reciclado en situ de pavimentos de asfalto mediante la tecnica del asfalto espumado
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RECICLADO IN SITU DE PAVIMENTOS DE ASFALTO MEDIANTE LA TÉCNICA DEL ASFALTO ESPUMADO
G. Thenoux Z.1 , F. Halles A. 1, A. Núñez V.1, M. González H.2, A. Osorio L. 2
RESUMEN
Desde el año 2003 en Chile se han rehabilitado aproximadamente 150 km. de caminos utilizando la tecnología del asfalto espumado, tecnología ampliamente utilizada a nivel mundial debido a los importantes beneficios técnicos, económicos, ambientales, energéticos y operacionales. No obstante estos 5 años de desarrollo en Chile y Sudamérica, aún existe desconocimiento respecto de los procesos y controles que permitan garantizar la calidad del producto final, principalmente cuando las empresas constructoras se ven enfrentadas por primera vez a un proyecto de esta naturaleza. Para maximizar los beneficios de esta tecnología es necesario planificar con detalle todas las actividades involucradas en el proceso, además de realizar un exhaustivo control en las etapas de construcción.
El presente trabajo describe la tecnología basado en la experiencia adquirida por el equipo de trabajo durante los proyectos de Travesía – Copiapó (30 km, año 2003); Ruta de La Madera S.C.S.A (34 km, año 2006), Ruta 5 Región de Antofagasta (80 km, año 2008) y Reciclado Camino de Acceso a Proyecto Minero Antamina S.A. en Perú (año 2008, 120 km).
Palabras Clave: Asfalto espumado, reciclado.
1 Pontificia Universidad Católica de ChileEscuela de IngenieríaDepartamento de Ingeniería y Gestión de la ConstrucciónAv. Vicuña Mackenna 4860, Edificio San Agustín 3° Piso, Macul.Teléfono: 02-3544244/45, Fax: [email protected]@[email protected]
2 DICTUC S.A.Centro de Ingeniería e Investigación Vial (CIIV)Av. Vicuña Mackenna 4860, Edificio San Agustín 3° Piso, Macul.Teléfono: 02-3544244/45, Fax: [email protected]@dictuc.cl
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1. INTRODUCCIÓN
La utilización del reciclado de pavimentos a nivel mundial ha aumentado
considerablemente en los últimos años. Lo anterior se explica en gran parte por las
ventajas técnicas, económicas, ambientales, energéticas y operacionales que presenta la
tecnología en comparación con las alternativas tradicionales. Un indicador que refleja esta
tendencia, corresponde al crecimiento global de máquinas fresadoras-mezcladoras en frío
a nivel mundial, el cual se presenta por año en la Figura 1 (Jenkins, 2008).
Figura 1: Crecimiento de equipos recicladores a nivel mundial, determinada marca y modelo.
En Chile y en Sudamérica la utilización de las técnicas de reciclado de pavimentos
asfálticos y de estabilización de suelos también es creciente, sin embargo, pese al
desarrollo alcanzado en nuestro país es posible apreciar que cuando las empresas
constructoras se ven enfrentadas por primera vez a proyectos de este tipo, aún existe
desconocimiento de los procesos y controles que permitan el aseguramiento de la calidad
del producto final.
El proceso de reciclado es automatizado y amigable por lo cual una vez que este entra en
régimen, el proceso se simplifica para todo el equipo constructor. Por lo anterior, el
presente documento se desarrolló para cumplir con los siguientes objetivos:
Entender claramente las etapas de un proyecto de reciclado o estabilización con
asfalto espumado.
Comprender la importancia que tiene en esta técnica hacer lo correcto durante la
primera aplicación.
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Comprender la necesidad de implementar un sistema de control y definir los controles
para el aseguramiento de la calidad.
Comprender que la organización debe diseñar un sistema para el manejo de la
información de control que se obtiene tanto de terreno como de laboratorio.
2. TECNOLOGÍA DEL ASFALTO ESPUMADO
El asfalto espumado se logra mediante un proceso físico, en el cual se inyecta una
pequeña cantidad de agua fría (1,0 a 3,0% del peso del asfalto) y aire comprimido a una
masa de cemento asfáltico caliente (150ºC – 180ºC), dentro de una cámara de expansión
generando espontáneamente espuma (Thenoux y Jamet, 2002), tal como se presenta
esquemáticamente en la Figura 2.
Figura 2. Proceso de espumado del asfalto en cámara de expansión
Figura 3. Equipo de laboratorio WBL10
La producción de mezclas con asfalto espumado se debe realizar mientras el asfalto se
encuentre en estado de espuma. Al desintegrarse la burbuja en presencia del agregado,
las gotas de asfalto se aglutinan con las partículas más finas (especialmente con aquellas
fracciones menores a 0,075 mm.), produciendo una mezcla asfalto agregado fino, lo que
resulta en una pasta de filler y asfalto que actúa como un mortero entre las partículas
gruesas. La Figura 3 presenta el equipo de laboratorio utilizado para el diseño de la
mezcla, el cual simula una cámara de expansión del equipo fresador-mezclador.
La tecnología del asfalto espumado tiene dos aplicaciones:
Reciclado en frío de pavimentos asfálticos: Consiste en la recuperación del
material de un pavimento asfáltico existente, el cual es mezclado con asfalto
espumado, aditivos (cemento o cal) y agregados nuevos (si es necesario) para
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formar una base asfáltica que será colocada en el mismo lugar o en otro distinto
(Figura 4).
Estabilización de suelos: Consiste en la estabilización de suelos de relativa baja
plasticidad (IP<16) con asfalto espumado en donde los suelos pueden provenir de
la recuperación de áridos de un camino sin pavimentar o de nuevos pozos (Figura
5).
Figura 4. Aplicación de asfalto espumado en reciclado de pavimentos flexibles con equipo
fresador-mezclador
Figura 5. Aplicación de asfalto espumado en estabilización de bases o suelos con equipo fresador-
mezclador
Ambas aplicaciones pueden ejecutarse mediante tecnología en sitio y en planta. La
tecnología en sitio requiere de un equipo fresador-mezclador (Figura 6). Existen varios
modelos y configuraciones para este tipo de equipos, pero en general todos poseen un
tambor de fresado-mezclado, con el cual el material es removido desde la superficie,
triturado, mezclado con el asfalto espumado y extendido. La inyección del asfalto
espumado en el agregado se realiza simultáneamente a través de varias cámaras de
expansión individuales.
En la tecnología en planta el material es fresado, retirado y transportado hasta una planta
donde se incorpora el asfalto espumado y se homogeneíza la mezcla. Luego la mezcla se
transporta hasta el frente de trabajo, donde es extendida por medio de motoniveladoras o
preferentemente con pavimentadoras para luego ser compactada. Los tipos de plantas
utilizadas permiten su instalación en lugares inmediatos al frente de trabajo. Esto, permite
reducir significativamente las distancias de transporte de materiales, además que la
tecnología en planta permite un mejor control de calidad de la mezcla mediante un control
de su dosificación.
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Tanto en el reciclado en frío de pavimentos asfálticos, como en la estabilización de suelos
se coloca sobre la base asfáltica una carpeta de rodado del tipo sello de agregados,
lechada asfáltica o una carpeta asfáltica.
Figura 6. Equipo fresador-mezclador Wirtgen WR2500
2.1 Diseño de la Espuma
La calidad de la espuma de un cemento asfáltico se define en función de dos
propiedades, el volumen y la estabilidad que alcanza la espuma, que se evalúan mediante
la Razón de Expansión (RE) y Vida Media (VM), respectivamente.
La RE está definida como la relación entre el máximo volumen logrado en el estado de
espuma y el volumen del asfalto sin espumar, por su parte la VM es el tiempo tomado, en
segundos, desde el estado espumado hasta llegar a la mitad del máximo volumen
obtenido. Ambas propiedades dependen de muchos factores, siendo los principales la
temperatura del asfalto, la cantidad de agua de espumación y la presión de espumación.
A mayores temperaturas de espumado y mayor cantidad de agua se incrementa la RE
pero a su vez disminuye la VM, sin embargo la espuma de mejor calidad es considerada
como aquella que optimiza ambas propiedades. En la Figura 7 se puede ver un ejemplo
de mediciones de las propiedades mencionadas. La literatura internacional recomienda
una RE superior a 8 veces y al menos 10 segundos de VM (Wirtgen, 2004).
En la etapa de estudio de las propiedades de espumación no todos los asfaltos cumplen
necesariamente con la condición anterior, por lo cual es estrictamente necesario antes de
la selección del asfalto realizar el estudio de laboratorio. De la misma manera es
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recomendable realizar verificaciones de la calidad de la espuma en laboratorio a lo largo
del proyecto para garantizar su comportamiento.
De esta forma para un diseño de las propiedades de espumación de un determinado
cemento asfáltico se debe especificar la temperatura del cemento asfáltico y el contenido
de agua de espumación que permitan cumplir con las condiciones mínimas de
espumación.
2.2 Diseño de Mezcla
a) Cemento Asfáltico
El cemento asfáltico a utilizar debe cumplir con el diseño de espuma de manera tal que
asegure su adecuado comportamiento de RE y VM. Para asegurar lo anterior se
recomienda que el constructor evalué previo y durante el proyecto las propiedades de
espumación del asfalto, debido a que existen asfaltos que no presentan buena calidad de
espuma.
b) Material granular recuperado (RAP)
Debido a la gran variedad de agregados que pueden ser mezclados con asfalto
espumado (áridos chancados, arena arcillosa, RAP y otros materiales tales como
escorias), estos deben ser caracterizados considerando las siguientes propiedades:
distribución granulométrica, el índice de plasticidad y contenido óptimo de humedad a
través del ensayo Proctor Modificado. Para el diseño de la mezcla se recomienda utilizar
material granular obtenido in-situ con el equipo Pulverizador-Mezclador. Si lo anterior no
es posible, se debe realizar el diseño con material obtenido directamente de calicatas del
proyecto, pero al inicio del proyecto el diseño de la mezcla deberá verificarse con material
pulverizado.
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Figura 7. Análisis gráfico de las propiedades de la espuma de asfalto
Figura 8. Análisis gráfico de las propiedades mecánicas de la mezcla con asfalto espumado
La curva granulométrica del agregado se compara con la clasificación mostrada en la
Figura 9, desarrollada por Akeroyd y Hicks en 1988. Si el material se encuentra en la
Zona A de esta clasificación, es apropiado para ser empleado en carreteras con tráfico
pesado. Los materiales de la Zona B son apropiados para tráfico liviano, pero su
comportamiento puede ser mejorado mediante la adición de fracciones gruesas. Los
materiales de la Zona C son deficientes en finos y no son apropiados para la
estabilización a menos que su graduación sea mejorada mediante la adición de finos. El
contenido de finos del agregado, es un parámetro fundamental debido a la influencia que
tiene en el proceso de dispersión del asfalto y en general debe encontrarse sobre un 5%
(Ruckel et al., 1982). Se debe considerar que el efecto de pulverización del equipo hará
que la proporción de finos aumente, si se compara con la curva granulométrica del
material obtenido a partir de las calicatas. En la mayor parte de los casos es favorable por
tratarse de finos inertes provenientes del mismo material pulverizado.
c) Filler activo
Las mezclas con asfalto espumado requieren del uso de cemento como filler activo, lo
tiene tres objetivos principales: Disminuir la sensibilidad a la humedad que tienen las
mezclas con asfalto espumado; Aumentar la rigidez y resistencia a la deformación
permanente; Proveer resistencia temprana a la mezcla con asfalto espumado. La cantidad
de cemento a utilizar debe ser aquella que permita disminuir la sensibilidad a la humedad
que poseen las mezclas estabilizadas con asfalto espumado. De tal forma de determinar
lo anterior, se utiliza el parámetro de Resistencia Retenida (TSR: Tensile Strength
Retained), valor que se recomienda sea mayor o igual a 60% y que representa la razón
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entre la resistencia a la tracción indirecta de probetas en estado saturado y seco. Los
valores de contenido de cemento normalmente varían entre 1 - 2%, y no se recomienda la
utilización de contenidos mayores por el eventual aumento de la rigidez y por lo tanto
fragilidad de las mezclas con asfalto espumado y cemento. Por otra parte, si el material
granular posee altos índices de plasticidad, entonces es recomendable utilizar cal en
reemplazo del cemento, dado que la utilización de cemento no garantiza que se cumpla
con el criterio de resistencia retenida.
Figura 9. Clasificación de materiales granulares (Akeroyd y Hicks, 1988)
d) Determinación del contenido óptimo de asfalto
Para determinar el contenido óptimo de asfalto, deben ser confeccionadas un mínimo de 5
mezclas con distintos contenidos de asfálto (entre 1% y 3 %), y evaluar el comportamiento
de cada una de ellas en función de la Tracción Indirecta (o tracción por compresión
diametral), determinada tanto en estado seco como saturado. El contenido óptimo de
asfalto es aquel que maximiza la tracción indirecta de la mezcla (Figura 8).
La tracción indirecta (en estado seco o saturado), se determina sobre probetas cilíndricas
(100 mm de diámetro por 63.5 mm de espesor) compactadas con 75 golpes del martillo
Marshall. Antes de someter a las probetas al ensayo de tracción indirecta, estas son
curadas durante 72 horas en un horno a 40º C. El estado saturado se logra sumergiendo
las probetas en agua durante 24 horas a 25 ºC.
Para el diseño de la mezcla espumada se recomienda como contenido óptimo de
humedad, el 75% de la humedad óptima de compactación obtenida mediante el ensayo
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Proctor Modificado de la muestra de agregados (pulverizada). Posteriormente este valor
debe ser ajustado en terreno tomando en consideración las propiedades existentes en
terreno
En resumen, una dosificación de mezcla con asfalto espumado debe incluir: el contenido
óptimo de asfalto, contenido de cemento y contenido de agua de compactación.
Asimismo, como último paso una vez obtenidos los parámetros de la mezcla, debe
realizarse el ensayo Proctor Modificado a la mezcla con asfalto espumado y cemento, a
partir del cual se obtienen el valor de DMCS el cual se utiliza como valor de control de
densidad en terreno.
2.3 Procedimiento de Construcción
Se pueden distinguir principalmente cuatro etapas en el procedimiento de construcción:
planificación, construcción, compactación y control de calidad.
En la planificación se debe considerar el estudio de las condiciones particulares del
proyecto, medidas de gestión de tránsito, abastecimiento de materiales, la definición de
cortes y traslapos, mantenimiento y disponibilidad de equipos, capacitación del equipo de
trabajo. Una práctica recomendada es la realización de un tramo de prueba, previo al
inicio de las actividades de construcción para verificar el comportamiento de los equipos,
definir la metodología de compactación y familiarizar al personal con el sistema
constructivo.
La ejecución del proceso constructivo consiste en el pulverizado y mezclado de
agregados, cemento, agua y asfalto, tareas desarrolladas por el tren de reciclado,
compuesto por el equipo pulverizador-mezclador y el camión de asfalto, camión aljibe y
aditivo comúnmente cemento (Figura 10). El equipo pulverizador-mezclador controla las
dosis de agua y asfalto según su velocidad de avance, y debe mantener una presión de
espumado adecuada durante la ejecución del proceso. Cada material debe agregarse en
las dosis y las condiciones especificadas en el diseño de la mezcla con asfalto espumado;
así, una cantidad de cemento debe distribuirse en una superficie determinada de manera
que sea equivalente a la dosis especificada; el agua debe cumplir con condiciones de
limpieza; y el asfalto con la temperatura adecuada para su espumación. Como resultado
del tren de reciclado debe observarse una mezcla con asfalto espumado homogénea, sin
presencia de excesos de asfalto y con la humedad óptima para su compactación. Se debe
verificar una correcta profundidad de mezclado según lo especificado en el diseño.
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Durante la construcción es importante cumplir con las condiciones ambientales mínimas
para obtener un resultado óptimo, específicamente asegurar una temperatura del
agregado superior a los 15°C.
Figura 10. Tren de reciclado
La compactación tiene directa incidencia en el resultado del comportamiento de la mezcla
con asfalto espumado, este proceso asegura un nivel mínimo de densificación del material
para así obtener las propiedades esperadas, y depende de las condiciones de humedad
que presente la mezcla. Comúnmente se exige un 98% de la densidad compactada
máxima seca (DCMS) obtenida del ensayo Proctor Modificado a una muestra de material
fresado o pulverizado. La compactación se recomienda realizarla con rodillos de alto
tonelaje (mayor a 15 t) y con vibración en alta frecuencia para asegurar la compactación
homogénea de todo el espesor de la capa. Inicialmente se utiliza un rodillo pata de cabra
con vibración en alta frecuencia, luego un rodillo liso con vibración en alta frecuencia y
seguido de un rodillo liso en baja frecuencia. Posteriormente se realiza un perfilado de la
superficie con una motoniveladora, y finalmente se utiliza el rodillo neumático para
entregar una superficie más sellada y menos susceptible a la erosión (Figura 11).
La experiencia de los autores, indica que es posible abrir temporalmente al tránsito
solicitando directamente la mezcla con asfalto espumado, pero sin lluvia. Lo anterior
complementa la densificación de la mezcla y permite verificar sectores locales con posible
debilidad estructural y/o deficiencia constructiva. Para finalizar el proceso constructivo se
debe materializar una capa de rodado que proteja la capa de mezcla con asfalto
espumado de la abrasión que produce el tránsito. La capa de rodado puede ser un
tratamiento superficial o una carpeta asfáltica.
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Figura 11. Tren de compactación
Cabe destacar que el control de los procesos debe ser permanente en cada una de las
etapas descritas, verificando el cumplimiento de cada una de las variables mencionadas.
Por un lado se evalúan las condiciones previas el proceso de espumado (temperatura
asfalto, dosis cemento, temperatura agregados), durante el proceso de espumado se
evalúan condiciones y resultados (presión de espumado, temperatura asfalto,
homogeneidad de la mezcla, espesores de reciclado, continuidad del tren de reciclado y
tren de compactación), y posterior al proceso se verifican las propiedades físicas y
mecánicas de la mezcla (densidad y resistencia).
3. PROTOCOLO DE CONTROL DE CALIDAD
En esta sección se describen las actividades de control que se recomienda realizar
durante las distintas etapas del proceso de reciclado o de estabilización con asfalto
espumado. Para una mejor comprensión estas actividades de control se han dividido en:
actividades antes de la aplicación, durante la aplicación y después de la aplicación.
Previo a la descripción de actividades específicas de control, es necesario destacar la
importancia que tiene la planificación de las actividades y recursos involucrados en el
proceso. Del mismo modo es muy importante el mantenimiento de todos los equipos de
construcción, debido a que cualquier desperfecto mecánico detiene el proceso por que
todos actúan como un tren de reciclado.
3.1 Actividades a desarrollar antes de la aplicación
Verificación y mantenimiento equipo pulverizador-mezclador. Se recomienda
realizar un mantenimiento permanente del equipo reciclador respetando
requerimientos del fabricante. También se recomienda la limpieza del sistema de
espumación y tambor pulverizador (una vez por día de trabajo) y el reemplazo de
las puntas. En este último aspecto se recomienda que la empresa constructora
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elabore un plan se estudio y seguimiento del desgaste de puntas de modo de
poder optimizar el plan de recambio. El trabajo con puntas desgastadas
incrementa significativamente la demanda de potencia de la máquina.
Equipos de compactación. Estos deben ser suficientes en cantidad y capacidad,
para cumplir la especificación de densidad. Se recomienda mantener un
exhaustivo mantenimiento para evitar interrupciones del proceso. El ciclo óptimo
de compactación se debe determinar en tramo de prueba inicial.
Trazado de faja. Consiste en definir y trazar en el pavimento las fajas de trabajo
para alinear al tren de reciclado y controlar la distribución de cemento en las dosis
adecuadas (sacos/m2). Lo anterior es importante por dos motivos. En primer lugar
el operador debe mantener la alineación del equipo fresador-mezclador para que
no queden sectores sin reciclar entre fajas, pues resulta difícil de rehacer (Figura
12). En segundo lugar, un porcentaje de cemento máximo del 3% (Según Tabla 1)
es un valor pequeño por lo tanto es importante para la calidad del espumado una
distribución homogénea del cemento. Investigaciones recientes han determinado
la importancia del cemento en la mezcla de asfalto espumado, demostrando
mediante ensayos de deterioro acelerado que una sección sin cemento presenta
menor vida útil y mayor deformación permanente (Alabaster, 2008).
Figura 12. Sector intermedio sin reciclado con asfalto espumado por falta de guía
Figura 13. Cemento portland esparcido sobre la superficie a reciclar heterogéneamente
Condiciones ambientales. La temperatura de los agregados y del ambiente
condiciona obtener una mezcla de calidad, por esa razón se debe restringir la
ejecución de trabajos cuando la temperatura ambiente sea menor a los 15°C y las
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condiciones ambientales sean húmedas. No se puede trabajar con presencia de
lluvias.
Verificación cemento asfáltico. El cemento asfáltico debe caracterizarse de manera
tradicional para verificar sus propiedades residuales, según se indique en las
especificaciones técnicas. La temperatura del cemento asfáltico debe mantenerse
según lo recomendado en el estudio de las propiedades de espumación del
bitumen asfáltico. La temperatura del asfalto debe controlarse durante el proceso
constructivo. Por último, se le debe indicar en el microprocesador del equipo
pulverizador-mezclador la dosis de asfalto a agregar, dosis que debe ser
controlada durante el desarrollo del proceso. El cemento asfáltico debe
suministrase mediante un camión calefaccionado para mantener su temperatura,
el que se acopla al tren de reciclado.
Verificación agua. El agua a utilizar debe cumplir con las especificaciones, en
especial debe estar libre de impurezas y materia orgánica. Tanto el contenido
agua de espumación como el de compactación son indicados en el
microprocesador del equipo pulverizador-mezclador. El agua de espumación es
abastecida a un estanque en el equipo, por lo tanto su carga debe coordinarse
para evitar interrupciones del proceso. El agua de compactación es abastecida
mediante un camión aljibe que se acopla al tren de reciclado. Se debe estudiar un
perfil de humedades in-situ para adicionar a la mezcla solo el diferencial de agua
de compactación.
Verificación aditivo. El aditivo tradicional es el cemento portland. Este debe
colocarse en la superficie a reciclar o estabilizar según lo indique la dosificación y
la definición de cortes y traslapos. Se debe poner cuidado en distribuir
homogéneamente el cemento Pórtland, tal como se presenta en la Figura 14.
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Figura 14: Distribución homogénea del cemento Portland
Verificación material pulverizado. Es recomendable realizar muestreos del material
que se mezclará para asegurar su homogeneidad a lo largo de un determinado
tramo, en especial busca identificar variaciones en la granulometría, densidad
máxima compactada seca y humedad optima de compactación. Esta verificación
debe realizarse en material pulverizado sin asfalto espumado y sin cemento
Pórtland.
3.2 Actividades a desarrollar durante de la aplicación
Verificación alineamiento. Consiste en la permanente revisión de la guía trazada
para asegurar los anchos de corte y traslapos. La importancia de la guía se
presentó anteriormente.
Verificación asfalto espumado. Son tres las variables más importantes que deben
controlarse para asegurar el espumado: temperatura del cemento asfáltico,
contenido de agua de espumación y presión de espumado, cada una de ellas se
puede verificar de manera independiente en instrumentos que posee el equipo.
Para definir el valor óptimo de presión de trabajo, se debe revisar el manual de
operación. A modo de ejemplo para el equipo WR2000 la presión recomendada es
entre 5 y 10 bar. De no cumplir con las presiones de espumación, se debe ajustar
los switches del equipo según recomendaciones del fabricante.
La calidad de la espuma se debe verificar visualmente en la válvula de prueba
que posea la máquina recicladora.
Verificación mezcla con asfalto espumado. La mezcla con asfalto espumado debe
ser homogénea, para lo cual se recomienda que una persona capacitada verifique
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permanentemente la calidad del espumado en el tren reciclador verificando las
condiciones de la mezcla y que no se produzca inconvenientes, tal como el que se
presenta en la Figura 15 en la cual se muestra una mezcla espumada
heterogénea. También se recomienda controlar continuamente el espesor de
reciclado tal como se presenta en la Figura 16.
Figura 15. Mezcla de asfalto espumado no homogénea y con exceso de asfalto en la porción central
Figura 16. Verificación permanente de espesor de reciclado durante la ejecución de trabajos
Verificación tren de compactación. Este debe trabajar inmediatamente después del
tren de reciclado, para darle continuidad al proceso, evitar perdida de humedad de
la mezcla y evitar la reacción del cemento Pórtland.
Control de densidad referencial. Posterior a la compactación se recomienda llevar
un control referencial y permanente de la densidad con el densímetro nuclear. Se
recomienda calibrar este ensayo con el ensayo de Cono de Arena. La densidad
obtenida con el densímetro nuclear deber ser utilizada para controlar la
variabilidad del proceso constructivo y la densidad obtenida con el cono de arena
debe ser utilizada como control de recepción.
Muestras de mezcla con asfalto espumado. Se recomienda la extracción de
muestras desde terreno, para confeccionar 6 probetas Marshall y poder verificar
posteriormente la resistencia mecánica de la mezcla. Esta extracción se debe
hacer en bolsas herméticas y la compactación se debe realizar en el mínimo
tiempo posible.
Verificación de las propiedades de espumación del asfalto: se recomienda
chequear en laboratorio las propiedades de espumación del bitumen asfáltico de
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un par de muestras para garantizar las propiedades del asfalto y certificar que no
exista “variación” en el tipo de asfalto utilizado.
3.3 Actividades a desarrollar después de la aplicación
Control de densidad. Corresponde a la propiedad que se evalúa para la recepción
de los trabajos, debe realizarse con el ensayo del cono de arena, en todo el
espesor de la capa. Tradicionalmente se especifica un resultado superior al 98%
de la DMCS. Este ensayo es muy lento debido a la dureza que presenta la capa
de material espumado.
Control de resistencia. Se debe verificar la resistencia a ITS (seco y saturado) de
las muestras obtenidas desde terreno. El curado debe realizarse en las mismas
condiciones del diseño de laboratorio respetando tiempo y temperaturas de
curado. Los ITS de control se deben graficar y comparar con los valores de ITS de
diseño.
Consumo de materiales. Para controlar el consumo de materiales es necesario
comparar las cantidades involucradas en el avance real del proceso con las
cantidades teóricas presupuestadas para dicho avance. Esto se recomienda
realizarlo para las partidas más importantes como el cemento asfáltico y el
cemento portland. Lo anterior permitirá tener otro indicador de control para la
dosificación teórica de la mezcla.
Topografía. Esta actividad permite cumplir con los requisitos geométricos del
camino, en lo referido a cotas, bombeos, peraltes y pendientes.
Finalmente, se resumen las condiciones que cada una de las actividades deben cumplir,
con qué frecuencia y las medidas a tomar si la situación lo amerita. Esta información se
presenta en la Tabla 1.
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Tabla 1. Detalle de las actividades del protocoloETAPA ACTIVIDAD CRITERIO ACEPTACIÓN FRECUENCIA EN CASO RECHAZO
Verificación equipo fresador-mezclador
Todos funcionando en buen estado, conexiones seguras, temperatura.
En cada aplicaciónNo autorizar el inicio de la
faenaVerificación equipos de
compactaciónTodos funcionando en buen estado. En cada aplicación
No autorizar el inicio de la faena
Trazado de faja Verificación de alineamiento yancho En cada aplicación Replantear trazadoCondición ambiental y
temperaturaTamb ≥ 15 °C, evitar ambientes humedos
o lluvias.En cada aplicación
No autorizar el inicio de la faena
Caracterización cemento asfáltico
Según especificaciones Por camiónNo autorizar el inicio de la
faenaTemperatura de cemento
asfálticoSegún dosificación En cada aplicación
Alcanzar temperatura adecuada
Dosis cemento asfáltico Según dosificación En cada aplicación Programar
Dosis Agua de espumación Según dosificación y especificaciones Por camión Programar
Dosis agua de compactación Según dosificación y especificacionesDepende de perfil de
humedadesProgramar
Dosis de Cemento Según dosificación y homogeneidad En cada aplicación Aplicar dosis adecuada
Pulverizado para verificación de granulometrías y Proctor
modificado
Según especificación de banda granulometrica y contenido de finos.
Verificación DMCS y humedad optima
3 muestras por tramo homogeneo
Corregir, adición de material o repulverizar
Alinemiento De acuerdo a trazado guía En toda la aplicación Realinear
Asfalto espumadoVisual: Presión de espumado (5-10 bar).
Temperatura.En toda la aplicación
Detener aplicación. Verificar
Espesor de reciclado Cumple espesor especificadoCada 100 m/faja, ambos
bordesAumentar profundidad de
reciclado
Calidad material recicladoVisual: humedad, temperatura, exceso o
ausencia de asfalto y/o aguaEn toda la aplicación Modificar dosificación
Tren CompactaciónInmediato al reciclado y correcto
funcionamientoEn toda la aplicación
Detener aplicación. Verificar
Compactómetro Según calibración Medición continuaDetener aplicación.
VerificarDensidad (Densímetro
nuclear)Lectura ≥ 98% DMCS, calibrar con cono
de arenaCada 100 m/faja
Recompactación y/o mediciones adicionales
Extracción de muestras para ensayo ITS
Para control de resistencia3 muestras por tramo
homogeneoReparación o Multa
Control de densidad (Con Cono de Arena)
Lectura ≥ 98% DMCS cada 500 m/faja Reparación o Multa
Control de resistencia Igual o superior al valor de diseño Cada 100 m/faja Reparación o Multa
Consumo de asfalto Real versus Teórico En cada aplicación Reparación o Multa
Consumo de cemento Real versus Teórico En cada aplicación Reparación o Multa
Testigos Cumple espesor especificado Cada 250 m/faja Reparación o Multa
Topografía Verificación nivelación y cota En toda la aplicación Reparación o Multa
Antes de la aplicación
Durante la aplicación
Después de la Aplicación
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La experiencia adquirida por los autores en investigación tanto a nivel de laboratorio como
de terreno y la experiencia en asesorías de proyectos de construcción con asfalto
espumado ha permitido alcanzar un alto grado de conocimiento de la técnica. Del mismo
modo, se ha podido realizar un diagnóstico adecuado para determinar cuales son las
principales interrogantes a las que se enfrentan los constructores cuando desarrollan por
primera vez un proyecto de reciclado o estabilización con asfalto espumado. Por lo
anterior se desarrolló este artículo, para presentar las actividades críticas de proyectos de
reciclado o estabilización con asfalto espumado, describir los controles de control de
calidad que se recomienda realizar y a la vez sensibilizar a los lectores de la importancia
de realizar control y administrar la información de laboratorio y terreno.
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Aunque el artículo presenta una larga discusión respecto de la importancia que presenta
la recolección de información a través de ensayos de terreno y laboratorio, la experiencia
indica que lo anterior no aporta significativamente al mejoramiento del proceso si esta
información no es procesada analítica y estadísticamente para ser presentada
diariamente en forma ejecutiva.
En forma complementaria se presenta las siguientes recomendaciones:
Al inicio de cada proyecto se recomienda capacitar a todos los trabajadores
involucrados en el reciclado: cuadrilla de trabajo, operadores, laboratoristas, ITO y
personal relacionado con el área técnica del proyecto. Lo anterior siempre es un
beneficio para el logro de los objetivos.
Se recomienda incorporar como encargado del tren de reciclado a un Ingeniero o
Constructor que posea atribuciones para coordinar y tomar decisiones técnicas
referidas al reciclado. Su presencia en terreno debe ser permanente para controlar
la correcta aplicación de la tecnología y evitar posibles incumplimientos.
En proyectos de reciclado, se recomienda no realizar ensayos de extracción para
evaluar el contenido residual de asfalto, pues el material pulverizado transmite una
alta variabilidad debido a que contiene asfalto residual.
5. REFERENCIAS
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Akeroyd F.M. y Hicks B.J., (1988). Foamed bitumen road recycling, highways, Volume 56, Number 1933, pp 42-43, 45.
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Jenkins, K.J., Conference WHO and WHAT are Baulking at Implementation of CIPR with Bitumen Stabilisation? WHY?, Recycling & Stabilisation Conference, Canterbury University, New Zeland, 2008.
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18
Thenoux G. y García G., (1999). Estudio de técnicas de reciclado en frío: primera parte, Revista Ingeniería de Construcción, Santiago, Chile.
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RECICLADO IN SITU DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN MEDIANTE LA TÉCNICA DE PULVERIZACIÓN/TRITURACIÓN (RUBBLIZING)
Guillermo Thenoux Z.1, Marcelo González H.2, Felipe Halles A. 2, Alvaro Núñez V.1, Alelí Osorio L.2
1. Pontificia Universidad Católica de ChileEscuela de IngenieríaDepartamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción.Vicuña Mackenna 4860, Edificio San Agustín 3º piso, Fono: 02-3544245, fax: [email protected], Profesor titular, Ingeniero Civil, MSc, [email protected], Ingeniero Civil, MSc.
2. DICTUC S.A.Centro de Ingeniería e Investigación Vial (CIIV)Vicuña Mackenna 4860, Edificio San Agustín 3º piso, Fono: 02-3547166, fax: [email protected], Ingeniero Civil, [email protected], Ingeniero Civil, MSc, PhD©[email protected], Ingeniero Civil, MSc.
RESUMEN
El trabajo presenta los resultados de un estudio a escala real de la capacidad estructural de un pavimento de hormigón rehabilitado utilizando la técnica de Rubblizing. La técnica de Rubblizing ha sido traducida como el pulverizado del pavimento de hormigón pero, es más bien un efecto combinado de trituración y fracturación de losa de hormigón en todo su espesor para convertir esta en una base granular de alto módulo. La técnica permite reducir el espesor de la capa asfáltica de recapado y a su vez controlar 100% el reflejo de grietas. El proceso de Rubblizing de pavimentos de hormigón fractura la losa de hormigón en trozos angulares y entrelazados empleando una carga dinámica concentrada, de baja amplitud y alta frecuencia. La investigación se basó en el estudio de la rehabilitación de un pavimento de hormigón de dos carriles, correspondiente a un proyecto de 5
19
km de una autopista con una demanda esperada de más de 80 millones de ejes equivalentes para 20 años. Los estudios realizados en el proyecto permitieron evaluar la capacidad estructural remanente de la capa de hormigón triturado/fracturado a través de comprobaciones teóricas, mediciones y ensayos de terreno, evaluaciones técnicas y seguimiento del proyecto por más de un año. Los resultados del estudio permiten recomendar un rango para el coeficiente estructural del pavimento sometido al proceso de Rubblizing el cual para espesores de losa superior a 22 cm está entre 0,25 a 0,30.
El presente trabajo se enmarca en un proyecto de transferencia tecnológica llevado a cabo por la Universidad Católica y apoyado con recursos de los fondos especiales de Innovación Tecnológica del Ministerio de Obras Públicas, la empresa RMI (Resonant Machines Inc.) y DICTUC S.A.
Palabras claves: Rubblizing, pulverizado, rehabilitación de pavimentos de hormigón, refuerzo de pavimento de hormigón
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1. INTRODUCCIÓN
En Chile, el porcentaje de pavimentos de hormigón con respecto a firmes de asfalto es relativamente alto cuando se le compara con otros países a nivel mundial (25 – 30%), éste hecho permite que se tenga una amplia experiencia en el diseño, construcción y mantenimiento de pavimentos de hormigón. Sin embargo, cuando se trata de llevar cabo proyectos de rehabilitación estructural de estos pavimentos principalmente se utiliza el refuerzo directo con mezcla asfáltica (1) y no se ha experimentado con otras técnicas constructivas. La técnica de recapado directo con mezcla asfáltica de un pavimento de hormigón deteriorado, presenta ventajas constructivas y económicas principalmente por su rapidez, sin embargo el recapado directo con mezcla bituminosa no es efectivo para controlar el reflejo de grietas por lo cual parte del problema que da origen a la utilización de un refuerzo de este tipo, se repite y en algunos casos desmejora la situación original. Para controlar el reflejo de grietas se consideran dos técnicas alternativas; la primera considera el uso de una capa de mezcla asfáltica intermedia de graduación abierta de 8 cm. de espesor y la segunda considera la colocación de una capa granular intermedia de CBR 80% y 25 a 30 cm. de espesor. La principal desventaja de estas dos técnicas que emplean capas intermedias más la capa de rodado estructural está en el hecho de que la doble capa de refuerzo eleva la cota de la rasante significativamente (entre 13 hasta 50 cm), alterando la funcionalidad de la sección transversal del camino o calle. Otra forma de controlar la propagación de grietas es la utilización de dos capas de mezcla asfáltica con el empleo de una geogrilla intermedia. Esta última técnica resulta exitosa principalmente cuando las losas agrietadas se encuentran sobre una sub-rasante muy estable y en áreas que no presenten problemas de drenaje. Sin embargo, aún así las grietas se reflejaran una vez que las capas asfálticas alcancen un grado de envejecimiento o rigidez, lo cual puede ocurrir en un período menor a 4 años. Existe aún otras formas de controlar el reflejo de grietas y estas considera la rotura parcial y asentamiento de losas. La reducción las losas puede llegar hasta tamaños de 30 por 30 centímetros, y de este modo reducir el movimiento relativo entre pedazos de losas contiguos reduciendo la probabilidad de la formación y propagación de grietas. Estás técnicas resultan extremadamente destructivas ya que para conseguir la energía de rotura se emplean grandes pesos los cuales se dejan caer de alturas de 1 m, pudiendo extender la destrucción a las capas inferiores o estructuras laterales del pavimenti. Entre estas técnicas de rotura, se encuentra la rotura por guillotina (Guillotine Breaker) (2) y la rotura por martillos múltiples alternados (Multi Head Breaker) (2).
Dentro de las técnicas que emplean el concepto de reducir el tamaño de los bloques de hormigón se encuentra la técnica de Rubblizing (triturado/fracturado del firme de hormigón), la cual funciona con un principio muy diferente a los sistemas de rotura por caída libre. La técnica de Rubblizing aplica una energía concentrada de muy baja amplitud y alta frecuencia la cual genera una grieta puntual la que luego se propaga en todo el espesor del pavimento de hormigón (3). Esta técnica presenta innumerables ventajas ya que permite transformar el firme de hormigón en una base granular de alto módulo elástico y de este modo crear una nueva plataforma sobre la cual se construye directamente una superficie de rodado de asfalto. Con esta técnica se logra optimizar el espesor de refuerzo de mezcla bituminosa sin el riesgo de reflejo de grietas (4).
En el año 2005/2006, se realizó la primera experiencia en Chile de rehabilitación de un pavimento de hormigón empleando la tecnología de Rubblizing. El proyecto consistió en la extensión de 5 km de una autopista en la zona central de Chile, diseñada para más de 80 millones de Ejes Equivalentes (Autopista del Sol, Nuevo Acceso al Puerto San Antonio). Este proyecto permitió llevar a cabo una importante parte de la investigación y realizar una serie de comprobaciones teóricas, ensayos, evaluaciones técnicas y seguimiento que permitieron evaluar la capacidad estructural remanente de la capa de hormigón triturado/fracturado. El estudio de la capacidad
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estructural de una losa que ha sido sometida al proceso de Rubblizing resulta necesario debido a que en el proceso de diseño de espesores de recapado se requiere asignar un valor estructural a la losa triturada/fracturada. Sin embargo, debido a la forma en que la losa queda triturada y fracturada, solo puede evaluarse su capacidad estructural remanente in-situ.
2. PROCESO DE RUBBLIZING CON ROMPEDOR RESONANTELa técnica de Rubblizing con rompedor resonante se realiza con un equipo de diseño único
que se presenta en la Figura 1(a). Estudios experimentales han determinado que el patrón de fractura es similar al presentado en la Figura 1(b), donde la porción superior del pavimento (5-8 cm) queda más triturada y la porción inferior queda fracturada y altamente trabada en un patrón de grietas de 35 a 45 grados. Este patrón de agrietamiento le confiere al material excelentes propiedades mecánicas de resistencia, pero debido a que lo convierte en un material anisotrópico la forma más recomendada para medir su capacidad estructural es directamente en sitio sin alterar la condición de terreno.
Figura 17: Equipo rompedor resonante (a) y patrón de fractura del hormigón pulverizado (b)
El producto final del Rubblizing es una capa granular de alta capacidad estructural, de excelente comportamiento frente al agua. Además, debido a que la energía de rotura se entrega con una baja amplitud y alta frecuencia, el poder destructivo de la carga dinámica se concentra en la porción del firme de hormigón no alterando las condiciones de la subbase y la explanada existentes (3). Por esta última razón, la carga dinámica, tampoco afecta instalaciones bajo el firme. Sobre la capa triturada y fracturada, se construye una capa de rodadura de mezcla asfáltica la cual no queda expuesta a un potencial reflejo de grietas, obteniéndose un firme de excelente capacidad estructural y de buen comportamiento a largo plazo (5).
La técnica de Rubblizing fue inventada en los Estados Unidos y hasta el año 2007 se han realizado proyectos de rehabilitación en más de 20 estados desde la década del 80. La técnica es recomendada por la Nacional Asphalt Pavement Association (NAPA) (2), el Asphalt Institute (6) y el procedimiento de Diseño AASHTO 93 (7). Esta técnica también es considerada como una técnica de reciclado en sitio del pavimenti de hormigón debido a que permite la reutilización integral del pavimento sin removerlo de su sitio. La técnica en este sentido se compara con las técnicas de reciclado en sitio de pavimentos asfálticos en donde el pavimento es transformado en una base estructural de alta calidad para luego construir sobre esta una nueva capa de rodado (8).
3. DESCRIPCIÓN PROYECTO Y METODOLOGÍA DE ESTUDIOEl proyecto a rehabilitar correspondió a la extensión de 5 km de Autopista del Sol en la
zona central de Chile. El proyecto consideraba rehabilitar los dos carriles de la calzada existente (pavimento de hormigón) para acomodar el tránsito Oriente – Poniente y construir una nueva calzada de pavimento bituminoso para acomodar el tránsito Poniente – Oriente. El perfil transversal
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(b)(a)
del proyecto para la calzada nueva y la calzada de hormigón a rehabilitar, se muestra en Figura 2 (9).
Figura 18: Estructuras de la calzada nueva y la calzada rehabilitada
El recapado asfáltico de la calzada nueva se diseñó en 3 capas: 5 cm de capa de rodadura con Estabilidad Marshall (EM) 9000 N, 10 cm de capa intermedia con EM 8000 N y 10 cm de base asfáltica con EM 6000 N. Las capas asfálticas se construyeron sobre una base granular de 37 cm CBR mayor a 80%. La subrasante de la calzada nueva fue mejorada en un espesor de 90 cm con un material de CBR 55% (clasificación SM o A-1b(0)) a lo largo de todo el proyecto.
La calzada rehabilitada se materializó empleando la técnica de Rubblizing en donde se trituró/fracturó el firme de hormigón de espesor medio de 22 cm. Sobre el pavimento de hormigón triturado/fracturado se construyeron dos capas asfálticas: 6 cm de rodadura con EM 9000 N y 10 cm de capa intermedia con EM 8000 N. El proyecto de ingeniería original consideró recomendaciones internacionales para suponer el coeficiente estructural del Rubblizing. Se determinó un NE de proyecto igual a 14,56 cm (10). Para caracterizar el material triturado se utilizó un coeficiente estructural igual a 0,25. AASHTO recomienda un rango entre 0,14 y 0,30 (6) y la NAPA un rango entre 0,2 y 0,35 (2) dependiendo de la confiabilidad del proyecto, ambos rangos relativamente amplios por lo cual se requiere verificar su valor definitivo in-situ. El proyecto requirió además la utilización de una capa asfáltica de nivelación de espesor variable (3 a 10 cm., EM 6000 N) para rectificar deformaciones del perfil longitudinal y sección transversal del pavimento. A pesar de existir zonas con severo deterioro como se presenta en la Figura 3, la alternativa del Rubblizing permitió reciclar el 100% del hormigón existente sin otro tipo de intervención adicional que el triturado/pulverizado.
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Figura 19: Sector del proyecto con severo nivel de agrietamiento
Se realizaron una serie de estudios de ingeniería previos a la ejecución del Rubblizing para medir aquellos parámetros que podrían introducir variabilidad en los resultados de la investigación. La metodología consideró los siguientes estudios previos (9): Evaluación y diagnóstico de las fallas que presentaba el firme de hormigón con el fin de
detectar aquellas zonas en donde las fallas podrían estar asociadas a un colapso de la sub-rasante (o suelo de fundación) o problemas de drenaje. Básicamente se identificaron dos sectores con problemas de drenaje los cuales fueron rectificados en el nuevo proyecto de ingeniería.
Toma de testigos cilíndricos del pavimento de hormigón para verificar espesores del pavimento de hormigón. El espesor original de diseño era 22 cm., pero se identificaron sectores puntuales con espesores de 21 hasta 27 cm.
Se realizó un estudio del subsuelo en base a la excavación de calicatas en los bordes del pavimento y cono de penetración dinámica en todos los puntos que más tarde serían evaluados.
Luego de realizado el proceso de Rubblizing se llevo a cabo un programa de ensayos de terreno empleando un Deflectómetro de Impacto Liviano (Light Falling Weight Deflectometer - LFWD) sobre el material recién triturado/pulverizado. Se realizaron dos tipos de mediciones con éste equipo: la primera medición fue directamente sobre el material triturado/fracturado y la segunda medición se realizó sobre la sección de material fracturado, eliminando la parte superior de material triturado (5 - 8 cm). Las mediciones fueron determinadas con placa de 20 cm. de diámetro.
Una vez terminada el proceso de Rubblizing se construyó la capa de rodado de mezcla bituminosa sobre la cual se realizó mediciones con Deflectómetro de Impacto (FWD) con un equipo Modelo Dynatest 8081. También, se realizaron mediciones de deflexión en la calzada nueva. Esto último permitió comparar la capacidad estructural de ambas soluciones de pavimentos las cuales serían sometidas al mismo tipo de tránsito. Las mediciones con FWD, se realizaron al término de la construcción con las cargas de 30, 40 y 50 kN (año 2005) y posteriormente luego de 12 meses en servicio (11).
4. RESULTADOS Y EVALUACIÓN DE RESULTADOS
4.1 Resultados estudio Deflectómetro Liviano (LFWD) sobre el pulverizado
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El LFWD es un equipo portátil que permite medir el módulo de elasticidad de materiales granulares en forma directa. El LFWD esta equipado con una celda de carga de precisión para medir la fuerza de impacto del peso de caída y con un geófono de precisión (sensor de velocidad sísmica). Se determinó el módulo de elasticidad con dos alturas de caída. Por cada altura de caída se realizaron tres golpes. El módulo de elasticidad representativo de cada altura de caída se determinó como el promedio de estas tres mediciones. Por lo tanto el módulo de cada punto corresponde al promedio de las dos alturas de caída. Luego, empleando las recomendaciones de Witczak [1] se determinó el coeficiente estructural de la capa pulverizada (12). Los resultados se presentan en la Figura 4.
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Km
a R
ub
b
aRubb desde LFWD
aRubb promedio = 0,13
Figura 20: Coeficiente estructural del Rubblizing sobre pulverizado compactado con LFWD
A partir de este análisis se obtuvo un valor de coeficiente estructural medio de 0,13. Sin embargo, tomado en consideración que el hormigón triturado/fracturado presenta una trabazón mayor en su parte inferior se realizaron mediciones sobre la sección de material fracturada, eliminando la parte superior de pulverizado (5-8 cm). Los resultados se presentan en la Figura 5. Esta vez el coeficiente estructural medio de la parte triturada resultó ser mayor (ai = 0,16).
25
1
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 D1 D2 E1 E2 F1 F2 G1 G2 H1 H2
Ubicación
a R
ub
b
ai Rubb desde LFWD
a Rubb Promedio = 0,16
Figura 21: Coeficiente estructural Rubblizing en sección más fracturada con LFWD
Por un aspecto logístico de construcción las mediciones de los resultados presentados en la Figura 4 y 5, no están localizados en las mismas áreas sin embargo, como se recogieron una serie de antecedentes del firme antes del proceso de Rubblizing se comprueba que la variación media de los resultados se debe principalmente a variaciones del espesor del la losa de hormigón.
4.2 Resultados estudio Deflectómetro Liviano de Impacto (FWD) sobre capa de rodadoUna vez construida la capa de rodado con mezcla asfáltica sobre el pavimento
triturado/fracturado se realizaron mediciones con FWD. No se realizaron mediciones con FWD directamente sobre el hormigón triturado/fracturado debido a que el material suelto en la superficie de la capa triturada distorsiona las lecturas de los geófonos (9). A partir de las mediciones con FWD se determinó el Número Estructural Efectivo (NEef) utilizando el cálculo inverso AASHTO 1993 (6) según ecuación [2]. La Figura 6, presenta el NEef de la calzada nueva y de la calzada rehabilitada con Rubblizing. La figura también presenta el Número Estructural de diseño obtenido de la memoria de cálculo del proyecto de ingeniería para efecto de comparación.
26
2
8
10
12
14
16
18
20
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Km
NE
efe
cti
vo
(cm
)
NE efectivo calzada con RubblizingNE efectvo calzada nuevaNE de diseño
Figura 22: Números Estructurales efectivos del proyecto
Para determinar el coeficiente estructural del Rubblizing se utilizó la ecuación [1] planteada por Witczak. Para lo anterior, fue necesario determinar el módulo de elasticidad del Rubblizing para lo cual se utilizó el procedimiento de cálculo inverso multicapa del programa EVERCALC versión 5.11 para Windows. Como “test” de prueba para la aplicación del programa EVERCALC se realizó un cálculo inverso multicapa en el firme nuevo y se determinó para cada punto auscultado los módulos de elasticidad y coeficiente estructural de la base CBR > 80%. Los resultados para cada nivel de carga se presentan en la Figura 7. En promedio se obtuvo para el coeficiente estructural de la base (aBase) un valor 0,14 para cada nivel de carga lo que es consistente para el tipo de estructuración del firme utilizado (13).
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5
km
a B
ase
a Base carga 30 kNa Base carga 40 kNa Base carga 50 kN
Figura 23: Coeficiente Estructural de la base (a Base) firme nuevo
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Una vez comprobada la consistencia del EVERCALC en el estudio de la calzada nueva se realizó el cálculo inverso multicapa en la calzada rehabilitada mediante Rubblizing para las mediciones año 2005 y 2006. Los valores obtenidos de coeficiente estructural para la capa sometida al proceso de Rubblizing se presentan en la Figura 8. El valor medio del coeficiente estructural para las mediciones realizadas previo a la puesta en servicio del proyecto es 0,19. El valor medio del coeficiente estructural para las mediciones realizadas un año después de la puesta en servicio del proyecto es de 0,35 (11).
Coeficiente estructural del Rubblizing versus kilometraje años 2005 y 2006 Proyecto San Antonio
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,500 1,500 2,500 3,500 4,500 5,500
km
a R
ub
b
a Rubb - 30 kN (2005)
a Rubb - 40 kN (2005)
a Rubb - 50 kN (2005)
a Rubb - 20 kN (2006)
a Rubb - 50 kN (2006)
Figura 24: Coeficiente estructural de Rubblizing obtenido mediante cálculo inverso multicapa para diferentes niveles de carga años 2005 y 2006
Los autores han realizado un constante seguimiento al comportamiento del proyecto. Prueba de lo anterior se presenta en la Figura 9, la cual muestra una comparación entre el pavimento de hormigón original en proceso de reciclado y el mismo sector luego de tres años en servicio.
Figura 25: Fotografía del mismo sector en proceso de reciclado (a) y luego de tres años de servicio (b)
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
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a) b)
Los Módulos del Rubblizing determinados con el LFWD presentaron un incremento al comparar el módulo medido en la parte superior del firme triturado/fracturado, con el módulo del 2/3 inferior de la sección del firme. Esto se explica debido al patrón de fractura que produce el proceso de Rubblizing. En el proceso de Rubblizing el martillo rompedor, golpea directamente la superficie del pavimento produciendo una rotura más fina del tercio superior de la sección del firme (trituración) pero, debido a que la carga es concentrada y aplicada con una muy baja amplitud y alta frecuencia permite que la trituración que ocurre en el tercio superior de la losa, se propague en un ángulo de 35 a 45° hacia el interior del firme de hormigón. Este proceso deja una estructura altamente trabada la cual posee una resistencia mecánica equivalente a un material de alto módulo (en comparación con una base CBR ≥ 80%).
Luego del proceso de Rubblizing la capa triturada se compacta y posteriormente se construye una carpeta superior de mezcla bituminosa. Tanto el proceso de compactación previo como el proceso de construcción y compactación de la capa de asfalto permiten que la estructura de hormigón triturada/fracturada se comporte como una sola estructura integral. Para verificar este efecto se realizaron las mediciones con FWD sobre la carpeta asfáltica previo a la entrega de servicio del pavimento. A partir de las mediciones con FWD fue posible determinar el coeficiente estructural del Rubblizing. Para la primera medición (año 2005) se obtuvo un coeficiente estructural promedio de 0,19 para la carga de 50 kN. Con esta medida se comprueba el efecto de ajuste que ocurre con la capa de hormigón triturada/fracturada una vez construido la capa de rodadura de asfalto. Se estima que el proceso de ajuste de la capa triturada/fracturada continúa y a pesar que los movimientos relativos entre los pedazos fracturados son imperceptibles el pavimento sigue ganando resistencia producto del paso del tránsito pesado. Para comprobar este último efecto se realizaron mediciones con FWD un año más tarde y se obtuvo un coeficiente estructural promedio de 0,35 para la carga de 50 kN, lo que demuestra un importante incremento de la propiedad en el primer año de servicio. La variabilidad en los resultados con FWD tanto para las medidas de 2005 como 2006 se explican de la siguiente forma: se podría atribuir parte de la variabilidad de las mediciones a la variabilidad final del material triturado/pulverizado pero, a pesar de tratarse de un material con características anisotrópicas, excavaciones realizadas en un gran número de sectores demuestran que su patrón de fractura es homogéneo por lo tanto se considera que la variabilidad principal proviene de la variación de espesores del firme de hormigón y de la capa de nivelación.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESEl programa experimental realizado permitió determinar el coeficiente estructural del
Rubblizing y demostrar que estos son mayores que los de una base con CBR = 80 - 100%. Aunque los valores de coeficiente estructural determinados mediante el LFWD fueron menores que los obtenidos con el FWD, se recomienda usar los valores estimados mediante FWD. En particular se recomienda utilizar valores entre 0,25 a 0,30 que son más cercanos a los obtenidos un año después de realizado el proceso de Rubblizing. Esta recomendación se fundamenta en el siguiente análisis: Queda demostrado que el hormigón triturado/pulverizado aumentará su resistencia a
medida que los trozos fracturados se ajusten completamente producto de los procesos de compactación y el amasado del tránsito. Este ajuste es imperceptible y no acarrea deformaciones acumuladas a la estructura del firme.
Por otra parte, se conoce que las mezclas asfálticas son capaces de acomodar pequeñas deformaciones (1 mm) en sus primeros años de vida (2 a 3 años) mientras conservan parte de sus características visco-elásticas por lo cual, con el paso del tránsito permite acomodar deformaciones muy pequeñas sin absorber tensiones por fatiga y de este modo, permitiendo
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que la capa de hormigón triturada/fracturada incremente su capacidad estructural a valores cercanos a 0,35 de acuerdo a mediciones realizadas en el proyecto en estudio.
Pese a lo anterior, para firmes delgados (espesores de losa menores a 20 cm) y/o hormigones fabricados con áridos de canto rodado se recomienda utilizar valores más conservadores (< 0,25) dado que estas características del firme afectan la capacidad estructural del Rubblizing (11).
El hecho de realizar todo el análisis en base a la evaluación del coeficiente estructural se explica debido a que por las características anisotrópicas del material triturado/fracturado no se recomienda realizar diseños en base a tensiones o deformaciones admisibles. En este caso se es preferible asignar un coeficiente estructural al aporte del Rubblizing y llevar a cabo un diseño empírico. La resistencia última de la capa de Rubblizing apoyada sobre el suelo de fundación se comprueba directamente en terreno debido a que el equipo de Rubblizing, al realizar cada pasada, apoya sus ruedas más cargadas (7,5 Ton) sobre la capa que ha sido triturada/fracturada en la pasada anterior. En otras palabras, esto permite realizar una prueba de carga simultánea sobre la estructura remanente del firme asegurándose que futuras sobre-cargas de tránsito no colapsarán la estructura.
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