lunes, 20 de diciembre de 2010

EVALUACION DE PROCESOS DE RECUPERACION EN FRIO DE PAVIMENTOS EN MÉXICO

I N T R O D U C C I O N

La técnica de recuperación a profundidad total (referencia 1) no es nueva y se utiliza en diversas partes del mundo. Consiste en pulverizar uniformemente y mezclar de forma homogénea las capas asfálticas y una porción predeterminada de las capas inferiores para mejorar el material de la nueva capa, mezclándolas cuando sea necesario con un agente estabilizador.

Esta técnica es utilizada ampliamente en el país para trabajos de rehabilitación estructural, pero la falta de una normativa completa y de métodos de diseño adecuados, carencias en el control de calidad y la escasez de criterios para la correcta selección del agente estabilizador, han resultado en comportamientos inconsistentes de las capas recuperadas.

Los dos principales agentes estabilizadores o ligantes utilizados en México son las emulsiones asfálticas y el cemento Pórtland. El uso de otros agentes como espuma asfáltica o cal se da en proporciones menores.

CONSIDERACIONES PARA UNA APLICACION EXITOSA

Los puntos básicos a tener en cuenta para lograr un buen desempeño de las aplicaciones se pueden resumir en:

a. Analizar la estructura de pavimento existente, así como las condiciones en que se encuentra.
b. Corregir los problemas de drenaje.
c. Mejorar las capas subyacentes.
d. Utilizar una metodología adecuada para el diseño.
e. Seleccionar los mejores materiales y métodos, utilizando especificaciones relacionadas con el      desempeño
f. Contar con guías para la construcción y especificaciones para el control de calidad.



SELECCIÓN DEL AGENTE ESTABILIZADOR

El objetivo de los agentes estabilizadores o ligantes en la rehabilitación estructural con recuperación a profundidad total es el de mejorar el comportamiento mecánico e hidráulico de los materiales constituyentes de las capas del pavimento que presentan fallas o deficiencias estructurales.

La normativa SCT contempla tres tipos de estabilizadores: asfalto (emulsionado, rebajado o aplicado en caliente) cal y cemento Pórtland para obtener una capa modificada, estabilizada o de concreto magro (referencia 2: N-CMT-4-02-003/04).  En la tabla siguiente se indican los beneficios y dosificaciones de los ligantes de acuerdo a la normativa SCT.






BENEFICIOS Y DOSIFICACIONES TIPICAS DE LOS AGENTES LIGANTES SEGÚN NORMATIVA SCT


LIGANTE
BENEFICIO
DOSIFICACION
1.- Materiales modificados
a) Con cal
Disminuir plasticidad y/o efecto de materia orgánica en suelos
2 a 3%
b) Con cemento Pórtland
Disminuir plasticidad y/o incrementar resistencia
3 a 4%
2. Materiales estabilizados
c) Con Emulsión ó asfalto rebajado
Mejorar comportamiento y disminuir el efecto de la plasticidad
3 a 4% de contenido de asfalto
d) Con cemento Pórtland
Incrementar resistencia y rigidez reduciendo el efecto de la fatiga sobre la carpeta asfáltica o mejorando el apoyo de las losas de concreto hidráulico.
8 a 10%
3.- Bases asfálticas (negras)
Con cemento asfáltico ó emulsión asfáltica
Obtener una capa de concreto asfáltico magro
4 a 5% de contenido de asfalto
4.- Base de concreto hidráulico magro o de baja resistencia
Con cemento Pórtland
Incrementar resistencia y rigidez, transformando un pavimento flexible en uno rígido
> 10%



En Estados Unidos el uso de diferentes agentes ligantes es más amplio como se muestra en la siguiente gráfica en la cual se presentan los tipos y porcentaje de ligantes utilizados en el 2003, de acuerdo a una investigación de mercado de la asociación del cemento Pórtland.

En la tabla de la página siguiente se proporciona una guía para seleccionar el ligante de acuerdo a las características del material recuperado.

Consideraciones adicionales que se deben tener en cuenta son la disponibilidad de los ligantes, costos asociados y características deseadas del pavimento recuperado (capacidad estructural)

El uso combinado de ligantes maximiza las ventajas de cada uno en las mezclas recuperadas, por ejemplo (referencia 3):

Combinación cemento-asfalto: El propósito es obtener una mezcla con mayor resistencia temprana proporcionada por el cemento, pero la mezcla permanece flexible y tiene más pequeñas contracciones que los agregados tratados con cemento.

Combinación cal-cemento: En materiales muy plásticos la cal flocula las partículas finas con una reacción rápida por intercambio iónico.  El contenido de humedad se reduce y al mismo tiempo el cemento incrementa la resistencia mecánica.

Combinación cal-asfalto: Reduce la plasticidad de los finos e incrementa rápidamente el módulo y la resistencia.


Ligantes sugeridos para varios agregados de Bases y Suelos – Mezclas de capas asfálticas existentes y base/suelo


Tipo de Suelo
Grava bien gra-duada
Grava mal gradua-da
Grava Limosa
Grava Arci-llosa
Arena bien gradua-da*
Arena mal gradua-da
Arena Limosa
Arena Arci-llosa
Limo de baja compresi-bilidad
Arcilla baja plastici-dad
Limo Orgánico/ Arcilla orgá-
nica de baja plasticidad
Limo de alta compresi-bilidad
Arcilla de alta plastici-dad



       Ventajas



Desventajas
SUCS
GW
GP
GM
GC
SW
SP
SM
SC
ML
CL
OL
MH
CH


AASHTO
A-1-a
A-1-a
A-1-b
A-1-b ó
A-2-6
A-1-b
A-3 ó
A-1-b
A-2-4 ó
A-2-5
A-2-6 ó
A-2-7
A-4 ó
A-5
A-6
A-4
A-5 ó
A-7-5
A-7-6


Emulsión funcionalizada

FDR/GBS mejor si
EA >30
y
P200 < 20*













Proyecto/ selección del material, diseño de la mezcla/ emulsión, soporte en campo, apertura al tráfico el mismo día, rápido encarpetado
No apto para materiales con  alto contenido de arcillas
Asfalto Espumado

P200: 10 a 20%  y graduación de máxima densidad














Apertura al tráfico el mismo día, rápido encarpetado
Seguridad, requiere de cemento / cal, sensible a la granulometría, altas temperaturas de manejo de asfalto, bajo cubrimiento
Cemento Pórtland
Indice plástico<10













Rápida colocación, alta resistencia, compatible con muchos suelos
Polvo, agrietamiento temprano, disminuye adherencia con capas superiores, consumo mayor de agua
Cal
IP>10 y P200<25 ó IP 10-30 y P200>25, SO4 en arcilla <3000 ppm

















Rápida colocación, alta resistencia
Polvo, agrietamiento temprano, potencial expansión por sulfatos

* Algunos proyectos que no cumplen estos requerimientos de materiales, han sido realizados con éxito


SELECCIÓN DE LOS PAVIMENTOS CANDIDATOS PARA RECUPERACION

Un candidato para recuperación usualmente es un pavimento asfáltico envejecido, desde una mezcla asfáltica en caliente hasta una capa de base con un tratamiento superficial. Los pavimentos que se pretenden recuperar típicamente presentan severo agrietamiento, deformaciones y desintegración con baches. Frecuentemente las pobres condiciones se deben a pavimentos con espesores muy delgados ó también débiles para  el tráfico que soportan, siendo solicitados a sobreesfuerzos. Un drenaje pobre también puede acelerar el deterioro del pavimento. Todos los tipos de pavimentos asfálticos pueden ser reciclados: carreteras de alto, mediano y bajo tránsito, carreteras estatales y municipales, calles, estacionamientos, etc. (Referencia 3)


ANALISIS DE PARAMETROS UTILIZADOS EN EL DISEÑO DE MEZCLAS RECUPERADAS EN MEXICO

Para la recuperación en frío en el lugar la normativa SCT contempla los siguientes tipos y requisitos de mezcla y sus componentes  (Referencia 2: N-CSV-CAR-4-02-001/03)

REQUISITOS DE CALIDAD PARA MEZCLAS RECUPERADAS EN EL LUGAR, DE ACUERDO A NORMATIVA SCT.


TIPO DE MEZCLA
CARACTERISTICAS
Modificadas con 3 a 5% de cemento pórtland ó cal
Material por modificar: Cumplirá los requerimientos de granulometría para base hidráulica y contenido de materia orgánica
Modificador: Cumplirá los requerimientos para cal ó cemento Pórtland
Material modificado: Lo que indique el proyecto o la secretaría
Estabilizadas con 6 a 10% de cemento Pórtland
Material por estabilizar: Cumplirá los requerimientos de granulometría para base hidráulica y contenido de materia orgánica.
Estabilizador: Cumplirá los requerimientos para cemento pórtland
Material estabilizado: f´c = 40 kg/cm2, valor puntual y no indica a cuantos días
En el caso anterior también se podrá utilizar cal cuando así lo indique el proyecto o la secretaría





Mezclas asfálticas
Material por mezclar:
Para estabilizaciones: Cumplirá los requerimientos de granulometría para base hidráulica y contenido de materia orgánica. Desprendimiento por fricción < 25%, cubrimiento por el método inglés>90%.
Para bases asfálticas: Cumplirá los requerimientos para bases asfálticas
Producto: Cumplirá los requerimientos para cemento asfáltico, emulsión asfáltica ó asfalto rebajado.
Material mezclado:
Para Estabilizaciones: Materiales no plásticos: Estabilidad > 0.64 Knewton
Materiales plásticos: Estabilidad > 180 kg. Estos procedimientos de prueba no se incluyen en la norma actual. Pérdida de estabilización por inmersión en agua, lo que indique el proyecto ó la Secretaría.
Para bases asfálticas: Requerimientos Marshall y pérdida de estabilidad por inmersión en agua, lo que indique el proyecto o la Secretaría. La prueba Marshall no se incluye en norma actual.
Concreto hidráulico de baja resistencia
Material por mezclar: Cumplirá los requerimientos de base de concreto magro
Producto: Cumplirá los requerimientos para cemento pórtland
Material mezclado: Lo que indique el proyecto o la Secretaría



                                                                                        
Algunos de los parámetros para el diseño de mezclas recuperadas considerados en la tabla anterior son limitados, como es el caso de procedimientos que no se incluyen en la normativa, valores muy puntuales, procedimientos inadecuados.



TENDENCIA INTERNACIONAL PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS RECUPERADAS CON EMULSION Y CEMENTO PORTLAND

De acuerdo a la práctica en cada país se utilizan varios métodos de diseño de mezclas para el reciclado en frío en el lugar, cuando se utiliza emulsión asfáltica o cemento Pórtland, sin embargo los siguientes pasos principales se encuentran en ellos (referencias 1 y 4):

a)    Caracterización de los materiales a ser reciclados, principalmente: Homogeneidad, granulometría, plasticidad, calidad, contenido y tipo de asfalto, para seleccionar el tipo de ligante más apropiado (cuando se usa emulsión ó cemento Pórtland).
b)    Establecer las proporciones de material recuperado, ligante y agua (cuando se usa cemento Pórtland)
c)    Investigar la compatibilidad/afinidad entre el nuevo ligante y el agregado para seleccionar el tipo de emulsión (cuando se usa emulsión)
d)    Determinar el contenido óptimo de humedad y el contenido óptimo de fluidos (cuando se usa emulsión)
e)    Determinar el contenido óptimo de ligante (cuando se usa emulsión asfáltica)
f)     Determinar las propiedades mecánicas e hidráulicas de la mezcla recuperada. Este punto se detalla en el siguiente apartado





PROPIEDADES  MECANICAS E HIDRAULICAS DEL MATERIAL RECUPERADO

1.    Recuperación con emulsión asfáltica.

En el caso del reciclado con emulsión las propiedades mecánicas e hidráulicas de las mezclas recuperadas dependen en gran medida de las características del material reciclado.

El avance en las tecnologías de emulsiones funcionalizadas ha permitido obtener bases más fuertes y flexibles resistentes a las roderas y con mejores propiedades al agrietamiento térmico y por fatiga comparadas con las capas cementadas. Presentan buena resistencia a los esfuerzos de tensión repetidos y menor susceptibilidad a daños por humedad. Incrementan más pronto su resistencia y pueden ser abiertas más rápido al tránsito. Se incrementa su capacidad estructural, con lo cual se requieren menores espesores de capa comparados con el cemento Pórtland.

Las características mecánicas consideradas generalmente para el diseño de mezclas recuperadas con emulsión son (referencia 4):
1      Resistencia a la compresión sin confinar y estabilidad con y sin inmersión en agua, principalmente como una propiedad de durabilidad
2      Módulo de rigidez como una propiedad de deformación

Actualmente las propiedades de agrietamiento a la fatiga son analizadas únicamente para fines de investigación

Procedimientos actuales como los desarrollados por Superpave en USA tratan de simular  el fenómeno que ocurre en el campo con el rompimiento de la emulsión, así como la resistencia y desarrollo de las propiedades mecánicas que se dan con el tiempo, utilizando el compactador giratorio.

El cuadro siguiente muestra los procedimientos utilizados para determinar las propiedades mecánicas e hidráulica de las mezclas recuperadas, acorde al criterio actual Superpave, utilizando el compactador giratorio.