínimo, su plan debe incluir: – Un plano esquemático que muestre el diagrama completo de la longitud y ancho del camino a reciclar durante el día, especificando el número de cortes requeridos para alcanzar el ancho del camino y las dimensiones del traslapo entre cortes. – La secuencia y longitud de cada corte que será reciclado antes de comenzar el siguiente corte. – Una estimación del tiempo requerido para el fresado, la compactación y la terminación de cada corte. El tiempo requerido para reciclar cada corte debiera ser indicado en el plano esquemático. – La ubicación de los ensayos de aseguramiento de calidad. “A menos que se establezca lo contrario, las juntas longitudinales deben planificarse de manera tal que coincidan con cada uno de los cambios en la sección transversal en el ancho del camino, independientes del ancho de traslapo.”
234
Apéndice 5
A5.4.2.2
Referencias del alineamiento horizontal
“Antes de comenzar con los trabajos de reciclado, el alineamiento horizontal existente debe ser referenciado utilizando una serie de marcas ubicadas a ambos lados del camino. Estas marcas deben posicionarse fuera del área de trabajo, a una distancia constante y a ángulos rectos con respecto a la línea central, y deben ser utilizadas para restablecer la línea central después de que se hayan completado las operaciones de reciclado. La distancia entre marcas sucesivas no debe exceder 20 m en curvas o 40 m en rectas.”
A5.4.2.3
Preparación de la superficie
“Antes del comienzo de cualquier trabajo de reciclado, se debe preparar la superficie del camino existente de la siguiente manera: – Limpieza de toda vegetación, basura o material externo en el ancho completo del camino, incluyendo cualquier pista adyacente o berma que no sea reciclada – Remoción de agua estancada. – Pre-fresado en donde se removerán puntos altos (si se requiere). – pre-marcado preciso de las líneas del corte longitudinal propuesto en la superficie del camino existente. Además, el contratista debe registrar la ubicación de todas las características de marcación del camino (por ejemplo, la extensión de demarcaciones en el pavimento) que van a ser borradas durante el reciclado.”
A5.4.2.4
Requerimientos de nivel y perfil superficial
“A menos que se establezca lo contrario, los planos de diseño no serán entregados con el detalle de los requerimientos topográficos de la superficie del pavimento rehabilitado. En los lugares donde las cotas y el perfil transversal del camino existente no estén excesivamente distorsionados, será deber del contratista manejar las operaciones de manera tal de asegurar que las cotas de la capa reciclada terminada coincidan con aquellas existentes previa al reciclado. En donde se deban corregir los defectos de superficie y/o hacer las modificaciones correspondientes a la cota de rasante, es necesario tomar medidas especiales para obtener los requerimientos topográficos. Estas medidas consisten en realizar actividades antes del reciclado, y consisten principalmente en pre-fresar y remover el material in-situ, o importar el material y esparcerlo en forma adecuada sobre la superficie existente.”
A5.4.2.5
Adición de material natural importado
“En donde el diseño requiera de material importado con el propósito de corrección del perfil, el material prescrito debe ser llevado y esparcido sobre la superficie del camino existente antes de reciclar. El método de colocación y esparcido del material importado debe ser aquél que permita alcanzar los niveles de superficie requeridos, y por lo tanto, puede requerir el uso de una pavimentadora, motoniveladora o una maquinaria de esas características. Si el espesor del material importado excede la profundidad objetivo de reciclado, se deben modificar los requerimientos de corrección de perfil reperfilando con motoniveladora en ambos lados de los puntos más bajos. En donde el diseño requiera de material importado con el propósito de alterar el nivel del material reciclado, o efectuar una modificación mecánica, el material especificado debe ser importado y extendido en la superficie del camino existente como una capa de espesor uniforme antes del reciclado.”
Apéndice 5
235
A5.4.3
Adición de agentes estabilizadores
“El(los) tipo(s) de agentes estabilizadores y su tasa(s) de aplicación requerida(s), expresadas como porcentaje en masa del material a ser estabilizado, van a ser determinado de ensayos de mezclas de diseño y/o entregados en una instrucción.”
A5.4.3.1
Agentes estabilizadores químicos (cemento y cal)
“El método de aplicación de agentes estabilizadores químicos debe ser criterio del contratista y puede ser: – Esparcido uniforme como capa uniforme de agente estabilizador seco, en la superficie de camino preparada previa al reciclado. – Fluidización, como una lechada a través de un premezclado con agua y bombeado a la recicladora a través de un aspersor, al proceso de mezclado. – Premezclado en una planta “batch” y extendido en la superficie del pavimento en conjunto con cualquier material importado. Los agentes estabilizadores secos deben ser esparcidos uniformemente en todo el ancho del camino que va a ser reciclado durante cada pasada de la recicladora, pudiendo usar tanto un esparcidor mecánico a la tasa de aplicación definida, como un esparcido a mano mediante escobillones. Cuando el esparcido se haga a mano, los sacos o bolsas del agente estabilizador deben ser espaciados a igual distancia a lo largo del corte individual de la recicladora. Las bolsas deben ser vaciadas y los contenidos esparcidos uniformemente en el área de corte, excluyendo el traslapo. Las mezcladoras mecánicas también pueden ser usadas para la producción de lechada, utilizando agentes estabilizadores en polvo más agua. La mezcladora mecánica debe estar equipada con un filtro con aberturas que no excedan los 5 mm, y debe ser capaz de producir una lechada de consistencia uniforme y contenido de agua constante a la tasa requerida para la estabilización.”
A5.4.3.2
Agentes estabilizadores asfálticos
“El agente estabilizador asfáltico debe ser añadido al proceso de reciclado a través del bombeo de un camión estanque móvil que se empuje por delante de la recicladora. Cuando se aplica asfalto espumado, los camiones estanques deben estar equipados con un termómetro y equipos de calefacción para asegurar que el asfalto se mantenga dentro de un rango de 5°C de la temperatura de aplicación especificada. Cualquier asfalto que sea calentado por sobre la máxima temperatura no debe ser usado y deberá ser removido de terreno. Una muestra de un litro de agente estabilizador asfáltico debe ser obtenida de la carga del camión estanque y retenida en una tarro sellado para luego ser ensayada.” Es recomendable incluir la siguiente frase cuando se trabaja con asfalto espumado: “Dentro de los 5 minutos previos a la partida del un reciclado con una carga nueva de los camiones, se deben determinar las características de espumación del asfalto, a través de la medición de una muestra obtenida de una boquilla aspersora de prueba de la recicladora.”
A5.4.3.3
Adición de agentes estabilizadores fluidos
“El sistema de bombeo requerido para inyectar un agente estabilizador fluido al proceso de mezclado debe ser controlado por un sistema de microprocesadores que monitoree la velocidad de avance, para así controlar la adición de agua en el estabilizador.”
236
Apéndice 5
A5.4.3.4
Control de contenido de humedad del material reciclado
“Se debe añadir suficiente agua durante el proceso de reciclado para cumplir con los requerimientos de humedad especificados abajo. El agua sólo se debe añadir mediante un sistema controlado por un microprocesador en la máquina recicladora y se debe tener especial cuidado para prevenir que alguna porción del trabajo se humedezca en exceso. Cualquier inspección de material reciclado que se humedezca demasiado va a ser rechazada, y el contratista será responsable de corregir el contenido de humedad volviendo a trabajar y secar el material, en conjunto con un agente estabilizador fresco (cuando se utilice un agente estabilizador cementado), asumiendo el costo de todo este trabajo.” “Al minuto de la compactación, el tipo de agente estabilizador que se aplique va a gobernar el contenido de humedad del material reciclado: i) Agentes estabilizadores cementados El contenido de humedad durante la compactación nunca debe exceder el 75% del contenido de humedad de saturación del material natural (antes de estabilizar), calculado a la Máxima Densidad Seca. El contenido de humedad al grado especificado de saturación debe ser determinado usando la siguiente fórmula:
Wv = Sr x [(Xw / Xd) – (1000 / Gs)] En donde:
Wv Sr Xw Xd Gs
= contenido de humedad del material al grado especificado de saturación = grado especificado de saturación = densidad del agua = máxima densidad seca del material Natural = densidad aparente del material
[Ecuación A5.1]
[%] [%] [kg/m3] [kg/m3] [kg/m3]
ii) Agentes estabilizadores no-cementados, agentes estabilizadores de asfalto espumado y material reciclado sin agentes estabilizadores “El contenido de humedad durante la compactación no debe exceder el contenido de humedad óptimo, ni tampoco debe ser menor que el contenido de humedad óptimo menos 2,0%.” iii) Agentes estabilizadores de emulsión asfáltica “El contenido total de fluido del material durante la compactación no debe exceder el contenido total óptimo de fluido. El contenido total de fluido debe ser determinado de la suma de la cantidad total de emulsión asfáltica aplicada (no solamente la fracción de agua) al contenido de humedad de terreno antes de mezclar, más cualquier cantidad de agua aplicada en forma independiente de la fracción de agua de la emulsión.”
Apéndice 5
237
A5.4.4
Reciclado
La máquina recicladora debe ser ajustada y operada de manera de asegurar que se logren los siguientes requerimientos clave:
A5.4.4.1
Graduación del material reciclado
“La velocidad de avance de la máquina recicladora, la velocidad de rotación del tambor fresador y el posicionamiento de las compuertas de la cámara del tambor mezclador deben ser ajustadas de manera que el material in-situ sea pulverizado a una graduación aceptable. El contratista debe seguir todos los pasos necesarios para asegurar que la graduación que resulta del proceso de reciclado se ajuste a aquella establecida en la sección de demostración, como se describe en la Cláusula A5.4.7 señalada más adelante.”
A5.4.4.2
Adición de agua y agentes estabilizadores
“El sistema de control por microprocesador para la adición de agua y agentes estabilizadores fluidos debe ser ajustado y monitoreado cuidadosamente para asegurar el cumplimiento de los requerimientos de humedad de compactación y contenido de estabilizador. Cuando sea práctico, el asfalto de los camiones estanques debe ser medido con una varilla de nivel al final de cada corte para chequear el consumo real versus la demanda teórica calculada.”
A5.4.4.3
Control de profundidad de corte
“La profundidad de corte real debe ser medida físicamente por una varilla, excavando desde la altura de una lienza puesta entre puntos de control topográfico hasta donde llegue la capa reciclada, al menos cada 100 m a lo largo del corte, usando las mismas referencias que serán usadas para alcanzar los niveles finales de superficie.”
A5.4.4.4
Traslapo en juntas longitudinales
“Para asegurar el reciclado en el ancho completo del camino, las juntas longitudinales entre cortes sucesivos deben traslaparse un mínimo de 150 mm. Las líneas guías de corte marcadas en la superficie del camino deben ser verificadas para asegurar que sólo el primer corte sea del mismo ancho que el tambor de fresado. Todos los anchos sucesivos de corte deben ser más angostos que el tambor fresador en al menos 150 mm. La máquina recicladora debe ser maniobrada de manera de seguir en forma precisa las líneas guías marcadas. Cualquier desviación mayor a 100 mm debe ser rectificada inmediatamente, devolviéndose al comienzo de la desviación y reprocesando a lo largo de la línea correcta, sin agregar agua o agente estabilizador adicional. El traslapo y todos los ajustes deben ser verificados para asegurar que la cantidad de agua y agente estabilizador fluido añadido sea reducido en forma proporcional al ancho de traslapo, antes de comenzar cualquier secuencia de corte nueva.”
A5.4.4.5
Continuidad de estabilización (juntas laterales)
“El contratista debe asegurar que no se produzcan zonas de material no-reciclado entre cortes sucesivos (a lo largo de la misma línea de corte longitudinal), ni tampoco zonas no tratadas en donde el tambor comienza a trabajar en un corte (e ingresa el tambor directamente sobre el pavimento existente). La ubicación exacta en la cual el corte termina debe ser cuidadosamente marcada. Esta marca debe coincidir con la posición del centro del tambor mezclador en el punto en que cesó el suministro de agente estabilizador. Para asegurar la continuidad de la capa estabilizada, el siguiente corte sucesivo debe comenzar al menos 0,5 m (500 mm) atrás de esta marca.”
238
Apéndice 5
A5.4.4.6
Velocidad de avance
“La velocidad de avance debe ser verificada y registrada al menos cada 200 m de corte, para asegurar una conformidad con la tasa planificada de producción y el cumplimiento continuo con el proceso de reciclado. Los límites de tolerancia aceptable dependerán del tipo de recicladora y el material que se recicla, pero no debe ser menor a 4m/min y no mayor a 12 m/min.”
A5.4.5
Inestabilidad de la subrasante
“Cuando se identifique inestabilidad en la subrasante, ya sea por investigaciones preliminares, o durante el proceso de reciclado, ésta debe ser tratada por: – Recuperación del material en las capas de pavimento que cubren al material inestable, ya sea por fresado o excavación, y cargado en camiones para transportarlo a un acopio temporal. – Excavación del material inestable a la profundidad prescrita, y remoción para su posterior desecho. – Tratamiento de la subrasante expuesta, como se especifique. – Relleno de la excavación utilizando tanto el material temporalmente almacenado como material importado. El relleno debe ser ejecutado en capas de espesor no mayor a 200 mm después de la compactación, y debe continuar en capas sucesivas hasta que el nivel de la superficie del camino existente sea alcanzado, y así se continúe el proceso de reciclado.”
A5.4.6
Compactación y terminación
A5.4.6.1
Compactación inicial
“El material reciclado será compactado inicialmente usando un rodillo vibratorio pesado para alcanzar la compactación especificada. La compactación debe comenzar inmediatamente detrás de la recicladora y debe seguir la secuencia predeterminada como se describe en la Cláusula A5.4.7 señalada más adelante.” “El control de densidad será aplicado a: – la densidad promedio alcanzada en el espesor completo de la capa; y – a la densidad de los dos tercios inferiores de la capa, que no debe ser menor que la densidad promedio para la capa completa menos 1%.” Alternativamente, cuando se especifique una densidad objetivo, se debe incluir lo siguiente: “El material reciclado debe ser compactado inicialmente usando un rodillo vibratorio pesado incorporado con un compactómetro. El esfuerzo de compactación debe ser aplicado al material reciclado inmediatamente después de la recicladora solamente en un modo de vibración de alta amplitud. Secciones sucesivas, cada una menor a 100 m, deben ser compactadas y la compactación debe continuar hasta que el compactómetro integrado indique que se ha logrado la densidad máxima, antes de que el compactador continúe con la sección siguiente.”
A5.4.6.2
Control de nivel y perfil
“El material procesado debe ser extendido por la recicladora para llenar el vacío de corte. Tal extensión puede ser lograda ya sea por placa compactadora incorporada a la parte trasera de la recicladora (en el caso de la recicladora sobre orugas), o aplicando mayor presión a la compuerta trasera de la cámara de reciclado para asegurar que el material se reparta en el ancho completo de corte (recicladora montada sobre neumáticos). El material esparcido debe ser inicialmente compactado (como se describe en la sub-cláusula A5.4.6.1 arriba) antes de cortar los niveles finales, utilizando una motoniveladora respecto a las referencias de los puntos referenciales topográficos como guía.”
Apéndice 5
239
A5.4.6.3
Compactación final, riego, terminación y curado
“Un rodillo vibratorio liso en un modo de vibración de baja amplitud debe terminar el proceso de compactación después del perfilado final. Luego se debe tratar la superficie con una leve aplicación de agua, o de emulsión asfáltica diluida cuando se especifique, y compactar con un compactador de neumáticos para alcanzar una textura superficial apretada. La superficie de la capa reciclada terminada debe mantenerse continuamente húmeda a través de un riego frecuente. La capa reciclada terminada debe estar libre de: – Laminaciones superficiales (tipo “costras” de material desprendido) – Segregación de agregado fino y grueso – Corrugaciones o cualquier otro defecto que afecte de manera adversa el desempeño de la capa. No se debe aplicar un riego de imprimación, riego de liga o sello de agregados en la superficie antes de que el contenido de humedad de la capa sea al menos un 2% menor que el contenido de humedad de saturación.”
A5.4.6.4
Apertura al tránsito
“A menos que se indique lo contrario, el ancho completo del camino debe ser abierto al tránsito fuera del horario de día normal de trabajo. Todas las señales de camino temporales, delineadores y otras facilidades de control de tránsito deben ser colocadas antes de la apertura al tránsito.”
A5.4.7
Secciones de prueba
Siempre de debieran especificar secciones de prueba ya que fuerzan al contratista a ensayar y preveer dificultades antes de comenzar los trabajos de reciclado. La siguiente cláusula se incluye normalmente: “Al comienzo del proyecto, el contratista debe ensamblar toda los equipos de planta y terreno que propone utilizar para el reciclado en frío en terreno, y debe procesar la primera sección del camino a rehabilitar de manera de: – Demostrar que los equipos y los procesos que él propone usar son capaces de construir la capa reciclada de acuerdo a los requerimientos especificados – Determinar el efecto de la graduación en el material reciclado al variar la velocidad de avance de la máquina recicladora y la velocidad de rotación del tambor fresador – Determinar la secuencia y forma de compactación necesaria para obtener los requerimientos mínimos de compactación. Una sección de demostración debe tener al menos 200 m de longitud de ancho completo de pista o de mitad de ancho de camino. Si el contratista debe hacer cualquier alteración en los métodos, procesos, equipamiento o materiales usados, o si él está incapacitado para cumplir en forma consistente con las especificaciones debido a los cambios en el material in-situ, o por alguna otra razón, puede que requiera realizar más secciones de demostración antes de continuar con el trabajo permanente.”
240
Apéndice 5
A5.5
Protección y Mantenimiento
La siguiente cláusula se incluye normalmente: “El contratista debe proteger y mantener la capa reciclada completada hasta que la siguiente capa o superficie sea aplicada. Además de aplicar un riego de agua frecuente para prevenir que se seque la superficie, la mantención debe incluir la reparación inmediata de cualquier daño o defecto que tenga la capa, y éste debe ser repetido tantas veces como sea necesario. Las reparaciones deben realizarse para asegurar una superficie uniforme y de acuerdo a los niveles requeridos. El costo de tales reparaciones será asumido por el contratista, excepto cuando el daño sea el resultado de abrir al tráfico prematuramente por orden del mandante. El daño causado por tránsito prolongado, como el resultado de un retraso en la aplicación de la siguiente capa o superficie, no será aceptado si éste fuese responsabilidad del contratista.
A.5.6
Tolerancias de Construcción
Las tolerancias de construcción especificadas son usualmente similares a aquellas de una construcción nueva, como se muestra en el siguiente ejemplo: “Sólo cuando se especifica un pre-fresado para alcanzar el perfil prescrito previo al reciclado, tanto los niveles superficiales como los espesores de capa serán sometidos a análisis estadísticos. La capa reciclada terminada debe cumplir con las tolerancias de construcción dadas en los puntos siguientes.”
A5.6.1
Niveles de Superficie
“Un lote de muestra debe tener al menos 50 niveles tomados al azar. El lote va a cumplir con los requerimientos especificados si es que éste se ajusta a las siguientes tolerancias: – H90 < _ 20 mm (al menos 90% de todos los niveles de superficie están dentro de 20 mm, más menos, de los niveles especificados); y – Hmax < _ 25 mm (los niveles de puntos individuales no deben desviar más de 25 mm de los niveles especificados).”
A5.6.2
Espesores de Capa
Dado que el espesor de la capa estabilizada es uno de los factores más importantes del desempeño del material, se debieran especificar tolerancias relativamente ajustadas, como se muestra en el siguiente ejemplo: “Un lote de muestra debe tener al menos 20 mediciones de espesor de capa. El lote cumplirá con los requerimientos especificados si éste se ajusta a las siguientes tolerancias: – D90 > _ 10 mm (al menos 90 % de todas las mediciones de espesor son mayores o iguales al espesor especificado menos 10 mm) – Dmean > _ Dspec – (Dspec / 20) (el espesor de capa promedio del lote no debe ser menor que el espesor de capa especificado, menos el espesor de capa especificado dividido en 20) – Dmax < 20 mm (ninguna medición individual del espesor de capa debe ser menor que el espesor especificado menos 20 mm).”
Apéndice 5
241
A5.6.3
Ancho
“En ningún caso el ancho de la capa reciclada va a ser menor que el ancho especificado.”
A5.6.4
Sección transversal
“Cuando se ensaye con una regla de 3 m apoyada perpendicularmente al eje central del camino, la superficie no debe desviarse de la cara inferior de la regla en más de 10 mm. En cualquier sección transversal, la diferencia de nivel entre dos puntos no debe variar de su diferencia de nivel calculada de la sección transversal requerida en más de 15 mm.”
A5.6.5
Regularidad superficial
“Cuando se ensaye la capa reciclada terminada con una regla estándar cilíndrica (que ruede), el número de irregularidades superficiales no debe exceder: – Seis (6) para el número promedio de irregularidades por cada 100 m que sean iguales o mayores a 6 mm, cuando se tomen en longitudes de 300 m a 600 m – Ocho (8) para el número de irregularidades que sean iguales o mayores a 6 mm, cuando se tomen en una sección individual de 100 m. Cualquier irregularidad individual medida con una regla estándar cilíndrica, o con una regla colocada en forma paralela a la línea central del camino, no debe exceder en 10 mm. Sin embargo, en donde se pueda mostrar que las irregularidades son causadas por factores fuera del control del contratista (por ejemplo, daño causado por tránsito prematuro), este requerimiento se puede relajar.”
A5.7
Inspecciones de Rutina y Ensayos
La responsabilidad recaerá en el contratista quien deberá realizar un trabajo que se ajuste a la calidad y precisión de los detalles, de acuerdo a todos los requerimientos de las especificaciones y planos. El contratista es entonces responsable de contar con un sistema de calidad que asegure un control de los trabajos y demuestre que los requerimientos especificados en el proyecto han sido alcanzados. Excluyendo los detalles geométricos (descritos arriba en “Tolerancias de Construcción”), existen tres parámetros claves adicionales del trabajo de reciclado que requieren de un cuidadoso control, estos son: – La tasa de aplicación de los agentes estabilizadores – La resistencia alcanzada en el material reciclado/tratado – La densidad alcanzada en la nueva capa reciclada. Cada uno de ellos se analiza separadamente en los siguientes puntos.
242
Apéndice 5
A5.7.1
Tasa de aplicación de agentes estabilizadores
Debido a la variabilidad en los pavimentos existentes deteriorados, el material reciclado es rara vez homogéneo. Los ensayos comúnmente utilizados para verificar que la dosificación especificada de agente estabilizador ha sido aplicada son, en general, inadecuados, ya que producen resultados que se alejan de la realidad. Por ejemplo, calcular el contenido de asfalto espumado como un porcentaje de la masa de un material reciclado efectivamente añadido no puede ser realizado debido a que: – Es probable que la cantidad de asfalto extraído de tal mezcla varíe considerablemente debido a la presencia de asfalto en el pavimento existente (en asfalto existente, capas superficiales adicionales y en parches) – Expresar el contenido de asfalto como un porcentaje de la masa total de la mezcla es un concepto extraído de la tecnología del asfalto y, por ello, asume que el agregado tiene una graduación uniforme. Dado que el material reciclado tiene una graduación variable, la inclusión o exclusión de una gran porción de agregado va a variar significativamente el porcentaje de asfalto en la muestra, haciendo que los resultados no tengan sentido. Por ello es que se requieren medidas de control alternativas que son normalmente basadas en chequeos de consumo o en mediciones físicas de la cantidad real de agente estabilizador aplicado, comparada con la tasa de aplicación especificada.
A5.7.1.1
Estabilización cementada
Cuando el cemento se esparce en forma manual sobre la superficie del camino existente, previo al reciclado, el chequeo de la tasa de aplicación es relativamente directo, dado que la superficie está premarcada para bolsas individuales. Cuando una esparcidora/extendedora a granel se utiliza para aplicar el cemento en la superficie del camino existente previo al reciclado, el ensayo estándar de “parche de lona”, o alguno similar, es utilizado para chequear la tasa de aplicación. Cuando el cemento se aplica a través de una inyección de lechada, el consumo real de cemento (y agua) puede ser obtenido del computador que controla a la unidad de mezcla de lechada. Además, los certificados de pesaje debieran ser obtenidos de las entregas de cemento a granel y verificados con el consumo diario indicado por el computador.
A5.7.1.2
Estabilización asfáltica
El consumo real, tanto de emulsión asfáltica como de asfalto espumado, es controlado al asegurar que todos los camiones que suministran el producto a la recicladora estén provistos de certificados de pesaje para cada carga. La masa del material estabilizado con cada camión estanque (estimado a partir de la longitud de corte multiplicada por el ancho de aplicación, profundidad de corte y la densidad asumida de material) puede ser verificada con la cantidad consumida, calculada cuando se termina el contenido del camión estanque.
Apéndice 5
243
A5.7.2
Resistencia del material estabilizado
Una muestra a granel (± 200 kg) es tomada normalmente atrás de la recicladora, al menos una vez por cada 2.500 m2 de pavimento reciclado. Este material es colocado en un contenedor sellado y llevado inmediatamente al laboratorio para ser ensayado. Los ensayos normales incluyen: – Contenido de humedad – Relación humedad/densidad para determinar la densidad máxima seca (también usada para determinar el porcentaje de compactación alcanzado en terreno); – Determinación de la resistencia de probetas fabricadas. (Se debe notar que el contenido de humedad del material siempre se ajusta al contenido óptimo de humedad antes de fabricar las probetas con un esfuerzo de compactación estándar) Otros ensayos que a veces se requieren incluyen análisis por tamices y determinación de plasticidad. Cuando exista una razón para sospechar que la resistencia requerida no ha sido alcanzada, se puede extraer y ensayar un testigo de 150 mm de la capa.
A5.7.3
Densidad alcanzada
La determinación de la densidad de terreno de una capa construida de material reciclado es rara vez un ejercicio directo, debido a dos características del material reciclado: – La variabilidad del material reciclado que afecta el valor de la densidad máxima seca en comparación con la densidad de terreno – El asfalto en la porción de material reciclado proveniente de asfalto existente y/o de una capa superficial asfáltica, que afecta el contenido de humedad leído de los densímetros nucleares. Se deben tomar muestras a granel en cada punto y zona de ensayo y ensayarlas en el laboratorio para determinar la densidad máxima seca del material y su contenido de humedad de terreno real. Esto incrementa invariablemente la cantidad de trabajo del laboratorio in-situ y en muchas ocasiones causa demoras debido a la espera de resultados. Además, si no se alcanza la densidad especificada, es factible sospechar que existe un material o capa subyacente de apoyo subyacente de mala calidad, haciendo prácticamente imposible la obtención de una densidad mayor que la que ya se ha alcanzado. Esto es una fuente de conflicto potencial que requiere de ensayos adicionales para ser resuelta (normalmente un estudio de cono de penetración dinámico, DCP). El compactómetro integrado al rodillo principal ha sido adoptado recientemente en proyectos de reciclado para indicar cuando se alcanza la densidad máxima. Este simple sistema ofrece una solución a los problemas descritos anteriormente, y por ello se recomienda para controlar la densidad de terreno. El siguiente es un ejemplo de una especificación para tal equipamiento: “La densidad requerida es ‘la densidad objetivo’ y será definida como la máxima densidad alcanzable en terreno, como se indique en un compactómetro integrado. Tal sistema debe ser integrado a un rodillo vibratorio simple utilizado para la compactación inicial detrás de la recicladora. La compactación deberá continuar hasta que la unidad indique que no se puede alcanzar una densificación mayor con más pasadas del rodillo. Esta información debe ser almacenada en el computador del sistema, descargada diariamente y utilizada para generar un registro de compactación, indicando que el nivel de compactación, cada 5 m de corte, fue realmente alcanzado, en conjunto con la prueba de que la densificación máxima ha sido lograda.” Ensayos de verificación usando métodos comunes también son requeridos en la capa terminada, pero a una frecuencia bastante más reducida, por ejemplo, un ensayo cada 1.000 m2 de trabajo completado.
244
Apéndice 5
A5.8
Medición y Pago
Para evitar cualquier conflicto, lo siguiente debiera incluirse en las especificaciones: “Los ítems de pago serán calculados tomando en cuenta las cantidades reales puestas en terreno. Estas serán determinadas mediante las “dimensiones especificadas”. Estas se calculan considerando las dimensiones especificadas o como se hayan determinado en cualquier plano o instrucción escrita entregada al contratista, sin tomar en cuenta ningún tipo de tolerancia. Si el trabajo es ejecutado de acuerdo a las dimensiones especificadas, y se cumplen las tolerancias permitidas, las cantidades serán calculadas a partir de estas dimensiones independiente de las dimensiones reales.” Cada ítem que se usará para las mediciones (y pago) del trabajo de reciclado requiere una identificación completa. Los siguientes son ejemplos de ítems normalmente utilizados: Ítem A5.01 Preparación de la superficie del camino existente previo al reciclado
Unidad metro cuadrado (m2)
La unidad de medida debe ser el metro cuadrado de superficie de camino existente que será rehabilitada a través de reciclado, calculada de la dimensión de ancho especificada multiplicada por la longitud real, medida a lo largo de la línea central del camino. El monto acordado debe incluir una compensación por todo el trabajo necesario para limpiar el camino de agua, vegetación, basura y otras actividades ajenas a la construcción del camino propiamente tal, más la remoción, transporte y eliminación de todo el escombro resultante, como se especifique. Ítem A5.02 Reciclado de todos los materiales in-situ de pavimento para la construcción de nuevas capas de pavimento: a) … mm (especificar) espesor completado de capa: i) Ancho de camino de 5,0 m o menos ii) Ancho de camino mayor a 5,0 m y menor a 6,0 m iii) etc. para incrementos de ancho de 1 m. b) etc. para cada espesor especificado de capa
Unidad
metro cúbico (m3) metro cúbico (m3)
La unidad de medida va a ser el metro cúbico de capa completada de pavimento construida por el reciclado de material de pavimento in-situ, independiente de la dureza o tipo de material, y con o sin la inclusión de material importado. La cantidad será calculada de las dimensiones especificadas para el ancho y espesor de la capa completada, multiplicada por la longitud real medida a lo largo de la línea central del camino. El ancho especificado no debe incluir pago adicional por el traslapo mínimo entre cortes adyacentes, ni tampoco el número de cortes requeridos para cubrir el ancho completo del camino. Los montos acordados deben incluir un compensación completa por la realización de los trabajos, por el reciclado de todos los tipos de material en la estructura de pavimento existente a la profundidad requerida con cualquier agente estabilizador y/o material importado que puedan haber sido incorporados, por el suministro y adición de agua, por la mezcla, colocación y compactación del material, por el reprocesamiento del material en los traslapos de cortes adyacentes (independientes del número de cortes requeridos para cubrir el ancho completo del camino), por el curado, protección y mantenimiento de la capa, y por realizar todos los procesos e inspecciones de control de aceptación, mediciones y ensayos.
Apéndice 5
245
Ítem Unidad A5.03 Adicional sobre el ítem A5.02 aplicable a capas de material de asfalto en la porción reciclada del pavimento existente, en donde el espesor promedio de asfalto es: a) Más de 50 mm, pero menor o igual a 100 mm b) Más de 100 mm, pero menos o igual a 150 mm c) etc para incrementos de 50 mm
metro cúbico (m3) metro cúbico (m3)
La unidad de medida va a ser la misma que en el ítem A5.02, la cantidad adicional que se aplica al espesor completo de capa, independiente de las proporciones relativas de asfalto y algún otro material que constituya el material del espesor total de la capa fresada. No se realizarán pagos adicionales en donde el espesor de asfalto sea menor o igual a 50 mm. Los montos acordados incluyen una compensación completa por todos los costos directos e indirectos en que se incurran como resultado de reciclar material que incluya capas de asfalto con espesores mayores a 50 mm. Estos costos adicionales deben incluir, pero no limitarse a, desgaste extra en equipos y plantas, herramientas de incursión de terreno adicionales, costos adicionales incurridos en donde la velocidad de avance dictamine que el pavimento debe pre-fresarse antes de estabilizarse, y todas las remuneraciones por atrasos causados por la baja tasa de producción resultante. Ítem A5.04 Material importado para adicionar al proceso de reciclado en frío a) Productos de piedra chancada de fuentes comerciales: i) Tamaño y descripción del producto chancado ii) etc. para cada tamaño y tipo de producto b) Gravas naturales y arenas de fuentes comerciales i) Tamaño y descripción del producto natural ii) etc. para cada tipo de material natural c) etc. para cada tipo de material importado
Unidad
tonelada (t) metro cúbico (m3)
La unidad de medida para los productos de piedra chancada comprados a fuentes comerciales debe ser la tonelada de material transportada a terreno e incorporada al material reciclado. Las mediciones deben basarse en certificados de pesaje. La unidad de medida del material natural, comprado en planta u obtenido de empréstitos debe ser el metro cúbico, medido como el 70% del volumen total del vehículo de transporte. El monto de pago acordado debe incluir una compensación completa por: la entrega, maquinaria y esparcido del material importado en el camino existente (como una capa correctora de nivel o como una capa de espesor uniforme), por el depósito de material en el buzón de entrada en la unidad de reciclado, por el flete del material desde el punto de suministro a su posición final en el terreno (donde el fresado se realiza en forma separada del reciclado), por el riego y la compactación en donde se requiera, y por cualquier otra pérdida no considerada inicialmente. Ítem A5.05 Agentes estabilizadores químicos: a) Cemento Pórtland corriente b) etc. para cada tipo de agente estabilizador químico especificado
Unidad tonelada (t)
La unidad de medida será la tonelada de agente estabilizador realmente consumido en el proceso de reciclado en frío. La medición será basada en el pesaje en donde se acopia el insumo, o en conteos en donde el suministro sea en bolsas o sacos. El monto de pago acordado debe incluir una compensación completa por proveer el agente estabilizador para su posterior adición al proceso de reciclado en frío, incluyendo transporte, manejo, almacenamiento
246
Apéndice 5
cubierto (en donde se requiera), re-manejo y esparcido, o la fluidización en lechada y bombeo al proceso, por todas las pérdidas y medidas de seguridad necesarias durante el manejo, y por el desecho de las bolsas y sacos. Ítem A5.06 Agentes estabilizadores asfálticos:
Unidad
a) Emulsión asfáltica: i) 60 % de asfalto residual catiónico ii) etc. para cada tipo diferente de emulsión asfáltica b) Asfalto espumado, producido de: i) Asfalto de grado de penetración 80/100 ii) etc. para cada tipo diferente de asfalto c) etc. para cada tipo adicional de agente estabilizador asfáltico.
tonelada (t) tonelada (t)
La unidad de medida será la tonelada de agente estabilizador asfáltico realmente consumido durante el proceso de reciclado en frío. La medición debe estar basada en medidas de nivel de los estanques (con varillas de nivel), realizadas antes y después de que el agente estabilizador asfáltico haya sido aplicado, apoyada por certificados de pesaje entregados a cada camión estanque en el punto de suministro. El monto acordado debe incluir una compensación completa por el suministro del agente estabilizador asfáltico, por su adición en el proceso de reciclado en frío, por cualquier químico u otro aditivo introducido, por el agua añadida para alcanzar la espumación en donde se requiera, por todo el transporte, calentamiento, manejo, almacenamiento, y aplicación por bombeo en el proceso, por todas las pérdidas y por las medidas de seguridad necesarias durante el manejo.
A5.8.1
Ejemplo de una programación típica de cantidades
El siguiente programa es un ejemplo de la programación de cantidades para un proyecto de reciclado que incluye a los ítems mostrados anteriormente. Las cantidades están relacionadas a un camino de 30 km de largo y 7,3 m de ancho, que es reciclado a una profundidad de 175 mm (el pavimento existente incluye una capa de asfalto de 80 mm de espesor) estabilizada con 1,5% de cemento y 3,0% de emulsión asfáltica.
Ítem
Descripción
Unidad
Cantidad
A5.01 Preparación de la superficie del camino existente previo al reciclado
m2
220.000
A5.02 Reciclado de todos los materiales in-situ de pavimento para la construcción de nuevas capas de pavimento: a) capa de 175 mm de espesor: i) Ancho de camino > 7,0 pero menor a 7,5 m
m3
40.000
A5.03 Adicional sobre el ítem A5.02 para capas de material de asfalto en la porción reciclada del pavimento existente, en donde el espesor promedio de asfalto es: a) Más de 50 mm, pero menor o igual a 100 mm
m3
40.000
A5.04 Agentes estabilizadores químicos: a) Cemento Pórtland corriente
t
1.500
A5.05 Agentes estabilizadores asfálticos: a) Emulsión asfáltica: i) 60 % de asfalto residual catiónico
t
3.000
Apéndice 5
Tasa
Monto
247
248
Apéndice 6 Principios del Análisis Económico A6.1
Introducción
A6.2
Comparación de Costo en un Tiempo Base
A6.3
Técnicas de Evaluación Económica A6.3.1 Técnica del Valor Presente de Costos (VPC) A6.3.2 Técnica de la Razón Beneficio/Costo (B/C) A6.3.3 Técnica de la Tasa Interna de Retorno (TIR) A6.3.4 Técnica del Valor Presente Neto (VPN)
A6.4
Período de Análisis y Valor Terminal y Residual del Transporte
249
250
Apéndice 6: Principios del Análisis Económico El siguiente es un extracto de la "Guía para Realizar Evaluación Económica de Proyectos de Transporte Urbano: WJ Pienaar, Universidad de Stellenbosch".
A6.1
Introducción
La evaluación económica es el marco conceptual para la estimación de todas las ganancias (beneficios) y pérdidas (costos) de proyectos de inversión, independientemente de quienes las acumulen dentro de un país. Un beneficio es considerado como cualquier ganancia de utilidad proveniente de la operación y uso de una instalación, y un costo es cualquier pérdida de utilidad asociada con la implementación de un proyecto, donde la utilidad es medida en términos de costos de oportunidad (el término evaluación económica no incluye la evaluación financiera y social). El objetivo principal de la evaluación económica de proyectos de transporte urbano basados en la eficacia económica y en la implementación de recomendaciones posteriores, es minimizar el costo total de transporte, y lograr que las necesidades de este sean realmente alcanzadas. El costo total de transporte de un proyecto comprende costos recurrentes y esporádicos. Los costos esporádicos comprenden el costo inicial (costo de planificación más el costo de oportunidad de establecer una instalación). Los costos recurrentes son incurridos continuamente durante la vida de servicio de una instalación y consisten en costos de usuario y costos de mantenimiento. Un aumento en los costos esporádicos, generalmente da lugar a una disminución en los costos recurrentes, y viceversa. Por lo tanto, la minimización del costo de transporte puede ser alcanzada determinando la compensación óptima entre ambos costos. Hay tres criterios de evaluación en los cuales puede estar basada la viabilidad de un proyecto: – Ventaja absoluta, que puede ser determinada por la técnica del valor presente neto. – Ventaja relativa, que por lo general es determinada por la técnica de la razón beneficio/costo o la tasa interna de retorno. – Costo total mínimo, que puede ser determinado por la técnica del valor presente.
A6.2
Comparación de Costo en un Tiempo Base
Una evaluación económica de proyectos de transporte requiere de evaluaciones de cada proyecto en un período de tiempo determinado, ya que el valor del dinero cambia en el tiempo, lo que se conoce como “valor continuo en el tiempo”. Esto significa que, una cantidad X de dinero es más valiosa ahora que en un año más. Esta importancia del poder de disposición presente o inmediata de fondos o recursos, comparada con la disposición eventual sobre la misma cantidad, se denomina como la “propensión de preferencia de tiempo”. Aunque la tasa de inflación tenga una influencia sobre la propensión de preferencia de tiempo, la inflación por sí misma no es la causa de que el dinero tenga un valor continuo en el tiempo. Incluso en períodos no inflacionarios hay una dependencia del dinero conectada al tiempo que está relacionada con el ingreso medio de la comunidad a partir de ahorros e inversión. Así, una cantidad de dinero guardada en la alcancía, donde no se pueden percibir retornos, no tiene la posibilidad de aumentar de valor mediante un modo alternativo. Por lo tanto, la propensión de preferencia de tiempo media de una cantidad puede ser comparada con su costo de oportunidad o costo alternativo, como es reflejado en el retorno medio de capital durante un período de tiempo determinado. La infraestructura de transporte, como los caminos, tiene una vida de servicio de varios años e incluso décadas, por lo que el período de evaluación generalmente se considera sobre los veinte años o más. Por lo tanto, los costos de mantenimiento y de usuario incurridos durante un período, evidentemente se hacen menos relevantes a medida que se incorporan valores cada vez más distantes en el tiempo al proceso de evaluación. El método para determinar el valor presente de fondos futuros es conocido como “descuento”. La tasa usada para calcular el valor presente de un costo en el año n se denomina “tasa de descuento”, y representa el valor de tiempo continuo del dinero. Una evaluación económica es posible sólo después de que todos los valores futuros han sido expresados en términos equivalentes, en otras palabras, después de que su valor ha sido reducido a un punto de tiempo común mediante una tasa de descuento específica.
Apéndice 6
251
La fórmula básica para reducir una cantidad futura a su valor presente se hace más comprensible si el descuento es considerado como el inverso del interés compuesto o, en otras palabras, la conversión del valor presente en valor futuro haciendo uso de una tasa de interés específica. Si el valor de tiempo de una cantidad = i por ciento por año, su valor presente (PW) en un año aumentará a PW*(1 + i / 100). Después de dos años su valor sería igual a PW*(1 + i / 100) (1 + i/ 100) = PW*(1 + i / 100)2. Después de tres años el PW habría aumentado a una cantidad igual a PW*(1 + i / 100)3, etc., hasta que después de n años este sería igual a PW*(1 + i / 100)n. Ya que el descuento es el recíproco del interés, para descontar el cálculo aplicado a PW*(1 + i / 100)n en i por ciento por un número de años, este tendría que ser invertido. En otras palabras, uno tendría que multiplicarlo por 1 / (1 + i / 100)n para obtener su valor presente. El término (1 + i / 100)n se conoce como la función de interés, mientras su inverso 1 / (1 + i / 100)n, se conoce como la función de descuento o el factor de valor presente. La siguiente fórmula es usada para calcular el PW de una cantidad futura (FA) al final del año n con una tasa de descuento de i por ciento por año:
PW = FA/(1 + i)n Donde:
PW FA i n
= = = =
A6.3
Técnicas de Evaluación Económica
[Ecuación A 6.1]
valor presente (valor en el año 0) cantidad futura al final del año n tasa de descuento anual como fracción de 100 período de descuento en años
Los proyectos propuestos para una evaluación pueden ser divididos en dos grupos: – Proyectos mutuamente excluyentes: son métodos alternativos y que tiene por objetivo la misma función. Por lo tanto, la elección de un proyecto excluirá a los otros. El análisis de beneficio-costo de proyectos mutuamente excluyentes implica la selección de la alternativa más eficiente o rentable. – Proyectos independientes: tienen por objetivo cumplir funciones diferentes, y por lo tanto un proyecto no es una alternativa al otro. Ejemplos de proyectos independientes son: una transferencia modal en el suburbio X, un ensanchamiento de calle en el suburbio Y, y un intercambio de tránsito en el suburbio la Z. Más de un proyecto independiente puede ser seleccionado para implementarse. Efectivamente, es posible que todos los proyectos independientes puedan ser seleccionados si todos ellos son justificados económicamente y se dispone de recursos suficientes. La evaluación económica de proyectos independientes implica la clasificación de los proyectos justificados económicamente en términos de su mérito económico.
252
Apéndice 6
Varias técnicas, todas basadas en el principio de flujos de caja y tasas de descuento, pueden ser aplicadas en el análisis de beneficio-costo. Cuatro de las técnicas más comúnmente usadas, explicadas abajo, son: – – – –
Valor presente de costos (VPC) Razón beneficio/costo (B/C) Tasa interna de retorno (TIR) Valor presente neto (VPN)
En términos conceptuales, estas técnicas pueden ser clasificadas en dos grupos. Para el primer grupo, sólo es calculado el costo de cada alternativa, y la que presenta el menor costo es la óptima. La técnica VPC cae en este grupo. En el segundo grupo, se calculan tanto los beneficios como los costos de las alternativas. Los beneficios son definidos como ahorros en los costos recurrentes en relación a la alternativa nula (la situación existente o la instalación presente cuya mejora o reemplazo están siendo investigados). El concepto detrás de este grupo, es que una alternativa será económicamente viable si los beneficios exceden los costos. El costo de un proyecto puede ser definido como el costo de oportunidad de recursos económicos incurridos en la implementación del proyecto. El método para identificar la mejor alternativa depende de la técnica específica utilizada. Tres técnicas caen dentro de este grupo: el VPN, la razón B/C, y la TIR.
A6.3.1
Técnica del Valor Presente de Costos (VPC)
Esta técnica selecciona la alternativa de costo más baja entre proyectos mutuamente excluyentes. Todos los costos económicos (costos de oportunidad) asociados con el suministro, el mantenimiento y el uso de cada alternativa son reducidos a su valor presente. Considerando el objetivo de eficiencia económica, la alternativa que entrega el VPC más bajo es considerada como la más rentable (beneficiosa). Este método puede ser expresado con la siguiente ecuación:
VPC = Ca + VP*(M + U) Donde:
[Ecuación A 6.2]
VPC Ca
= valor presente de costo = todos los costos iniciales incurridos en la construcción de una instalación, menos el valor residual descontado al final del período de análisis VP*(M + U) = valor presente de todos los costos de mantenimiento y usuario durante el período de análisis
Note que en el caso de la alternativa nula (la instalación existente cuyo posible reemplazo o mejora están siendo investigados, son medidas contra otras alternativas mutuamente excluyentes), VPC = VP*(M + U).
Apéndice 6
253
A6.3.2
Técnica de la Razón Beneficio/Costo (B/C)
Esta técnica selecciona la alternativa más ventajosa determinando la razón entre beneficios del proyecto (es decir, ahorros anuales en relación a la alternativa nula) y costos iniciales descontados del proyecto. El beneficio esperado durante el período de análisis es determinado restando el valor presente del costo de usuario proyectado de una alternativa, más los costos de mantenimiento del camino, al valor presente del costo de usuario pronosticado de la instalación existente, más el costo de mantenimiento. La razón entre la suma de los beneficios descontados y la suma de los costos iniciales del proyecto es obtenida dividiendo el primero por el segundo. Todos los proyectos con una razón mayor que uno (B/C > 1) son viables, aunque el con un valor de razón más alto es el más ventajoso económicamente. Sin embargo, cuando se comparan alternativas mutuamente excluyentes, se debe usar el análisis incremental para identificar la alternativa más económica. El método puede ser expresado con la siguiente ecuación:
B/C =
[PW* (Mo + Uo) – (PW* (Ma + Ua)] Ca
Donde:
B/C o a
A6.3.3
Técnica de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
[Ecuación A 6.3]
= razón beneficio/costo = instalación existente = alternativa bajo consideración
Esta técnica calcula la tasa interna de retorno esperada de cada alternativa en relación a la alternativa nula. La característica distintiva de esta técnica es que su aplicación no implica un procedimiento de descuento singular con una sola tasa prescrita. Los ahorros anuales ("retornos") para el período de análisis son descontados al principio del período. La suma de estas cantidades descontadas es comparada con el costo inicial descontado. Se seleccionan iterativamente diferentes tasas de retorno y se aplican hasta encontrar una cierta tasa en que la suma de los retornos anuales descontados iguala a los costos iniciales. Esta es denominada la tasa interna de retorno (esperada). La alternativa con la mayor tasa interna de retorno puede ser considerada como la más ventajosa, aunque el criterio actual compara esta tasa obtenida con la tasa de descuento real predominante. Si esto excede la tasa de descuento predominante, la alternativa es económicamente viable. Sin embargo, cuando son comparadas alternativas mutuamente excluyentes, el análisis incremental debe ser usado para identificar la alternativa más económica. La TIR es la tasa de descuento (r) que permite calcular los valores de VP en la ecuación A6.4 para equilibrar con Ca.
IRR = r when [PW(Mo + Uo) – PW(Ma + Ua)] = Ca
[Ecuación A 6.4]
(“r” es la tasa de descuento que iguala [VP*(Mo + Uo) – (VP*(Ma + Ua)] con Ca)
254
Apéndice 6
A6.3.4
Técnica del Valor Presente Neto (VPN)
Esta técnica selecciona una alternativa entre los proyectos mutuamente excluyentes que tienen el mayor valor presente neto. El costo inicial descontado de una alternativa es restado de la suma de los ahorros anuales descontados que alcanzará la alternativa en comparación con la instalación existente. Todas las alternativas con beneficios que reflejan un valor presente neto positivo son viables, aunque la alternativa con el valor presente más alto es la más ventajosa. La técnica puede ser expresada con la siguiente ecuación:
VPN = VP*(Mo + Uo) – VP*(Ma + Ua) – Ca A6.4
[Ecuación A 6.5]
Período de Análisis y Valor Terminal y Residual del Transporte
El principio del costo de oportunidad excluye la posibilidad de ocupar a una instalación transporte de adquirir un valor adicional debido al costo de oportunidad de utilizar el terreno durante su vida de servicio. La razón de esto es que este costo se considera como “hundido” (es decir, su desarrollo no tiene ninguna aplicación alternativa posible). Por esta razón es deseable que el período de análisis (evaluación) se extienda por sobre la vida de diseño o vida útil planificada de una instalación. Sin embargo, hay razones prácticas por las cuales el período de análisis, a veces, debería ser más corto que la vida de servicio planificada. Debido a incertidumbres de riesgo futuras, todas las proyecciones y previsiones durante períodos que exceden los veinte años son sumamente especulativas debido, por ejemplo, a la dificultad de predecir volúmenes de tráfico futuros, la partición modal, cambios en la tecnología, el uso de la tierra, características demográficas, etc. Los períodos durante los cuales son hechas las previsiones y proyecciones pueden ser ampliados más allá de 20 años siempre que ellos sigan siendo confiables. Sin embargo, se recomienda que los períodos de análisis no excedan los 30 años (por lo general se usan períodos de análisis de 20 años), aun cuando las soluciones lógicas para ciertos problemas de transporte puedan ser proyectos duraderos con vidas de servicio considerablemente mayores a 30 años. Para ser justo y realista respecto a la inversión en proyectos duraderos, se realiza un cambio de la regla, pura pero restrictiva, del costo de oportunidad, introduciendo una segunda regla de valoración en forma de un "valor residual". Este valor pretende representar un costo de oportunidad artificial de un proyecto durante su vida de servicio y es ampliamente, si no mundialmente, aceptado como una convención legítima y justifica el cambio de la regla del costo de oportunidad. En este caso, muy pocos proyectos duraderos de transporte alguna vez habrían sido implementados debido al resultado de una evaluación económica. Si se encuentra un proyecto que tiene un valor terminal esperado (valor de salvamento de la instalación al final de su vida de diseño) o un valor residual (valor de salvamento de la instalación durante su vida de diseño), tal valor debe ser descontado y deducido del costo inicial descontado. La razón de esto, es que una TIR y un B/C son retornos o producciones relacionadas al costo de la inversión. Por ejemplo, si un proyecto tiene una vida diseño o de servicio de 30 años y, después de terminado este período, la tierra es utilizada nuevamente para la misma actividad económica previa al período de 30 años, el costo de la inversión inicial es igual al costo de oportunidad del desarrollo de la instalación (planificación directa, diseño y construcción) más el beneficio que está siendo perdido por no usar la tierra en su aplicación alternativa durante la vida de servicio. En otras palabras, el costo calculado de la inversión en términos del retorno o la producción, es el costo de oportunidad conectado al desarrollo de la instalación, tal como el costo de oportunidad de contratar la tierra para propósitos de transporte hasta el punto en que nuevamente es liberada para el uso alternativo.
Apéndice 6
255
256
Apéndice 7 Análisis de costos A7.1
Precios Unitarios Básicos
A7.2
Rehabilitación de caminos de Alto Volumen de Tráfico A7.2.1 Opción 1: Pulverizar la capa existente / aplicar un recapado asfáltico A7.2.2 Opción 2: Base reciclada estabilizada con cemento / recapado asfáltico A7.2.3 Opción 3: Base reciclada estabilizada con asfalto espumado con revestimiento asfáltico Mejoramiento de un Camino de Grava Existente A7.3.1 Opción 1: Pavimento convencional usando sólo material granular A7.3.2 Opción 2: Base de agregado chancado sobre una capa de subbase reciclada estabilizada con cemento A7.3.3 Opción 3: Reciclado in-situ en dos etapas
A7.3
A7.4
Sustitución de Base de HMA por RAP Estabilizado con Asfalto Espumado A7.4.1 Opción 1: Recapado asfáltico convencional A7.4.2 Opción 2: Base de RAP estabilizada con asfalto espumado con revestimiento asfáltico
257
258
A7.1
Precios Unitarios Básicos
Las distintas opciones de reciclado consideradas en el Apéndice 1 son analizadas para comparar los costos de construcción de cada una de ellas. Los precios unitarios para los diferentes ítems de trabajos son tabulados a continuación. Estos están basados en precios aplicados a la industria de la construcción de caminos de Sudáfrica con fecha Julio de 2004, convertidos a Euros (e 1 = R 7,50). Tabla A7.1
Precios Unitarios utilizados en el Análisis de Costos
Ítem
Unidad
Precio (E)
m
2,00
Mezclado en planta (Wirtgen KMA 200) **
ton (t)
5,00
Selección de Material de RAP para quitar el sobretamaño
ton (t)
1,00
Molienda y suministro de RAP
ton (t)
15,00
Mezcla de capa de base
ton (t)
70,00
Carpeta de rodado
ton (t)
80,00
Grado de Penetración del Asfalto (entre 60 y 200)
ton (t)
300,00
Emulsión Asfáltica
ton (t)
325,00
Suministro y riego de imprimación y/o riego de liga
litro (l)
0,35
Cemento Portland común
ton (t)
120,00
Cal Hidratada
ton (t)
120,00
Suministro de agregado chancado graduado (trituradora controlada)
ton (t)
20,00
Suministro de polvo de trituración (menos de 6 mm)
ton (t)
15,00
Suministro de grava natural desde empréstitos
ton (t)
10,00
Equipo de Reciclado in-situ *
2
Mezcla Asfáltica en Caliente. Suministro y Pavimentación
Elaboración de nueva capa de pavimento (mezcla, colocación, compactación)
m2
1
Colocación de nuevas capas de pavimento con pavimentadora (transporte, pavimentación y compactación)
m2
2,00
Bacheo de áreas pequeñas
m
30,00
Revestimiento de Sello de Agregados (doble sello)
m
2 2
3,00
Capa de rodado granular
km
20.000,00
Superficie Asfáltica
km
30.000,00
Construcción de desvíos temporales
* El precio de e 2.00 por metro cuadrado está basado en un costo diario de e 5.000 para planta y equipos (incluyendo combustible, consumo y mano de obra) requerido para reciclar y completar un promedio de 2.500 m2 de trabajo. Se debe enfatizar que este precio depende de muchas variables específicas de terreno, como el tipo de máquinas usadas, el alcance del proyecto, restricciones de tiempo, etc. El precio real puede estar entre e 1,00/m2 hasta por sobre los e 10,00/m2, dependiendo de las especificaciones del proyecto. ** El precio de e 5,00 por tonelada está basado en un costo diario de e 5.000 para planta y equipamiento (incluyendo combustible, consumo y mano de obra) requerido para mezclar un promedio de 1.000 ton de material tratado diariamente usando una Wirtgen KMA 200. Se debe enfatizar que este precio depende de muchas variables específicas de terreno, como el tipo de máquinas usadas, el alcance del proyecto, restricciones de tiempo, etc. El precio real puede encontrarse entre e 1,00/m2 hasta por sobre los e 10,00/m2, dependiendo de las especificaciones del proyecto.
Apéndice 7
259
A7.2
Rehabilitación de caminos de Alto Volumen de Tráfico (Ejemplo 1, Apéndice 1)
A7.2.1
Opción 1: Pulverizar la capa existente / aplicar un recapado asfáltico
Tabla A7.2
Calculo de costos unitarios para pulverizar / recapado asfáltico
Ítem Descripción 1 2 3 4 4a 4b 4c 5 6 6a 6b 6c
Reciclado / pulverizado a 300 mm de profundidad Elaboración de nueva capa de pavimento Riego de Imprimación sobre capa granular Base Asfáltica de 75 mm de espesor Espesor de capa asfáltica Densidad del material asfáltico Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 4a/1000 x Item 4b)/1000)] Riego de Liga entre capas asfálticas Superficie asfáltica de 40 mm de espesor Espesor de capa asfáltica Densidad del material asfáltico Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 6a/1000 x Item 6b)/1000]
Unidad
Cantidad
m2 m2 l t mm kg/m3
1 1 0.7 Item 4c 75 2500
Total (E)
2,00 1,00 0,35 70
2,00 1,00 0,25 13,13
0,35 80
0,11 8,00
0,1875 l t mm kg/m3
0.3 Item 6c 40 2500 0,10
Costo total por metro cuadrado para pulverizado / recapado asfáltico (E / m2)
260
Precio (E)
24,49
Apéndice 7
A7.2.2 Tabla A7.3
Opción 2: Base reciclada estabilizada con cemento / recapado asfáltico Calculo de costos unitarios para base estabilizada con cemento / recapado asfáltico
Ítem Descripción 1 2 2a 2b 2c 2d
Reciclado a 250 mm de profundidad Cemento para estabilización Espesor de capa Densidad del material reciclado Razón de aplicación del cemento Cantidad total de cemento (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (item 2c/100)/1.000] 3 Riego de Imprimación sobre capa estabilizada 4 Riego de Liga antes de la capa asfáltica de pavimento 5 Base asfáltica de 60 mm de espesor 5a Espesor de capa asfáltica 5b Densidad del material asfáltico 5c Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 5a/1000 x Item 5b)/1000] 6 Riego de Liga antes de la capa asfáltica de pavimento 7 Superficie asfáltica de 40 mm de espesor 7a Espesor de capa asfáltica 7b Densidad del material asfáltico 7c Cantidad total de asfalto (ton/m2) {(Item 7a/1.000 x Item 7b)/1.000} Costo total por metro cuadrado para base estabilizada con cemento/recapado asf. (E / m2)
Apéndice 7
Unidad
Cantidad
m2 t mm kg/m3 %
1 Item 2d 250 2150 2,0
Precio (E)
Total (E)
2,00 120
2,00 1,29
0,35 0,35 70
0,25 0,11 10,50
0,35 80
0,11 8,00
0.01075 l l t mm kg/m3
0,7 0,3 Item 5c 60 2500 0,150
l t mm kg/m3
0,3 Item 7c 40 2500 0,10
22,26
261
A7.2.3
Tabla A7.4
Opción 3: Base reciclada estabilizada con asfalto espumado con revestimiento asfáltico Calculo de costos unitarios para opción estabilizada con asfalto espumado
Ítem Descripción 1 2 2a 2b 2c 2d 3 3a 3b 4 5 5a 5b 5c
Reciclado a 250 mm de profundidad Cemento para estabilización Espesor de capa Densidad del material reciclado Razón de aplicación del cemento Cantidad total de cemento (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (item 2c/100)/1.000)] Asfalto (grado de penetración) para estabilización Razón de aplicación del asfalto espumado Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (Item 3a/100)/1.000)] Riego de Liga antes de la capa asfáltica de pavimento Superficie asfáltica de 40 mm de espesor Espesor de capa asfáltica Densidad del material asfáltico Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 5a/1.000 x Item 5b)/1.000)]
Unidad
Cantidad
m2 t mm kg/m3 %
1 Item 2d 250 2150 1,0
Precio (E)
Total (E)
2,00 120
2,00 0,65
300
4,03
0.005375 t %
Item 3b 2,5 0.013438
l t mm kg/m3
0,3 Item 5c 40 2500
0,35 80
0,10
Costo total por metro cuadrado para opción estabilizada con asfalto espumado (E / m2)
262
0,11 8,00
14,79
Apéndice 7
A7.3
Mejoramiento de un Camino de Grava Existente (Ejemplo 2, Apéndice 1)
A7.3.1
Opción 1: Pavimento convencional usando sólo material granular
Tabla A7.5
Calculo de costos unitarios de construcción para un pavimento granular convencional
Ítem Descripción 1 1a 1b 1c 1d 2 3 3a 3b 3c 4 5 6
Suministro de material de grava natural Espesor de capa de subbase Porcentaje importado Densidad del material Cantidad total de material importado (Item 1a/1.000 x Item 1b/100) x (item 1c/1.000) Elaboración de nueva capa de subbase Suministro de agregado chancado graduado Espesor de capa base Densidad del material Cantidad total de asfalto (ton/m2) (Item 3a/1.000 x Item 3b) Elaboración de nueva capa de base Riego de Imprimación sobre la nueva capa de base Revestimiento de Sello de Agregados
Unidad
Cantidad
t mm % (Vol.) kg/m3
Item 1d 150 15 1950
Total (E)
10,00
0,44
1 20
1,00 6,30
0,04388 m2 t mm kg/m3
1 Item 3c 150 2100 0,315
m2 l m2
1 0,7 1
Costo total por metro cuadrado para un pavimento granular convencional (E / m2)
Apéndice 7
Precio (E)
1 0,35 3
1,00 0,25 3,00 11,99
263
A7.3.2
Tabla A7.6
Opción 2: Base de agregado chancado sobre una capa de subbase reciclada estabilizada con cemento Calculo de costos unitarios de construcción para una base de agregado chancado sobre una capa de subbase reciclada estabilizada con cemento
Ítem Descripción 1 2 2a 2b 2c 2d 3 3a 3b 3c 4 5 6
Reciclado a 150mm de profundidad (subbase) Cemento para estabilización Espesor de capa Densidad del material reciclado Razón de aplicación del cemento Cantidad total de cemento (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (Item 2c/100)/1.000)] Suministro de agregado chancado graduado Espesor de capa base Densidad del material Cantidad total de asfalto (ton/m2) (Item 3a/1.000 x Item 3b) Elaboración de nueva capa de base Riego de Imprimación sobre la nueva capa de base Revestimiento de Sello de Agregados
Unidad
Cantidad
Precio (E)
Total (E)
m2 t mm kg/m3 %
1 Item 2d 150 1950 3
2,00 120
2,00 1,05
20,00
5,25
0,008775 t mm kg/m3
Item 3c 125 2100 0,2625
m2 l m2
1 0.7 1
1 0.35 3
Costo total por metro cuadrado para una base de agregado chancado sobre una capa de subbase reciclada estabilizada con cemento (E / m2)
264
1,00 0,25 3,00 12,55
Apéndice 7
A7.3.3 Tabla A7.7
Opción 3: Reciclado in-situ en dos etapas Calculo de costos unitarios de construcción para reciclado in-situ en dos etapas
Pos. Beschreibung 1 2 2a 2b 2c 2d 3 4 4a 4b 4c 4d 5
Reciclado a 300mm de profundidad Cal para modificación Espesor de capa Densidad del material reciclado Razón de aplicación de la cal Cantidad total de cal (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (Item 2c/100)/1.000)] Reciclado a 125 mm de profundidad Asfalto para estabilización Espesor de capa Densidad del material reciclado Razón de aplicación del asfalto espumado Cantidad total de asfalto espumado (ton/m2) [(Item 4a/1.000 x Item 4b) x (Item 4c/100)/1.000)] Revestimiento de Sello de Agregados
Unidad
Cantidad
Precio (E)
Total (E)
m2 t mm kg/m3 %
1 Item 2d 300 1900 2
2,00 120
2,00 1,37
2,00 300
2,00 2,14
3,00
3,00
0,0114 m2 t mm kg/m3 %
0,00713 m2
Costo total de construcción por metro cuadrado para reciclado in-situ en dos etapas (E / m2)
Apéndice 7
1 Item 4d 125 1900 3
1
10,51
265
A7.4
Sustitución de Base de HMA por RAP Estabilizado con Asfalto Espumado (Ejemplo 3, Apéndice 1)
A7.4.1
Opción 1: Recapado asfáltico convencional
Tabla A7.8
Calculo de costos unitarios de construcción para un recapado asfáltico convencional
Ítem Descripción 1 2 2a 2b 2c 3 4 4a 4b 4c
Riego de liga sobre la superficie existente Base Asfáltica de 100 mm de espesor Espesor de capa asfáltica Densidad del material asfáltico Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b)/1.000)] Riego de liga entre capas asfálticas Base Asfáltica de 40 mm de espesor Espesor de capa asfáltica Densidad del material asfáltico Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 4a/1.000 x Item 4b)/1.000)]
Unidad
Cantidad
Precio (E)
Total (E)
l t mm kg/m3
0.3 Ítem 2c 100 2500
0,35 70
0,11 17,50
0,35 80
0,11 8,00
0,250 l t mm kg/m3
0.3 Ítem 4c 40 2500 0,10
Costo total por metro cuadrado para un recapado asfáltico convencional (E / m2)
266
25,72
Apéndice 7
A7.4.2
Tabla A7.9
Opción 2: Base de RAP estabilizada con asfalto espumado con revestimiento asfáltico Calculo de costos unitarios de construcción para base de RAP estabilizada con asfalto espumado con revestimiento asfáltico
Ítem Descripción 1 2 2a 2b 2c 3 3a 3b 4 4a 4b 5 6 7 7a 7b 7c
Selección de Material de RAP Mezclado del RAP en una planta KMA Espesor de la capa Densidad del material reciclado Toneladas de RAP/m2 (Item 2a/1.000 x Item 2b)/1.000) Cemento para filler activo Razón de aplicación del cemento Cantidad total de cemento (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (Item 3a/100)/1.000)] Asfalto (grado de penetración) para estabilización Razón de aplicación del asfalto espumado Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 2a/1.000 x Item 2b) x (Item 4a/100)/1.000)] Pavimentación/Compactación base RAP estabilizada Riego de liga sobre base de RAP estabilizada Base Asfáltica de 40 mm de espesor Espesor de capa asfáltica Densidad del material asfáltico Cantidad total de asfalto (ton/m2) [(Item 7a/1.000 x Item 7b)/1.000)]
Unidad
Cantidad
t t mm kg/m3
Item 2c Item 2c 125 2250
Total (E)
1,00 5,00
0,28 1,41
0,2813 t %
Item 3b 1,0
120
0,34
300
1,69
0,002813 t %
Item 4b 2.0 0,005625
m2
1
2,00
l
0,3
0,35
t mm kg/m3
Item . 7c 40 2500
Costo total por metro cuadrado para base de RAP estabilizada con asfalto espumado con revestimiento asfáltico (E / m2)
Apéndice 7
Precio (E)
80
2.00 0,11 8,00
0,10 13,83
267
268
269
270
Wirtgen GmbH y Loudon International han tenido especial preocupación en la preparación de este manual para asegurar que contenga la información fundamental y puesta al día. Además, los conocimientos entregados en este manual han sido evaluados y confirmados bajo condiciones de terreno. La aplicación de este manual en el diseño y construcción de obras de ingeniería requiere madurez, habilidad y juicio profesional. Por lo tanto, Wirtgen GmbH y los autores descartan cualquier tipo de responsabilidad por fallas tanto en el desempeño del pavimento como en el análisis o diseño que sea resultado de una mala aplicación de los contenidos de este manual.
ISBN 3-936215-08-1
