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“CAPE SEAL”, innovación en tratamientos bituminosos superficiales.

*Por los Ings. Nicolás Poncino y Andrés Pugliessi de Ityac– Ingeniero Tosticarelli y Asociados y el Sr. Pablo Delorenzi, Dirección Nacional de Vialidad.
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EDITORIAL

INTRODUCCIÓN

El “Cape Seal” es un tratamiento bituminoso superficial múltiple que consiste en una primera aplicación de un tratamiento bituminoso superficial tipo simple (TBS), seguido de una lechada asfáltica (Slurry Seal) o microconcreto asfáltico en frío [1].
Este tipo de tratamiento superficial fue desarrollado originalmente en Sudáfrica a finales de los años ´50 por la Administración Vial de “Cape of Good Hope”, que dio origen a su nombre, y luego logró trascender exitosamente en la pavimentación de caminos en Estados Unidos y posteriormente en Europa [2].
El presente trabajo surge como solución del proyecto ejecutivo de pavimento de un tramo de la Ruta Nacional 40, actualmente de ripio, en la provincia de Salta, República Argentina.
El mismo, se ubica entre las localidades de Payogasta y Esquina Colorada, abarcando 65 kilómetros de longitud y emplazado en una topografía predominantemente montañosa, con alturas por encima de los 4.800 msnm.
Estas mismas características son las que determinan, por un lado, el atractivo turístico de la zona dado sus variados y coloridos paisajes naturales, y por otro, la presencia casi exclusiva de vehículos livianos y de carácter local (Ver figura 1).

Durante el desarrollo de este trabajo se podrán conocer no sólo las características principales de un tratamiento bituminoso superficial tipo Cape Seal, sino también, las diferentes particularidades del proyecto que llevaron a la elección de este tipo de pavimento como consecuencia de un análisis técnico, constructivo y económico.

 

CONDICIONES DEL TRAMO DE PROYECTO

Las características principales del tramo consideradas en el diseño del paquete estructural y que incidieron en la elección del Cape Seal superficie de pavimento se detallan a continuación (Tabla 1 a 4), en tanto en la Figura 2 se exponen, a través de imágenes, parte de dichas particularidades.

 

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EL CAPE SEAL

Es un tratamiento bituminoso superficial múltiple. Consiste en una primera aplicación de un tratamiento bituminoso superficial tipo simple (TBS) seguido de una lechada asfáltica (Slurry Seal) o microconcreto asfáltico en frío. En ocasiones especiales puede tener doble capa de lechada asfáltica.
Utilizado con mucha frecuencia en distintos países del mundo, está comprobado su excelente comportamiento, incluso en rutas con tránsito elevado de hasta 20.000 vehículos livianos equivalentes (ELV = AUTOS + CAMIONES x 40) por día y por carril y/o regiones con topografías y climas exigentes [3].
La Figura 4 muestra una representación gráfica de su configuración típica, mientras que en la Figura 5 se puede apreciar una fotografía de su aspecto superficial.


Esta combinación de tratamientos resulta una capa de rodamiento económica y muy flexible (especial para cubrir capas de base granulares), destacando las mejores cualidades de cada uno de ellos, entre las que sobresalen:

  • Impermeabilidad y gran adaptabilidad a las exigencias climáticas extremas.
  • Durabilidad bajo tareas de mantenimiento reducidas, dado los altos contenidos de ligante.
  • Alta resistencia frente al desprendimiento de áridos, erosión o desgaste superficial.
  • Excelente textura superficial, aportando buena adherencia neumático-calzada.
  • Muy buen comportamiento en caminos de montaña, con curvas y rampas pronunciadas y elevados esfuerzos de corte superficiales.
  • Ahorro económico y energético respecto a alternativas en caliente.

 

Exigencias del proyecto para el Diseño y Ejecución del Cape Seal

RIEGO DE IMPRIMACIÓN
Dada la importancia que se atribuye a una correcta impermeabilización de la estructura granular que recibirá al tratamiento Cape Seal, se especificó:

  • Ejecución del riego de imprimación para la base granular en el ancho completo de coronamiento, abarcando tanto calzada principal como banquinas.
  • Utilización, para el riego de imprimación, de una emulsión asfáltica neutra e inversa de alta imprimación (EAI), con dotaciones de entre 1,2 y 1,5 lts/m2 de ligante residual.

 

TRATAMIENTO BITUMINOSO SUPERFICILA TIPO SIMPLE (TBS)

  • Sobreancho de 0,10 m a cada lado, respecto al ancho de la calzada (6,70 m).
  • Material bituminoso: emulsión catiónica modificada de rotura rápida tipo CRR 2m.
  • Agregados pétreos:

•    75% con dos o más caras fracturadas, 25% al menos una cara fracturada.
•    Ensayo de desgaste por método “Los Ángeles”, menor a 25%.
•    Índice de lajas e Índice de elongación, menor a 25%.
•    Desprendimientos (ensayo de placa Vialit), menor a 90% en masa por vía húmeda y 80% en masa por vía seca.
•    Dotación en volumen: se recomienda una reducción del 10% respecto a un tratamiento bituminoso superficial simple convencional. A efectos orientativos se indican en la Tabla 5, un entorno de las dotaciones de áridos y emulsión asfáltica [4].

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En la Figura 5 se aprecia el aspecto de la distribución de los áridos del TBS del Cape Seal, con la mencionada dosificación. Se destaca que los agregados de este tratamiento no presentan contacto interparticular, existiendo “espacios” a ser rellenados por la lechada.

  • Granulometría: áridos relativamente gruesos, uniformes y capaz de recibir la lechada que rellene los espacios entre agregados (Figura 6).

 

TRATAMIENTO BITUMINOSO SUPERFICIAL TIPO LECHADA

  • Material bituminoso: emulsión asfáltica catiónica modificada de rotura controlada, tipo CRCm.
  • Agregados pétreos:

•    85% con dos o más caras fracturadas.
•    Desgaste por método de ensayo “Los Ángeles”, menor a 25%.
•    Dosificación: máxima pérdida de peso en pastilla de 800g/m2, ensayo Wet Track Abrasion Test (W.T.A.T.).
•    Absorción de arena según ensayo de Rueda Cargada (LWT), menor a 800g/m2.
•    Granulometría: continua con tamaño máximo 6 mm y entorno granulométrico de acuerdo a la Figura 7.

  • Dosificación (ensayo de cono de consistencia): entre 2 y 3 centímetros.
  • Distribución de la lechada asfáltica: se recomienda la utilización de equipo de distribución con tornillo sin fin. La Figura 8 muestra un detalle de la distribución de la lechada sobre el TBS. Como se aprecia, la lechada rellena los espacios entre los agregados del TBS.

 

PRECAUCIONES EN EL DISEÑO Y EJECUCIÓN DEL CAPE SEAL
De las distintas experiencias realizadas con este tipo de solución [2], se pudo advertir ciertas situaciones indeseadas que deben ser tenidas en cuenta al momento del diseño y materialización de un tratamiento Cape Seal. Esto, con el fin de neutralizar las posibilidades de encontrarse con estas situaciones de manera prematura.

  • Exudación del ligante: debido a causas tales como: contenido de ligante elevado en riego de emulsión de TBS; contenido de ligante muy alto en la lechada (dosificación/construcción); aplicación de lechada antes de curado de la emulsión del TBS; segregación del árido de la lechada debido a una mala graduación granulométrica.
  • Fisuración y desintegración debido al envejecimiento/oxidación del ligante: el envejecimiento del ligante sumado a condiciones de tráfico, efectos climáticos y deformabilidad de la estructura subyacente, puede provocar la fisuración del tratamiento, desprendimiento de agregados por déficit de adherencia y desintegración de la superficie.
  • Peladuras del agregado de la lechada asfáltica: Estas fallas pueden manifestarse debido principalmente a contenidos muy bajos de ligante o alto contenido de arena natural en la dosificación de la lechada asfáltica.

Si bien se destacaron las ventajas del Cape Seal como solución en caminos con curvas, rampas y pendientes pronunciadas, existen algunas limitaciones cuando las mismas son superiores a 8%, dificultándose la etapa constructiva y comprometiendo el comportamiento óptimo de la capa [5].

 

ANÁLISIS COMPARATIVO DE ALTERNATIVAS

Como es sabido, para que una alternativa innovadora como la de este caso, pueda ser considerada en un determinado proyecto, es imprescindible realizar una comparativa técnica y económica respecto a soluciones convencionales con características relativamente conocidas.
Sin duda alguna para este trabajo en particular, la opción a analizar como capa de rodamiento, paralelamente a la del tratamiento bituminoso superficial tipo Cape Seal, fue la de un concreto asfáltico en caliente.
Bajo esta premisa, se contempló un análisis técnico estimando la predicción del comportamiento en servicio de cada estructura de pavimento y, en base a esto, la evaluación económica de ambas alternativas planteadas.

 

ANÁLISIS ESTRUCTURAL
El diseño estructural de los pavimentos se llevó a cabo empleando dos (2) metodologías: por un lado, los lineamientos de la Guía de Diseño AASHTO 1993 [6], y por otro, el método mecanicista (modelos teóricos matemáticos de “tensiones y deformaciones”) que utiliza el software BackVid, desarrollado por el Ing. Oscar Giovanon del Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras (IMAE) dependiente de la Facultad de Ingeniería de Universidad Nacional de Rosario [7].
Asimismo, una premisa en común considerada oportunamente para ambas alternativas y metodologías de cálculo, fue la inclusión de estabilizados granulares como materiales de bases y sub bases de la estructura, atendiendo así a las aptitudes y disponibilidad de los materiales locales existentes en la zona.
Así, del procedimiento efectuado para la determinación de las estructuras aplicando el método de diseño empírico AASHTO 1993, resultaron los siguientes espesores de pavimento que se esquematizan en la Figura 9 a través de semi-perfiles de calzada para cada una de las alternativas.

Es importante destacar que, en líneas generales, el AASHTO 1993 se basa fundamentalmente en el concepto de determinación espesores de capas necesarias, en función de las cualidades de los materias que las conforman, a fin de proteger a la subrasante de las solicitaciones de tránsito y ambientales previstas.
A diferencia de este, el método mecanicista que utiliza el software BackVid, cuantifica para diferentes puntos singulares de la estructura, tensiones y deformaciones críticas que, combinadas con leyes de fatiga propias de cada material, permiten estimar la vida útil del pavimento hasta la aparición de deterioros no admisibles (Figura 10).


En la Figura 11 y Figura 12 se pueden observar las salidas del programa para las corridas que derivaron en la definición de la estructura de cada alternativa según esta metodología. En las mencionadas figuras se muestran, a la izquierda, los espesores y módulos propuestos de cada capa, y a la derecha, la susceptibilidad del número de reiteraciones admisibles (eje de ordenadas) según el espesor (eje de abscisas) y módulo de la capa que se decidió analizar y que toma el carácter de variable.


Desde un punto de vista conservador, en la alternativa de Cape Seal el tratamiento superficial fue considerado como tal, por lo que no se consideró ni espesor ni aporte estructural.
Finalmente, los espesores necesarios de cada alternativa resultaron según se muestra en la Figura 13.

 

ANÁLISIS ECONÓMICO
A los efectos de la evaluación económica comparativa, no sólo en cuanto a las dos alternativas propuestas sino también en lo referente a las metodologías de diseño utilizadas, se determinó el costo de ejecución de cada una de las estructuras definidas, involucrando únicamente los ítems que hacen a la estructura superior del pavimento (es decir las capas ubicadas por encima de la subrasante). Se asume de esta manera que el resto de los costos para la materialización del proyecto son comunes para ambas alternativas e independientes del procedimiento de dimensionamiento utilizado.
Los resultados de esta evaluación para las estructuras definidas según la metodología AASHTO ´93 y del programa BackVid, se resume en la Figura 14.

En las mismas se puede apreciar el porcentaje de influencia del costo de cada ítem en el costo total del pavimento, discretizados según capa de rodamiento, bases granulares y riegos de liga para el caso de mezcla asfáltica en caliente, y la diferencia económica entre ambas soluciones tomando siempre como referencia la alternativa de carpeta de concreto asfáltico.

 

CONSIDERACIONES FINALES

De los distintos aspectos desarrollados en el trabajo se pueden efectuar las siguientes consideraciones finales:

Acerca del CapeSeal:

  • El CapeSeal es un tratamiento bituminoso superficial múltiple que consiste en una primera aplicación de un tratamiento bituminoso superficial tipo simple (TBS) seguido de una lechada asfáltica (Slurry Seal) o microconcreto asfáltico en frío. Fue desarrollada originalmente en Sudáfrica a finales de los años ´50, trascendiendo luego con éxito a Estados Unidos y Europa.
  • Resulta una capa de rodamiento especialmente apta para cubrir capas granulares muy flexibles con delgados espesores asfálticos. Muy impermeable y de gran adaptabilidad a exigencias climáticas extremas, ponderando además, su buen comportamiento en topografías montañosas con curvas y rampas pronunciadas.
  • Su alta resistencia al desprendimiento de áridos, erosión o desgaste superficial minimizan las tareas de mantenimiento respecto a otros tratamientos. También, suprimen algunas consecuencias indeseadas que originan los equipos pesados de mantenimiento.
  • Si bien se valoran las ventajas mencionadas, se debe poner especial atención a las recomendaciones de diseño y de ejecución (a través de las especificaciones técnicas), a fin de evitar fallas y consecuencias indeseadas en superficie.

Acerca del análisis estructural

  • El diseño estructural con metodología empírica (AASHTO ´93) y metodología mecanicista (Back Vid) arrojó marcadas diferencias. Esto pone de manifiesto que, de los dos mecanismos básicos de falla en pavimentos flexibles, ahuellamiento y fisuración, el método AASHTO´93 solo satisface con eficiencia los requerimientos del primero, limitando el cálculo de la expectativa de vida de un pavimento a las deformaciones a nivel de subrasante, sin valorar las tensiones críticas de tracción en las fibras inferiores de las capas asfálticas (falla por fisuración).

En este sentido, el método racional tiene en cuenta estos efectos advirtiendo lo sucedido en la práctica habitual, en cuanto al mejor comportamiento a fatiga de un pavimento flexible con pequeños espesores asfálticos (< 4 cm) respecto a los considerados intermedios (5cm < e < 10cm).

Acerca del Análisis Económico

  • El análisis comparativo considerando únicamente los costos de la superestructura del pavimento (capas ubicadas por encima de la subrasante), dimensionado con la Guía AASHTO ´93, determinó una ventaja económica a favor del Cape Seal del once por ciento (11%).
  • En cambio, si el análisis comparativo se realiza utilizando las estructuras que surgen del programa BackVid, la ventaja a favor del Cape Seal crece hasta un cuarenta y tres por ciento (43%).

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Pliego Especificaciones Técnicas Generales de la DNV. “Disposiciones generales para la ejecución de imprimación, tratamientos superficiales, bases, carpetas y bacheos bituminosos” (Sección DI); “Tratamiento bituminoso superficial tipo simple” (Sección DIV); “Tratamiento bituminoso superficial tipo Lechada Asfáltica” (Sección DVII), 1998.
[2] Van Zyl, G. y Van Niekerk, J. “Synthesis on Cape Seal Variations in Southern Africa”, 2nd International Sprayed Sealing Conference – Sustaining sprayed sealing practice, Melbourne, Australia 2010.
[3] TRH3. “Design and construction of surfacing seals”, Technical recommendations for highways. The South African National Roads Agency. 2007.
[4] AEMA. “Cape Seals Using Asphalt Emulsions”, Section 8, Asphalt Emulsion Manufacturers Association, 2004.
[5] SABITA – Manual 10. “Bituminous surfacings for low volume roads and temporary deviations”, Southern African Bitumen Association, South Africa, 2012.
[6] AASHTO. “Guía AASHTO para Diseño de Estructuras de Pavimentación”, Asociación de Estado de Carreteras y Transportes Oficiales, Washington, DC, 1993.
[7] Giovanon, O. y Pagola, M. “Going to an Expert System of pavement design”, Transport Research Arena Europe, Ljubljana, Slovenia, 2008.