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PAVIMENTOS ARTICULADOS DE BLOQUES DE ASFALTO ELABOR ADOS CON RAP (MATERIAL ASFÁLTICO RECUPERADO): UNA SOLUCIÓN ALTER NATIVA PARA

CAMINOS DE BAJO VOLUMEN DE TRÁNSITO

C. MARÍN G. THENOUX Prof. Escuela de Construcción Civil Prof. Depto. de Ing. y Gestión de la Pontificia Universidad Católica de Chile construcción Santiago, Chile Pontificia Universidad Católica de Chile crmarin@uc.cl Santiago, Chile gthenoux@ing.puc.cl

RESUMEN En un pavimento articulado su capa de rodado está compuesta tradicionalmente por bloques de hormigón o adoquines. Son diversas las aplicaciones de este tipo de pavimentos: vías de bajos volúmenes de tránsito, plazas, estacionamientos, entre otras. Este trabajo presenta los resultados de investigación sobre una alternativa de pavimentos articulados cuya capa de rodado se compone de bloques fabricados con mezclas asfálticas con incorporación de material asfáltico recuperado – RAP (Reclaimed Asphalt Pavement). El estudio se basó en la construcción de un tramo experimental que se utilizó para la fabricación in situ de los bloques asfálticos y posterior construcción del pavimento. El trabajo presenta un resumen de las principales etapas del estudio y el procedimiento de investigación para evaluar la capacidad estructural de un pavimento con capa de rodado en tres escenarios diferentes: con capa asfáltica continua, capa asfáltica cortada o fisurada y con capa de bloques asfálticos. Se realizaron ensayos deflectométricos mediante un deflectómetro de impacto – FWD (Falling Weight Deflectometer) utilizando diferentes niveles de carga, lo que permitió obtener los cuencos de deflexión y comparar los aportes estructurales de las capas de rodadura en sus tres escenarios. Empleando el programa computacional EVERCAL se determinó un promedio preliminar de los módulo elásticos, encontrándose valores de 3800 MPa para la capa continua, 2000 MPa para la capa cortada o fisurada y 550 MPa para la capa de bloques asfálticos. 1. INTRODUCCIÓN Un Camino de Bajo Volumen de Tránsito - CBVT es considerado como un camino que tiene un relativo bajo uso con un Tránsito Medio Diario Anual (TMDA) de 400 vehículos por día (vpd) o menos y con velocidades de diseño bajas, generalmente menos de 80 Km/h y en muchas ocasiones con prevalencia de cargas de gran magnitud. Muchos de estos caminos se encuentran sin pavimentar o cuentan con capas de rodadura de calidades muy variables, lo cual trae consigo problemáticas que los hace particularmente vulnerables a las condiciones del suelo y el drenaje del agua superficial que pueden degradar rápidamente su funcionalidad, causar daños estructurales y generar impactos adversos sobre el medio ambiente local, la calidad del agua y la vida acuática. Elegir un tipo de superficie para esta clase de caminos es un desafío y advierte un análisis profundo que balancee los costos asociados con los requerimiento funcionales y estructurales. Tradicionalmente las superficies de rodado más utilizadas en los CBVT están compuestas por capas asfálticas y de grava pero en muchos casos se hace difícil justificar económicamente la pavimentación con capas asfálticas y la alternativa con

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grava presenta problemas en la gestión del mantenimiento y baja calidad de la superficie de rodado. Por otro lado, una buena parte de las labores de rehabilitación de los pavimentos se ha enfocado en el reciclado de sus materiales específicamente en el fresado de las capas puramente asfálticas. Este material molido o fresado se denomina RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) y su utilización en altos contenidos en nuevas mezclas asfálticas brinda algunas ventajas como: previene la disposición de este material en extensas zonas de botaderos y/o vertederos, reduce la cantidad de agregado virgen y de asfalto que se extraen o explotan de los recursos naturales y se dispone técnicamente de un material con calidades ingenieriles y constructivas aceptables. Sin embargo, debido al aumento de las labores de rehabilitación de pavimentos a través de labores de fresado la cantidad de material RAP continúa creciendo por lo que es fundamental promover su uso en la producción de nuevas mezclas asfálticas. Este trabajo presenta un trabajo de investigación mediante la elaboración de bloques asfálticos con la incorporación de material RAP con dos objetivos principales: promover el uso del RAP y ser aplicado en caminos CBVT como capa de rodadura de un pavimento articulado. El estudio muestra los resultados de la aplicación del criterio de diseño de mezcla empleado para determinar el contenido de incorporación de RAP en el bloque y una comparación del aporte estructural de un tramo de prueba de pavimento cuya capa de rodadura se analizó en tres escenarios: como capa de asfalto continua, cortada y armada en bloques. 2. FUNDAMENTO DE LA ALTERNATIVA DE PAVIMENTACIÓN La alternativa promueve la reducción y/o aprovechamiento de materiales con posibilidad de reutilización y/o reciclaje como lo es el RAP, el cual además de las ventajas ya mencionadas permitiría la optimización de la gestión de una planta de asfalto fija mediante el manejo de los tiempos muertos de trabajo. Por otro lado, al proponer un bloque prefabricado se brinda la posibilidad de tener un control industrial de su elaboración y su colocación en terreno se hace simple y sencilla, sin requerimientos de maquinaria especializada y haciendo uso de mano de obra intensiva. Además, al tratarse de una alternativa de pavimentación tipo articulada se tiene un control de las patologías de deterioro más comunes de los pavimentos asfálticos como la fatiga, el ahuellamiento y la fisuración por baja temperatura lo que permite no emplear los criterios tradicionales de diseño de mezclas y proponer otros más simples y ajustados al concepto de desempeño estructural tanto de la mezcla como del pavimento articulado. 3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Materiales El RAP utilizado para la elaboración de las mezclas asfálticas recicladas fue seleccionado de la planta de producción de mezclas “Quilín Asfaltos” con sede en la ciudad de Santiago de Chile. Este material es proveniente de diversas labores de fresado de capas asfálticas deterioradas dentro del plan de mantenimiento de la red vial de la ciudad y de acuerdo con extracciones de asfalto realizadas en el laboratorio se determinó que contenía un 5.5% de asfalto residual [1]. Los agregados fueron donados por la misma empresa al igual que el asfalto virgen tipo CA-24. 3.2 Diseño y caracterización mecánica de las mezclas en laboratorio Se seleccionaron tres tipos de mezclas con contenidos de RAP diferentes: una mezcla patrón con un 0% RAP, 25% RAP y 50% RAP. Se empleó la granulometría semi-densa tipo IV-A-12 con un tamaño máximo nominal de 19 mm utilizada en Chile como capa de rodadura en la mayoría de proyectos interurbanos [2]. Para fabricar las probetas se utilizó el compactador Marshall aplicando 75 golpes por cara. Se aplicó la herramienta del Polígono de Vacíos para determinar un contenido apropiado de asfalto que garantizara las propiedades volumétricas exigidas por la normativa en Chile [3] y se realizó la caracterización mecánica de las mezclas mediante la valoración de la propiedad de resistencia a la tracción indirecta – ITS (Indirect Tensile Strenght), propiedad utilizada para la elección del contenido de RAP a incorporar en las mezclas a fabricar para el tramo de prueba. Se realizaron ensayos a dos temperaturas diferentes (10 y 20 °C) a probetas elaboradas con tres contenidos de asfalto (5.5, 6.0, 6.5%).

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3.3 Consideraciones sobre el tamaño del bloque Las dimensiones del bloque se determinó teniendo en cuenta los aspectos constructivo y estructural del pavimento articulado definiendo tanto la condición de constructabilidad (peso y rendimiento de construcción) como la capacidad estructural del bloque (tamaño de la impronta del neumático sobre el bloque y resistencia a la flexotracción). Se planteó inicialmente que el tamaño del bloque coincidiera lo máximo posible con el tamaño de la impronta del neumático sobre el pavimento por lo que se calcularon dos tipos de impronta, una circular y una combinada (su geometría la componen un rectángulo y dos semi-círculos en sus extremos) quedando definidas para una condición de carga de 20 KN (carga de un eje estándar simple de rueda doble de 80 KN) y una presión de inflado que oscila entre los 520 y 690 KPa, obteniéndose dos tamaños representativos para el bloque: uno cuadrado de 20 cm x 20 cm y uno rectangular de 25 cm x 15 cm. 3.4 Descripción del tramo de prueba El tramo de prueba fue construido con la cooperación de la empresa Quilín Asfaltos y se localizó en un área propiedad de la misma cerca de la Ruta 68 vía a la población de Noviciado (Chile). Este tramo experimental contó con un ancho de 4 metros y una longitud de 20 metros. El ancho fue dividido en dos pistas o carriles cada uno con 2 metros asignándoseles para su construcción un tamaño de bloque diferente y la longitud fue seccionada en tres sub-tramos con una capa de rodadura con contenidos de RAP diferentes (ver Tabla 1). La estructura de pavimento se compone de una capa de sub-rasante con un CBR aproximado del 7%, una capa de base granular de 20 cm de espesor y una capa asfáltica con un espesor de 5 cm.

Tabla 1. Sub-tramos de construcción con distintos contenidos de RAP

Se elaboraron en planta tres diferentes tipos de mezclas asfálticas: una patrón sin incorporación de RAP, una con 15% RAP y otra con 25% RAP (máxima capacidad de incorporación de material RAP de la planta productora de asfalto). El contenido de asfalto total (virgen más residual) para estas mezclas fue del 5.5%. Por otro lado, se le asignó al tramo de prueba para su evaluación deflectométrica tres escenarios diferentes: el primer escenario corresponde al pavimento con una superficie asfáltica continua, un segundo escenario con la superficie cortada mediante cortadora de pavimento que además permitió obtener in situ los bloques asfálticos y un tercer escenario con la superficie compuesta por bloques asfálticos sobre una capa de arena de máximo 20 mm (Ver Figura 1). El escenario dos de la capa cortada representa una superficie con una patología similar a la fatiga o piel de cocodrilo. El proceso de construcción del tramo de prueba se encuentra resumido en el compendio fotográfico de la Figura 2. Figura 1: Escenarios de pavimento para evaluación deflectométrica: a. Con capa asfáltica continua; b. Con capa asfáltica cortada; c. Con bloques asfálticos colocados

Base granular

Subrasante

a.

Base granular

Subrasante

b.

Subrasante

Base granular

c.

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Figura 2: Construcción tramo de prueba: a. Escarpado del terreno b. Material de base granular; c. Extensión de la mezcla asfáltica; d. Compactación con rodillo liso; e. Compactación con neumáticos; f. Cortado de la superficie de asfalto con cortadora; g. Capa asfáltica cortada; h. Extracción de bloques asfálticos; i. Armado de la capa de bloques; j. Relleno de juntas con arena; k. Vista general de la capa de bloques terminada; l. Deflectometría de impacto

g. h. i.

k. j.

f. e. d.

b. a. c.

l.

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3.5 Evaluación deflectométrica Se realizaron ensayos de deflectometría de impacto sobre el pavimento del tramo de prueba para comparar los aportes estructurales de las capas de rodadura en cada uno de los tres escenarios (ver Figura 3). Se empleó un deflectómetro de impacto - FWD (Falling Weight Deflectometer) para estimar el cuenco de deflexiones mediante unos sensores o geófonos localizados a una distancia radial de 0, 200, 300, 450, 600, 750, 900 y 1500 mm y con magnitudes de carga de 30, 40 y 50 KN. La variable inicial de interés es la deflexión medida directamente debajo del plato de carga llamada D0 que es la máxima deflexión.

Figura 3: Deflectometría de impacto sobre: a. Capa de asfalto continua; b. Capa de asfalto cortada; c. Capa de bloques

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 Caracterización mecánica de la mezcla asfáltica La Figura 4 muestra los resultados de laboratorio para el ensayo ITS en la que se puede observar que con un incremento del contenido de RAP en la mezcla, la resistencia a la tracción aumenta. Estos resultados coinciden con los reportados en la literatura [4] [5]. Este incremento se presenta con mayor intensidad a partir de la muestra patrón sin incorporación de RAP hasta aproximadamente un 25% RAP, disminuyendo su tendencia de aumento hasta el contenido máximo estudiado en este trabajo (50% RAP). Este incremento de resistencia se debe al aumento en la rigidez de la mezcla debido al asfalto residual envejecido presente en los agregados del RAP. También se pudo determinar que el contenido de asfalto más apropiado para los límites investigados en este trabajo oscila entre el 5.5% y 6.0% los cuales entregan las mayores resistencias a la tracción.

Figura 4: Resistencia a la tracción vs Contenido de RAP para las temperaturas de ensayo: a. 10 °C; b. 20 °C

a. b. c.

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En la Figura 5 se observa los valores de la resistencia a la tracción con respecto a la variación de la temperatura de ensayo para los tres contenidos de asfalto (CA) estudiados con su correspondiente error estándar para una confiabilidad del 95%. Se estableció para cada temperatura que la resistencia a la tracción se incrementa con el aumento del contenido de RAP en la mezcla; sin embargo, los valores obtenidos en este estudio para las mezclas con 25% y 50% RAP son similares en magnitud indicando que el incremento de RAP en este rango no tiene grandes implicaciones en la propiedad de resistencia a la tracción de la mezcla reciclada, debiéndose analizar las condiciones de producción en planta, los temas ambientales y económicos para establecer el contenidos más adecuado de RAP a incorporar en la mezcla.

Figura 5: Resistencia a la tracción vs Temperatura de ensayo: a. 5.5% CA; b. 6.0% CA; c. 6.5% CA 4.2 Evaluación deflectométrica Las Figura 6 y Figura 7 comparan los cuencos de deflexión para los tres escenarios de pavimento a diferentes magnitudes de carga y para las dos pistas definidas por el tamaño del bloque colocado. La forma y magnitud de los cuencos de deflexión muestran una pérdida considerable del aporte estructural de la capa de bloque asfáltico cuando se compara con los otros dos escenarios. Por otro lado, la capa de bloques de forma cuadrada presenta unas deflexiones un poco mayores que la capa de bloques de forma rectangular lo que puede interpretarse como una menor capacidad de soporte o de distribución de las cargas entre bloques. Para el escenario de capa de bloques asfálticos los resultados muestran que a medida que la distancia de los sensores aumenta, las deflexiones medidas convergen a un mismo valor. Para esta investigación esta distancia es de 400 mm donde se observa un punto de inflexión marcado, lo que significa que la carga impuesta es prácticamente soportada por el bloque en el cual se aplica y por su vecino inmediato dadas las dimensiones estudiadas. Sobre esta capa se continúan haciendo mediciones ya que al momento de realizar la deflectometría de impacto la estructura se encontraba húmeda debido a constantes lluvias ocurridas en los días anteriores pudiendo debilitar la subrasante o eliminar la arena de las juntas entre bloques disminuyendo la transferencia de carga.

a. b.

c.

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Figura 6: Deflexiones promedio normalizadas medidas para los tres escenarios de pavimento (tercer escenario con bloques rectangulares de 25 cm x 25 cm - K0+015) para las cargas aplicadas de: a. 30 KN; b. 40 KN; c. 50 KN

Figura 7: Deflexiones promedio normalizadas medidas para los tres escenarios de pavimento (tercer escenario con bloques cuadrados de 20 cm x 20 cm - K0+015) para las cargas aplicadas de: a. 30 KN; b. 40 KN; c. 50 KN 4.3 Valores de módulos retro-calculados Se empleó el programa de computador EVERCAL para retro-calcular los módulos de la capa de superficie del pavimento para los tres escenarios propuestos en este trabajo. Este programa está basado en un análisis de capas elásticas y permite determinar el módulo elástico de las capas del pavimento mediante iteraciones sucesivas ajustando las deflexiones medidas en terreno con las deflexiones calculadas dentro de un rango de error especificado [6]. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 2 donde se observa que existe una disminución considerable del módulo elástico de la capa de bloques comparado con el de la capa continua sugiriendo un menor aporte estructural (Esto se ve claramente en las magnitudes de las deflexiones medidas). Cortar o inducir una especie de fatiga en la capa asfáltica produjo una disminución cerca del 50% del aporte estructural original. Los valores recomendados se sugieren para cálculos y/o modelaciones posteriores.

Tabla 2: Módulos elásticos retro-calculados

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5. CONCLUSIONES El trabajo permitió obtener algunas conclusiones referidas tanto al diseño de la mezcla para el bloque como para el análisis estructural preliminar del pavimento en sus tres escenarios:

� El análisis volumétrico mediante el Polígono de Vacíos y la resistencia a la tracción obtenida mediante el ensayo de tracción indirecta fueron utilizados como criterio para la obtención del contenido más adecuado de asfalto de las mezclas asfálticas con RAP. Esto permite independizar el diseño de los mecanismos de falla tradicionales como la fatiga, ahuellamiento y fisuración por baja temperatura.

� Existe un incremento de la resistencia a la tracción con el aumento del contenido de RAP en la mezcla. Para contenidos del 25% y 50% RAP las resistencias son similares en magnitud, lo cual sugiere un análisis cuidadoso si se quiere promover el uso de mayores incorporaciones de este material ya que se debe tener en cuenta no solo la capacidad de la planta para producir las mezclas sino también las condiciones que implica generar mayores temperaturas, aumentar la probabilidad de envejecimiento u oxidación del asfalto residual del RAP y producir mayor contaminación por generación de gases indeseables al medio ambiente.

� Teniendo en cuenta las limitaciones de la planta en donde se fabricaron las mezclas para los bloques y la propiedad

de resistencia a la tracción, el contenido máximo de incorporación de RAP es del 25%.

� El contenido de asfalto más apropiado para los límites investigados en este trabajo oscila entre el 5.5% y 6.0% proporcionando las mayores resistencias a la tracción.

� El aporte estructural de la capa de bloques asfálticos se ve reducida considerablemente comparada con la capa de asfalto continua. Esto se pudo ver tanto en las deflexiones medidas en terreno como en los valores preliminares de módulos retro-calculados. Actualmente se siguen haciendo mediciones sobre el tramo de prueba por lo que estos valores podrían ser ajustados con resultados ligeramente diferentes.

6. BIBLIOGRAFÍA [1] C. Marín, Investigación y desarrollo de pavimentos articulados de bloques asfálticos con RAP y verificación del

desempeño a través de la implementación de un modelo físico experimental, Santiago de Chile: Pontificia Universidad Católica de Chile, Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción, 2015.

[2] LNV, «Manual de Carreteras Volumen N°5,» Ministerio de Obras Públicas de Chile, Santiago de Chile, 2014.

[3] C. Marín y G. Thenoux, «Validation of the Polygon-Of_voids Tool for Asphalt Mixtures with RAP,» Revista de la Construcción, vol. 13, nº 1, pp. 56-63, 2014.

[4] Huang, Shu y Vukosavljevic, «Laboratory investigation of cracking resistance of hot-mix asphalt field mixtures containing screened reclaimed asphalt pavement,» Journal of materials in civil engineering, vol 23, N° 11, pp. 1535-1543, 2011.

[5] J. Chen, P. Chu y K. Lin, «Characterization of Binder and Mix Properties to Detect Reclaimed Asphalt Pavement Content in Bituminous Mixtures,» Canadian Journal of Civil Engineering, nº 34, pp. 581-588, 2007.

[6] Washington State Department of Transportation, EVERSERIES USER'S GUIDE - Pavement Analysis Computer Software and Case Studies, 2005.