Primeras experiencias de reciclado en frío in situ en Uruguay

*Por la quím. Mayra Moyano, quím. Paula Morales y el quím. Santiago Kröger, para el Centro de Investigación en Tecnologías Viales de Uruguay (CITEVI).

El reciclado en frío in situ, es una técnica de rehabilitación de carreteras con la que se consigue una capa nueva de base de notable capacidad estructural, aprovechando la carretera existente como cantera o fuente de suministro de áridos. Consiste en desagregar el material existente en la profundidad requerida, mezclarlo con algún tipo de ligante y agua, y compactar la mezcla a la densidad adecuada. Esta técnica incursionó recientemente en Uruguay con la llegada de los primeros equipos en el año 2013. Dado que el número de kilómetros de carreteras precisando una rehabilitación estructural es cada vez mayor en nuestro país, el futuro de la técnica de reciclado in situ se presenta como muy prometedor. El desafío fue grande para todos los actores de la vialidad nacional, realizando las primeras pruebas, definiendo las mejores prácticas a nivel internacional para este tipo de técnicas, determinando los ligantes a utilizar y los equipamientos óptimos.
Desde el Centro de Investigación en Tecnologías Viales (CITEVI) se realizó un seguimiento de los primeros tramos ejecutados tanto en el conocimiento de los materiales reciclados, en los estudios para la determinación de su fórmula de trabajo, en los métodos de proyecto, en sus prescripciones técnicas y en el seguimiento de los tramos ejecutados. Al momento, los buenos resultados obtenidos en la mayoría de las realizaciones contribuyeron a despejar las dudas de muchas administraciones, que ven los ahorros de costes posibles frente a las alternativas de refuerzo o reconstrucción y comenzaron a incluir esta técnica en los pliegos.

INTRODUCCIÓN

Reciclado en frío in situ con cemento portland

El reciclado en frío in situ con cemento es una técnica de rehabilitación de carreteras con la que se consigue una capa nueva de base de notable capacidad estructural, aprovechando la carretera existente como cantera o fuente de suministro de áridos.
Consiste en desagregar el material existente en la profundidad requerida, mezclarlo con cemento y agua y compactar la mezcla a la densidad adecuada. Encima se dispone cierto espesor de mezcla asfáltica o tratamiento superficial según el tráfico del proyecto.
Frente a otras soluciones de rehabilitación, el reciclado con cemento permite el aprovechamiento de estas capas deterioradas, logrando recuperar e incluso aumentar su capacidad de soporte, y proporciona al material obtenido tras el reciclado, unas características físico-mecánicas acordes con un adecuado nivel de servicio de la infraestructura. Se consigue un firme en conjunto mucho más duradero, con menor susceptibilidad al agua y mayor resistencia a la erosión. El campo de aplicación es muy amplio, abarcando todo tipo de carreteras y de superficies pavimentadas.
Es una técnica íntimamente ligada al concepto de sostenibilidad y además de presentar diversas ventajas medioambientales, se suman importantes beneficios técnicos y económicos que se detallan a continuación:

Ventajas medioambientales:

• La reutilización de materiales in situ contribuye a no tener que abrir nuevas canteras, ni a reducir las reservas de los existentes. Este ahorro de áridos puede estimarse en unas 2.000 ton/km comparando con el árido necesario para un firme nuevo de similar capacidad estructural.
• Se disminuye la necesidad de vertederos, al aprovecharse los materiales existentes.
• Al evitar transportes, se disminuyen las emisiones de CO2 y otros contaminantes, así como los impactos colaterales que provoca sobre los caminos y flora adyacentes (polvo, erosiones, etc.).
• Es una técnica en frío que consume poca energía, disminuyéndose notablemente la contaminación y las emisiones de vapores nocivos.

Ventajas técnicas:

• Permite rehabilitar carreteras fatigadas y deformadas, transformándolas en capas tratadas más homogéneas con unas características mecánicas importantes y una capacidad de soporte mucho mayor.
• Se disminuyen las tensiones que llegan a la sub-base.
• Se reducen los efectos negativos que sobre el firme tienen los cambios de humedad del soporte.
• Se disminuyen las molestias por el tráfico de obra y los daños a carreteras adyacentes debido a que no se transportan los materiales a una planta de fabricación, ni desde ésta a la obra.
• Puede combinarse con la ejecución de un ensanche, utilizando para este último los mismos equipos empleados en el reciclado. Con ello no se precisa un ancho mínimo de ensanche y se puede evitar la construcción de cuñas estrechas que suelen acarrear dificultades. Una adecuada elección de materiales para el ensanche permite obtener después de su tratamiento una mezcla con unas características similares a las del firme reciclado, mejorando así la homogeneidad de la sección transversal del conjunto de la carretera ensanchada y evitando la aparición de fisuras longitudinales entre los ensanches y el firme de la parte de la carretera existente que se conserva.
• Permite además rehabilitar carriles individuales.
• Se mantiene prácticamente la rasante inicial.
• La apertura inmediata a la circulación. Ello es debido a la estabilidad que adquiere su esqueleto mineral una vez compactado, con lo que las deformaciones originadas por los vehículos no son suficientes para romper los enlaces entre los áridos. Con ello no se interrumpe el proceso de ganancia de resistencias mecánicas, responsable del comportamiento a largo plazo del material. Una capa reciclada con cemento puede abrirse al tráfico a las tres ó cuatro horas de haberse llevado a cabo la disgregación del firme existente.

Ventajas económicas:

• Se reduce la necesidad de nuevos áridos a utilizar en la obra y el costo de su transporte.
• No es necesario instalar una planta de fabricación.
• Permite alcanzar elevados rendimientos.

Propiedades de los materiales reciclados con cemento

El conocer las propiedades de los materiales reciclados es indispensable para establecer la fórmula de trabajo y efectuar el dimensionamiento de la estructura.
En lo que se refiere al comportamiento a fatiga de los materiales reciclados con cemento, una serie de ensayos realizados muestran que es similar al de los hormigones vibrados o las tosca-cemento; es decir, se trata de mezclas con una curva de fatiga presentando una pendiente muy reducida. En consecuencia, una ligera disminución de las tensiones en la capa reciclada se traduce en un gran aumento de su vida de servicio de la misma.
La metodología del estudio consiste en establecer la variación de los parámetros a determinar en función de la dosificación de cemento, de la variación del contenido de agua y de la densidad de las probetas. En Uruguay los primeros tramos se están realizando buscando una resistencia a compresión a siete días de 15 Kg/cm2.
Ejecución de obra
Antes de efectuar un reciclado es  preciso:

• Verificar la factibilidad del reciclado.
• Definir el tipo de reciclado.
• Determinar las características del material reciclado mediante ensayos de laboratorio y campo y obtener la fórmula de trabajo.

La ejecución de una obra de reciclado in situ con cemento se desarrolla, en general, de acuerdo con el siguiente proceso:

• Extensión del cemento.
• Escarificado del firme existente en la profundidad requerida.
• Humectación del material.
• Mezclado.
• Compactación inicial.
• Refinado eventual de la superficie.
• Compactación final.

Para la extensión del cemento, se utilizó un dosificador en polvo, con el vertido regulado por la velocidad de avance. Para reducir al mínimo las pérdidas de cemento provocadas por el viento, y sobre todo evitar las molestias que ello origina en la puesta en obra, se sincronizan los equipos de extensión de cemento y la recicladora, de forma que la longitud de cemento esparcido sea lo más reducida posible.
En lo que se refiere al escarificado en la profundidad requerida, la humectación y mezclado del material disgregado con cemento y agua, o sea los equipos para realizar el reciclado propiamente dicho, se utilizó una recicladora in situ. En la misma el componente fundamental es un rotor (Ver figura 1) provisto de picas, que realiza la disgregación del firme y efectúa el mezclado de los elementos con el cemento y el agua.
Los de tipo agrícola o las motoniveladoras no son aceptables, por su escasa potencia, deficiente calidad de mezclado y reducido espesor de tratamiento.

Figura 1 – Proceso de reciclado.

El ritmo de avance de la recicladora está muy condicionado, como es lógico, por la profundidad del tratamiento y la dureza de los materiales existentes. En condiciones favorables de poco espesor (20 cm) y materiales blandos se llegaron a superar los 10 m/min. No obstante, el rendimiento medio está muy condicionado por otros factores, como las paradas para el suministro de cemento o agua y por la reposición de picas. Son habituales valores entre 4.000 y 8.000 m2 /día.
Para la compactación inicial es necesaria una compactación enérgica para obtener la resistencia necesaria y un buen comportamiento del reciclado, por lo que debe alcanzarse la mayor densidad posible. Es recomendable conseguir el 100% PM, y en todo caso el 97% PM como valor medio en el espesor reciclado. Ello requiere la utilización de equipos potentes, sobre todo teniendo en cuenta los fuertes espesores usuales en las capas recicladas con cemento. En las primeras pruebas se utilizó un compactador de 20 Ton de peso con densímetro y accesorio de pata de cabra para lograr las densidades deseadas.
Reciclado in situ en Uruguay
En nuestro país los primeros tramos de reciclado in situ se comenzaron a realizar el año pasado (2014) y se muestra como una técnica muy versátil, económica y sustentable.
Dado que el número de kilómetros de carreteras precisando una rehabilitación estructural es cada vez mayor, el futuro de la técnica de reciclado in situ con cemento se presenta muy prometedor.
En este trabajo detallamos una obra de reciclado realizada sobre una vieja carretera ubicada en Aguas Corrientes en el Departamento de Canelones dentro de la cuenca de Santa Lucía, próxima a los humedales de Santa Lucía.
Los suelos presentes en esta zona son brunosoles eutricos típicos de textura limo-arcillosa y tienen comportamiento expansivo así como la presencia de elevada humedad in situ. Este tipo de suelo y su comportamiento dan como resultados subrasantes de baja calidad e inestables que generan problemas en las estructuras que se ejecutan sobre ellos.
Resultados
El proceso constructivo se dividió en 4 etapas:

1. Investigación preliminar del estado de la ruta, donde se efectuó una inspección visual y de uso del camino, medición con penetrómetro de corte dinámico, DCP, (ASTM D 6951-03) y excavación de calicatas en diferentes tramos de la misma. De las calicatas realizadas se tomaron muestra de los materiales que formaban parte de la estructura para analizar en el laboratorio.
2. Identificación en el laboratorio de los materiales extraídos durante el cateo, clasificándolos según SUCS determinando granulometría (UY A-15-89, UY A-17-89) y límites de Atterberg (UY S-9-89 y UY S-11-89) y propiedades de compactación. Por último, se realizaron mezclas de los materiales con distintas concentraciones de cemento portland para definir la concentración óptima a utilizar.
3. Ejecución de la obra y control de calidad de la misma, en donde se realizaron controles de parámetros  críticos y armados de probetas para ensayo de resistencia a la compresión.
4. Evaluación con DCP a la base reciclada en distintos períodos de tiempo de finalizada la obra e inspección  del estado general de la caminería.

Etapa 1

Inspección visual
Las principales características evaluadas durante la inspección fueron: largo y ancho del camino a estabilizar, grado de deterioro del pavimento, presencia de puentes y zonas inundables, formación de baches y estado de banquinas y cunetas.
En el estado inicial, la ruta presentaba zonas con ausencia de carpeta asfáltica en la mayor parte del camino. Las zonas que todavía tenían carpeta asfáltica, presentaban un alto grado de deterioro y cantidad elevada de baches. El total del camino a reciclar fue de 8km con un ancho que oscilaba entre los 6-7 m y presentaba dos zonas inundables; una en el km 2 y la siguiente en el km 3 entre dos puentes.
Calicatas y muestreo
Para determinar la estructura y condición del pavimento así como la calidad de los materiales que los componían se realizaron calicatas en el borde derecho del camino, cada 400m y se tomaron muestras de cada uno de los materiales que lo componían. Para la profundidad de las mismas se tomó como punto de finalización la aparición de la subrasante.
En las dos figuras siguientes se pueden apreciar los datos obtenidos del cateo realizado. En las figuras 2 (a y b), se muestran dos perfiles típicos de la estructura de pavimento y en la figura 3 el perfil de la estructura a lo largo de todo el camino.

Figura 3 – Perfil de estructura del pavimento.

Como se ve en ambas figuras, la estructura del pavimento es no uniforme presentando zona con recargo de material granular sobre la carpeta asfáltica, zonas con ausencia y presencia de carpeta, zonas en donde la carpeta asfáltica y el balasto están mezclados y una subrasante limoarcillosa de consistencia media y que en ciertas zonas está mezclada con asfalto.

Medición con DCP

Las mediciones con DCP se efectuaron para estimar la resistencia de los materiales del pavimento in situ. Se realizaron en la misma progresiva que las calicatas, pero en el medio del pavimento y hasta una profundidad de 150mm. Las medidas realizadas se muestran en la figura 4.

Figura 4 – Medidas iniciales con DCP.

Etapa 2
Clasificación del material
Los materiales se analizaron en laboratorio obteniéndose los resultados que presentamos en la tabla 1.

Mezclas de diseño con Cemento

Se realizaron dos tipos de mezclas de diseño con cemento. La primera contenía solamente balasto y la segunda asfalto y balasto, mezclados proporcionalmente según los espesores de las capas de las zonas del camino que contenían ambos materiales, y considerando una profundidad de 150 mm de reciclado. Las probetas se armaron con la humedad óptima de compactación determinada para cada material en el ensayo de Proctor modificado (UY S 17-89). De cada mezcla se armaron cinco probetas cilíndricas de 101.6mm de diámetro y 116.4mm de altura y se curaron en cámara de arena húmeda a temperatura ambiente por siete días. Una vez finalizada la etapa de curado, se retiraron las probetas de la cámara  y se sumergieron en agua por cuatro horas a temperatura ambiente, a continuación se ensayó la Resistencia a la Compresión Simple (NLT-305 /90) y determinó la concentración óptima de portland para cada mezcla.
La concentración óptima de portland a utilizar en la obra, se definió tomando como referencia los requerimientos especificados para un S-EST3, del artículo 512 del PG3 Español, para el ensayo Resistencia a la Compresión Simple que es de 15kgf/cm2.
En los resultados obtenidos, se observa una diferencia en concentración óptima de portland de 0.5 % para ambas mezclas.
Con la información obtenida en la etapa 1 y 2 se definió la ficha técnica con las cantidades necesarias para la toda obra, presentada en la tabla 2.

Etapa 3
Proceso de reciclado y control de calidad
Previo al comienzo de la obra se realizaron mediciones con DCP cada 100m y se preparó la superficie del pavimento para permitir que la recicladora trabaje de forma continua, evitando de esta manera tener menor discontinuidad en el producto final y aumentos en los tiempos de funcionamiento del tren de reciclado. Las operaciones realizadas fueron: limpieza y retiro de la vegetación presente sobre el borde del camino y cunetas, nivelación de la superficie en algunas zonas y fresado con motoniveladora en los tramos que presentaban carpeta asfáltica.
Durante la ejecución de la obra se monitoreó la cantidad de cemento aplicado por el esparcidor de cemento portland, la profundidad de reciclado, la granulometría y humedad de la mezcla a la salida de la cámara de mezclado y se armaron probetas para realizar el ensayo de resistencia a la compresión, de igual dimensiones que las de diseño y con la misma energía de compactación, con el material mezclado obtenido en la parte posterior de la recicladora. En la figura 5 a continuación se muestra una imagen de la ejecución de la etapa de reciclado y en la figura 6 el control de espesor de la capa reciclado y la subrasante del pavimento.

Los resultados de Resistencia a la compresión promedio de las probetas armadas en obra fue 15.2 Kgf/cm2.

Debemos destacar la poca reproducibilidad del método de compactación en obra respecto al de laboratorio, resultando en una elevada variabilidad en los resultados obtenidos de resistencia.
El proceso de compactación se realizó en dos etapas, la primera en modo vibratorio de alta amplitud inmediatamente después de que pasara la máquina recicladora y la segunda en modo de compactación de baja amplitud luego de que la motoniveladora corrigiera los perfiles del camino. En la figura 7 se muestra la textura de la capa reciclada luego de realizada las dos etapas de compactación.

Se realizaron tramos diarios de 600m de largo, con tres pasadas

a.del tren de reciclado para cubrir el ancho total de camino. La tasa de producción diaria se definió de forma tal de tener la menor cantidad de paradas de máquinas posible, para disminuir la probabilidad de aparición de problemas en las juntas transversales y obtener un pavimento de calidad. De acuerdo al ancho del camino se definió realizar tres pasadas de la máquina recicladora y con traslape de 200mm entre las juntas longitudinales. El programa diario de producción se muestra en la tabla 3.

Luego de finalizado el proceso de reciclado se regó la superficie para mejorar el proceso de fraguado y crear una superficie cerrada que pueda repeler el agua. Esta actividad requirió tener dos camiones de agua disponibles en el tren de reciclado uno para la máquina recicladora y otro para regar la superficie estabilizada.
A la base reciclada se le realizó un tratamiento superficial que le aportó a la estructura una superficie de rodadura óptima, homogénea e impermeable. Este tratamiento contó con un riego de imprimación realizado con emulsión asfáltica, en una dosis de 1 L/m2 (la emulsión utilizada contenía un residuo asfáltico de 50%), como se muestra en la figura 8.

A continuación se aplicó un tratamiento superficial de monogravillado en dos etapas, en cada etapa se agregó 7L/m2 de gravilla 5-14 mm y 1L/m2 de emulsión asfáltica, catiónica, de corte rápido y modificada con polímero (la emulsión contenía 65% de residuo asfáltico). En la figura 9 se puede observar cómo quedó el pavimento luego del tratamiento superficial.

Etapa 4

Evaluación final
Se monitoreó la evolución de la resistencia de la base reciclada midiendo DCP cada 100m en los mismos puntos donde se había medido antes de comenzar la obra a los tres y a los siete días de efectuado el reciclado. En las zonas que presentaban tratamiento superficial se retiró el mismo y se comenzaron las medidas en el inicio de la base reciclada. Los resultados obtenidos en promedio por km, como se puede apreciar en la figura 10, muestran un aumento en la capacidad estructural de la base luego de reciclada.
Podemos ver que la heterogeneidad de los valores de índice DCP antes de estabilizar con cemento son homogeneizados a un valor de aproximadamente 3mm/golpe a los siete días de estabilizado con cemento. Este valor puede relacionarse con un índice de CBR de aproximadamente 100%, confirmando el aumento significativo de la capacidad estructural del paquete.
A continuación (Ver figura 11) se muestra el estado final de la ruta luego de terminado el proceso de reciclado y gravillado.

 Conclusiones

• La técnica de reciclado muestra ser una alternativa viable para la  reconstrucción de la caminería en mal estado. Con la misma se obtiene menores tiempos de duración en una obra de rehabilitación y una disminución de los costos de los materiales a utilizar en el diseño debido al aprovechamiento de los materiales locales.
• La rehabilitación del camino generó un cambio de uso en el mismo, aumentando la frecuencia de tránsito pesado y autos significativamente.
• La capacidad estructural del pavimento aumentó luego del proceso de rehabilitación así como la resistencia in situ de los materiales que lo componen.
• Un estudio preliminar del camino a rehabilitar (materiales que lo componen, estructura del pavimento, etc.) y un seguimiento durante la ejecución de la obra, controlando los parámetros críticos, disminuye los problemas que pueden surgir durante el proceso de la obra así como las fallas futuras que puede presentar al tiempo de la rehabilitación.
• Se logró realizar un protocolo de buenas prácticas adaptado a la realidad de nuestro país para el reciclado en frío in situ de pavimentos