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PROPUES TA D E UNA GU ÍA D E R EHAB I L I TAC ION D E PAV IMENTOS

F L E X I B L E S MED IANTE E L R E C I C LA J E I N S I TU EN F R IO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ANDRÉS ARBOLEDA SALAZAR ASESOR: DAVID GONZALEZ HERRERA FECHA: JULIO DE 2013.

Technical Guideline: Bitumen Stabilised Materials

CHAPTER 6: Construction – In situ Treatment Using Recyclers

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BSM-emulsion

Standard OHS procedures must be followed.

BSM-foam

Bitumen at temperatures in excess of 160 °C can be dangerous. The equipment selected for the production of foamed bitumen must be designed to prevent potential accidents.

6.2.2.2 Mixing and PlacingMixing is accomplished by assembling a “train” consisting of the recycler and one or two tankers. A typical recycling train for treating with bitumen is shown in Figure 6.7.

Figure 6.7 Typical Recycling Train for Bitumen Treatment

To reduce the potential for blockage, the length of the feed pipe between the tanker and recycler should be minimised by locating the bitumen tanker immediately ahead of the recycler. In addition, to promote unrestricted suction !ow to the bitumen pump on the recycler, the internal diameter of this feed pipe should not be less than 100 mm.

The water tanker can either be coupled ahead of the bitumen tanker and pushed (implying that the bitumen tanker must be "tted with a front push-block) or be pulled behind. Either location requires a long !exible pipe to feed the water to the inlet coupling located at the front of the recycler. All feed pipes operate under suction and must therefore be capable of withstanding negative pressure, i.e. not the “lay-!at” type of hose. Fitting a valve at both ends of the water feed pipe will prevent large volumes of water from escaping when changing water tankers. To prevent soft spots (described in Section 6.2.1), all feed pipes must be free of leaks.

The essential requirements for a successful recycling operation are included in Appendix D.

Andrés Arboleda Salazar UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

PROPUESTA DE UNA GUÍA DE REHABILITACION DE PAVIMENTOS FLEXIBLES MEDIANTE EL RECICLAJE IN SITU EN FRIO

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Tabla de contenido

Índice de ilustraciones .................................................................................................... 4

Índice de tablas .............................................................................................................. 4

1. Introducción: .............................................................................................................. 5

2. Objetivos: ................................................................................................................... 6 2.1. Objetivo General: ................................................................................................................................................... 6 2.2. Objetivos específicos: ........................................................................................................................................... 6 3. Metodología ............................................................................................................... 7

4. Alcance ....................................................................................................................... 8

5. Antecedentes ............................................................................................................. 9

6. Justificación .............................................................................................................. 11

7. Estado del Arte ......................................................................................................... 12 7.1. Reutilización y Reciclaje .................................................................................................................................. 12 7.2. Consideraciones Energéticas y Ambientales .......................................................................................... 12 7.3. Reciclaje de Pavimentos .................................................................................................................................. 16 7.3.1. Generalidades y Limitaciones .................................................................................................................... 16 7.3.2. Reciclaje con Estabilización ........................................................................................................................ 17 7.3.3. Reciclaje sin Estabilización ......................................................................................................................... 19 7.3.4. Reciclaje Pavimentos Rígidos ..................................................................................................................... 20 7.3.5. Reciclaje en Frío de Pavimentos Flexibles ............................................................................................ 21

7.4. Conceptos de Estabilización de Materiales ............................................................................................. 28 7.4.1. Estabilización con Emulsión ....................................................................................................................... 28 7.4.2. Estabilización con Asfalto Espumado ..................................................................................................... 30 7.4.3. Concepto para Aporte de Materiales Hidráulicos (Cal y Cemento) ........................................... 33

8. Metodología de Rehabilitación In Situ en Frío ........................................................... 35 8.1. Factores que Afectan o Deterioran el Pavimento ................................................................................. 35 8.1.1. Condiciones Climáticas .................................................................................................................................. 36 8.1.2. Tráfico .................................................................................................................................................................. 36 8.1.3. Propagación de las Grietas .......................................................................................................................... 37

8.2. Mantenimiento y Rehabilitación Superficial y Estructural .............................................................. 37 8.2.1. Indicadores de Superficie ............................................................................................................................. 40 8.2.2. Indicadores Estructurales ............................................................................................................................ 43

8.3. Clasificación de materiales de Subrasante .............................................................................................. 44 8.4. Diseño de la mezcla ........................................................................................................................................... 46 8.4.1. Diseño de mezclas en laboratorio ............................................................................................................ 46 8.4.2. Granulometría .................................................................................................................................................. 48 8.4.3. Estabilizante ...................................................................................................................................................... 49 8.4.4. Llenantes naturales y activos. .................................................................................................................... 51

8.5. Consideraciones para el diseño de la estructura del pavimento reciclado ............................... 52 8.6. Planificación y Trabajos Preliminares ....................................................................................................... 53 8.7. Criterios que Deben Orientar la Construcción ....................................................................................... 54



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9. Análisis de Rehabilitación de una Estructura ............................................................. 55 9.1. Análisis espesores .............................................................................................................................................. 57 9.2. Análisis ambiental .............................................................................................................................................. 60 9.2.1. Análisis Energético .......................................................................................................................................... 60 9.2.2. Análisis de reducción de gases de efecto invernadero ..................................................................... 62

10. Conclusiones ........................................................................................................... 64

11. Recomendaciones ................................................................................................... 66

Bibliografía ................................................................................................................... 67

Anexo 1. Diseño Estructural. ......................................................................................... 69 A) Metodología AASHTO .......................................................................................................................................... 69 B) Metodología ALIZE ............................................................................................................................................... 70 C) Análisis Económico ............................................................................................................................................... 71



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Índice de ilustraciones Figura 1. Acción de carga en un pavimento flexible ___________________________________________________________ 16 Figura 2. Comportamiento de los pavimentos _________________________________________________________________ 19 Figura 3. Reciclaje de pavimento rígido ________________________________________________________________________ 20 Figura 4. Disposición típica de una planta de mezclado para el reciclaje de pavimento en frío ____________ 22 Figura 5. Configuración típica de un tren de una sola unidad ________________________________________________ 23 Figura 6. Configuración típica de un tren de dos unidades ___________________________________________________ 24 Figura 7. Configuración típica de un tren de múltiples unidades _____________________________________________ 25 Figura 8. Proceso de reciclaje mediante FDR __________________________________________________________________ 26 Figura 9. Típico tren FDR con aditivos de lechada (cal y/o cemento) y estabilizante asfáltico _____________ 27 Figura 10. Producción de Emulsión asfáltica __________________________________________________________________ 28 Figura 11. Ilustración esquemática de la interacción entre la emulsión asfáltica y los agregados. ________ 29 Figura 12. Producción de asfalto espumado ___________________________________________________________________ 30 Figura 13. Ilustración esquemática de la interacción entre el asfalto espumado y los agregados __________ 31 Figura 14. Ejemplo curva de deterioro del pavimento ________________________________________________________ 38 Figura 15. Proceso selección de la técnica rehabilitación _____________________________________________________ 40 Figura 16. Escala de valores del IRI y las características de los pavimentos _________________________________ 41 Figura 17. Esquema Ensayo FWD ______________________________________________________________________________ 44 Figura 18. Granulometría ideal de la mezcla __________________________________________________________________ 48 Figura 19. Determinación del Contenido Optimo de Agua ____________________________________________________ 51 Figura 20. Estructura a partir de un diseño de rehabilitación convencional ________________________________ 58 Figura 21. Estructura a partir de un diseño de rehabilitación FDR __________________________________________ 58 Figura 22. Costo incurrido en Rodadura y Transporte por Kilómetro rehabilitado _________________________ 59 Figura 23. Energía utilizada por Tonelada de material extendida, para distintos tipos de materiales. ____ 60 Figura 24. Consumo de energía total: rehabilitación convencional vs FDR. Por Km rehabilitado __________ 61 Figura 25. Emisiones de CO2 equivalente por Tonelada de materia extendido, para distintos tipos de materiales. _______________________________________________________________________________________________________ 62 Figura 26. Emisiones de CO2 equivalente: rehabilitación convencional vs FDR. Por Km rehabilitado ______ 63 Figura 27. Disposición de cargas modeladas en el Software ALIZE ___________________________________________ 71

Índice de tablas Tabla 1. Consumo de energía para producción y colocación de MDC ________________________________________ 13 Tabla 2. Estructuras y mezclas objeto de análisis _____________________________________________________________ 14 Tabla 3. Resultados de emisiones y consumos de las opciones de rehabilitación modeladas. _______________ 15 Tabla 4. Comparación entre distinto tipos de aplicaciones con asfalto ______________________________________ 32 Tabla 5. Clasificación PCI _______________________________________________________________________________________ 42 Tabla 6. Clasificación VIZIR _____________________________________________________________________________________ 43 Tabla 7. Correlación Número DCP y otras propiedades del suelo _____________________________________________ 45 Tabla 8. Rangos recomendados para resultados del ensayo ITS _____________________________________________ 47 Tabla 9. Rangos recomendados para resultados del ensayo Triaxial _________________________________________ 47 Tabla 10. Compatibilidad entre la Emulsión Asfáltica y los Agregados ______________________________________ 49 Tabla 11. Estructuras obtenidas a partir de la modelación ___________________________________________________ 55 Tabla 12. Valores asumidos para el desarrollo del diseño AASHTO __________________________________________ 69 Tabla 13. Propiedades de los materiales _______________________________________________________________________ 70 Tabla 14. Parámetros de la Capa de Rodadura ________________________________________________________________ 70 Tabla 15. Análisis Económico (Diseño AASHTO) _______________________________________________________________ 71 Tabla 16. Análisis Económico (Diseño ALIZE) _________________________________________________________________ 72



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1. Introducción: La creciente preocupación por el efecto de las actividades humanas en el medio ambiente, la inestabilidad económica de la economía mundial y los impactos de los conflictos de los países productores de petróleo, han llevado a las sociedades a establecer metodologías de reciclaje y recuperación de materias primas. En el campo de la construcción de infraestructura vial, los métodos del reciclaje en los proyectos de rehabilitación de pavimentos, se han convertido en una alternativa conveniente, no solo para reducir costos e impactos ambientales, sino también para producir estructuras de buena calidad a partir del aprovechamiento de materiales usados con anterioridad. Aunque el reciclaje de pavimentos no es una técnica inventada recientemente, su implementación es conveniente si se tiene en cuenta las características del contexto mundial. En países en desarrollo como Colombia y en general en América Latina, la aplicación de métodos de reciclaje no se realiza de manera generalizada, debido a distintos aspectos dentro de los cuales se incluye: a) intereses económicos por parte de las grandes empresas constructoras que manejan a su haber plantas de producción de mezcla asfáltica; b) falta de conocimiento por parte de los constructores y sobre todo por parte de las Entidades Gubernamentales que no incluyen dentro de sus políticas de sostenibilidad, incentivos para el sector de la construcción; c) ausencia de la normatividad competente para los criterios que constituyen las metodologías de reciclaje de pavimentos; d) desconfianza ante la calidad de las estructuras que se pueden obtener a partir de métodos de reciclaje de pavimentos. El presente trabajo, pretende familiarizar al lector con la metodología de reciclaje de pavimentos flexibles en frio in situ, abordando temas relacionados con los beneficios económicos y ambientales que se pueden obtener a partir de su aplicación, y explicando de manera detallada los criterios y conceptos que se deben tener en cuenta con el fin de implementar procesos de rehabilitación de infraestructura vial que contemplen el reciclaje de pavimentos.



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2. Objetivos:

2.1. Objetivo General:

• Elaborar una propuesta de una guía práctica para el desarrollo de reciclaje in situ en frío de pavimentos flexibles, abordando temas de conceptos básicos de reciclaje de pavimentos, diseño estructural y de la mezcla y proceso constructivo óptimo.

2.2. Objetivos específicos:

• Revisar aspectos normativos a nivel local, nacional e internacional. • Establecer las diferencia entre los conceptos de reciclaje y reutilización. • Abordar los conceptos generales referentes a los procesos existentes para el

reciclaje de pavimentos. • Explicar detalladamente los métodos existentes para el reciclaje de pavimentos

flexibles in situ. • Establecer los beneficios económicos y ambientales de la implementación del

proceso de reciclaje en frío in situ de pavimentos flexibles. • Definir una metodología para la aplicación del proceso de rehabilitación de

pavimentos flexibles mediante la implementación del reciclaje en frío in situ.



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3. Metodología El presente trabajo se realizó a partir del análisis y recopilación de información secundaria referente a procesos de rehabilitación y reciclaje de pavimentos flexibles. Adicionalmente y según conocimientos del tema de rehabilitación, análisis y diagnóstico de la infraestructura vial, se plantea la conveniencia de utilizar las metodologías del reciclaje de pavimentos como una alternativa no solo viable sino también que implica ventajas técnicas, económicas y ambientales. La información estudiada para la elaboración del presente trabajo abarca estudios académicos, guías de empresas privadas y manuales de instituciones nacionales e internacionales establecidos para formular la implementación del reciclaje de pavimentos. Por lo anterior, es necesario que al elaborar una propuesta de guía aplicada a Colombia, se tenga presente un proceso de adaptación al marco regulatorio y a las restricciones técnicas del país como lo es las características del suministro y las propiedades del asfalto colombiano, las propiedades y la morfología de los suelos en el país. Finalmente, con el fin de evaluar y explicar la metodología detallada en el presente trabajo, se mostrará un ejemplo en el cual se elaborará un diseño de una rehabilitación convencional y mediante reciclaje, de una estructura preestablecida. Así mismo se evidenciará las ventajas ambientales y económicas implícitas en una rehabilitación mediante estructuras recicladas frente a una rehabilitación convencional. La primera parte de los documentos analiza y explica el estado del arte del concepto de reciclaje de pavimentos flexibles, en donde se busca contextualizar al lector acerca de las características de los procesos constructivos, de los materiales y de las distintas metodologías existentes para llevar a cabo la rehabilitación de un pavimento mediante procesos de reciclaje. La Segunda parte del documento explica la metodología a utilizar para el reciclaje del pavimento enfocada al proceso de Full Depth Reclamation en el cual no solo se recupera la carpeta superior asfáltica, sino también parte de las capas granulares inferiores. Finalmente y consecuencia del análisis realizado, se presentan las conclusiones y recomendaciones a tener en cuenta para el desarrollo de esta metodología de rehabilitación.



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4. Alcance El presente trabajo se enfoca en el planteamiento de una metodología viable para la aplicación del reciclaje en frío in situ, específicamente en el manejo, implementación y diseño de la estabilización de la estructura reciclada con asfalto espumado y emulsión asfáltica. Previo al planteamiento de la metodología, es indispensable aclarar y explicar de manera detallada los conceptos básicos relacionados con los procesos de reciclaje utilizados en la actualidad, específicamente para pavimentos flexibles. La aplicación de la metodología presentada en este proyecto se limita exclusivamente al pavimento flexible, el concepto de reciclaje y/o reutilización del pavimento rígido se trata de manera general, con el fin de presentar la existencia de otras alternativas y de indicar la amplitud del tema de reciclaje en los procesos de rehabilitación de pavimentos. Adicionalmente, se analiza los beneficios ambientales y económicos comprendidos en la implantación del reciclaje de pavimentos flexibles. Por último, se plantea analizar los beneficios del reciclaje, con la implementación de un diseño de rehabilitación de pavimento reciclado, y la evaluación de reducción de impactos ambientales y económicos.



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5. Antecedentes El reciclaje de asfalto data del año 1915, sin embargo no fue a hasta la década de 1970, cuando se convirtió en una práctica más común debido a la crisis de los precios del petróleo ocasionada por el embargo de los países árabes. Como reacción a los altos precios de la materia prima utilizada en la construcción de carreteras, los especialistas en asfaltos buscaron la manera de implementar métodos de reciclaje para minimizar el uso de ligante asfáltico [1]. Debido a los beneficios económicos y al creciente interés por la conservación del medio ambiente y por la implementación de prácticas que buscan mitigar el impacto sobre el mismo, se ha venido estudiando la manera de aprovechar al máximo por medio de procesos de reciclaje y reutilización, los recursos y materias primas relacionadas con la construcción de pavimentos. Las opciones existentes actualmente no solo contemplan el reciclaje de asfaltos sino también incluyen el uso de plásticos, vidrios, cauchos y otros materiales con gran presencia en la sociedad. En los últimos años la implementación de procesos de reciclaje para la rehabilitación de carreteras presenta una tendencia al alza, sobre todo en países como Estados Unidos, España y Sudáfrica. Recientes estudios, han establecido que en estados unidos el contenido de asfalto reciclado en mezclas nuevas está entre 12% y 15%. Otros trabajos académicos han concluido que a pesar de la percepción negativa al uso de reciclaje de pavimentos por parte de algunas personas en el gremio de la construcción, el comportamiento de una mezcla con materiales vírgenes puede ser comparable a otra que contenga al menos 30% de asfalto reutilizado. Una de las metodologías más utilizadas para sacar provecho del asfalto en carreteras, es la rehabilitación de las capas del pavimento mediante la estabilización con emulsión o espuma asfáltica. En lo referente a este tema, se han realizado algunas guías metodológicas para establecer criterios de diseño, mezcla y construcción. En Estados Unidos, el instituto de asfalto ha adoptado el manual NP90 de reciclaje de asfalto realizado por el Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA), el cual detalla los procesos necesarios para la implementación de reciclaje in situ y en planta por medio de la estabilización con emulsión asfáltica. En Sudáfrica, se cuenta con el manual técnico de materiales estabilizantes con bitumen, el cual se centra únicamente al reciclaje in situ en frío con espumas y emulsiones, desarrollando un método alterno al utilizado por el instituto de asfaltos y la Federal Highway Administration (FHWA) en Estados Unidos para el diseño estructural. Por último, en otros países empresas como Probisa en España o Wirtgen en Alemania han publicado manuales de reciclaje en frío, abarcando temas de diseño, construcción y control de obras de rehabilitación. En Colombia, el tema del reciclaje de pavimentos ha sido estudiado e incorporado en las especificaciones y manuales técnicos del Instituto Nacional de Vías – INVIAS y el Instituto de Desarrollo Urbano – IDU. Tanto en el artículo 461-‐07 de las



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especificaciones técnicas del INVIAS [2], como en la sección 450-‐05 de las especificaciones IDU [3], se señalan los requisitos de cumplimiento de los materiales utilizados para la rehabilitación de un pavimento mediante reciclaje en frío en el sitio, incluyendo así la granulometría de los agregados a reciclar, la resistencia de la emulsión asfáltica y los valores mínimos de relación de expansión y vida media de la espuma asfáltica. En el año 2011, mediante la resolución Número 4428 [4], el IDU adopta la guía para reciclaje de pavimento asfáltico in situ estabilizado con aditivos bituminosos y/o hidráulicos y la guía para la estabilización del material producto del reciclaje en frío de pavimentos asfálticos, en las cuales se detallan las metodologías a implementar para adelantar procesos de reciclaje en la ciudad de Bogotá.



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6. Justificación La necesidad de implementar procesos constructivos amigables con el medio ambiente y la reducción de costos en transporte y materia prima como agregados y bitumen, son motivos importantes para la aplicación de metodologías que promuevan el reciclaje de pavimento flexible como una práctica sencilla y técnicamente viable, sumado a lo anterior, resulta también claro que los materiales resultantes pueden ser de igual o mejor calidad que los utilizados convencionalmente. El estado actual de la malla vial en las principales ciudades de Colombia, y la necesidad de construir una infraestructura de vías-‐arterias intermunicipales según los retos planteados por el nuevo contexto económico de Colombia, imponen la necesidad de reducir costos y ampliar la capacidad estructural de los pavimentos. El rezago en infraestructura vial del país compromete los intereses económicos y aísla los pueblos y veredas de las ciudades intermedias y grandes. Del total de los 166.000 kilómetros que conforman la red vial nacional, aproximadamente un 15% (25.000 km) se encuentran pavimentadas [5]. Por lo anterior, se hace necesaria una inversión planeada previamente, enfocada en la implementación de estrategias que busquen minimizar costos y que puedan implementarse en áreas apartadas del país, donde el transporte de agregados pétreos o la calidad de los mismos sean deficientes. Por lo anterior, se plantea en el presente proyecto, la posibilidad de ver el reciclaje de pavimentos flexibles como una alternativa a incluir dentro del planteamiento a la solución del rezago de infraestructura en el cual se encuentra Colombia actualmente. Esta guía, que busca familiarizar al lector con las tecnologías de reciclaje, pretende también brindar los conocimientos necesarios para que se puedan aplicar los conceptos en proyectos de infraestructura, específicamente en la rehabilitación y mejoramiento de la red vial nacional.



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7. Estado del Arte

7.1. Reutilización y Reciclaje Los conceptos de reutilización y reciclaje a menudo son confundidos y mezclados, sin embargo existen diferencias en la definición de estos tres conceptos, las cuales es necesario tenerlas en cuenta previo al desarrollo del presente proyecto. La reutilización se refiere a usar un material u objeto en una o más ocasiones, una vez haya sido utilizado anteriormente, sin incurrir en procesos de transformación de apariencia o propiedades. Un objeto se puede reutilizar ya sea para el uso para el que fue hecho primeramente o para una función totalmente distinta. El reciclaje por su parte, se refiere a la transformación de objetos y materiales con el fin de crear nuevos productos en vez de utilizar materia prima virgen. En el contexto del presente trabajo, las técnicas que se tratarán se refieren a procesos de reciclaje y no de recuperación. El pavimento a rehabilitar en los procesos de estabilización con emulsión o espuma asfáltica no se encuentran en su totalidad al final de su vida útil, el asfalto en la estructura aún tendría propiedades de resistencia e impermeabilidad y gran parte de los materiales granulares aún mantendrían su granulometría, por tanto no podrían ser considerados como residuos sólidos. Los procesos contenidos en la presente guía, van encaminados a reducir el uso de materia prima nueva (agregados y bitumen) en el desarrollo de rehabilitaciones de pavimentos flexibles, lo cual es la esencia del reciclaje. Finalmente, la reutilización no aplica para los procesos a analizar, ya que dentro de las acciones a realizar para la rehabilitación de los pavimentos, se contempla la transformación y alteración de los materiales que conforman la estructura original, mediante procesos de compactación, adición de finos y mezclas con emulsión bituminosa y/o asfalto espumado.

7.2. Consideraciones Energéticas y Ambientales Las necesidades actuales de implantar políticas dirigidas al desarrollo sostenible, han dado paso a integrar prácticas constructivas amigables con el medio ambiente. En términos generales, el desarrollo sostenible en proyectos de infraestructura vial abarca cuatro componentes a tener en cuenta: rendimientos, costos, medio ambiente y sociedad; sin embargo, en la práctica no es común que se tengan en cuenta los aspectos que involucren la mitigación y minimización del impacto ambiental de los proyectos. La implementación del reciclaje de pavimentos, son actividades que se pueden desarrollar dentro del concepto de sostenibilidad ya que este proceso considera también la reducción de energía utilizada y la emisión de gases de efecto invernadero (GEI).



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Tanto la Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos, como diferentes instituciones académicas y empresas privadas, han estudiado el impacto ambiental que involucra el uso de concretos asfálticos e hidráulicos. Algunos otros pocos, han intentado comparar dichos procesos con el reciclaje de asfalto en planta, sin embargo, muy poco se sabe acerca de la reducción en términos energéticos y de emisión de GEI cuando se utilizan los procesos de reciclaje de pavimento flexible en frio In Situ. Para analizar los beneficios energéticos del reciclaje, es importante tener en cuenta que existen cuatro tipos de energía relacionados con los procesos constructivos. Según Halstead et al (1981) [6] estos son:

1. Energía calórica liberada cuando los combustibles son quemados generalmente durante la producción de materiales.

2. Energía requerida para el procesamiento de materiales de construcción. 3. Energía requerida para el transporte de materiales de la planta al frente de

obra 4. Energía utilizada como combustible para los vehículos y equipos en el frente de

obra. Los gases de efecto invernadero, son aquellos que en la atmósfera atrapan el calor, contribuyendo al fenómeno del calentamiento global. Aunque gran parte de estos gases se encuentran de forma natural en la atmósfera, su concentración se puede ver afectada como consecuencia de actividades humanas. En relación con los proyectos de construcción, la EPA (2012) [7] considera tres posibles fuentes de emisión de GEI:

1. Emisiones de GEI producidas por el uso de energía durante la adquisición y fabricación de los materiales

2. Emisiones de GEI como resultado del uso de combustibles para el transporte de los materiales

3. Emisiones de GEI durante el proceso de fabricación que no están asociados con el uso de energía.

Halstead et al (1981) realizó una cuantificación del consumo de energía para la producción y colocación de una mezcla densa en caliente obteniendo los siguientes resultados:

Tabla 1. Consumo de energía para producción y colocación de MDC

Material Construcción Btu/ton

Transporte MJ/ton

Fabricación MJ/ton

Calórica MJ/ton

Total MJ/ton

MDC 277 794 67 1764 2899 En el año 2010, Cross et al [8] realizó un modelo en el cual se estudió el análisis ambiental del ciclo de vida de tres opciones de rehabilitación de vías: fresado y relleno



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(MF), instalación de dos carpetas de pavimento asfáltico (TCO) y reciclaje de pavimento en frío in situ (CIPR). Para cada una de las opciones anteriores se establecieron estructuras y mezclas distintas para su análisis:

Tabla 2. Estructuras y mezclas objeto de análisis

Opción de Rehabilitación Descripción CIPR1 Contenido de emulsión de 3%. 4

pulgadas de profundidad de triturado y sobrecarpeta MDC de 1.5 pulgadas.

CIPR2 Contenido de emulsión de 2.5%. 3 pulgadas de profundidad de triturado y sobrecarpeta MDC de 1.5 pulgadas.

CIPR3* Contenido de emulsión de 3%. 4 pulgadas de profundidad de triturado, adición de 20% de agregados y sobrecarpeta MDC de 1.5 pulgadas.

CIPR4* Contenido de emulsión de 2.5%. 3 pulgadas de profundidad de triturado, adición de 20% de agregados y sobrecarpeta MDC de 1.5 pulgadas.

MF1 1.5 pulgadas de profundidad de triturado y dos sobrecarpetas de MDC

MF2 2 pulgadas de profundidad de triturado y dos sobrecarpetas de MDC

MF3 3 pulgadas de profundidad de triturado y dos sobrecarpetas de MDC

TCO Instalación de dos sobrecarpetas de MDC de 1.5 pulgadas.

*La adición de 20% de agregados tienen como objetivo incrementar la fricción y rugosidad de los agregados del pavimento reciclado. Los resultados obtenidos luego de la implementación del modelo de ciclo de vida (PaLATE), arrojaron datos referentes a la energía y agua total utilizada para la implementación de cada una de las opciones de rehabilitación, la cuantificación de emisiones de gases de efecto invernadero, material particulado PM10, emisiones de metales pesados como mercurio y plomo, desechos peligrosos y mediciones del potencial de toxicidad de emisiones cancerígenas y no cancerígenas (HTP por sus siglas en ingles). En la siguiente tabla se presentan los resultados alcanzados por milla de pavimento construido:



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Tabla 3. Resultados de emisiones y consumos de las opciones de rehabilitación modeladas.

Emisión Opción de Rehabilitación

CIPR1 CIPR2 CIPR3 CIPR4 MF1 MF2 MF3 TCO Energía (MJ) 976815 833054 883797 775972 1271892 1293565 1336909 1209419

Agua (Kg) 182 154 159 137 174 174 174 175

CO2 (Kg) 48925 39048 42790 35382 60718 64500 72064 48763

NOx (Kg) 804 706 712 638 1114 1196 1379 8738

PM10 (Kg) 365 250 330 243 535 486 508 445

SO2 (Kg) 18167 18148 18149 18135 36205 36210 36221 36190

CO (Kg) 171 149 147 130 184 196 220 146

Hg (g) 0,6 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6

Pb (g) 33 28 28 25 33 34 34 32 Residuos Peligrosos

(Kg) 6150 5419 5351 4803 6124 6201 6357 5909

HTP Cancerígeno

(g) 62751 53083 60287 53036 106352 106585 107052 105792

HTP no cancerígeno

(Kg) 305839 191461 279438 191404 383151 383437 384010 382464

Se evidencia que el reciclaje en frío in situ, es la opción de rehabilitación más amigable con el medio ambiente, la energía utilizada se puede reducir en un 30% comparado con los otros dos procesos estudiados (MF y TCO). En cuanto a las emisiones de gases de efecto invernadero, se ven reducidas en los proceso de reciclaje, debido al menor uso de combustibles para transporte y elaboración de materiales. La adición de 20% de agregados en el CIPR3 y CIPR4, aumenta el consumo de energía en aproximadamente 15% comparado con el CIPR1 y CIPR2. Los estudios realizados por Cross et al, demuestran que la energía utilizada para el transporte en la implementación de MF y TCO es significativamente mayor (entre 40% a 160%) comparada con el consumo para el proceso de CIPR, adicionalmente, la producción de materiales constituyen la mayor fuente de producción de gases de efecto invernadero, aproximadamente el 70% de los emitidos en todo el proceso de rehabilitación. En contraste, el consumo de agua es básicamente el mismo sin importar el tipo de proceso de rehabilitación, lo anterior se debe a que gran mayoría del agua se consume durante la producción de bitumen asfáltico y en la humectación de los materiales pétreos, el cual es utilizado en cada una de las opciones modeladas. Finalmente, en lo referente al potencial de toxicidad tanto para residuos carcinogénicos como no carcinogénicos, la mayor cantidad de estos subproductos se emite durante las distintas actividades de producción, por lo cual se hace evidente que al reciclar gran parte de los materiales, la opción de CIPR reduce los procesos de producción de materiales (Agregados y Ligante asfáltico), minimizando así la emisión de residuos tóxicos.



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7.3. Reciclaje de Pavimentos

7.3.1. Generalidades y Limitaciones Las estructuras de pavimento ya sean rígidas o flexibles, constan de dos o más capas según la tipología y el número de cargas móviles que deben soportar. En el caso de los pavimentos asfálticos, el peso de los vehículos se transfiere desde la carpeta de rodadura, pasando por la estructura del pavimento, hacia la subrasante o capa más profunda del mismo (Ver Figura 1).

Figura 1. Acción de carga en un pavimento flexible

Fuente: www.nra.co.za La estructura de pavimento es sometida a altos esfuerzos de tensión que se van disipando a lo ancho de la estructura, de tal manera, que las primeras capas deben soportar la mayor cantidad de esfuerzos, con el fin de prevenir que la subrasante se vea afectada por el paso de los vehículos. Cuando la carga es muy pesada, el pavimento y los materiales que lo conforman en las capas superiores deben ser mecánicamente más competentes y resistentes a las condiciones climáticas, por lo cual se utiliza una mezcla asfáltica en caliente, mientras que en las capas inferiores se pueden utilizar materiales de calidad inferior. El reciclaje de pavimentos se puede hacer de dos formas distintas: En planta o in-‐situ. En términos generales, ambos procesos son aceptados y aunque el reciclaje en planta puede conducir a mezclas más homogéneas, también resulta más costoso debido al transporte de los materiales desde el frente de obra. El criterio en optar por una u otra opción se debe basar en el tipo de construcción y en el estado de los materiales a reciclar [9]. El Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA) diferencia cinco métodos de reciclaje de pavimento asfáltico [10] :



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1. Cold Planning (CP) (Demolición) 2. Hot Recycling (reciclado en Caliente) 3. Hot In-‐Place Recycling (Reciclado en caliente In-‐Situ)

a. Surface Recycling (Reciclaje superficial) b. Remixing (Remezclado) c. Repaving (Repavimentación)

4. Cold Recycling a. Cold In-‐Place Recycling (CIR) (Reciclaje en Frio In-‐Situ) b. Cold Central Plant Recycling (Reciclado en Frio en Planta)

5. Full Depth Reclamation (FDR) a. Pulverization (Pulverización) b. Mechanical Stabilization (Estabilización Mecánica) c. Bituminous Stabilization (Estabilización con Bitumen) d. Chemical Stabilization (Estabilización Química)

Actualmente, en algunos países existen restricciones ambientales en el uso de bitúmenes en caliente dentro del frente de obra, por lo tanto estas prácticas son prohibidas y poco utilizadas. Por lo anterior, en el presente estudio se detallarán los procesos de CIR y FDR mencionados anteriormente. El proceso de reciclaje en frio se utiliza principalmente cuando existe una buena distribución de esfuerzos en una estructura de pavimento y las fallas solo se encuentran en las capas superiores. Según la Guía Técnica para la Construcción de Materiales Estabilizados con Bitumen, elaborada por la Academia de Asfalto (2009) las limitaciones a tener en cuenta al momento de seleccionar o utilizar el mejor método para reciclaje en frío son [11]:

• Tamaño del proyecto: Las demandas exigidas para le rehabilitación de una autopista pueden ser muy distintas a las de vías secundarias.

• Consideraciones geográficas y ambientales: las pendientes, las temperaturas y el nivel de humedad pueden afectar el proceso de rehabilitación a utilizar

• Localización: El transporte de maquinarias y de bitumen pueden no estar disponibles en la zona.

• Otros factores: Algunos proyectos pueden estar atados (dentro de las condiciones contractuales) al uso de un especifico método constructivo.

7.3.2. Reciclaje con Estabilización El objeto principal del proceso de estabilización de una capa de una estructura de pavimento es ligar las partículas separadas de agregados con el fin de crear capas más compactas y rígidas además de impermeables. En la actualidad y dependiendo del proceso constructivo a utilizar, existen distintos estabilizantes entre los que se encuentran polímeros, aceites sulfurados, cemento, cal, emulsión asfáltica y asfaltos



18

espumados. Cada uno de los agentes estabilizadores tienen propiedades específicas para resolver necesidades también específicas, que se traducen en ventajas y desventajas con respecto a los otros estabilizantes, por lo cual es muy importante tener en cuenta distintos factores al momento de escoger alguno de estos productos. El manual de reciclado en frío publicado por el grupo Wirtgen en el 2004, describe los elementos más importantes a tener en cuenta al momento de decidir por el agente estabilizado a utilizar:

1. Precio (expresado en términos de costo por metro cuadrado) 2. Disponibilidad 3. Características y funcionalidad del agente dependiendo de las propiedades de

los materiales a estabilizar 4. Políticas y regulaciones.

Los agentes estabilizadores cementados tienen el objeto de incrementar la capacidad estructural de las capas granulares y arcillosas del pavimento. Generalmente, para este tipo de estabilización se utiliza la cal, el cemento y mezclas de estos con cenizas y escorias [9]. Estos agentes son comúnmente utilizados para mejorar las propiedades de las subrasantes, logrando reducir la plasticidad de los suelos mediante un proceso de hidratación. A diferencia de la cal, el uso del cemento está restringido a materiales con índice de plasticidad menor a 10. A pesar de que su objetivo es mejorar la capacidad portante de la estructura, el uso irrestricto de éstos agentes puede ser contraproducente, ya que puede aumentar la fragilidad de la capa, agrietándola rápidamente ante el paso de las cargas y por ende perdiendo la resistencia deseada. La estabilización con agentes asfálticos (emulsiones o asfaltos espumados), normalmente son aplicados a materiales granulares, materiales previamente cementados o pavimentos asfálticos recuperados (RAP por sus siglas en inglés). El resultado es una mezcla compacta cuya resistencia y rigidez es menor a la que se conseguiría con una estabilización con cemento, pero su flexibilidad y resistencia a la humedad se ven optimizadas, tal y como se muestra en la siguiente figura:



19

Figura 2. Comportamiento de los pavimentos

Fuente: Asphalt Academy, 2009.

En algunos casos, cuando la granulometría de la mezcla a estabilizar no cumple con la cantidad de finos requeridos, es necesario agregar un llenante, por lo general se utilizan pequeñas cantidades de cal o cemento para suplir este déficit.

7.3.3. Reciclaje sin Estabilización Uno de los procesos de reciclaje mencionado por el ARRA [10], es el de fresado o Cold Planning, el cual se define como la remoción controlada a cierta profundidad de un pavimento existente. Para tal propósito se utilizan maquinas fresadoras con un sistema de control que permite que tambores cortantes conformados por dientes de tungsteno muelan y corten el pavimento a cierta profundidad establecida. El material saliente de este proceso es comparable en su forma a gravilla recubierta por asfalto. Éste producto conocido como RAP, es cargado y almacenado para su reutilización. De manera similar, el reciclaje de pavimentos rígidos se puede realizar sin el uso de agentes estabilizantes mediante un proceso de rompimiento, trituración y pulverización. El objetivo principal es reutilizar los productos obtenidos como material para una nueva capa granular de alta calidad y capacidad estructural. Este tema se tratará con más detalle en el capítulo 7.3.4.


CHAPTER 1: Introduction – What are BSMs?

2

BSM-emulsion BSM-foam

Figure 1.1 Aggregate and Binder Bond

Such “non-continuous” binding of the individual aggregate particles makes BSMs di!erent from all other pavement materials. The dispersed bitumen changes the shear properties of the material by signi"cantly increasing the cohesion value whilst e!ecting little change to the internal angle of friction. A compacted layer of BSM will have a void content similar to that of a granular layer, not an asphalt. BSMs are therefore granular in nature and are treated as such during construction. The many bene"ts that accrue from using BSMs are discussed in Chapter 2.

The behaviour of BSMs, relative to other pavement materials is illustrated in Figure 1.2.

Figure 1.2 Conceptual Behaviour of Pavement Materials

IncreasedPDresistance,reducedflexibility Strongly

cementedmaterial

Stiff, brittlebehaviour

HighIntermediateLowNone

Temperaturedependent, visco-elastic behaviour

Stressdependentbehaviour

Increased moisture resistance, flexibility

Unboundmaterial: Highquality crushedstone andaggregate

Moderatequality natural

gravel

Low qualitynatural gravel

Bitumen

Asphaltconcrete

(BSM-foam andBSM-emulsion)

BSMs

Cement

Presumed noteconomicallyviableLightly

cementedmaterial

High

Intermediate

Low

None


cementedmaterial








gravel


Bitumen

Asphaltconcrete


BSMs


BSMs

Cement


cementedmaterial

High

Intermediate

Low

None




20

7.3.4. Reciclaje Pavimentos Rígidos El reciclaje de pavimento rígido, es el proceso mediante el cual se rompe y tritura un pavimento hidráulico con el fin de reutilizarlo como agregado en la misma estructura, generalmente con una sobrecarpeta de mezcla densa en caliente (Ver figura 3) o en otras obras civiles como gaviones y muros de contención, evitando así el uso, explotación y transporte de materiales pétreos.

Figura 3. Reciclaje de pavimento rígido

Fuente: Illinois Department of Transportation, 2004.

Mack et al (1993) identifican una serie de pasos y procedimientos a seguir, con el fin de lograr el propósito de maximizar la producción de agregado grueso a partir del reciclaje:

1. Preparación del pavimento: Consiste en la eliminación de todo tipo de material que pueda contaminar el agregado reciclado. Básicamente se debe tener en cuenta la remoción de sellantes de juntas, parches, sobre carpetas asfálticas, bermas y cunetas.

2. Rompimiento: Este proceso consiste en quebrar el pavimento rígido de juntas

en pequeños pedazos de área entre 0,1 y 0,2 m2 mediante el impacto repetido de un peso importante o martillo hidráulico. Adicionalmente, los pasadores y el acero estructural se separa del concreto [12].

3. Limpieza: consiste en la remoción del acero de refuerzo que hace parte de la

estructura ya que este podría alterar la calidad del producto final. Esta actividad se puede realizar manualmente utilizando cortadoras hidráulicas o neumáticas.

137

RUBBLIZING WITH BITUMINOUSCONCRETE OVERLAY – 10 YEARS’EXPERIENCE IN ILLINOIS

PHYSICAL RESEARCH REPORT NO. 137APRIL 2002



21

4. Triturado: Este proceso puede reducir los pedazos a áreas menores de 0,1 m2 y

es efectivo para realizar la separación total del acero estructural y los pasadores que hacen parte de un pavimento rígido de juntas. La dimensión a la que son reducidos los pedazos es tan pequeña que no permite que se desarrolle calcado de fisuras en las capas superiores. El triturado de un pavimento rígido se realiza posterior al rompimiento del mismo, para lo cual existen dos tecnologías distintas: 1) Trituración con vibración resonante a bajas amplitudes, 2) trituración con impacto de múltiples cabezas [12].

5. Instalación de carpeta asfáltica: habiendo reducido y limpiado la estructura de

pavimento rígido, el material resultante se convierte en una base de buena calidad para una estructura de pavimento flexible. Por lo anterior y una vez revisado el cumplimiento de la granulometría de la base (puede ajustarse la granulometría mediante la adición de finos), se procede a la instalación de una carpeta Asfáltica según los criterios exigidos por el diseño estructural de acuerdo al nivel de cargas a soportar.

7.3.5. Reciclaje en Frío de Pavimentos Flexibles El reciclaje en frío de los pavimentos flexibles se puede realizar en planta o in situ. Para llevar a cabo el proceso de reciclado en planta, es necesario que el material del pavimento recuperado (mediante procesos de fresado o triturado) sea transportado a un depósito donde el material entrará a una serie de procesos para adaptarlo y reutilizarlo en campo. Por otra parte, el reciclado in situ consiste en el uso directo de una recicladora móvil en el frente de obra, lo que implica reducciones importantes de costos relacionados con el transporte del material, pero así mismo, mayor variabilidad en el resultado obtenido.

7.3.5.1. Reciclaje en Planta Según el manual Wirtgen (2004) el proceso de reciclaje en planta es un proceso que siempre debe ser considerado debido a los beneficios que conlleva, los cuales están relacionados directamente con un mayor control de los materiales de entrada, una buena calidad del mezclado, y en el caso del uso de asfalto espumado, la posibilidad de realizar acopios de material. La Academia del Asfalto (2009) establece que una planta de reciclaje debe realizar una mezcla precisa de los diferentes materiales de entrada mediante la adición de la cantidad correcta de material estabilizante, agua y material llenante (cemento o cal). Adicionalmente, debido a que las características de los materiales apilados en un deposito son más susceptibles a cambios de temperatura en comparación a los materiales dispuestos in situ y protegidos por una carpeta asfáltica, es necesario que en las plantas de reciclaje se dispongan controles a la temperatura durante el proceso



22

de mezclado y se monitoree los niveles de humedad de los materiales. A continuación se muestra una imagen de una planta de mezclado típica:

Figura 4. Disposición típica de una planta de mezclado para el reciclaje de pavimento en frío

Fuente: Academia de Asfalto (2009) Como se puede apreciar en la figura 4, una planta de mezclado de estabilizantes, está constituida por la cinta transportadora, la cabina del operario, la maquina mezcladora y moledora, el sistema de inyección de agua, emulsión o espuma asfáltica, Sinfín de alimentación de cemento, vagón de materiales, tanque de agua y estación de energía. Generalmente, el material estabilizado resultante de la mezcla, es inmediatamente transportado para la construcción de una nueva calzada de vía, sin embargo y dependiendo del estabilizante utilizado, la mezcla obtenida puede ser apilada en un depósito para su posterior uso.

7.3.5.2. Reciclaje In Situ El reciclaje in situ utiliza maquinas recicladoras móviles, generalmente montadas sobre orugas o neumáticos, diseñadas para triturar las estructuras del pavimento y mezclarlas con los agentes estabilizantes (emulsión o espuma asfáltica, agua y cal) en una sola pasada. El dispositivo principal de las recicladoras es el rotor fresador-‐mezclador, mediante el cual se realiza la operación más importante dentro de este proceso de rehabilitación. El reciclaje in situ se puede realizar solo sobre las capas asfálticas del pavimento (CIR) o bien incluir capas granulares inferiores (FDR). Aunque para cada una de estas dos


CHAPTER 6: Construction – In-plant Treatment

70

Figure 6.9 Mixing Plant for BSM-foam

Since materials lying in stockpiles are more susceptible to changing weather conditions than in situ material protected within a pavement, in-plant mixing requires additional care to monitor the condition of the material, particularly in terms of:

Temperature of the material at the time of mixing. The limitations prescribed in Section 2.6.2 must be strictly followed. However, it must be recognised that the wind chill phenomenon often plays a signi!cant role in reducing the temperature of moist material that is exposed to the elements. When working in windy conditions with an ambient temperature approaching the lower limit, it is advisable to check the temperature of the material as it enters the mixer.The moisture content of the material being mixed. As explained in Section 6.2.2.4, material that is too wet (over OMC) or too dry (< 50% of OMC) will not produce a satisfactory product. When working during periods of unstable or wet weather, covering the stockpiles of input material will assist in maintaining a constant moisture content.

The mixed material is normally trucked directly to site and used immediately to construct a new pavement layer. Alternatively, the treated material can be stored in a stockpile at a strategic location for later use. In addition to the stockpiling requirements described in Sections 2.6.1.1, the normal precautions concerning material placed in stockpiles must be addressed. These precautions include the avoidance of contamination by preparing a work platform beneath the stockpile and preventing material segregation.

6.4.2. TRANSPORTING BSMMaterial segregation is a primary concern, especially where the material is relatively coarse. Where such segregation cannot be adequately controlled when loading trucks directly from the delivery conveyor on the plant, the material should be transferred to a temporary stockpile. Normal loading procedures should then be followed when extracting material from such a temporary stockpile. (Note that the temporary stockpile must contain su"cient material to allow such loading procedures to be followed.)

Where BSMs are transported over long distances, moisture loss can be minimised by covering the treated material with an impervious heavy duty sheet (tarpaulin).

»

»

Loading belt

Tw in shaft pugm ill m ixer

Transfer conveyor w ith load cell

M aterial hoppers

W ater tank

O perator’s cabin

Injection system for w ater, bitum en em ulsion and foam ed

bitum enC em ent auger

Injection system for water,bitumen emulsion and

foamed bitumen

Operator’scabin

Loadingbelt

Twinshaft pugmillmixer

Transfer conveyorwith load cell

Water tank

PowerstationMaterialhoppers

Cementauger



23

alternativas se realiza el mismo proceso, los trenes de reciclado, es decir la configuración de los vehículos y maquinas necesarias para el reciclaje, pueden variar dependiendo de la alternativa escogida.

7.3.5.2.1. Cold in place Recycling (CIR)

El CIR se define como el proceso de reciclaje de las capas asfálticas que constituyen un pavimento flexible. Según el manual de reciclaje del ARRA [10], la profundidad típica a la cual se implementa el CIR varía entre 50 y 100 milímetros, utilizando únicamente agentes estabilizadores asfálticos. Sin embargo, si existe la necesidad de ampliar dicha profundidad a 150 milímetros, es necesario utilizar aditivos químicos tales como cal hidratada y cemento portland, con el fin de mejorar la resistencia del material y su comportamiento frente a la presencia de agua. El tren de tren de reciclado CIR puede variar dependiendo de la profundidad a la cual se va a aplicar, el tipo de aditivos a utilizar, los métodos de control y mezclado de los mismos, y las actividades de instalación del material. Existen tres tipos de configuraciones del tren de reciclaje, estas son: 1) tren de una sola unidad, 2) tren de dos unidades y 3) Tren de múltiples unidades.

1. Tren de una sola unidad: el tren de una sola unidad consiste en una maquina fresadora con trituradoras que permiten controlar la cantidad a reciclar según la velocidad de la máquina. Los procesos de mezcla y adición de estabilizantes se realizan en un compartimiento distinto, luego de la trituración y un proceso de screenning o selección granulométrica de los materiales [13] (Ver figura 5). Adicionalmente, la cantidad de aditivos y agentes estabilizadores se determina a partir del volumen de material a reciclar, lo cual depende directamente de las dimensiones de la vía, la profundidad y la velocidad de pasada de la máquina.

Figura 5. Configuración típica de un tren de una sola unidad

Fuente: Cross (2007)

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24

2. Tren de dos unidades: Este tren consiste en la interacción entre una maquina

fresadora y una extendedora donde también se mezcla el pavimento. Dentro de esta última existe un riguroso control de la cantidad de RAP que entra, y mediante un procesador, se puede evaluar y controlar con gran precisión, según el peso del material, la necesidad y la implementación de aditivos a agregar con el fin de obtener una mezcla uniforme [10]. El producto obtenido es colocado y precompactado por una niveladora. En la Figura 6 se muestra la configuración típica de un tren de dos unidades:

Figura 6. Configuración típica de un tren de dos unidades

Fuente: Jakatimath (2000)

3. Tren de múltiples unidades: Consiste en la interacción entre una maquina fresadora, una unidad demoledora y de selección granulométrica, una mezcladora y una extendedora (Ver figura 7). El material obtenido mediante el fresado, es llevada a una unidad de demolición y de screening la cual da el tamaño final al RAP. El proceso de mezclado se realiza en una unidad distinta, en donde de forma controlada, se mezclan cada uno de los agentes estabilizadores y aditivos dependiendo del peso total del material. Una vez concluido el proceso de mezcla, el material es extendido y precompactado [13].

12

unit CIR trains are less than 70 feet in length when compared to the multiple-unit CIR

trains which measure about 150 feet in length. [4].

Two-Unit CIR Train

A two-unit CIR train usually consists of a large, full lane width milling machine, and a

mix paver. The milling machine removes the old pavement surfaces and deposits the

RAP into a mix paver. A scalping screen can be used to remove oversize RAP. The RAP

and the additives are mixed in the mix-paver to form a uniform mixture. The mix paver

has an infeed belt with a belt scale and a processing computer to accurately control the

amount of recycling additive and modifier being added [4]. The mixture is placed and

pre-compacted by a screed which is automatically controlled. Figures 2-5 and 2-6 show a

schematic and photograph of a two-unit CIR train, respectively.

The two-unit train provides an intermediate to high degree of process control,

with the liquid recycling additive being added based on the weight of the RAP,

independent of the treatment volume and forward speed of the train [4].

FIGURE 2-5 Schematic View of the Two-Unit CIR Train [10].



25

Figura 7. Configuración típica de un tren de múltiples unidades

Fuente: Jakatimath (2000) Debido a que los procesos de mezcla y fresado no dependen de la velocidad con que avanza el tren, las dimensiones de la vía o la profundidad del material, este tipo de configuración múltiple es con el que se obtiene mayor control y por ende mayor calidad en el material resultante. Los procesos de compactación del material reciclado se deben hacer durante el proceso de rompimiento de la emulsión que dura alrededor de 30 minutos a 2 horas dependiendo de las características de la vía, los agentes estabilizadores y las condiciones ambientales. Por lo general, el rompimiento se puede evidenciar físicamente cuando la mezcla se convierte de café a negro [10]. Adicionalmente, una vez compactado el pavimento reciclado, se debe confirmar que haya curado completamente, antes de instalar una sobre carpeta de rodadura. Al igual que el rompimiento, el proceso de curado depende de factores ambientales, de drenaje de la carretera y de las características de las mezclas. Sin embargo, se puede estimar que el curado tomará algunos días o incluso hasta 2 semanas.

7.3.5.2.2. Full Depth Reclamation (FDR) El FDR es la técnica de rehabilitación de reciclaje, mediante la cual la totalidad de la capa asfáltica de la estructura del pavimento más una porción predeterminada de las capas granulares inferiores (base, subbase o subrasante) son pulverizadas y mezcladas de manera uniforme (en algunas ocasiones materiales externos pueden ser añadidos si es necesario), con el fin de producir un material mejorado y homogéneo que pueda ser utilizado como base [13]. Similar al CIR, la técnica FDR puede ser utilizada sobre una carretera sin la necesidad de adicionar calor, sin embargo, a diferencia del CIR, las profundidades de la vía a reciclar pueden variar, llegando a ser por lo general entre 100 y 300 mm [10].

14

laid in a windrow and placed with conventional HMA pavers equipped with a windrow

pickup attachment.

CIR mixes are compacted as the mixture begins to “break”, turning from brown to

black. Compaction is usually achieved with a large sized heavy pneumatic tired rollers

followed by vibrating steel drum rollers in static mode to remove roller marks [4]. In

figure 2-7 a schematic of a multi-unit CIR train is shown. The different machines which

form the multi-unit CIR train are shown in figures 2-8 – 2-11.

The multi-unit train provides the highest level of process control. The main

advantages of the multi-unit train are high productivity and high process control. Most of

the highway and interstate work is performed by multi-unit CIR trains. The major

disadvantage is the length of the train which can make traffic control difficult in urban

locations. Figures 2-12 and 2-13 show the working pictures of multi-unit CIR train.

FIGURE 2-7 A Schematic of a Multi-Unit CIR Train [10].



26

La recuperación de las capas asfálticas en mezcla con los materiales granulares de las capas inferiores forman un material granular que puede ser reutilizado como está, no obstante lo anterior, si el material por sí mismo no tiene la suficiente capacidad mecánica requerida en el diseño estructural, debe ser mejorado mediante adición de agentes estabilizantes. Una gran variedad de estos agentes ya sean en presentaciones líquidas o sólidas, pueden ser utilizados para los propósitos mencionados, entre éstos se encuentran: cloruro de calcio, cloruro de magnesio, cal viva o cal hidratada, cenizas, cemento o lechada de cemento, emulsión asfáltica, asfalto espumado o la combinación de dos o más de los mencionados. De igual manera, si la granulometría del material a reciclar, la profundidad requerida o las propiedades del material no cumplen con las condiciones deseadas, es necesario añadir material granular adicional u otro tipo de material antes o durante el proceso constructivo [10]. Las maquinas recicladoras utilizadas para FDR constan de un tambor fresador-‐mezclador compuesto por puntas reemplazables de tungsteno, que gira de manera ascendente o en dirección contraria al movimiento del tren de reciclaje. Las recicladoras de última tecnología, incorporan el proceso de mezcla de aditivos estabilizantes simultáneamente al proceso de pulverización (Figura 8) dentro de la cámara de mezcla, sin embargo la adición complementaria de estabilizantes una vez realizada la pulverización mejora la consistencia del material resultante [9]. Otros agentes como cal o cemento, pueden ser extendidos delante del tren, de tal manera que ésta pasa sobre el material en polvo, reciclándolo y agregándolo con el pavimento y el agua añadida por la máquina [10].

Figura 8. Proceso de reciclaje mediante FDR

Fuente. Wirtgen (2004) Los trenes de reciclaje utilizados en el proceso de FDR son considerablemente más pequeños a los utilizados en técnicas como CIR o HIR, éstos pueden ser configurados de distintas maneras dependiendo de la aplicación y tipo de estabilizante a utilizar. Generalmente un tren FDR consiste en una unidad o maquina recicladora, carro tanques con los aditivos y adicionalmente la niveladora o bulldozer y compactadora

30 Capítulo 2

2.2.2 Reciclado In-situ

Las máquinas de reciclado han evolucionado a través de los años, desde las primeras máquinas modifi-cadas para fresar y estabilizar suelos, hasta las recicladoras especializadas utilizadas hoy en día. Estasrecicladoras son especialmente diseñadas para lograr la capacidad de reciclar capas de pavimento degran 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 demáquinas 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 ungran número de puntas, especialmente diseñadas para este proceso. El tambor normalmente rota ypulveriza el material del pavimento existente, como se ilustra en la Figura 2.1.

A medida que la máquina avanza con el tambor rotando, el agua de un tanque acoplado a la recicladorase llena mediante mangueras dentro de la cámara de mezclado de la recicladora. El flujo de agua esmedido con precisión mediante un micro procesador controlado por un sistema de bombeo, mientras queel tambor mezcla el agua con el material reciclado para alcanzar el contenido necesario de humedad. Deesta forma es posible conseguir altos niveles de compactación. Agentes estabilizadores líquidos, comolechada cemento / agua o emulsión asfáltica, tanto en forma separada como combinadas, pueden serintroducidas directamente a la cámara de mezclado de una forma similar. Además, el asfalto espumadopuede ser inyectado dentro de la cámara de mezclado mediante una barra aspersora especialmentediseñada.

Agentes estabilizadores poderosos, como la cal hidratada, son normalmente repartidos en la superficiedel pavimento existente, delante de la recicladora. La recicladora pasa trabajando sobre el estabilizadoren polvo, mezclando a éste con el material recuperado, para luego inyectarle agua, todo en una solapasada.

Fig. 2.1 El proceso de recicladoInyección de agua o aditicvos líquidos

Asfalto deteriorado

Material granular

Reciclado profundo

Tambor fresador

Dirección de operación



27

neumática [9]. En cualquier caso, es la maquina recicladora la que se encarga de ejercer tracción y tirar el equipo que está atado a ella tal como se muestra en la siguiente figura:

Figura 9. Típico tren FDR con aditivos de lechada (cal y/o cemento) y estabilizante asfáltico

Fuente. Wirtgen (2004) La primera forma de la estructura del pavimento es dada por una motoniveladora o bulldozer seguido por una primera compactación realizada por un compactador neumático. Luego de un periodo de curado que dura entre 1 y 14 días, se realiza una compactación final y se procede a dar forma a la estructura dependiendo del perfil y la pendiente de la vía para posteriormente colocar una sobrecarpeta de rodadura. Por lo anterior, es recomendable que una vez extendido el material reciclado, se restrinja el paso de vehículos pesados durante el periodo destinado al proceso de curado [9]. Según la ARRA (2001), el reciclaje de pavimentos flexibles mediante la técnica FDR tiene ventajas sobre otros tipos de técnicas, estas incluyen:

• La conservación y reutilización de una mayor cantidad de recursos no renovables

• Pocos equipos son requeridos para llevar a cabo el proceso de reciclaje. • Contribuye a la eliminación de fallas por ahuellamiento y grietas • Se pueden corregir deficiencias de la subrasante mediante estabilización • Se pueden corregir problemas existentes de granulometría de los materiales

granulares • Se pueden reformar bases deterioradas con el fin de restaurar el perfil y el

drenaje de la vía • Mejoramiento de la capacidad estructural del pavimento • Producción de capas homogéneas • Las actividades constructivas utilizadas, permiten la reducción a la obstrucción

del tráfico. • Importante reducción de costos.

31Capítulo 2

Los trenes de reciclado pueden ser configurados de distinta manera, dependiendo de la aplicación de re-ciclado y del tipo de agente estabilizador que sea utilizado. En cada caso la máquina recicladora ejerce latracción en el tren de reciclado, empujando o tirando el equipo que está conectado a la misma mediantebarras 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 lechadade cemento. La tasa de aplicación requerida de cemento y agua se mide con exactitud antes de mez-clarse para formar una lechada, la cual es bombeada a la recicladora mediante una manguera flexible yposteriormente inyectada dentro de la cámara pulverizadora. Alternativamente, el cemento puede ser esparcido sobre el pavimento existente delante de la recicladora, sustituyendo el mezclador de lechadapor un tanque de agua.

El material que sale de la recicladora recibe la compactación inicial del rodillo pesado vibratorio paraalcanzar una densidad uniforme en todo el material. Posteriormente el material se perfila con una motoni-veladora 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 untren de reciclado similar al anterior, formado por un tanque suministrador de asfalto empujado delante delmezclador de lechada, como se ilustra en la Figura 2.3. En los casos donde el cemento se esparce comopolvo sobre la superficie del camino delante del tren de reciclado, el tanque de asfalto se acopla directa-mente 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 enla Figura 2.3, el uso de una motoniveladora para perfilar la superficie puede no ser necesario. Las carac-terísticas de los modelos de recicladoras Wirtgen se detallan más adelante en la Sección 2.4.

2.3 Aplicaciones de reciclado en frío

El reciclado en frío es un proceso con múltiples aspectos que puede satisfacer muchas necesidades enel mantenimiento y rehabilitación en la infraestructura vial. Dependiendo en si el material es tratado o nocon un agente ligante, se pueden identificar dos categorías de reciclado en frío. Luego, como un segundogrupo de clasificación, cada categoría (con o sin agente ligante) pude ser a su vez categorizada por el tipode tratamiento que el material recibe. Este sistema de clasificación primaria y secundaria es ilustrado enla Figura 2.4. Nótese que la abreviación “RAP” utilizada en la Figura 2.4 y en otras partes de este manualse refiere a “Recyled Asphalt Pavement” (Pavimento Asfáltico Recuperado), un término comúnmente uti-lizado en todo el mundo para el material asfáltico fresado.

Fig. 2.2 Típico tren reciclador con mezclador de lechada

Motoniveladora Compactador RecicladoraWR 2500 S

Mezcladora Lechadade Cemento WM 1000

Fig. 2.3 Típico tren reciclador con mezclador de lechada y camión de asfalto

Compactador Reciclador 2200 CRmontado sobre oruga

Mezclador de lechada WM 1000

Camión tanque de asfalto



28

7.4. Conceptos de Estabilización de Materiales La estabilización de pavimentos se realiza generalmente en materiales granulares, materiales previamente cementados o RAP. En lo relacionado a las metodologías de reciclaje, generalmente se utilizan emulsiones asfálticas o asfalto espumado, cuya cantidad en la mezcla no excede el 3% del peso de los agregados [11]. A continuación se explican los conceptos de los dos materiales estabilizantes comúnmente utilizados.

7.4.1. Estabilización con Emulsión La emulsión asfáltica es un fluido procesado en plantas el cual consta de bitumen emulsificado en agua mediante el uso de agentes que mantienen en suspensión el asfalto (Ver figura 10). Las emulsiones pueden estar cargadas positiva (Catiónicas) o negativamente (Aniónicas) dependiendo de la carga del agente emulsificante [11].

Figura 10. Producción de Emulsión asfáltica

Fuente: Academia de Asfalto (2009)

Cuando la emulsión se mezcla con el agregado, las cargas de las pequeñas partículas de bitumen logran que éstas se atraigan al material granular, cuyas propiedades (tipo de agregado, humedad) son determinantes para que el material sea totalmente recubierto y la emulsión no se rompa durante el proceso de mezclado. El proceso de rompimiento de la emulsión se define como la separación entre el bitumen y el agua. Una vez realizada la mezcla con los granulares, es necesario dejar que la mezcla se rompa, de tal manera que el agua se evapore y el asfalto pueda actuar como un cementante de las partículas granulares. Debido a que el agente actúa como un lubricante, el proceso de rompimiento ocurre únicamente después que el material ha sido compactado completamente [11].


CHAPTER 2: Bitumen Stabilisation, Usage and Design Approach – What is Bitumen Emulsion and Foamed Butimen

4

2 BITUMEN STABILISATION, USAGE AND DESIGN APPROACHThis chapter covers much of the background information for the subsequent chapters. A description of bitumen emulsion and foamed bitumen is presented and the behaviour of BSMs are discussed. The selection of materials and projects suitable for bitumen stabilisation is reviewed along with the bene!ts of using BSMs and where they are most appropriately used. Finally, the philosophy underlying the design approach for mix and structural design is presented and discussed.

2.1. WHAT IS BITUMEN EMULSION AND FOAMED BITUMEN?Both bitumen emulsion and foamed bitumen are methods of reducing the viscosity of bitumen, allowing it to be mixed with cold moist material. They are, however, produced using completely di"erent methods.

Bitumen Emulsion

Bitumen emulsion is comprises bitumen emulsi!ed in water. The bitumen is dispersed in the water in the form of an oil-in-water type bitumen emulsion. The bitumen is held in suspension by an emulsi!ying agent. The emulsifying agent determines the charge of the bitumen emulsion. Cationic bitumen emulsions have a positive charge and anionic bitumen emulsion have a negative charge. The manufacture of a typical bitumen emulsion is illustrated in Figure 2.1. Bitumen emulsion is manufactured in a plant and has a shelf life of several months, provided the manufacturer’s storage guidelines are strictly followed.

Figure 2.1 Manufacture of Bitumen Emulsion

Foamed Bitumen

Foamed bitumen is produced by injecting water into hot bitumen, resulting in spontaneous foaming. The physical properties of the bitumen are temporarily altered when the injected water, on contact with the hot bitumen, is turned into vapour, which is trapped in thousands of tiny bitumen bubbles. This process is shown in Figure 2.2. The foam dissipates in less than a minute. The foaming process occurs in an expansion chamber. The expansion chamber developed by Mobil in the 1960’s is still the most commonly used system for producing foamed bitumen. Expansion chambers are relatively small thick-walled steel tubes, approximately 50 mm in depth and diameter, into which bitumen and water (plus air on some systems) are injected at high pressure.

Figure 2.2 Foamed Bitumen Production in Expansion Chamber

Mill

Acid orCaustic SodaSurfactants

Water BitumenWaterWater

5 microns

Mill



5 microns

Water

Hot bitumen

Air

Expansion chamber

Water

Hot bitumen

Air

Expansion chamber




29

Mediante el uso de emulsiones asfálticas, el bitumen se dispersa preferentemente alrededor de los agregados finos, sin embargo, también se alcanzan a cubrir levemente las partículas gruesas, formando así un enlace químico entre el agregado y el bitumen, esto se puede evidenciar en la siguiente gráfica:

Figura 11. Ilustración esquemática de la interacción entre la emulsión asfáltica y los agregados.

Fuente: Academia de Asfalto (2009) La falta de uniformidad y continuidad en la consolidación de los agregados mediante agentes estabilizadores con bitumen, hace que el material compactado tenga relaciones de vacíos similares a las de una capa granular, sin embargo, el comportamiento es distinto a la de otros materiales utilizados para la construcción del pavimento, ya que el bitumen esparcido al interior logra alterar la propiedades al corte mediante el importante incremento de la cohesión sin afectar de manera significativa el ángulo de fricción interna del material.

7.4.1.1. Limitaciones en el uso de emulsión asfáltica Existen algunas limitantes que hay que tener en cuenta previo al desarrollo de actividades de estabilización y reciclaje con emulsiones asfálticas, éstas comprenden el contenido de humedad de los materiales in situ, la estabilidad de la emulsión, y la fabricación o formulación de la emulsión asfáltica.

• Contenido de humedad de los materiales in situ: el contenido de humedad del material a reciclar debe tenerse en cuenta, ya que si éste tiene una alta humedad, puede que al agregar la emulsión se genere una mezcla sobre saturada que evite la apropiada compactación.

• Estabilidad de la Emulsión: el agente emulsificante debe ser lo suficientemente estable para tolerar el paso a través de las bombas y la barra de inyección que ejercen presión sobre el fluido, con el fin que el proceso de rompimiento no ocurra antes que la mezcla y la instalación del material.



2







cementedmaterial








gravel


Bitumen

Asphaltconcrete


BSMs

Cement


cementedmaterial

High

Intermediate

Low

None


cementedmaterial








gravel


Bitumen

Asphaltconcrete


BSMs


BSMs

Cement


cementedmaterial

High

Intermediate

Low

None




30

• Fabricación o formulación de la emulsión asfáltica: la pobre fabricación de las emulsiones puede generar problemas relacionados con el rompimiento prematuro de la mezcla y taponamiento de los mecanismos al interior de la recicladora. Por otra parte, si la elección del emulsificante no se hace correctamente, puede generar incompatibilidad entre el agente estabilizador y los agregados ocasionando que el proceso de rompimiento tome meses en llevarse a cabo.

El clima donde se realice cualquier trabajo de reciclaje puede ocasionar una limitación en cuanto al tipo de estabilizante a utilizar. En el caso de las emulsiones asfálticas, éstas deben utilizarse en ambientes con temperatura mayor a 5ºC, ya que a bajas temperaturas la emulsión puede romperse prematuramente generando una calidad pobre de la mezcla. De manera similar, un ambiente muy húmedo puede ocasionar que el contenido de líquidos de la mezcla se tan alto, que pueda afectar la compactación de la misma [11].

7.4.2. Estabilización con Asfalto Espumado El asfalto espumado se produce mediante la inyección a alta presión de agua (y en algunos casos aire) en bitumen caliente. La espuma se produce al alterar temporalmente las propiedades físicas del bitumen cuando el agua en contacto con éste genera vapor el cual es atrapado en pequeñas burbujas de asfalto. Este proceso ocurre dentro de una cámara de expansión al interior de la maquina recicladora y la espuma que se genera se disipa en menos de un minuto (Ver figura 12). Para la producción de una mezcla estabilizada, el asfalto espumado se debe desarrollar in situ y debe ser incorporado de manera inmediata a los agregados antes que se disipe la espuma. Mientras mayor sea el volumen o la cantidad del agente, mejor va a ser la distribución del bitumen en el agregado.

Figura 12. Producción de asfalto espumado



CHAPTER 2: Bitumen Stabilisation, Usage and Design Approach – What is Bitumen Emulsion and Foamed Butimen

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2 BITUMEN STABILISATION, USAGE AND DESIGN APPROACHThis chapter covers much of the background information for the subsequent chapters. A description of bitumen emulsion and foamed bitumen is presented and the behaviour of BSMs are discussed. The selection of materials and projects suitable for bitumen stabilisation is reviewed along with the bene!ts of using BSMs and where they are most appropriately used. Finally, the philosophy underlying the design approach for mix and structural design is presented and discussed.

2.1. WHAT IS BITUMEN EMULSION AND FOAMED BITUMEN?Both bitumen emulsion and foamed bitumen are methods of reducing the viscosity of bitumen, allowing it to be mixed with cold moist material. They are, however, produced using completely di"erent methods.

Bitumen Emulsion

Bitumen emulsion is comprises bitumen emulsi!ed in water. The bitumen is dispersed in the water in the form of an oil-in-water type bitumen emulsion. The bitumen is held in suspension by an emulsi!ying agent. The emulsifying agent determines the charge of the bitumen emulsion. Cationic bitumen emulsions have a positive charge and anionic bitumen emulsion have a negative charge. The manufacture of a typical bitumen emulsion is illustrated in Figure 2.1. Bitumen emulsion is manufactured in a plant and has a shelf life of several months, provided the manufacturer’s storage guidelines are strictly followed.

Figure 2.1 Manufacture of Bitumen Emulsion

Foamed Bitumen

Foamed bitumen is produced by injecting water into hot bitumen, resulting in spontaneous foaming. The physical properties of the bitumen are temporarily altered when the injected water, on contact with the hot bitumen, is turned into vapour, which is trapped in thousands of tiny bitumen bubbles. This process is shown in Figure 2.2. The foam dissipates in less than a minute. The foaming process occurs in an expansion chamber. The expansion chamber developed by Mobil in the 1960’s is still the most commonly used system for producing foamed bitumen. Expansion chambers are relatively small thick-walled steel tubes, approximately 50 mm in depth and diameter, into which bitumen and water (plus air on some systems) are injected at high pressure.

Figure 2.2 Foamed Bitumen Production in Expansion Chamber

Mill



5 microns

Mill



5 microns

Water

Hot bitumen

Air

Expansion chamber

Water

Hot bitumen

Air

Expansion chamber




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Durante el proceso de mezclado de la espuma asfáltica y los granulares, la humedad de los materiales juega un papel importante en la dispersión del estabilizante. En este proceso, las pequeñas pompas que forman la espuma, se revientan una a una produciendo pequeñas partículas de bitumen que se adhieren a los agregados finos formando una matriz asfáltica. El proceso de adherencia se puede catalizar mediante la adición de llenantes a la mezcla. A diferencia de la emulsión asfáltica, el asfalto espumado se distribuye específicamente a las partículas más finas produciendo “soldaduras por puntos” de matriz asfáltica [11], tal como se muestra en la siguiente figura:

Figura 13. Ilustración esquemática de la interacción entre el asfalto espumado y los agregados

Fuente: Academia de Asfalto (2009) Para la evaluación del asfalto espumado se deben considerar dos propiedades principales:

• Radio de expansión: Es una medida de la viscosidad de la espuma, calculado como la razón entre el máximo volumen de la espuma y el volumen original. Esta propiedad determina la capacidad de dispersión del agente estabilizante.

• Vida Media: Es el tiempo en segundos que demora la espuma en colapsar a la mitad de su volumen máximo. Esta propiedad determina la estabilidad del agente estabilizante.

No hay límites superiores para valores de vida media y razón de expansión. Los mínimos valores a estas dos propiedades para estabilizar un material de 25ºC son [9]:

• Vida media: 8 segundos • Razón de Expansión: 10 veces.



2







cementedmaterial








gravel


Bitumen

Asphaltconcrete


BSMs

Cement


cementedmaterial

High

Intermediate

Low

None


cementedmaterial








gravel


Bitumen

Asphaltconcrete


BSMs


BSMs

Cement


cementedmaterial

High

Intermediate

Low

None




32

7.4.2.1. Limitaciones en el uso del asfalto espumado Existen algunas limitaciones que pueden afectar el buen desarrollo de actividades de estabilización y reciclaje con asfalto espumado, éstas incluyen el contenido de finos en los materiales a reciclar, el equipo de producción de la espuma asfáltica, y la incompatibilidad entre el agua y el bitumen [11].

• Contenido de finos: El requerimiento mínimo de contenido de finos (que pasen el tamiz de 0,075mm) para garantizar una buena mezcla y una buena dispersión del agente estabilizador es de 5%.

• Equipo de Producción: Importantes problemas se pueden presentar debido al uso de equipos de baja calidad que no producen de manera uniforme y consistente el asfalto espumado.

• Incompatibilidad entre el agua y el bitumen: Los dos líquidos utilizados para le generación de asfalto espumado (agua y bitumen caliente) no son compatibles entre ellos. Es por esto que para la generación de asfalto espumado, ser requiere utilizar equipos especiales construidos para este propósito. Si el sistema a utilizar, no tiene en cuenta la incompatibilidad entre agua y asfalto, se generarán bloqueos dentro del equipo.

Al igual que la emulsión asfáltica, la estabilización con asfalto espumado también puede verse afectada por los factores climáticos del lugar en donde se desarrolle la intervención. Si la temperatura del material previo al proceso de mezclado es muy bajo (menor a 10ºC), la espuma asfáltica no se dispersará lo suficientemente bien para garantizar la calidad del material resultante. En la siguiente tabla se realiza una comparación entre los dos tratamientos de estabilización (con asfalto espumado y emulsión asfáltica) y la mezcla densa en caliente:

Tabla 4. Comparación entre distinto tipos de aplicaciones con asfalto

Cuadro comparativo entre distintos tipos de aplicaciones con asfalto

Factor Emulsión asfáltica Asfalto espumado Mezcla en caliente

Tipo de agregados en que se puede aplicar técnica

– Roca chancada – Grava natural

– RAP, mezcla en frio – RAP, estabilizado

– Roca chancada – Grava natural

– RAP, estabilizado – Materiales marginales

– Roca chancada – 0% a 50% RAP

Temperatura mezclado del

asfalto 20 °C – 70 °C 160 °C – 180 °C

(antes de espumar) 140 °C – 180 °C

Temperatura del agregado durante

la mezcla Ambiente (en frio) Ambiente (en frio) Solo en caliente

(140°C – 200°C)



33

Contenido de humedad durante

la mezcla

90% de OMC menos el 50% del contenido

de emulsión

Bajo la OMC, por ejemplo 65% a 95%

de la OMC Seca

Tipo de recubrimiento de

partículas del agregado

Recubrimiento parcial de partículas gruesas

y cohesión de la mezcla con mortero

asfalto/ finos

Recubrimiento en zonas puntuales de la

mezcla, gracias a mortero asfalto/finos

Recubrimientos de todas las partículas de

agregado

Temperatura de colocación y

compactación Ambiental Ambiental 140 °C – 160 °C

Velocidad para adquirir

resistencia Lento Medio Rápido

Asfalto modificado Si No apropiado Si

Parámetros a tener en cuenta

– Tipo de emulsión (aniónica,catiónica) – Asfalto residual

– Tiempo de quiebre – Curado

– Vida Media – Razón de expansión

– Penetración – Punto de

ablandamiento – Viscosidad

Fuente: Wirtgen (2004)

7.4.3. Concepto para Aporte de Materiales Hidráulicos (Cal y Cemento) La adición de cal y cemento, son agentes estabilizadores comúnmente utilizados cuando existe la necesidad de añadir partículas finas para cumplir con la granulometría recomendada para el reciclaje, especialmente cuando se realiza este proceso con la implementación de asfalto espumado. Adicionalmente, otra de las funciones de estos dos agentes utilizados comúnmente como estabilizadores, es al de proporcionar resistencia y aumentar la capacidad portante de la nueva capa especialmente cuando los materiales a reciclar tienen altos contenidos de humedad. El uso de la cal es adecuado para materiales más plásticos ya que reacciona con las partículas arcillosas reduciendo ésta propiedad. Por otra parte, el uso del cemento, puede estar limitado a tratar materiales con índices de plasticidad menores que 10. [11] La resistencia adquirida por los materiales tratados con cal y cemento es proporcional a la cantidad adicionado de estos estabilizantes, sin embargo, es preciso mencionar que al agregar más cemento de lo recomendado puede afectar el desempeño del comportamiento de la capa, ya que puede volverla más frágil y menos flexible, llevando a la proliferación de grietas y falla prematura del pavimento por fatiga. Para el reciclaje de pavimentos, generalmente se utiliza menos del 1% (porcentaje del peso total de los granulares) de cal o cemento.



34

Existen cuatro formas de aplicar la cal y el cemento, mediante la entrega de bolsas y esparcido a mano, esparcido a granel, integrado a la recicladora e inyección de lechada [9], cada uno de estos métodos se describe a continuación:

1. Entrega en bolsas y esparcido a mano: Este proceso se puede optimizar si se divide el pavimento en cuadriculas y se determina el área de cobertura de cada bolsa de cemento, la cual es abierta y esparcida por el obrero con una llana de goma para distribuir en un espesor uniforme el material.

2. Esparcido a Granel: Se utiliza un camión que descarga el cemento a cierta tasa de distribución requerida. Para este tipo de aplicación hay que tener especial cuidado cuando el porcentaje de cemento a aplicar es inferior al 2% pues no se cuenta con un gran control y la aplicación se ve afectada por la lluvia y el viento que pueden producir perdidas del estabilizante.

3. Integrado a la recicladora: Las recicladoras modernas cuentan con un compartimiento para la cal o el cemento ubicado inmediatamente en frente del tambor fresador-‐mezclador, lo cual permite una aplicación uniforme y libre de polvo, lo cual es especialmente útil para contenidos en capas de menos del 2%.

4. Inyección de lechada: éste es el medio más preciso para aplicar el cemento o la cal en las capas de pavimento a reciclar. El agua en conjunto con el estabilizante (generalmente en una relación 1:1) forman un fluido que se puede aplicar previo al paso de las recicladoras o en el mejor de los casos dentro de las mismas. Actualmente, las recicladoras modernas están diseñadas para premezclar el cemento o la cal con el agua, y realizar la debida aplicación mediante aspersores, logrando una alta uniformidad.



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8. Metodología de Rehabilitación In Situ en Frío

8.1. Factores que Afectan o Deterioran el Pavimento Con el objetivo de asegurar el éxito de un proceso de rehabilitación de pavimento, es necesario conocer las características y las condiciones del mismo. Aunque los métodos de reciclaje vistos anteriormente, son procesos poderosos con grandes ventajas, no siempre pueden ser aplicados y no todos los pavimentos son candidatos para la realización de estas metodologías. Para tomar decisiones sobre qué proceso de rehabilitación se debe utilizar, es necesario tener un juicio sustentado en una evaluación del proyecto el cual incluye [10]:

• Auscultación visual de la superficie del pavimento • Revisión de información y antecedentes • Evaluación de las propiedades del pavimento • Evaluación de las fallas • Selección preliminar de rehabilitación • Análisis económico • Diseño detallado del proyecto

Una de las partes más fundamentales de la evaluación del proyecto es el estudio de la condición del pavimento existente. Las fallas que se pueden evidenciar superficialmente en el pavimento pueden ser causadas por factores climáticos o ambientales, efecto del tráfico, deficiencias constructivas o de los materiales con las cuales se construyeron. La auscultación visual y la evaluación de las fallas del pavimento deben realizarse de la manera más detallada y rigurosa posible, realizando un inventario en el cual se detallen las fallas encontradas, y la severidad y la frecuencia de dichas fallas [10]. El inventario de fallas resultante de estos procesos generalmente se resume o cuantifica en un valor numérico tal como el PCI (Pavement Condition Index), el SDI (Surface Distress Index), el método VIZIR, entre otros. La Federal Highway Administration (FDA) clasifica en seis categorías las posibles fallas que se pueden evidenciar en una auscultación visual.

• Defectos superficiales • Deformaciones • Fisuras y Agrietamiento • Actividades de Mantenimiento • Problemas en las capas de base y subrasante • Calidad del viaje • Seguridad



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Dentro de las principales causas que ocasionan el deterioro del pavimento se encuentran las condiciones climáticas, las cargas repetitivas del tráfico, y la extensión o propagación de las grietas.

8.1.1. Condiciones Climáticas Las condiciones ambientales adversas, pueden afectar tanto la superficie como la estructura del pavimento. La superficie se puede ver afectada por los cambios de volumen producto de la dilatación y contracción del material sometido a altas y bajas temperaturas en un corto periodo de tiempo. Adicionalmente, puede ocurrir el proceso de hinchamiento de la superficie, causado principalmente por ciclos de congelamiento y deshielo durante las temporadas invernales. Finalmente, los rayos ultravioleta del sol oxidan el asfalto, volviéndolo frágil, proceso que es conocido como envejecimiento [10]. Por otra parte, la estructura del pavimento puede ser seriamente alterada por el agua, la cual puede saturar las capas granulares de la estructura, deformando y lubricando las partículas que las componen. Adicionalmente, si hay presencia de agua en el interior de las capas inferiores del pavimento, existe la posibilidad de que se expanda la estructura en presencia de bajas temperaturas, debido al proceso de congelamiento.

8.1.2. Tráfico Las cargas cíclicas ocasionadas por el paso de los vehículos sobre una estructura de pavimento producen pequeñas deformaciones momentáneas. En términos generales, las deformaciones producidas por el paso de un vehículo liviano son insignificantes, mientras que las producidas por un vehículo pesado deben ser consideradas. Las deformaciones se van acumulando a medida que pasan mayor cantidad de vehículos, ya que la estructura no se comporta como un material elástico, produciendo así deformaciones permanentes y agrietamiento y fatiga del pavimento. Aunque en Colombia la Resolución 4100 de 2004 establece las cargas máximas por eje en vehículos de carga pesada, cuando un camión no cumple con la normatividad y tiene ejes sobrecargados, la afectación sobre el pavimento es importante acelerando el deterioro del mismo. La deformación permanente o ahuellamiento causado por el tráfico, se da como consecuencia de la densificación de las capas (especialmente las capas granulares) las cuales se aglomeran produciendo una reducción en la relación de vacíos. En las capas asfálticas esta reducción de la relación de vacíos, produce que la superficie actúe a manera de fluido causando el desplazamiento lateral de la mezcla en el lugar por donde pasa la huella de los ejes de los vehículos [10].



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La fatiga o el agrietamiento ocurren en la base de las capas asfálticas, cuando la deformación a tracción alcanza su valor máximo produciendo una pequeña grieta que se puede propagar hacia la superficie.

8.1.3. Propagación de las Grietas Una vez las fisuras generadas en la base de las capas ligadas se propaga hasta la superficie del pavimento, el agua que se encuentra en el ambiente, puede entrar de manera libre al interior de la estructura, causando perdida en la capacidad de soporte, lo cual bajo el continuo paso de cargas móviles, acelera el deterioro de la estructura. Adicionalmente, el agua como cualquier fluido, transmite las cargas verticales ejercidas por los vehículos pesados en presiones, lo cual produce erosión del material granular dando paso al fenómeno de bombeo que consiste en la expulsión de las partículas finas y el incremento en la relación de vacíos.

8.2. Mantenimiento y Rehabilitación Superficial y Estructural Las intervenciones a realizar sobre una estructura de pavimento deben estar sustentadas en un estudio del ciclo de vida del mismo en donde se evalúen todas las variables que intervienen en la construcción, operación y mantenimiento de las vías con el fin de establecer curvas de deterioro y de perdida de serviciabilidad a lo largo de la vida útil de la estructura. La serviciabilidad de una vía se define como la capacidad de un pavimento de proporcionar al usuario de la vía un nivel razonable de confort. El nivel de serviciabilidad puede ser cuantificado y es usualmente expresado dentro de una escala llamada PSI (Present Serviciability Index). El valor del PSI se puede variar con el paso del tiempo y puede verse afectado por la calidad original de la construcción, las características de las capas de la estructura, la rigidez de las capas, las propiedades de la subrasante, factores ambientales, la efectividad de las actividades de mantenimiento y las características del tráfico [10]. La curva de deterioro del pavimento tomada a partir del análisis del ciclo de vida de la estructura refleja que el nivel de deterioro se acelera en la medida en la que incrementa la edad y el tráfico de la vía. De igual manera, a medida que el deterioro del pavimento es mayor, los costos necesarios para su rehabilitación aumentan drásticamente y de manera exponencial. Con el fin de extender la vida útil del pavimento se pueden combinar una gran variedad de alternativas que involucren procesos de mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción, buscando minimizar la relación costo/beneficio (ver Figura 14).



38

Figura 14. Ejemplo curva de deterioro del pavimento

Fuente: ARRA (2001)

El mantenimiento correctivo o preventivo de un pavimento se realiza superficialmente dependiendo del propósito, el cual generalmente busca prevenir la infiltración de humedades dentro de la estructura y corregir o prevenir el deterioro causado por efectos ambientales. El mantenimiento preventivo busca preservar o extender la vida útil del pavimento hasta que una rehabilitación o reconstrucción completa es requerida. Según el ARRA (2001) el mantenimiento preventivo contempla las siguientes actividades:

• Reciclaje in situ en caliente (HIR) con o sin sobrecarpeta de rodadura. • Reciclaje in situ en frio (CIR) con sobrecarpeta de rodadura • Sellado de fisuras • Sobre carpeta de rodadura asfáltica abierta

Por otra parte, las actividades de mantenimiento correctivo aplicado a la superficie del pavimento, están enfocadas a corregir problemas existentes de la estructura e incluye actividades rutinarias como el sellado de fisuras, reparaciones puntuales, parcheo, bacheo y limpieza de cunetas y del sistema de drenaje de las carreteras. En la medida que se deteriora el pavimento, llega un punto donde el solo mantenimiento preventivo no es suficiente para alcanzar un valor de serviciabilidad aceptable por el usuario, por lo cual se hace necesario realizar actividades de rehabilitación que aunque son más costosas, pueden lograr condiciones de la estructura semejantes a las iniciales [10]. La rehabilitación puede enfocarse a mejorar los niveles de rugosidad de la vía, contrarrestar deformaciones, fisuras y ahuellamiento de la estructura, corregir defectos y deterioros y deficiencias superficiales y estructurales, evitar altos costos de mantenimiento periódico. Las

The rate of pavement deterioration accelerates with increasing age and traffic. As the deteriora-tion continues, the cost of the rehabilitation increases dramatically, as was indicated in Chapter 1.If no preventative maintenance or rehabilitation is undertaken at the appropriate times, the road-way will quickly deteriorate to the point where expensive reconstruction will be the only option.Fortunately, with the timely application of preventive maintenance and rehabilitation activitiessignificant extensions to the roadway’s service life can be achieved, as indicated in Figure 2-1.

A wide variety of preventive maintenance and rehabilitation procedures exist which can be usedindividually or in combination to form a strategy to extend the service life of the pavement, in themost cost effective manner.

2.1 PAVEMENT MAINTENANCEPavement maintenance can be categorized as “corrective” or “preventive,” depending on theintended purpose. In general, maintenance activities are intended to:

• prevent moisture from infiltrating the pavement structure• correct or prevent deterioration due to environmental effects

Preventive maintenance consists of any activity that is intended to preserve or extend the servicelife of a pavement until a major rehabilitation or complete reconstruction is required. In order tomaximize the cost-effectiveness of preventive maintenance, the procedures need to be applied priorto the pavement showing significant signs of distress or deterioration. Preventive maintenance isintended to maintain the durability and flexibility of the pavement. It does not increase the

28 REHABILITATION STRATEGIES

Pa

ve

me

nt

Co

nd

itio

n /

Rid

e Q

ua

lity

Time / Traffic

PreventativeMaintenance Rehabilitation Reconstruction

Effect of NoRehabilitation

Effect of NoPreventativeMaintenance

InitialCondition

Figure 2-1: Pavement Deterioration vs. Time



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siguientes metodologías pueden ser aplicadas en un proyecto de rehabilitación de pavimentos:

• Reciclaje in situ en caliente (HIR) con o sin sobrecarpeta de rodadura. • Reciclaje in situ en frio (CIR) con sobrecarpeta de rodadura • Full Depth reclamation (FDR) con sobrecarpeta de rodadura • Capa delgada o gruesa de mezcla asfáltica en caliente • Fresado y carpeta asfáltica • Fresado seguido de HIR, CIR, FDR o CCPR (Reciclaje en planta) y luego

sobrecarpeta asfáltica de rodadura.

Cada una de las técnicas de rehabilitación mencionadas anteriormente ofrecen ventajas frente a los métodos usados convencionalmente, sin embargo, la elección puntual de la estrategia a utilizar debe basarse en una evaluación del proyecto tal y como se mencionó en el capítulo 7.1. Ya que no todas las estrategias son igualmente adecuadas para todo tipo de proyectos. El siguiente esquema tomado del manual de reciclaje del ARRA (2001) describe el procedimiento a seguir para desarrollar actividades de rehabilitación en un pavimento flexible:



40

Figura 15. Proceso selección de la técnica rehabilitación

Fuente: ARRA (2001)

8.2.1. Indicadores de Superficie La calidad del pavimento se analiza determinado la regularidad superficial, la cual se ve afectada por deficiencia en los procesos constructivos y al daño producido en la

DISEÑO DETALLADO Y ANÁLISIS

SELECCIÓN DE TÉCNCIA DE REHABILITACIÓN

ANÁLISIS ECONÓMICO

Inversión Inicial Análisis de Ciclo de Vida

SELECCIÓN DE POSIBLES TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN

EVALUACIÓN DE LAS OPCIONES DE REHABILITACIÓN

-‐Presupuesto -‐Póliticas

-‐Geometría -‐Crecimiento del tráxico

-‐Factores Ambientales -‐Performance

DETERMINACIÓN DE CAUSAS DE LAS FALLAS DEL PAVIEMNTO

ACTIVIDADES PRELIMINARES

Auscultación visual Revisión de Información y antecedentes

Cuantixicación de las propiedades del paviemnto



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estructura de pavimento por el paso del tránsito vehicular. La regularidad superficial se define normalmente por un índice que se relaciona con determinada longitud de la carretera, el cual se obtiene mediante el perfil longitudinal y aplicando un modelo matemático de análisis para reducir el perfil a un índice estandarizado. Con el fin de estandarizar el valor de la regularidad superficial, el Banco Mundial propuso en 1986 el Índice Internacional de Rugosidad (IRI), que se basa en un modelo matemático denominado cuarto de carro normalizado circulando a 80Km/h. dicho índice se obtiene a partir de la acumulación del desplazamiento relativo entre masas de la carrocería y la suspensión del modelo, cuando el vehículo circula por el perfil del camino en estudio. El propósito del sistema es analizar la red por segmentos de 1Km. El rango de la escala del IRI para una carretera pavimentada es de 0 a 12 m/km, donde un valor de 0 es una superficie uniforme y un valor de 12 una vía intransitable. La Figura 16 muestra las características de los pavimentos dependiendo del valor del IRI, según experiencias recopiladas por el Banco Mundial en diversos países [14].

Figura 16. Escala de valores del IRI y las características de los pavimentos

Fuente: Arriaga et al (2009)

Por otra parte, la fricción superficial de una vía se define como la fuerza que se desarrolla en la interface rueda-‐pavimento, capaz de resistir el deslizamiento cuando se aplican las fuerzas de frenado. La fricción también es un valor crítico en la seguridad, especialmente cuando los pavimentos tienen presencia de agua, ya que ésta actúa como lubricante y reduce el contacto entre la rueda y pavimento. Si la película de agua es gruesa y al vehículo circula a gran velocidad, las ruedas pierden contacto con el pavimento, creando el peligroso fenómeno de hidroplaneo.



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En la fricción superficial influyen tres factores: microtextura que se refiere a la rugosidad de las superficies de las partículas gruesas (agregados) tomadas en forma individual de la superficie de rodamiento y del ligante de esta superficie; macrotextura, que contribuye a la fricción por adhesión con las ruedas del vehículo, la cual está controlada por la terminación superficial; y la pendiente transversal de calzada, que contribuye a la fricción superficial facilitando la salida del agua hacia los bordes. La fricción, se mide a través del Coeficiente de Fricción (CF), cuyo valor irá disminuyendo a medida que pase el tiempo y se esté viendo afectado por la acción repetitiva de las llantas de los vehículos que a diario circularan la vía. El Índice de Condición del Pavimento (PCI) es calificado como la metodología más completa para la evaluación y calificación de pavimentos flexibles y rígidos, dentro de los modelos de gestión vial disponibles. En esta metodología el deterioro de la estructura de pavimento es una función de la clase, severidad y cantidad o densidad del mismo, propiedades que se toman a partir de los resultados de un inventario de daños. El PCI es un índice numérico que varía desde cero, para un pavimento en mal estado, hasta 100 para un pavimento en muy buen estado. Los valores de PCI se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 5. Clasificación PCI

Rango Clasificación 100-85 Excelente 85-70 Muy Bueno 70-55 Bueno 55-40 Regular 40-25 Malo 25-10 Muy Malo

rela10-0 Fallado Por otra parte, el método VIZIR clasifica los pavimentos flexibles, estableciendo una distinción entre fallas estructurales (deformaciones y agrietamientos producidos por el paso de vehículos) y fallas funcionales. Con el fin de desarrollar la clasificación, se determina el Índice de Deterioro Superficial (IS) que clasifica el estado de la estructura considerando únicamente la gravedad y extensión de las fallas estructurales.



43

Al Igual que el PCI, el IS es un índice numérico, sin embargo el IS varía desde 1 para un pavimento en buen estado hasta 7 para un pavimento deficiente [15]. Los valores de IS se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 6. Clasificación VIZIR

Rango Clasificación 1 y 2 Bueno 3 y 4 Regular

5, 6 y 7 Deficiente

8.2.2. Indicadores Estructurales Con el fin de estudiar el comportamiento mecánico de un pavimento ante la aplicación de cargas dinámicas, se utiliza en la ingeniería de pavimentos las galgas extensiométricas, las cuales son dispositivos eléctricos que permiten la medición de deformaciones de las distintas capas que conforman la estructura. Las galgas extensiométricas hacen parte de la instrumentación a instalar entre las capas de la estructura para medir su rendimiento, su deterioro y el comportamiento del pavimento ante la aplicación de cargas repetidas. Los resultados arrojados por la medición de deformaciones, son comparados con las deformaciones máximas admisibles, con el fin de predecir y anticipar una falla estructural. Por otra parte, con el fin de evaluar la distribución de esfuerzos entre las capas que conforman la estructura, se utiliza el Deflectometro de Impacto (FWD), para calcular el área del cuenco de deflexiones, el cual puede indicar la capacidad de la estructura para distribuir los esfuerzos aplicados sobre ella. El deflectometro de impacto (FWD) es un ensayo no destructivo con el cual es posible evaluar la capacidad estructural de la estructura. El equipo utilizado para realizar los ensayos FWD imparte una carga dinámica a la estructura simulando el paso de una carga vehicular, simultáneamente se miden las deformaciones sufridas a ciertas distancias de la superficie del pavimento (ver figura 17), las cuales son utilizadas para realizar un retrocálculo y obtener el módulo resiliente de la subrasante.



44

Figura 17. Esquema Ensayo FWD

Fuente: Das (2011) [16]

La metodología para la evaluación de un pavimento flexible mediante el FWD está propuesta en la guía AASHTO 93, en la cual se presentan las ecuaciones de ajuste de los valores medidos (por temperatura y carga)

8.3. Clasificación de materiales de Subrasante Los dos métodos más utilizados para establecer la capacidad estructural de una subrasante existente son el Cono Dinámico de Penetración (DCP) y el Deflectometro de Impacto (LWD). El DCP es un instrumento utilizado para analizar la resistencia de los suelos y estimar un valor del CBR en campo. El DCP es una herramienta mediante la cual se puede estimar la capacidad estructural, el grado de heterogeneidad y de compactación de las capas que conforman el pavimento. El ensayo del DCP consiste en la caída vertical de un martillo cónico el cual va penetrando la estructura con cada golpe. A partir de este ensayo es posible obtener curvas que permiten conocer las diferentes capas que conforman el pavimento y el espesor de cada una de ellas. Adicionalmente, el “Número DCP” representa la penetración en milímetros por cada uno de los golpes, midiendo indirectamente la resistencia del suelo. En las últimas dos décadas, se han estudiado las posibles correlaciones que pueden derivarse entre el valor del Número DCP y otras propiedades del suelo. Viscarra (2006) presenta en su estudio hecho a la utilidad del DCP como herramienta para la evaluación de suelos el siguiente cuadro que resume las posibles correlaciones entre el número DCP y otras propiedades físicas de los suelos [17]:

!"

"

Interpretation of Falling Weight Deflectometer data

Animesh Das1

Introduction In falling weight deflectometer (FWD) test an impulsive load is applied on the road surface. The magnitude of the load, duration and area of loading is so adjusted that it corresponds to the effect of loading due to standard axle on in-service pavement (Sebaaly et al. 1991). The instantaneous deflections of the road surface is measured at a number of points at different distances radially outward from the centre of the falling weight. Thus, the shape of deflection bowl is obtained. Information on structural health condition can be extracted from analysis (by backcalculation) of the FWD data. Figure 1 presents a schematic diagram of a FWD (Das and Pandey 1998).

Figure 1: Schematic diagram of falling weight deflectometer

The backcalculation process The purpose of back-calculation is primarily to find out the in-situ elastic moduli (E) of the different pavement layers. In this process, the deflections values are calculated for assumed elastic moduli values, compared with the observed deflection values, and accordingly the assumed moduli values are further adjusted for the next iteration. The iteration continues until the calculated and observed deflection values match closely. This is schematically explained in Figure 2. Further, the pavement layer thickness values may also be unknown, and these can also be estimated iteratively through the back-calculation process.

"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """"""""1 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur 208 016, e-mail: [email protected]"



45

Tabla 7. Correlación Número DCP y otras propiedades del suelo

Fuente: Viscarra (2006)

El LWD es una herramienta utilizada para determinar la rigidez de las capas de material granular, mediante la medición de la deformación de un suelo compactado que es impactado por una pesa. Con los resultados obtenidos mediante el uso del

��

Relación entreDCP(mm/golpe) y:

Ecuación Autor/Autores Observaciones

Módulo Resiliente (Mpa)

George y Uddin (2000).

Suelos finos.


George y Uddin (2000).

Suelos gruesos.

Compresión No Confinada (kPa)

McElvaney y Djatnika (1991).

Suelos con limos.

492,0·1,532 �� DCPMR

475,0·3,235 �� DCPMR

Log (DCP),-, Log (UCS) 8090293�

Tabla 1 - Resumen de expresiones para correlacionar el número DCP con otros valores.

Relación entreDCP(mm/golpe) y:

Ecuación Autor/Autores Observaciones

Límite Líquido (%)

Gabr, M. et al. (2001)

Suelo con alto contenido de finos (60%).

Grado de Saturación (%)

Gabr, M. et al. (2001)

Suelo con alto contenido de finos (60%).

Valor de Soporte California (%)

Transport Road Research TRRL (1986).

Apta para todo tipo de suelos.


Webster S.L. et al.(1994).

Para suelos CH.


Webster S.L. et al. (1994).

Para suelos CL con CBR < 10 %.


Chen D. et al. (2005).

Estudio realizado en bases y sub-bases de diferentes autopistas de Estados Unidos.

Valor de Soporte California (CBR %)

o expresada también:

Van Vuren (1968), Kleyn (1975), Livneh e Ishai (1987), Webster

(1992) y Siekmeier (1999).

Apta para todo tipo de suelos (granulares y cohesivos).

141620 ,-·Log (DCP), LL �

DCPeS �� 065,01

·Log(DCP), - ,CBRLog 1214652)( �

Log(DCP) ,-, Log (CBR) 85803172�

DCP,CBR

��

00287101

6645,076,537 �� DCPMR

12,1292

DCPCBR �

� �2DCP0,0170191CBR�

�



46

dispositivo LWD, es posible estimar el módulo del suelo a partir de la siguiente ecuación:

𝑬𝒐 = 𝒇×(𝟏!𝝂𝟐)×𝝈𝒐×𝒂𝒅𝒐

Ecuación 1

Dónde: Eo: Módulo de la superficie

f: Factor de distribución de esfuerzos (2 o π/2) ν: Relación de Poisson σ0: Esfuerzo bajo el plato a: Radio del plato d0: Deflexión.

A pesar de que los valores obtenidos a partir de ambas metodologías son útiles para evaluar las propiedades físicas de la subrasante, es recomendable también tomar muestras de la estructura mediante apiques. Lo anterior con el fin de evaluar directamente la estructura y tomar datos reales de CBR o módulo resiliente a partir de ensayos de laboratorio. Adicionalmente, los ensayos a partir de cilindros tomados por apiques en campo son útiles para comparar valores y conocer en detalle las capas que conforman el pavimento.

8.4. Diseño de la mezcla

8.4.1. Diseño de mezclas en laboratorio Con el fin de realizar una selección de la mezcla apropiada para una rehabilitación por medio de reciclaje en frío, el contenido de bitumen no garantiza el máximo nivel de esfuerzo de la mezcla, pero si satisface los requerimientos mínimos estructurales y de durabilidad. El diseño de una mezcla de material estabilizado no es una tarea simple, teniendo en cuenta que está constituido por distintos elementos cuyo comportamiento es variable, estos son el agregado, el agua, el bitumen y los llenantes (cemento o cal) [9]. Por lo anterior, es necesario que las muestras de material utilizadas durante el diseño de la mezcla deben ser representativos de las capas que van a ser objeto de la rehabilitación, estas mezclas deben ser preparadas para simular la granulometría de la mezcla final reciclada. Según el manual Wirtgen (2004) el trabajo de diseño de mezclas implica los siguientes pasos:

1. Selección inicial de los agentes estabilizadores basada en las propiedades y limitaciones de cada uno de estos agentes, su disponibilidad y su costo.

2. Preparación de muestras idénticas con diferentes cantidades de agente estabilizador a una humedad óptima.

3. Las probetas con las muestras se deben curar con el fin de simular las condiciones reales del terreno.



47

4. Evaluación de las propiedades de cada una de las muestras, las cuales son sometidas a distintos ensayos.

Los ensayos mecánicos utilizados para evaluar el comportamiento de cada una de las muestras son el ensayo a tracción indirecta (ITS) y el ensayo triaxial. Mediante el ensayo a tracción indirecta (ITS) se evalúa la efectividad del bitumen en probetas secas, húmedas, curadas y saturadas (luego de sumergirlas por 24 horas a 25ºC), la Academia de Asfalto (2009), establece rangos admisibles para una mezcla con emulsión o espuma asfáltica para distintos niveles de tráfico, estas se describen en la siguiente tabla:

Tabla 8. Rangos recomendados para resultados del ensayo ITS

Ensayo

Diámetro de la muestr

a

Tráfico

Propósito

mayor a 6 millones de ejes

equivalentes

Entre 1 y 6 millones de ejes

equivalentes

Menor a 1 millón de ejes

equivalentes

ITS seco 100 mm >225 Kpa 175-‐225 Kpa

125-‐175 Kpa

Indica el contenido óptimo del bitumen

ITS húmedo 100 mm >100 Kpa 75-‐100

Kpa 50-‐75 Kpa Indica necesidad de llenante

ITS curado 150 mm >175 Kpa 135-‐175

Kpa 95-‐135 Kpa Optimiza contenido del bitumen

ITS saturado 150 mm >150 Kpa 100-‐150

Kpa 60-‐100 Kpa

Comprobar resultados de ITS húmedo

Fuente: Academia de Asfalto (2009) Por su parte, en el ensayo triaxial se aplica para obtener los valores de cohesión y ángulos de fricción. Adicionalmente, este ensayo permite conocer de manera más confiable la susceptibilidad de la muestra en presencia de agua cuando se incluye un ensayo de sensibilidad a la humedad (MIST) la cual permite el ingreso cíclico de humedad bajo condiciones realistas de presión de poros, de tal manera es posible calcular el parámetro de cohesión retenida al comparar la cohesión inicial con la obtenida después de que la muestra es expuesta a la humedad. La Academia de Asfalto recomienda los siguientes valores de cohesión, ángulo de fricción y cohesión retenida a partir de la implementación del ensayo triaxial:

Tabla 9. Rangos recomendados para resultados del ensayo Triaxial



48

Indicador

Tráfico

mayor a 6 millones de Ejes

Equivalentes

Entre 1 y 6 millones de ejes equivalentes

Menor a 1 millón de ejes

equivalentes

Cohesión (KPa) >250 100-250 50-100 Ángulo de fricción >40 30-40 <30

Cohesión Retenida (Kpa) >75 60-75 50-60 Fuente: Academia de Asfalto (2009)

8.4.2. Granulometría La granulometría de los materiales granulares en la mezcla reciclada varía según el tipo de estabilizante a utilizar, específicamente en lo relacionado con la cantidad de finos. Para una mezcla con emulsión asfáltica, un valor mínimo de 2% de finos es suficiente. En contraste, para una mezcla con asfalto espumado, un contenido aproximado de 5% de finos es requerido para que la mezcla se comporte satisfactoriamente. En la siguiente gráfica se presenta una curva de granulometría útil para la estabilización de los materiales pétreos (incluido el RAP) tanto con emulsión como con asfalto espumado, en la curva se presentan zonas en las cuales es adecuado trabajar con los materiales granulares de la mezcla:

Figura 18. Granulometría ideal de la mezcla



CHAPTER 4: Mix Design – Mix Constituents

26

Sieve Size (mm) Percent Passing

BSM-Emulsion BSM-Foam

Ideal Less suitable Ideal Less suitable

50 100 100

37.5 87 – 100 87 – 100

26.5 77 – 100 100 77 – 100 100

19.5 66 – 99 99 – 100 66 – 99 99 – 100

13.2 67 – 87 87 – 100 67 – 87 87 – 100

9.6 49 – 74 74 – 100 49 – 74 74 – 100

6.7 40 – 62 62 – 100 40 – 62 62 – 100

4.75 35 – 56 56 – 95 35 – 56 56 – 95

2.36 25 – 42 42 – 78 25 – 42 42 – 78

1.18 18 – 33 33 – 65 18 – 33 33 – 65

0.6 12 – 27 27 – 54 14 – 28 28 – 54

0.425 10 – 24 24 – 50 12 – 26 26 – 50

0.3 8 – 21 21 – 43 10 – 24 24 – 43

0.15 3 – 16 16 – 30 7 – 17 17 – 30

0.075 2 – 9 9 – 20 4 – 10 10 – 20

The di!erences between the grading zones of BSM-emulsion and BSM-foam are small enough that the di!erences cannot be discerned on the "gure.

Figure 4.2 Guidelines for Suitability of Grading for Treatment



49

Adicional al cumplimiento con la granulometría de la mezcla, es necesario minimizar la cantidad de volumen de vacíos en el agregado mineral, para lo cual se presenta la siguiente ecuación con la cual es posible conseguir este valor mínimo [11]:

Ecuación 2

dónde: d: Tamaño del tamiz seleccionado (mm) P: % de la masa que pasa por el tamiz de tamaño d C: Tamaño máximo del agregado (mm) n: variable dependiente de las características de agregado (Se sugiere valor de

n=0,45)

8.4.3. Estabilizante

8.4.3.1. Emulsión asfáltica Generalmente el bitumen utilizado para la fabricación de emulsiones Asfálticas tienen un valor de penetración entre de 80 a 100. La selección de la emulsión a utilizar para el proceso de reciclaje es esencial para el buen desempeño del mismo y por lo tanto es necesario tener en cuenta las propiedades de la emulsión como la carga (aniónicas o catiónicas) y el tiempo de rompimiento (rápido, medio o lento) [11].

• Tiempo de rompimiento de la emulsión: es aconsejable que para proyectos de reciclaje de pavimentos se utilicen emulsiones de rompimiento lento que permitan el adecuado proceso de curado de las capas tratadas. De igual manera, es recomendable realizar pruebas para determinar la tasa de rompimiento de una emulsión en distintas muestras representativas hechas en laboratorio.

• Carga de la emulsión: esta propiedad del agente estabilizador es determinante en la compatibilidad que debe existir entre la emulsión asfáltica y el agregado a estabilizar. En la tabla a continuación se presenta la compatibilidad existente entre distintos tipos de agregados y emulsiones catiónicas y aniónicas.

Tabla 10. Compatibilidad entre la Emulsión Asfáltica y los Agregados

Tipo de Agregado Emulsión Asfáltica Aniónica

Emulsión Asfáltica Catiónica

Diabasa o Dolerita Compatible Compatible Cuarcita No Compatible Compatible Corneana Compatible Compatible Dolomita Compatible Compatible Granito No Compatible Compatible

€

P =dD"

# $ %

& '

n



50

Andesita Compatible Compatible Tilita Compatibilidad variable Compatible Basalto Compatible Compatible Arenisca No Compatible Compatible Riolita No Compatible Compatible

Mármol/Norita Compatible Compatible Sienita No Compatible Compatible Anfibolita Compatible Compatible Felsita No Compatible Compatible


8.4.3.2. Asfalto Espumado Al igual que con la emulsión asfáltica, el asfalto espumado generalmente se realiza con un bitumen con penetración de 80 a 100, aunque en la práctica es posible realizarlo con asfaltos más duros es recomendable no hacerlo, ya que esto implicaría una espuma de mala calidad. Con el fin de establecer el mejor estabilizante a utilizar y analizar el posible desempeño del mismo, es necesario realizar pruebas de laboratorio con el fin de evaluar dos importantes características del bitumen a utilizar para la mezcla, estas son el radio de expansión y la vida media [11].

• Radio de expansión: como se dijo en el capítulo 6.4.2 esta característica mide la viscosidad de la espuma y determina que tan bien se podría dispersar el bitumen. Se calcula como la relación entre el volumen máximo que ocupa la espuma asfáltica y el volumen original del bitumen.

• Vida media: es el tiempo en segundos que toma a la espuma en colapsar hasta la mitad de su volumen máximo. Esta propiedad indica la estabilidad del estabilizante.

Un factor que determina la calidad del estabilizante es la cantidad de agua inyectada al asfalto durante el proceso de elaboración de la espuma. Entre mayor sea la cantidad de agua inyectada aumentará el radio de expansión, sin embargo de manera similar decaerá la vida media de la espuma. De tal manera es necesario encontrar la cantidad de agua a añadir que asegure un valor óptimo para cada una de las dos propiedades tal y como se muestra en la figura a continuación:



51

Figura 19. Determinación del Contenido Optimo de Agua

Fuente: Academia de Asfalto (2009) Adicionalmente, la temperatura a la cual se elabora la espuma asfáltica es otro de los factores importantes que establece la calidad de la misma. Se considera que una alta temperatura incrementa la calidad del agente. El contenido de agente estabilizador de la muestra que presente las propiedades deseadas, es considerado como el contenido óptimo a utilizar durante el proceso de reciclaje.

8.4.4. Llenantes naturales y activos. En este capítulo se diferencian dos tipos de llenantes los activos y los naturales. Los primeros hacen referencia a aquellos materiales que pueden alterar químicamente las propiedades de la mezcla para mejorar las adhesión, dispersión, plasticidad, rigidez y acelerar el proceso de curado. Los llenantes químicos más utilizados son el cemento, la cal y las cenizas. El segundo tipo de llenante está compuesto por agregados finos de distinta tipología cuyo objeto es dar cumplimiento a los requerimientos de la curva de granulometría. Por lo anterior, diferentes tipos de llenantes químicos pueden ser utilizados, dependiendo de su costo, disponibilidad y eficiencia. En el caso en que se utilice el cemento, la proporción a utilizar no puede ser mayor al 1% de la masa del agregado


CHAPTER 4: Mix Design – Mix Constituents

31

Figure 4.3 Determination of Optimum Foamant Water Content

Table 4.4 Foam Characteristic Limits (minimum values)

Aggregate Temperature 10 ºC to 25 ºC Greater than 25 ºC

Expansion Ratio, ER (times) 10 8

Half-life, �1/2 (secs) 6 6

4.2.3. FILLER (NATURAL AND ACTIVE) The types of !ller used with BSMs are: cement (various types, but not rapid hardening cements), lime, rock "our, "y ash and slagment. For the purpose of this guideline, the term active !ller is used to de!ne !llers that chemically alter the mix properties. This includes !llers such as lime, cement and "y ash but excludes natural !llers such as rock "our. In this guideline, lime always refers to hydrated lime.

The purpose of incorporating active !ller in BSM is to: Improve adhesion of the bitumen to the aggregate.Improve dispersion of the bitumen in the mix.Modify the plasticity of the natural materials (reduce PI).Increase the sti!ness of the mix and rate of strength gain.Accelerate curing of the compacted mix.

»»»»»

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0Water Added (%)

Expa

nsio

n (ti

mes

)

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Hal

f-life

(sec

onds

)

Minimum acceptable Expansion Ratio

Minimum acceptable Half-life

Optimum foamant water content

Equal Equal

Active "ller

The term active !ller is used to de!ne !llers that chemically alter the mix properties. This includes !llers such as lime, cement and "y ash but excludes natural !llers such as rock "our.

i



52

seco. En contraste, al utilizar cal hidratada, este porcentaje puede superar incluso el 1,5% de la masa del agregado seco. Cabe anotar que el uso de llenantes químicos aumenta de manera importante la rigidez de la mezcla, por lo tanto si se aplica de manera excesiva puede afectar las propiedades estructurales del pavimento y por los tanto provocar una falla prematura [11]. Cuando los materiales a reciclar tienen un alto índice de plasticidad (IP), es recomendable una preestabilización con cal hidratada, con el fin de reducir el valor de la plasticidad a un nivel aceptable para el uso de emulsiones o espumas asfálticas. Según la Academia del Asfalto (2009), esta modificación del IP, dependiendo del material, puede necesitar alrededor de cuatro horas.

8.5. Consideraciones para el diseño de la estructura del pavimento reciclado Las metodologías utilizadas para el diseño de pavimentos han evolucionado desde los métodos empíricos los cuales utilizan los valores hallados experimentalmente del CBR o el DCP, hasta los métodos mecanicistas que utilizan complejos modelos matemáticos para simular el comportamiento del pavimento. Aunque ninguno de estos métodos están desarrollados para el diseño de pavimentos reciclados, si pueden utilizarse para este propósito. La primera metodología para el diseño de pavimentos utiliza una guía con diferentes estructuras, de las cuales se puede escoger las distintas posibilidades de acuerdo a las características del tráfico, de las estructura, de la subrasante y de las condiciones climatológicas. A pesar de ser fácilmente aplicable, esta metodología solo ofrece una aproximación a una estructura de pavimento definitivo y reduce las posibilidades del diseño [10]. La metodología AASHTO presenta el Número Estructural (SN) para cada capa que conforma el pavimento. El SN es una medida que refleja la capacidad estructural dependiendo de las características de resistencia del material y del espesor de la capa que éste conforma. Con los resultado de deflexiones obtenidos a partir de los ensayos en campo utilizando el FWD, es posible calcular el SN requerido para un nivel de tráfico específico. Así mismo, al conocer las capas que conforman la estructura del pavimento, es posible conocer el SN real. Cuando el SN requerido es menor al SN real, se considera que el pavimento debe ser ajustado o rehabilitado ya sea mediante una capa adicional o realizando el reciclaje de las capas superiores del pavimento. La metodología AASHTO es fácil de aplicar cuando los materiales son conocidos para ciertas condiciones climáticas. Sin embargo los coeficientes estructurales (con los cuales se calcula el SN) varían según el material disponible en la zona. Los métodos de diseño mecanicistas son considerados como los más confiables. Éstos son basados en modelos matemáticos los cuales simulan el comportamiento de los



53

pavimentos. La modelación se realiza para una estructura específica con el fin de conocer las deflexiones y los esfuerzos a tensión y a compresión causados por el paso de una carga particular. El modelo multicapas-‐lineal es el más utilizado debido a sus simpleza y practicidad, aunque también se pueden utilizar métodos de análisis más complejos como el no lineal-‐elástico o el elasto-‐plástico. Los parámetros de entrada para el desarrollo del análisis mecanicista son las características de las cargas, el espesor de las capas y las propiedades de los materiales que la conforman (Relación de Poisson y Módulo Elástico). Las ventajas del modelo mecanicista es la amplia variedad de opciones de diseño que se pueden obtener de acuerdo a los análisis realizados, y el estudio del comportamiento puede identificar los puntos donde existe la mayor debilidad de la estructura.

8.6. Planificación y Trabajos Preliminares La planificación y los trabajos previos están enfocados en mantener la mayor productividad posible y evitar interrupciones con el tren de reciclaje, las cuales pueden causar irregularidades y así mismo presencia de puntos débiles en la estructura. Uno de las primeras acciones a realizar es la de conocer y establecer los puntos por donde pasan redes de acueducto y redes secas, ya que el no conocimiento de estas ubicaciones puede causar daños a los equipos de reciclaje. Incluso, el paso de líneas de gases suele ser un riesgo importante a tener en cuenta previo a las labores de reciclaje. En el caso en que se encuentren redes dentro de la profundidad de la estructura a reciclar, éstas deben ser removidas, reubicadas o enterradas a una profundidad mayor, en todo caso, no deben interferir con las labores a reciclar. En el caso en que la rehabilitación con reciclaje, particularmente si se trata del método FDR, se realice en zonas urbanas en las cuales no es posible cambiar el nivel o el perfil transversal de la vía, se deberá hacer un trabajo de fresado y remoción, para luego implementar la maquina recicladora. En este caso, es importante tener en cuenta que el producto resultante tendrá una menor cantidad de asfalto y una mayor cantidad de material granular, lo cual se debe considerar dentro del diseño de la mezcla. Adicionalmente, se deben revisar tanto el perfil transversal como el perfil longitudinal, ya que se debe asegurar la consistencia en el espesor de cada una de las capas que conforman la estructura. La ARRA en el manual de Reciclaje, establece la necesidad de tener en cuenta las siguientes consideraciones, previo al inicio de las labores:



54

• Especificaciones geométricas de la vía requeridas para lograr el mejor desempeño del tren de reciclaje.

• Plan de manejo de tráfico durante el periodo de construcción y el proceso de curado.

• Condiciones de los materiales existentes de la estructura. • Propiedades de la mezcla de pavimento reciclado, con el fin de conocer los

tiempos de curado y los niveles de humedad y compactación óptimos. • Restricciones de tráfico, normativas y especificaciones técnicas. • Tasas de producción, con el fin de establecer cronogramas reales y tiempos de

construcción.

Se debe tener en cuenta que para establecer las tasas de producción y la efectividad con la que trabaja la maquina recicladora, se debe considerar el espesor y la dureza de las capas, los requerimientos granulométricos y las especificaciones de la máquina.

Finalmente, con el objetivo de implementar un proceso continuo y así evitar interrupciones, manteniendo una producción alta, es importante establecer la cantidad necesaria de materias primas (agua, agentes, emulsiones, material granulométrico, combustible, etc.) a utilizar en cada una de las jornadas, con el fin de asegurar un abastecimiento continuo.

8.7. Criterios que Deben Orientar la Construcción Teniendo en cuenta que en una rehabilitación estructural mediante reciclaje profundo (FDR) las capas asfálticas y granulares son trituradas y mezcladas unas con otras, se debe tener criterio en la decisión relacionada con la cantidad de base granular a mezclar. Según la ARRA (2001) esta medida se debe estudiar a partir de os resultados de la modelación utilizada para el diseño y el análisis de los siguientes puntos:

• El espesor de la carpeta asfáltica en relación con el espesor de las capas granulares (bases y subbases)

• Las características granulométricas de la mezcla asfáltica fresada o triturada y de las capas granulares.

• Condición de la Subrasante • El requerimiento de agentes estabilizantes. • El requerimiento de cargas a aplicar sobre la vía y la vida útil de la misma.

Adicionalmente, se deben tener en cuenta medidas preventivas previo a implementar labores de rehabilitación, estas comprenden el análisis de riesgos, el estudio del plan de manejo de tráfico, reparación de drenajes y obras de arte y preparación o mejoramiento de la subrasante.



55

Por último, es indispensable considerar las limitaciones explicadas en los capítulos 7.4.1.1 y 7.4.1.2 tanto para el uso de las emulsiones asfálticas como para el del asfalto espumado, así como las cantidades de finos activos (Cal y Cemento) a agregar a la mezcla (ver capítulo 7.4.3).

9. Análisis de Rehabilitación de una Estructura Con el fin de presentar un análisis comparativo de la rehabilitación de una estructura de pavimento y presentar los beneficios y diferencias entre una rehabilitación convencional (reparcheo) y una rehabilitación basada en el reciclaje del pavimento, se realizaron varios modelos para establecer el diseño de una estructura rehabilitada mediante las dos alternativas nombradas anteriormente (convencional y con reciclaje FDR). En principio se tomó como punto de partida una estructura típica, la cual se muestra a continuación:

Rodadura: 10cm Base Granular: 25cm

Sub Base Granular: 30cm Subrasante

Asumiendo que la estructura presentada anteriormente necesita ser rehabilitada por fallas en su estructura, se desea realizar un diseño mediante las metodologías AASHTO y ALIZE (mecanicista) de las posibles rehabilitaciones (convencional y mediante FDR) a implementar sobre la estructura. Las modelaciones realizadas se hicieron para diferentes características estructurales de la subrasante (MR= 30, 50 y 100 MPa) y distintas tipologías de tráfico (0.5, 1 y 10 millones de ejes equivalentes). A partir de las modelaciones desarrolladas se obtuvieron los siguientes resultados: (La Hoja de cálculo y los valores típicos tomados para la implementación de los modelos se pueden detallar en el anexo No 1).

Tabla 11. Estructuras obtenidas a partir de la modelación

REHABILITACIÓN MR (MPa) TRÁFICO ESTRUCTURA

AASHTO (cm) ALIZE (cm)

CONVENCIONAL 30

500000

11 11 25 25 30 30 ∞ ∞

5000000

19 18 25 25 30 30 ∞ ∞



56

10000000

21 21 25 25 30 30 ∞ ∞

50

500000

9 11 25 25 30 30 ∞ ∞

5000000

14 18 25 25 30 30 ∞ ∞

10000000

17 20 25 25 30 30 ∞ ∞

100

500000

5 10 25 25 30 30 ∞ ∞

5000000

10 17 25 25 30 30 ∞ ∞

10000000

12 19 25 25 30 30 ∞ ∞

FDR 30

500000

5 6 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

5000000

13 13 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

10000000

15 16 20 20 15 15 30 30



57

∞ ∞

50

500000

3 5 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

5000000

8 13 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

10000000

11 16 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

100

500000

2 7 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

5000000

4 13 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

10000000

6 15 20 20 15 15 30 30 ∞ ∞

9.1. Análisis espesores

De los resultados mostrados anteriormente, cabe aclarar que para la modelación realizada en el caso de la rehabilitación por medio del reciclaje del pavimento, se



58

asumió que el espesor de la estructura a reciclar era de 20 cm, comprendiendo así los 10cm de rodadura del pavimento original y 10 cm adicionales de la base granular. Por otra parte, se puede observar a partir de las estructuras diseñadas, que existen diferencias entre los resultados obtenidos mediante el modelo AASHTO y el ALIZE, específicamente a medida que la capacidad portante de la subrasante incrementa, lo que evidencia que el modelo AASHTO es más sensible que el ALIZE en lo referente cambios del Módulo Resiliente de la subrasante. En las siguientes gráficas se describen los resultados obtenidos para el espesor de las capas de la estructura, los cuales dependen del nivel de tráfico de la vía y las condiciones de la capacidad portante de la subrasante.

Figura 20. Estructura a partir de un diseño de rehabilitación convencional

Figura 21. Estructura a partir de un diseño de rehabilitación FDR



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Se puede apreciar de las gráficas anteriores, que en el diseño de las dos estructuras (tanto para una rehabilitación convencional como para una con reciclaje), el espesor de las capas inferiores, es decir la subbase granular y la base (tanto granular como FDR) se mantiene constante, mientras que el ancho de la capa de rodadura varía de acuerdo a los requerimientos y niveles de tráfico. A partir de lo anterior, es posible evidenciar que los espesores de la carpeta de rodadura se reducen alrededor de 6cm cuando se realiza una rehabilitación con reciclaje FDR. Esto se traduce en menor necesidad de mezcla asfáltica (MDC) a utilizar y menor necesidad de recursos invertidos en el transporte de MDC desde la planta hasta el frente de obra.

Por otra parte, según los resultados obtenidos tanto por la modelación hecha en ALIZE como en la realizada mediante el método AASHTO, es concluyente que con las estructuras obtenidas por la rehabilitación FDR se aumenta el espesor de la vía en alrededor de 5cm, con respecto al mismo pavimento rehabilitado mediante un método tradicional, ya que la carpeta de rodadura original es aprovechada en su totalidad. Esto se traduce en una reducción económica en lo concerniente al transporte de material de fresado desde el frente de obra hasta el sitio autorizado para este propósito. A partir de los resultados, fue posible realizar un análisis económico para una obra en la ciudad de Bogotá, que considerara únicamente los recursos a invertir en material MDC3 y transporte de mezcla y de material fresado. Este análisis indicó la posibilidad de ahorrar alrededor de 16 millones de pesos por cada Kilometro rehabilitado, si se compara la rehabilitación convencional con la rehabilitación FDR. En la figura presentada a continuación se detallan los costos estimados de las estructuras modeladas (teniendo en cuenta los ítems de inversión mencionados anteriormente):

Figura 22. Costo incurrido en Rodadura y Transporte por Kilómetro rehabilitado

$-‐

$10.000.000

$20.000.000

$30.000.000

$40.000.000

$50.000.000

$60.000.000

0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000

COSTO

TRÁFICO

Costo Rodadura y Transporte por Km rehabilitado

Convencional-‐AASHTO FDR-‐AASHTO

Convencional-‐ALIZE FDR-‐ALIZE



60

9.2. Análisis ambiental Por otra parte, se realizó un análisis ambiental hecho a partir de las modelaciones de la estructura de pavimento rehabilitada, con el fin de identificar los ahorros energéticos y la reducción de gases de efecto invernadero obtenidos a partir de la implementación del reciclaje del pavimento. Con este objetivo, los cálculos mostrados en el presente trabajo se basan en el estudio hecho por Chappat y Bilal (2003) en el cual se presenta el consumo energético y las emisiones incurridas para la instalación de una carpeta de rodadura o para un proceso de reciclaje en frio in situ.

9.2.1. Análisis Energético El estudio hecho por Chappat y Bilal (2003) contempla la cantidad de energía utilizada en los procesos de manufactura de la mezcla, transporte, construcción y mantenimiento. Dentro del proceso de transporte se asume una distancia promedio de 20Km entre el frente de obra y la planta de Asfalto. En la siguiente se presenta el consumo de energía por tonelada de material extendido para distintos tipos de materiales [18]:

Figura 23. Energía utilizada por Tonelada de material extendida, para distintos tipos de materiales.

Fuente: Chappat y Bilal (2003)



61

Se puede evidenciar de la gráfica anterior que al extender una tonelada de concreto asfáltico (MDC) se está incurriendo en un gasto energético de 680MJ, lo cual es casi cinco veces mayor en comparación al reciclaje de una tonelada de pavimento (139 MJ). A partir de los datos anteriores y teniendo en cuenta los resultados de la modelación AASHTO realizada, es posible establecer los beneficios ambientales relacionados con el ahorro en el consumo de energía al utilizar como alternativa de rehabilitación el reciclaje de pavimento, tal y como se presenta a continuación:

Figura 24. Consumo de energía total: rehabilitación convencional vs FDR. Por Km rehabilitado

A partir de los resultados calculados, es posible establecer que al realizar una rehabilitación FDR, se obtiene un ahorro promedio de energía de 91920 MJ por cada Kilómetro de calzada construida, teniendo en cuenta los espesores de la capa reciclada y de la carpeta de rodadura. Con el fin de familiarizar al lector con las cantidades de energía ahorrada, es posible analizarla en número de galones de diésel necesarios para generar dicha cantidad de energía. Teniendo en cuenta que un galón de diésel tiene capacidad energética de 146MJ, entonces el ahorro obtenido mediante el cálculo realizado se puede traducir en 630 galones de diésel. Es decir, para el modelo realizado a partir de los parámetros asumidos, si se opta por una rehabilitación FDR, es posible obtener para cada kilómetro rehabilitado, un ahorro en energía equivalente a utilizar 630 galones de Diesel.



62

9.2.2. Análisis de reducción de gases de efecto invernadero Similar al análisis energético desarrollado en el capítulo 8.6.2.1, el estudio realizado por Chappat y Bilal (2003) relaciona las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) expresadas en CO2 equivalente, producidas en cada una de las actividades que comprenden: producción de asfalto, extracción de agregados, fabricación de la mezcla, transporte y extendido de la mezcla. Cabe aclarar que en el campo de la construcción los principales gases de efecto invernadero generados son el Dióxido de Carbono (CO2), Óxido Nitroso (N2O) y el Metano (CH4). Teniendo en cuenta que cada uno de estos gases tiene un potencial invernadero distinto a los otros, se deben analizar a partir de su equivalente en CO2. En la siguiente gráfica se describe las emisiones de GEI (expresado en KG de CO2 equivalente) por tonelada de material extendido:

Figura 25. Emisiones de CO2 equivalente por Tonelada de materia extendido, para distintos tipos de

materiales.

Fuente: Chappat y Bilal (2003) A partir de la gráfica anterior se puede deducir que el uso de una tonelada de concreto asfáltico involucra la emisión de 54 Kilogramos de GEI, mientras que el reciclaje de una tonelada de pavimento produce 10 Kilogramos de GEI. Teniendo en cuenta lo anterior, es posible calcular para las estructuras modeladas, la cantidad de GEI producidas y la reducción de GEI obtenidos mediante la rehabilitación FDR modelada. La siguiente gráfica, describe los resultados obtenidos:



63

Figura 26. Emisiones de CO2 equivalente: rehabilitación convencional vs FDR. Por Km rehabilitado

A partir de los resultados descritos en la gráfica anterior, es posible establecer una reducción promedio de gases de efecto invernadero de 8670Kg de CO2 equivalente por cada Kilómetro de calzada construida. Estos valores calculados, muestran la gran ventaja ambiental de realizar una rehabilitación donde se recicle parte de la estructura del pavimento. Cabe aclarar que para el cálculo realizado, se tuvo en cuenta el espesor de las capas recicladas y la carpeta de rodadura indicada por la modelación mediante el método AASHTO.



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10. Conclusiones • Se debe tener en cuenta, que una guía de rehabilitación aplicada al contexto

colombiano debe contemplar un proceso de adaptación al marco regulatorio y a las restricciones técnicas del país como lo son las características del suministro y las propiedades del asfalto colombiano, las propiedades y la morfología de los suelos en el país.

• El tren de reciclaje de configuración múltiple es con el que se obtiene mayor

control y por ende mayor calidad en el material resultante. • Las intervenciones a realizar sobre una estructura de pavimento deben estar

sustentadas en un estudio del ciclo de vida del mismo en donde se evalúen todas las variables que intervienen en la construcción, operación y mantenimiento de las vías.

• Los resultados obtenidos mediante modelaciones, muestran que el método de

diseño AASHTO es más sensible que el ALIZE en lo referente a cambios del Módulo Resiliente de la subrasante.

• Para la estructura asumida, las modelaciones realizadas demuestran que los

espesores de la carpeta de rodadura se reducen alrededor de 6cm cuando se realiza una rehabilitación con reciclaje FDR. Esto se traduce en menor necesidad de mezcla asfáltica (MDC) a utilizar y menor necesidad de recursos invertidos en el transporte de MDC desde la planta hasta el frente de obra

• A partir de la modelación realizada, las estructuras obtenidas para la

rehabilitación FDR aumentan en alrededor de 5cm el espesor de la vía, con respecto al mismo pavimento rehabilitado mediante un método convencional. Lo anterior se debe a que la carpeta de rodadura original es aprovechada en su totalidad.

• A partir del análisis económico realizado a los resultados de las estructuras

modeladas, se evidenció que si se compara la rehabilitación convencional con la rehabilitación FDR, existe la posibilidad de ahorrar alrededor de 16 millones de pesos por cada Kilometro rehabilitado. Estos Recursos ahorrados pueden ser reinvertidos en otros aspectos de la obra.

• El estudio hecho por Chappat y Bilal evidencia que al extender una tonelada de

concreto asfáltico (MDC) se está incurriendo en un gasto energético cinco veces mayor en comparación al reciclaje de una tonelada de pavimento.



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• A partir de los resultados de gasto energético calculados de los resultados de las modelaciones realizadas, es posible establecer que mediante una rehabilitación FDR, se obtiene un ahorro promedio de energía de 91920 MJ por cada Kilómetro de calzada construida, lo que equivale a 630 galones de Diésel, esto en comparación con el gasto energético producido por una rehabilitación convencional.

• El estudio hecho por Chappat y Bilal evidencia que al extender una tonelada de

concreto asfáltico (MDC) se está incurriendo en emisiones de GEI cinco veces mayores en comparación al reciclaje de una tonelada de pavimento.

• A partir de los resultados de emisiones de GEI calculados de los resultados de las

modelaciones realizadas, es posible establecer que mediante una rehabilitación FDR, se obtiene una reducción promedio de gases de efecto invernadero de 8670Kg de CO2 equivalente por cada Kilómetro de calzada construida, esto en comparación con las emisiones de GEI producidas en una rehabilitación convencional.



66

11. Recomendaciones

• Se debe tener en cuenta las limitaciones en el uso de emulsión asfáltica previo al desarrollo de actividades de estabilización y reciclaje. Estas limitaciones comprenden el contenido de humedad de los materiales in situ, la estabilidad de la emulsión, y la fabricación o formulación de la emulsión asfáltica.

• las emulsiones asfálticas deben utilizarse en ambientes con temperatura mayor

a 5ºC, ya que a bajas temperaturas la emulsión puede romperse prematuramente generando una calidad pobre de la mezcla.

• Durante el proceso de mezclado de la espuma asfáltica y los granulares, la

humedad de los materiales juega un papel importante en la dispersión del estabilizante.

• Se deben considerar las limitaciones en el uso del asfalto espumado, las cuales

incluyen el contenido de finos (mínimo 5%) en los materiales a reciclar, el equipo de producción de la espuma asfáltica, y la incompatibilidad entre el agua y el bitumen

• El uso del cemento en la mezcla reciclada, puede estar limitado a tratar

materiales con índices de plasticidad menores que 10.

• No se debe agregar más cemento de lo recomendado, ya que puede afectar el desempeño del comportamiento de la capa, volviéndola más frágil y menos flexible, llevando a la proliferación de grietas y falla prematura del pavimento por fatiga.

• En el caso en que se utilice cemento, la proporción a utilizar no puede ser

mayor al 1% de la masa del agregado seco. En contraste, al utilizar cal hidratada, este porcentaje puede superar incluso el 1,5% de la masa del agregado seco.

• Cuando los materiales a reciclar tienen un alto índice de plasticidad (IP), es

recomendable una pre estabilización con cal hidratada, con el fin de reducir el valor de la plasticidad a un nivel aceptable para el uso de emulsiones o espumas asfálticas.



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Bibliografía

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2. Instituto Nacional de Vías – INVIAS. “Especificaciones Técnicas, Articulo 461-‐07: Reciclado de Pavimento en Frío en el Lugar Empleando Ligantes Bituminosos”. Bogotá, 2007.

3. Instituto de Desarrollo Urbano – IDU. “Especificaciones IDU-‐ET-‐2005, Sección 450-‐05: Reciclaje de Pavimento Asfáltico en el Sitio con Emulsión Asfáltica o con Asfalto Espumado”. Bogotá, 2005.

4. Instituto de Desarrollo Urbano – IDU. “Resolución número 4420 del 28 de Octubre de 2011”. Bogotá 2011.

5. Juan Martín Caicedo Ferrer. INFRAESTRUCTURA “EL CUARTO DE HORA”. Cámara Colombiana de Infraestructura. Colombia, 2007.

6. Woodrow J Halstead, “Energy Involved in Construction Materials and Procedures”, (Synthesis of Highway Practice), 1981.

7. Environmental Protection Agency – EPA. “Asphalt Concrete”. WARN Version 12. 2012

8. Stephen A. Cross, Warren H. Chesner, Edward R. Kearney, Henry G. Justus. “Cold in Place Recycling in New York State. Attachment E: CIPR Life Cycle Modeling”. Albany NY, 2010.

9. Wirtgen GmbH. “Manual de reciclaje en frio” 2da edición. Windhagen, Alemania 2004.

10. Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA). “Basic Asphalt Recycling Manual”. Federal Highway Administration, USA 2001.

11. Asphalt Academy. “Technical Guideline: Bitumen Stabilised Materials”, Second Edition. Pretoria, Sudáfrica. 2009.

12. Russel W Lenz. “Pavement Design Guide” USA , Enero 2011. Disponible en: http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/manual_notice.htm

13. Stephen A. Cross, Yatish Jakatimath. “Evaluation of Cold In-‐Place Recycling for Rehabilitation of Transverse Cracking on US 412”. THE OKLAHOMA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, 2007.

14. Mario C. Arriaga Patiño, Paul Garnica Anguas, Alfonso Rico Rodríguez. “Índice Internacional De Rugosidad En La Red Carretera De México”. Instituto Mexicano Del Transporte Secretaría De Comunicaciones Y Transportes. México 1998

15. Luis Vasquez Torres, Viviana G Cerón. “Evaluación y Comparación de Metodologías VIZIR y PCI Sobre el Tramo de Vía en Pavimento Flexible y Rígido de la Vía: Museo Quimbaya – CRQ Armenia Quindío (PR 00+000 – PR 02+600)”. Manizales, 2006.



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16. Animesh Das. “Interpretation of Falling Weight Deflectometer data”. Indian Institute of Technology, Kanpur India 2011.

17. Fabiana Viscarra Agreda. “El Cono Dinámico de Penetración y su Aplicación en la Evaluación de Suelos”. Bolivia, 2006.

18. Michel Chappat, Julian Bilal. “Energy Consumption & Greenhouse Gas Emissions”. France, 2003.



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Anexo 1. Diseño Estructural.

A) Metodología AASHTO Con el fin de realizar el diseño estructural mediante la implementación del método AASHTO se tuvo en cuenta los valores de los siguientes parámetros:

Tabla 12. Valores asumidos para el desarrollo del diseño AASHTO

Variables del diseño AASHTO Confiabilidad 99%

Error Standard (So) 0,5 ΔPSI 3,5

SN Req 3,990 Coef Drenaje (m) Rodadura 1,000 Coef Drenaje (m) Subbase 0,900 Coef Drenaje (m) Base 0,800

Coef Estructural (a) Rodadura 0,440 Coef Estructural (a) Base 0,131

Coef Estructural (a) Base FDR 0,191 Coef Estructural (a) Subbase 0,100

Utilizando los Software de diseño basados en la ecuación AASHTO (ver ecuación 3), las variables mostradas en la tabla 11, los valores del Modulo Resiliente de la Subrasante (30, 50 y 100 MPa) y el tráfico a soportar por la estructura (0,5; 1; 10 millones de ejes equivalentes) es posible calcular el número estructural requerido y por ende los espesores de la carpeta de rodadura necesarios para garantizar el buen desempeño de la estructura.

Ecuación 3. Ecuación Fundamental AASHTO



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B) Metodología ALIZE Con el fin de implementar el diseño mediante la aplicación de la metodología ALIZE se tuvo en cuenta los siguientes parámetros:

Tabla 13. Propiedades de los materiales

Material E (Mpa) CAM Ν Capa Rodadura 6000 0,8 0,35 Base Granular 243 1 0,4 Base FDR 450 0,9 0,35 Subbase 102 1 0,4 SBR 30, 50 y 100 0,5 0,4

Tabla 14. Parámetros de la Capa de Rodadura

Valores Capa de Rodadura ε6 2,00E-‐04 b -‐0,2 σN 0,25 σH (cm) 1 Kc 1,1 δ 0,27 u -‐0,62 Kr 0,93 Kθ 1

Teniendo en cuenta los valores descritos, es posible implementar el Software ALIZE con el fin de modelar la siguiente disposición de eje simple con llantas duales:



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Figura 27. Disposición de cargas modeladas en el Software ALIZE

C) Análisis Económico El Análisis económico realizado a las estructuras se puede resumir en la siguiente tabla:

Tabla 15. Análisis Económico (Diseño AASHTO)

MR (Mpa) ITEM UN Precio Unit Tráfico Convencional FDR Ahorro

Cantidad Precio Total Cantidad Total

30

Rodadura MDC3 m3 $36.064

500000

429 $15.471.456 195 $7.032.480

$ 20.606.976 Transporte Rodadura 15Km m3/km $600 429 $5.148.000 195 $2.340.000

Transporte Fresado 20Km m3Km $1.200 390 $9.360.000 0 $-‐

TOTAL $29.979.456 $9.372.480

50


5000000

741 $26.723.424 507 $18.284.448



TOTAL $44.975.424 $24.368.448

100


10000000

819 $29.536.416 585 $21.097.440



TOTAL $48.724.416 $28.117.440



72

Tabla 16. Análisis Económico (Diseño ALIZE)

MR (Mpa) ITEM UN Precio Unit Tráfico Convencional FDR Ahorro

Cantidad Precio Total Cantidad Total

30


500000

429 $15.471.456 234 $8.438.976



TOTAL $29.979.456 $11.246.976

50


5000000

702 $25.316.928 507 $18.284.448



TOTAL $43.100.928 $24.368.448

100


10000000

819 $29.536.416 624 $22.503.936



TOTAL $48.724.416 $29.991.936

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