Guías técnicas

Reciclado de firmes in situ con cemento

Marzo de 2013

Página 1

Reciclado de firmes in situ con cemento

Introducción El reciclado de firmes in situ con cemento es una técnica de rehabilitación 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 áridos. 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 según el tráfico de proyecto. Frente a otras soluciones de rehabilitación, 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 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, desde autovías a calles o vías secundarias, y de superficies pavimentadas, como por ejemplo en aeropuertos o polígonos industriales.

Contribuciones a la sostenibilidad

• 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.). • Se trata de una técnica especialmente adaptada al empleo de cementos con alto contenido de adiciones. Ello se traduce en una reducción de las emisiones durante su fabricación, 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 técnica en frío que consume poca energía, disminuyéndose notablemente la contaminación y lasemisiones de vapores nocivos.

El reciclado de firmes in situ con cemento es una técnica íntimamente ligada al concepto de sostenibilidad. A todas las ventajas medioambientales derivadas del aprovechamiento de los áridos existentes, ya que evita la apertura de graveras o la sobreexplotación de las actuales y suprime el empleo de vertederos, se suman importantes beneficios técnicos y económicos. No hay que olvidar que las carreteras son el mayor yacimiento de áridos sin repercusiones medioambientales del que dispone el país.

Ventajas técnicas

Ventajas medioambientales

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

• La reutilización de materiales in situ contribuye a no tener que abrir nuevos yacimientos de áridos, ni a reducir las reservas de los existentes. Este ahorro de áridos puede estimarse en 3.000 – 4.000 t/km (comparando con el árido necesario para un firme nuevo de similar capacidad estructural), lo que significa que el reciclado de carreteras in situ con cemento evita la extracción anual de unas 800.000 t de áridos. • Se disminuye la necesidad de vertederos, al aprovecharse los materiales existentes en el firme.

• Permite rehabilitar un firme fatigado y deformado, transformándolo en una capa tratada más homogénea con unas características mecánicas 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 incrementa la resistencia a la helada. • Se disminuyen las molestias por el tráfico de obra y los daños a la red de carreteras adyacentes debido a que no se transportan los materiales a una central 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

Página 2

Reciclado de firmes in situ con cemento

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.

se obtiene una nueva capa cuyas características son muy diferentes y prácticamente independientes de las deflexiones en el firme antes de su rehabilitación.

• Se mantiene prácticamente la rasante inicial.

Las características mecánicas del material obtenido después del reciclado dependen de distintos parámetros como el espesor y naturaleza de las capas a reciclar, el porcentaje de betún 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 último, al contrario que en una solución de refuerzo con mezclas bituminosas.

Ventajas económicas

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

• Permite rehabilitar carriles individuales.

• Se reduce la necesidad de nuevos áridos a utilizar en la obra y el coste de su transporte. • No es necesario instalar una central de fabricación. • Permite alcanzar elevados rendimientos. Además, las ventajas técnicas ya citadas se traducen en ventajas económicas. Todo ello da lugar a unos menores costes de rehabilitación del firme frente a otras soluciones.

• la intensidad de tráfico pesado, • la capacidad de soporte de la explanada, • las características de los materiales a reciclar y del producto obtenido, • el periodo de proyecto. Se consideran las categorías y subcategorías de tráfico pesado según la tabla 1. En los firmes reciclados no se puede modificar las características de la explanada, teniendo que aceptar la existente. Lo usual en el diseño de este tipo de firmes es considerar una explanada de categoría E3, de acuerdo con la clasificación establecida en la Norma 6.1-IC del Ministerio de Fomento. Ello es debido a que en general se trata de infraestructuras con muchos años en servicio, por lo que se puede suponer que los suelos situados bajo el firme están 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).

Proyecto El reciclado in situ del firme es una técnica que afecta a la práctica totalidad del espesor del mismo y con la que

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

Tabla 1. Categorías de tráfico pesado Categoría de tráfico

TOO

TO

T1

T2

T3

T4

Subcategoría

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 vehículos pesados en el carril de proyecto y año de puesta en servicio.

Reciclado de firmes in situ con cemento

Página 3

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

Categoría de tráfico pesado T00

De calidad contrastada CBR>12

T0

T1

T21

T22

T31

T32

T41

T42

20

18

16

12

12

10

10

8

5

35

35

35

35

30

30

25

25

25

20

15

12

10

10

8

5

35

35

35

35

30

30

30

De baja calidad CBR>5

Mezcla bituminosa

Reciclado in situ con cemento

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

De calidad contrastada CBR>12

Categoría de tráfico pesado T00

T0

T1

T21

T22

T31

T32

T41

T42

18

16

12

12

10

10

8

5

30

30

30

25

25

22

22

22

Mezcla bituminosa

este material a 3,5 MPa a 7 días). En este caso se proponen las secciones incluidas en la tabla 3, pero deberá realizarse la prefisuración de la capa reciclada. En el caso de categoría de tráfico T42 (menos de 25 camiones/ día) 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 solución también empleada en las categorías de tráfico más pesado o en autopistas y autovías, 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 catálogo de las tablas 2 y 3 para categorías muy altas de tráfico pesado, sino que se fresa una parte de las capas bituminosas (10-12 cm) y se recicla el resto junto a la capa

Reciclado in situ con cemento

inferior de suelocemento o zahorra artificial, obteniendo una capa de elevada resistencia a las tensiones generadas por las cargas del tráfico. 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.

Página 4

Reciclado de firmes in situ con cemento

Tabla 4. Comparación entre refuerzo y mezcla bituminosa (MB) y reciclado con cemento CATEGORÍA TRÁFICO

SECCIÓN REFUERZO MB

T2

18 cm

T31

15 cm (*)

Nª VECES QUE SOPORTA DE MÁS LA SECCIÓN RECICLADO (*)

SECCIÓN RECICLADO MB + reciclado

COSTE €/M2

AHORRO €/M2

23,32

12+30 cm

19,95

16,9%

57

19,43

10+30 cm

17,25

12,6%

99

COSTE €/M2

La sección reciclada soporta antes de su fatiga un volumen de vehículos pesados N veces superior al de la sección reforzada (obtenido por dimensionamiento analítico).

La competitividad de estas secciones, en comparación con las alternativas de refuerzo con mezclas bituminosas indicadas en la Norma 6.3-IC del Ministerio de Fomento, en cuanto a coste, así 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 sección muy superior.

Ensayos previos Inicialmente se debe realizar una división de la carretera en tramos homogéneos en cuanto a tráfico, tipo de firme, estado del mismo, etc., en base a los datos recogidos y a una campaña de extracción 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 fórmula de trabajo que debe indicar: • La granulometría del material resultante del reciclado y si resulta necesario añadir un corrector granulométrico (árido fino), o bien unos centímetros de árido de aportación si el firme no tiene el espesor suficiente. No obstante, en este último caso puede considerarse también la opción de reciclar parte de la explanada y aumentar la dotación de cemento. • Los límites de Atterberg de la explanada, en caso de que se tenga que utilizar algo de espesor de la misma. • La humedad del material en el momento del mezclado. • La densidad a obtener, no inferior al 97% de la máxima Proctor modificado. • El tipo y dotación de cemento a utilizar, así 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 ó 22,5), a fin de disponer de un mayor plazo de trabajabilidad y de limitar los efectos de la fisuración por retracción. Los cementos de clase resistente superior, como los 42,5, deben reservarse para tiempo frío.

Dada la variabilidad de las características de los materiales que pueden encontrarse en un firme, es aconsejable que la dotación de cemento no sea inferior al 4 % a fin de asegurar la consecución de la resistencia mínima especificada a lo largo de toda la obra y evitar problemas posteriores, en general muy costosos de solucionar. La dosificación óptima de cemento se determina con varias series de tres probetas con los materiales obtenidos de las calicatas, machacados con la granulometría que se espera obtener del fresado del firme, más el corrector granulométrico si se ha estimado necesario, y distintas dotaciones de cemento (3, 4 y 5% por ejemplo).

Reciclado de firmes in situ con cemento

Página 5

Las probetas se fabrican con la humedad óptima obtenida del ensayo Proctor modificado realizado previamente (suele valer con realizar un ensayo Proctor modificado de 5 puntos con una única dotación, 4% por ejemplo, pues suele variar poco). Las probetas se compactan a la densidad mínima exigida en obra (97% de la máxima PM) y, se rompen a compresión simple a la edad de 7 días, eligiendo la dotación 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 análisis de sensibilidad sobre probetas compactadas a densidades que difieran -2 y -1 puntos de la antes indicada. De esta forma se puede estimar la dotación de conglomerante a añadir al material que garantice suficientemente la obtención de la resistencia a compresión exigida con las densidades alcanzadas en obra. La elección del tipo de cemento tiene una importancia menor en comparación con el contenido de conglomerante o el grado de compactación alcanzado. Por último, se debe obtener el plazo de trabajabilidad del material reciclado según 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 todavía el fraguado del conglomerante o bien estarse iniciando, es posible compactar el material sin que se produzca ningún deterioro apreciable de sus propiedades mecánicas.

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 resolverá. • Ejecutar un tramo de prueba en el que se comprueben los resultados obtenidos en los ensayos previos, tomando muestras sin cemento para determinar la granulometría real obtenida tras el paso de los equipos y realizar al menos un ensayo Proctor modificado. Además se debe corroborar la dotación de cemento y los equipos propuestos, definiendo el proceso de compactación. • Resulta prácticamente imprescindible utilizar distribuidores de conglomerante en forma de lechada, en lugar de dosificadores en polvo, ya que evitan pérdidas del mismo por el viento, son más respetuosos con el medio ambiente, proporcionan una dosificación más precisa y una mejor distribución. • Si la humedad del material a reciclar está próxima a la de compactación, la aportación de lechada no es admisible, requiriéndose entonces rebajar la hume dad inicial con cal o bien orear previamente el material. En algún caso será preciso recurrir a una distribución por vía seca.

Proceso constructivo La ejecución es similar a la estabilización de explanadas o a la de un suelocemento in situ, siendo válido todo lo concerniente a materiales tratados con cemento (plazo de trabajabilidad, necesidad de obtener la densidad especificada, etc.).

Página 6

Reciclado de firmes in situ con cemento

desde que se inicia el reciclado de la primera banda hasta que se termina la compactación de la última banda de esta misma sección. Por ello inicialmente la longitud de las bandas de reciclado no debe ser mayor de unos cien metros, aumentándose la misma si se comprueba que la ejecución 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 sección transversal completa de carretera con una recarga de cemento del equipo dosificador de lechada. • 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 próximo 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 atención en no sobredosificar las bandas de solape y no formar juntas frías en las mismas, que posteriormente provocarán fisuras longitudinales en la carretera. Por ello, todas las operaciones de solape deberán realizarse con cuidado y terminarse dentro del plazo de trabajabilidad del material. • El ancho de la sección 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 más anchura ésta debe conseguirse de la misma forma que el caso de un ensanche: abriendo una caja y aportando una zahorra con la que se obtenga, después de ser tratada con cemento, un material de características similares a las del firme reciclado; o bien disponiendo en la caja un suelocemento fabricado en central. • Para la determinación de la longitud de las bandas de reciclado, no debe transcurrir un tiempo superior al plazo de trabajabilidad (máximo 2 horas si no se ha determinado)

• En la apertura de las catas para controlar el espesor se ha de comprobar que el material es homogéneo 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 esté en la cámara de mezclado de la recicladora el tiempo suficiente para obtener un mezclado homogéneo. • Para conseguir una buena compactación y la resistencia prescrita se deberá controlar que la humedad del material esté próxima a la óptima del ensayo Proctor modificado. Este es el parámetro más difícil 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 nivelación y obtener la rasante especificada, tras la disgregación del firme existente por la recicladora, se realizan uno o dos ciclos de compactación con el rodillo vibrando a su máxima 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 aparición de gruesos

Reciclado de firmes in situ con cemento

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 aportación de la zahorra necesaria. • La compactación se realiza con un rodillo liso, que en ocasiones se combina con un rodillo de neumáticos para cerrar la superficie. Es importante mentalizar al maquinista de la importancia de su trabajo, por lo monótono 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 tráfico pesado sea de categoría igual o superior a T2 (más de 200 vehículos pesados/carril/día) y las condiciones climáticas lo aconsejen. En cualquier caso, la prefisuración siempre resulta recomendable. • El curado se realiza con una emulsión ECR-1. Si este se lleva a cabo a mediodía y al final de la jornada en lugar de hacerlo de manera continua, se debe mantener húmeda 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 tráfico, la emulsión deberá protegerse con gravilla 3-6 (dotación entre 4 y 6 l/ m2), que se deberá 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 emulsión termoadherente), se debe realizar un barrido enérgico, retirando todos los áridos sueltos que hayan quedado en superficie y la emulsión de curado que no esté perfectamente adherida. La emulsión de curado tiene una misión diferente y no sustituye al riego de adherencia, que no debe levantarse

Página 7

con los camiones de extendido del aglomerado (mejor emplear emulsión termoadherente). • Al objeto de controlar la resistencia del material reciclado, se deben fabricar diariamente 2 series de 3 probetas para romper a compresión a la edad de 7 días. La densidad de las probetas debe coincidir con la obtenida en la obra.

Página 8

Experiencia en España En España, tras una primera experiencia en Huelva en el año 1992 de unos 12 km de longitud, la superficie reciclada anualmente fue creciendo de forma progresiva hasta 2006, año 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 año 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 país hasta el año 2012 (unos 3.500 km de carreteras). El tráfico que circula por las carreteras recicladas varía desde las categorías más pesadas (T0-T1), como es el caso de algunos tramos de la carretera N-630 o de la autovía A-231 Camino de Santiago, hasta las más ligeras, como muchas de las obras realizadas en la provincia de Palencia con tráficos T42. Las anchuras de reciclado varían con las carreteras desde 4,6 m hasta 10 metros (en autopistas y autovías solo se recicla el carril lento con una anchura de 3,5 m). Las secciones de firme recicladas son también 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 realización se empleó un equipo francés ARC-700, y en otras obras posteriores se ha utilizado una recicladora Caterpillar RM-350, una Wirtgen 2000 DC con un mezclador Raco-250 detrás 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 España de un elevado número de equipos para el reciclado con cemento de firmes, propiedad de varias empresas especializadas en esta técnica. Superficie anual reciclada en España

Reciclado de firmes in situ con cemento

Los rendimientos medios obtenidos llegan hasta los 8.000 m2 por día, alcanzando rendimientos máximos de 1.500 m2/ hora, aunque estos valores se ven ampliamente reducidos a medias de 5.000 m2/día cuando la planificación de la obra se complica por la necesidad de mantener el tráfico 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 técnica de rehabilitación de firmes: • Técnicamente contrastada con una superficie total aproximada de 25,4 millones de metros cuadrados realizados en España hasta finales del año 2012 (unos 3.500 km de carreteras). • Competitiva y económica respecto a cualquier solución de refuerzo, obteniéndose a un menor coste, una capacidad de soporte de la sección muy superior. • Mucho más sostenible y respetuosa con el medio ambiente que cualquier otra alternativa de rehabilitación.

Referencias • Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Conservación de Carreteras PG-4, Capítulo 21: Reciclado in situ con cemento de capas de firmes. O.C. 8/2001, de 28 de diciembre. Dirección General de Carreteras. Ministerio de Fomento. • Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos. Consejería de Fomento. Junta de Castilla y León. Valladolid. Edición 2004. • Manual de firmes reciclados in situ con cemento, Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones, IECA, Madrid, 1999. • Ponencias del 1er, 2º y 3er Simposio Internacional de Estabilización de Explanadas y Reciclado de Firmes (Salamanca, 2001; París, 2005; Antigua Guatemala, 2009). • “El estudio del comportamiento de los firmes reciclados in situ con cemento”. Jesús Díaz Minguela. Tesis doctoral Universidad de Burgos, 2011. http://dspace.ubu.es:8080/ tesis/handle/10259/157.

Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones C/ José Abascal, 53 - 1º 28003 Madrid T.: +34 91 442 93 11 [email protected]

www.ieca.es