Guas tcnicas

Marzo de 2013

Reciclado de firmes in situcon cemento

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Reciclado de firmes in situ con cemento

Introduccin

El reciclado de firmes in situ con cemento es una tcnica de rehabilitacin de carreteras con la que se consigue transformar un firme deteriorado en una capa nueva de base de notable capacidad estructural, aprovechando el mismo firme como cantera o fuente de suministro de ridos.

Consiste en disgregar el firme existente en la profundidad requerida, mezclar el material resultante con cemento y agua y compactar la mezcla a la densidad adecuada. Encima se dispone cierto espesor de mezcla bituminosa segn el trfico de proyecto.

Frente a otras soluciones de rehabilitacin, el reciclado con cemento de los firmes 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 caractersticas fsico-mecnicas acordescon un adecuado nivel de servicio de la infraestructura. Se consigue un firme en conjunto mucho ms duradero, con menor susceptibilidad al agua y mayor resistencia a la erosin.

El campo de aplicacin es muy amplio, abarcando todo tipo de carreteras, desde autovas a calles o vas secundarias, y de superficies pavimentadas, como por ejemplo en aeropuertos o polgonos industriales.

Contribuciones a la sostenibilidad

El reciclado de firmes in situ con cemento es una tcnica ntimamente ligada al concepto de sostenibilidad. A todas las ventajas medioambientales derivadas del aprovechamiento de los ridos existentes, ya que evita la apertura de graveras o la sobreexplotacin de las actuales y suprime el empleo de vertederos, se suman importantes beneficios tcnicos y econmicos. No hay que olvidar que las carreteras son el mayor yacimiento de ridos sin repercusiones medioambientales del que dispone el pas.

Ventajas medioambientales

La reutilizacin de materiales in situ contribuye a no tener que abrir nuevos yacimientos de ridos, ni a reducir las reservas de los existentes. Este ahorro de ridos puede estimarse en 3.000 4.000 t/km (comparando con el rido necesario para un firme nuevo de similar capacidad estructural), lo que significa que el reciclado de carreteras in situ con cemento evita la extraccin anual de unas 800.000 t de ridos.

Se disminuye la necesidad de vertederos, al aprovecharse los materiales existentes en el firme.

Al evitar transportes, se disminuyen las emisiones de CO2 y otros contaminantes, as como los impactos colaterales que provoca sobre los caminos y flora adyacentes (polvo, erosiones, etc.).

Se trata de una tcnica especialmente adaptada al empleo de cementos con alto contenido de adiciones. Ello se traduce en una reduccin de las emisiones durante su fabricacin, al reducir la cantidad clinker empleado e incorporar subproductos industriales como escorias o cenizas volantes, lo que favorece el cumplimiento del protocolo de Kioto y de los compromisos de desarrollo sostenible.

Es una tcnica en fro que consume poca energa, disminuyndose notablemente la contaminacin y lasemisiones de vapores nocivos.

Ventajas tcnicas

Permite rehabilitar un firme fatigado y deformado, transformndolo en una capa tratada ms homognea con unas caractersticas mecnicas importantes y una capacidad de soporte mucho mayor.

Se disminuyen las tensiones que llegan a la explanada y las que se producen en las capas bituminosas superiores.

Se reducen los efectos negativos que sobre el firme tienen los cambios de humedad del soporte.

Se incrementa la resistencia a la helada.

Se disminuyen las molestias por el trfico de obra y los daos a la red de carreteras adyacentes debido a que no se transportan los materiales a una central de fabricacin, ni desde sta a la obra.

Puede combinarse con la ejecucin de un ensanche, utilizando para este ltimo los mismos equipos empleados en el reciclado. Con ello no se precisa un ancho mnimo de ensanche y se puede evitar la construccin de cuas

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estrechas que suelen acarrear dificultades. Una adecuada eleccin de materiales para el ensanche permite obtener despus de su tratamiento una mezcla con unas caractersticas similares a las del firme reciclado, mejorando as la homogeneidad de la seccin transversal del conjunto de la carretera ensanchada y evitando la aparicin de fisuras longitudinales entre los ensanches y el firme de la parte de la carretera existente que se conserva.

Permite rehabilitar carriles individuales.

Se mantiene prcticamente la rasante inicial.

Ventajas econmicas

Se reduce la necesidad de nuevos ridos a utilizar en la obra y el coste de su transporte.

No es necesario instalar una central de fabricacin.

Permite alcanzar elevados rendimientos.

Adems, las ventajas tcnicas ya citadas se traducen en ventajas econmicas. Todo ello da lugar a unos menores costes de rehabilitacin del firme frente a otras soluciones.

Proyecto

El reciclado in situ del firme es una tcnica que afecta a la prctica totalidad del espesor del mismo y con la que

se obtiene una nueva capa cuyas caractersticas son muy diferentes y prcticamente independientes de las deflexiones en el firme antes de su rehabilitacin.

Las caractersticas mecnicas del material obtenido despus del reciclado dependen de distintos parmetros como el espesor y naturaleza de las capas a reciclar, el porcentaje de betn residual u otros como el contenido y tipo de conglomerante empleado, pero de forma generalizada, el dimensionamiento de un firme reciclado no depende del nivel de deterioro previo de este ltimo, al contrario que en una solucin de refuerzo con mezclas bituminosas.

Los principales factores de diseo que intervienen en el proyecto son:

la intensidad de trfico pesado, la capacidad de soporte de la explanada, las caractersticas de los materiales a reciclar y del producto

obtenido, el periodo de proyecto.

Se consideran las categoras y subcategoras de trfico pesado segn la tabla 1.

En los firmes reciclados no se puede modificar las caractersticas de la explanada, teniendo que aceptar la existente. Lo usual en el diseo de este tipo de firmes es considerar una explanada de categora E3, de acuerdo con la clasificacin establecida en la Norma 6.1-IC del Ministerio de Fomento.

Ello es debido a que en general se trata de infraestructuras con muchos aos en servicio, por lo que se puede suponer que los suelos situados bajo el firme estn bien compactados y que su comportamiento es correcto. En el caso de que esto no sea cierto, se consideran dos situaciones distintas diferenciadas por dos tipos diferentes de explanada (tabla 2).

Las secciones propuestas en la tabla 2 han sido calculadas suponiendo un material reciclado con las caractersticas especificadas en el Pliego de Prescripciones Tcnicas Generales para Obras de Conservacin de Carreteras PG-4 del Ministerio de Fomento (resistencia mnima a compresin de 2,5 MPa a 7 das). En el caso de que, por cualquier circunstancia (falta de espesor, material de muy buenas caractersticas , etc.) se requiera proyectar una capa reciclada de menor espesor, se debe incrementar la resistencia mnima a compresin de

Tabla 1. Categoras de trfico pesado

Categora de trfico

TOO TO T1 T2 T3 T4

Subcategora TOO TO T1 T21 T22 T31 T32 T41 T42

IMDp (*) 4000 2000 a 3999 800 a 1999 400 a 799 200 a 399 100 a 199 50 a 99 25 a 49 0 a 24

(*) Intensidad media diaria de vehculos pesados en el carril de proyecto y ao de puesta en servicio.

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este material a 3,5 MPa a 7 das). En este caso se proponen las secciones incluidas en la tabla 3, pero deber realizarse la prefisuracin de la capa reciclada.

En el caso de categora de trfico T42 (menos de 25 camiones/da) la capa de 5 cm de mezcla bituminosa puede ser sustituida por un doble tratamiento superficial en todos los casos.

El reciclado con cemento es una solucin tambin empleada en las categoras de trfico ms pesado o en autopistas y autovas, con el objetivo de recuperar la capacidad de soporte perdida, cuando el firme del carril lento se encuentra deteriorado (rotura de las capas bituminosas y salida de finos a superficie).

En estos casos no es usual emplear las secciones propuestas en el catlogo de las tablas 2 y 3 para categoras muy altas de trfico pesado, sino que se fresa una parte de las capas bituminosas (10-12 cm) y se recicla el resto junto a la capa

inferior de suelocemento o zahorra artificial, obteniendo una capa de elevada resistencia a las tensiones generadas por las cargas del trfico. Posteriormente se reponen las mezclas fresadas y, en su caso, se refuerza el conjunto. En ocasiones, es preciso incluso sanear la explanada, antes de reciclar.

ExplanadaCategora de trfico pesado

T00 T0 T1 T21 T22 T31 T32 T41 T42

De calidadcontrastada

CBR>12

20 18 16 12 12 10 10 8 5

35 35 35 35 30 30 25 25 25

De baja calidadCBR>5

20 15 12 10 10 8 5

35 35 35 35 30 30 30

ExplanadaCategora de trfico pesado

T00 T0 T1 T21 T22 T31 T32 T41 T42

De calidadcontrastada

CBR>12

18 16 12 12 10 10 8 5

30 30 30 25 25 22 22 22

Tabla 2. Secciones de firme reciclado con cemento tipo A (RC 2,5 MPa)

Tabla 3. Secciones de firme reciclado con cemento tipo B (RC 3,5 MPa)

Mezcla bituminosa Reciclado in situ con cemento

Mezcla bituminosa Reciclado in situ con cemento

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La competitividad de estas secciones, en comparacin con las alternativas de refuerzo con mezclas bituminosas indicadas en la Norma 6.3-IC del Ministerio de Fomento, en cuanto a coste, as como su mayor durabilidad, puede comprobarse en la tabla 4, donde se aprecia que a un menor coste (ahorros entre el 12 y 17 %), se logra una capacidad de soporte de la seccin muy superior.

Ensayos previos

Inicialmente se debe realizar una divisin de la carretera en tramos homogneos en cuanto a trfico, tipo de firme, estado del mismo, etc., en base a los datos recogidos y a una campaa de extraccin de testigos y apertura de calicatas (al menos una por km), a fin de definir los espesores de cada capa y obtener muestras para caracterizar los materiales.

En el laboratorio se define la frmula de trabajo que debe indicar:

La granulometra del material resultante del reciclado y si resulta necesario aadir un corrector granulomtrico (rido fino), o bien unos centmetros de rido de aportacin si el firme no tiene el espesor suficiente. No obstante, en este ltimo caso puede considerarse tambin la opcin de reciclar parte de la explanada y aumentar la dotacin de cemento.

Los lmites de Atterberg de la explanada, en caso de que se tenga que utilizar algo de espesor de la misma.

Lahumedaddelmaterialenelmomentodelmezclado.Ladensidad a obtener, no inferior al 97% de la mxima Proctor modificado.

El tipo y dotacin de cemento a utilizar, as como del eventual aditivo (retardador de fraguado). Es recomendable el empleo de cementos con alto contenido en adiciones (ESP VI-1, CEM V, CEM IV, CEM III o CEM IIB) y clase resistente media o baja (32,5 22,5), a fin de disponer de un mayor plazo de trabajabilidad y de limitar los efectos de la fisuracin por retraccin. Los cementos de clase resistente superior, como los 42,5, deben reservarse para tiempo fro.

Dada la variabilidad de las caractersticas de los materiales que pueden encontrarse en un firme, es aconsejable que la dotacin de cemento no sea inferior al 4 % a fin de asegurar la consecucin de la resistencia mnima especificada a lo largo de toda la obra y evitar problemas posteriores, en general muy costosos de solucionar.

La dosificacin ptima de cemento se determina con varias series de tres probetas con los materiales obtenidos de las calicatas, machacados con la granulometra que se espera obtener del fresado del firme, ms el corrector granulomtrico si se ha estimado necesario, y distintas dotaciones de cemento (3, 4 y 5% por ejemplo).

Tabla 4. Comparacin entre refuerzo y mezcla bituminosa (MB) y reciclado con cemento

CATEGORATRFICO

SECCIN REFUERZO

MB

COSTE /M2

SECCIN RECICLADO

MB + reciclado

COSTE /M2

AHO-RRO/M2

(*) N VECES QUE SOPORTA DE

MS LA SECCIN RECICLADO

T2 18 cm 23,32 12+30 cm 19,95 16,9% 57

T31 15 cm 19,43 10+30 cm 17,25 12,6% 99

(*) La seccin reciclada soporta antes de su fatiga un volumen de vehculos pesados N veces superior al de la seccin reforzada (obtenido por dimensionamiento analtico).

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Las probetas se fabrican con la humedad ptima obtenida del ensayo Proctor modificado realizado previamente (suele valer con realizar un ensayo Proctor modificado de 5 puntos con una nica dotacin, 4% por ejemplo, pues suele variar poco). Las probetas se compactan a la densidad mnima exigida en obra (97% de la mxima PM) y, se rompen a compresin simple a la edad de 7 das, eligiendo la dotacin que cumple la resistencia exigida con cierta holgura para absorber las reducciones que se pueden producir durante las obras.

Definido el contenido de cemento conviene realizar un anlisis de sensibilidad sobre probetas compactadas a densidades que difieran -2 y -1 puntos de la antes indicada.

De esta forma se puede estimar la dotacin de conglomerante a aadir al material que garantice suficientemente la obtencin de la resistencia a compresin exigida con las densidades alcanzadas en obra.

La eleccin del tipo de cemento tiene una importancia menor en comparacin con el contenido de conglomerante o el grado de compactacin alcanzado.

Por ltimo, se debe obtener el plazo de trabajabilidad del material reciclado segn norma UNE-EN 13286-45, entendiendo por tal el tiempo transcurrido desde el final de la mezcla del mismo con el cemento y el agua durante el cual, por no haber comenzado todava el fraguado del conglomerante o bien estarse iniciando, es posible compactar el material sin que se produzca ningn deterioro apreciable de sus propiedades mecnicas.

Proceso constructivo

La ejecucin es similar a la estabilizacin de explanadas o a la de un suelocemento in situ, siendo vlido todo lo concerniente a materiales tratados con cemento (plazo de trabajabilidad, necesidad de obtener la densidad especificada, etc.).

Se exponen no obstante, por su importancia, algunos aspectos a considerar:

Planificar correctamente la obra en todas sus fases, por lo que antes del reciclado, se deben solucionar los problemas de explanada y drenaje que pueda haber, y que el reciclado no resolver.

Ejecutar un tramo de prueba en el que se comprueben los resultados obtenidos en los ensayos previos, tomando muestras sin cemento para determinar la granulometra real obtenida tras el paso de los equipos y realizar al menos un ensayo Proctor modificado. Adems se debe corroborar la dotacin de cemento y los equipos propuestos, definiendo el proceso de compactacin.

Resulta prcticamente imprescindible utilizar distribuidores de conglomerante en forma de lechada, en lugar de dosificadores en polvo, ya que evitan prdidas del mismo por el viento, son ms respetuosos con el medio ambiente, proporcionan una dosificacin ms precisa y una mejor distribucin.

Si la humedad del material a reciclar est prxima a la de compactacin, la aportacin de lechada no es admisible, requirindose entonces rebajar la hume dad inicial con cal o bien orear previamente el material. En algn caso ser preciso recurrir a una distribucin por va seca.

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Se debe asegurar el suministro continuo de cemento durante la obra para evitar tener los equipos parados y considerar que el tiempo que se emplea en la descarga es prximo a 30 minutos.

En cuanto a la anchura de reciclado, al tener los equipos un ancho de trabajo inferior a 2,50 m, el reciclado se debe realizar por bandas. Se debe poner especial atencin en no sobredosificar las bandas de solape y no formar juntas fras en las mismas, que posteriormente provocarn fisuras longitudinales en la carretera. Por ello, todas las operaciones de solape debern realizarse con cuidado y terminarse dentro del plazo de trabajabilidad del material.

El ancho de la seccin final reciclada no puede ser mayor que la del firme existente. Antes de iniciar el reciclado los bordes del firme deben ser limpiados adecuadamente. Dichos bordes no se deben reciclar, por lo que si se necesita ms anchura sta debe conseguirse de la misma forma que el caso de un ensanche: abriendo una caja y aportando una zahorra con la que se obtenga, despus de ser tratada con cemento, un material de caractersticas similares a las del firme reciclado; o bien disponiendo en la caja un suelocemento fabricado en central.

Para la determinacin de la longitud de las bandas de reciclado, no debe transcurrir un tiempo superior al plazo de trabajabilidad (mximo 2 horas si no se ha determinado)

desde que se inicia el reciclado de la primera banda hasta que se termina la compactacin de la ltima banda de esta misma seccin.

Por ello inicialmente la longitud de las bandas de reciclado no debe ser mayor de unos cien metros, aumentndose la misma si se comprueba que la ejecucin se lleva a cabo correctamente y la temperatura ambiente no es demasiado elevada.

La longitud de las bandas debe optimizarse de forma que coincida el final de una seccin transversal completa de carretera con una recarga de cemento del equipo dosificador de lechada.

En la apertura de las catas para controlar el espesor se ha de comprobar que el material es homogneo tanto en color (lo que indica que se ha mezclado correctamente con el cemento) como en humedad. Se debe controlar que la velocidad del equipo de reciclado no sea superior a 10 m/min, para que el material est en la cmara de mezclado de la recicladora el tiempo suficiente para obtener un mezclado homogneo.

Para conseguir una buena compactacin y la resistencia prescrita se deber controlar que la humedad del material est prxima a la ptima del ensayo Proctor modificado. Este es el parmetro ms difcil de asegurar en obra.

Es importante disponer de un equipo de obra capaz de pulverizar agua que ayude a compactar adecuadamente la superficie y evite desecaciones.

Para una adecuada nivelacin y obtener la rasante especificada, tras la disgregacin del firme existente por la recicladora, se realizan uno o dos ciclos de compactacin con el rodillo vibrando a su mxima amplitud para compactar el fondo de la capa y posteriormente se lleva a cabo un refino con motoniveladora para obtener la rasante. La motoniveladora debe mover el material lo menos posible por su tendencia a segregar, intentando siempre retirar material en los puntos altos, y no aportar capas delgadas, que pueden dar lugar a la aparicin de gruesos

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sin envolver en la superficie. No se debe pretender corregir con la motoniveladora los problemas de regularidad superficial o la falta los peraltes, sino que la rasante ha de estar previamente definida con la aportacin de la zahorra necesaria.

La compactacin se realiza con un rodillo liso, que en ocasiones se combina con un rodillo de neumticos para cerrar la superficie. Es importante mentalizar al maquinista de la importancia de su trabajo, por lo montono que resulta, y controlar de vez en cuando que se realiza correctamente.

Se considera imprescindible prefisurar la capa reciclada mediante, un sistema que garantice buenos resultados, cuando el trfico pesado sea de categora igual o superior a T2 (ms de 200 vehculos pesados/carril/da) y las condiciones climticas lo aconsejen. En cualquier caso, la prefisuracin siempre resulta recomendable.

El curado se realiza con una emulsin ECR-1. Si este se lleva a cabo a medioda y al final de la jornada en lugar de hacerlo de manera continua, se debe mantener hmeda la superficie pulverizando agua de vez en cuando (sin que se formen charcos) para evitar desecaciones.

En las zonas en la que haya cruce de caminos o en los tramos en los que vaya a circular el trfico, la emulsin deber protegerse con gravilla 3-6 (dotacin entre 4 y 6 l/m2), que se deber compactar y barrer tras su extendido.

Se debe asegurar una correcta adherencia entre la capa reciclada y la capa de mezcla bituminosa en contacto con la misma.

Para ello, una vez finalizado el reciclado y antes de extender el riego de adherencia (mejor emulsin termoadherente), se debe realizar un barrido enrgico, retirando todos los ridos sueltos que hayan quedado en superficie y la emulsin de curado que no est perfectamente adherida. La emulsin de curado tiene una misin diferente y no sustituye al riego de adherencia, que no debe levantarse

con los camiones de extendido del aglomerado (mejor emplear emulsin termoadherente).

Al objeto de controlar la resistencia del material reciclado, se deben fabricar diariamente 2 series de 3 probetas para romper a compresin a la edad de 7 das. La densidad de las probetas debe coincidir con la obtenida en la obra.

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Experiencia en Espaa

En Espaa, tras una primera experiencia en Huelva en el ao 1992 de unos 12 km de longitud, la superficie reciclada anualmente fue creciendo de forma progresiva hasta 2006, ao en el que se produjo un importante aumento. Desde entonces, se viene reciclando una superficie anual de unos 2,5 millones de m2 hasta el ao 2011 en el que se produce la crisis. Esto representa unos 25,4 millones de m2 de carreteras recicladas in situ con cemento en nuestro pas hasta el ao 2012 (unos 3.500 km de carreteras).

El trfico que circula por las carreteras recicladas vara desde las categoras ms pesadas (T0-T1), como es el caso de algunos tramos de la carretera N-630 o de la autova A-231 Camino de Santiago, hasta las ms ligeras, como muchas de las obras realizadas en la provincia de Palencia con trficos T42. Las anchuras de reciclado varan con las carreteras desde 4,6 m hasta 10 metros (en autopistas y autovas solo se recicla el carril lento con una anchura de 3,5 m).

Las secciones de firme recicladas son tambin muy variables, desde firmes con 14-15 cm de mezclas bituminosas apoyadas sobre capas de zahorras, suelocemento o macadam a tratamientos superficiales sobre capas granulares de espesor reducido (12-15 cm de macadam).

Respecto a los equipos, si bien en la primera realizacin se emple un equipo francs ARC-700, y en otras obras posteriores se ha utilizado una recicladora Caterpillar RM-350, una Wirtgen 2000 DC con un mezclador Raco-250 detrs o una Wirtgen 2100 DCR, se ha generalizado el empleo de las recicladoras WR 2500 a las que se les adapta el distribuidor de lechada WM 1000. Actualmente se dispone en Espaa de un elevado nmero de equipos para el reciclado con cemento de firmes, propiedad de varias empresas especializadas en esta tcnica.

Los rendimientos medios obtenidos llegan hasta los 8.000 m2 por da, alcanzando rendimientos mximos de 1.500 m2/hora, aunque estos valores se ven ampliamente reducidos a medias de 5.000 m2/da cuando la planificacin de la obra se complica por la necesidad de mantener el trfico circulante, hay problemas con el suministro de cemento, o la anchura de la calzada obliga a muchas bandas solapadas, y por tanto muchas maniobras de los equipos.

Conclusiones

Se trata de una tcnica de rehabilitacin de firmes:

Tcnicamente contrastada con una superficie total aproximada de 25,4 millones de metros cuadrados realizados en Espaa hasta finales del ao 2012 (unos 3.500 km de carreteras).

Competitiva y econmica respecto a cualquier solucin de refuerzo, obtenindose a un menor coste, una capacidad de soporte de la seccin muy superior.

Mucho ms sostenible y respetuosa con el medio ambiente que cualquier otra alternativa de rehabilitacin.

Referencias

Pliego de Prescripciones Tcnicas Generales para Obras de Conservacin de Carreteras PG-4, Captulo 21: Reciclado in situ con cemento de capas de firmes. O.C. 8/2001, de 28 de diciembre. Direccin General de Carreteras. Ministerio de Fomento.

Recomendaciones de proyecto y construccin de firmes y pavimentos. Consejera de Fomento. Junta de Castilla y Len. Valladolid. Edicin 2004.

Manual de firmes reciclados in situ con cemento, Instituto Espaol del Cemento y sus Aplicaciones, IECA, Madrid, 1999.

Ponencias del 1er, 2 y 3er Simposio Internacional de Estabilizacin de Explanadas y Reciclado de Firmes (Salamanca, 2001; Pars, 2005; Antigua Guatemala, 2009).

El estudio del comportamiento de los firmes reciclados in situ con cemento. Jess Daz Minguela. Tesis doctoral Universidad de Burgos, 2011. http://dspace.ubu.es:8080/ tesis/handle/10259/157.

Superficie anual reciclada en Espaa

Instituto Espaol del Cemento y sus AplicacionesC/ Jos Abascal, 53 - 1

28003 MadridT.: +34 91 442 93 11tecnologia@ieca.eswww.ieca.es