Manual Completo

DE CAPAS TRATADAS CON CEMENTO

IECA

MANUAL DE CAPAS TRATADAS CON CEMENTO LISTADO DE PARTICIPANTES DIRECCIÓN TÉCNICA SECRETARÍA Y COORDINACIÓN TÉCNICA

Aurelio Ruiz Rubio (CEDEX) Carlos Jofré Ibañez (IECA) José Miguel Baena Rangel (CEDEX)

SUPERVISIÓN TÉCNICA

José Miguel Baena Rangel (CEDEX) Carlos Jofré Ibáñez (IECA) Carlos Kraemer Heilperno (U.P.V.)

COMITÉ DE REDACCIÓN

Aurelio Ruiz Rubio (CEDEX) José Miguel Baena Rangel (CEDEX) Jesús Díaz Minguela (IECA) Carlos Jofré Ibáñez (IECA) Ricardo López Perona (AFCA) Iñaki Zabala Zuazo (IECA)

COMITÉ TÉCNICO

Aurelio Ruiz Rubio (CEDEX) José Miguel Baena Rangel (CEDEX) Jesús Díaz Minguela (IECA) Carlos Jofré Ibáñez (IECA) Ricardo López Perona (AFCA) Iñaki Zabala Zuazo (IECA) José Antonio Fernández Cuenca (DRAGADOS) Carlos Kraemer Heilperno (U.P.V.) Miguel Angel Ortiz de Landaluce (D.F.A) Marco Rodríguez Vidal (BEGAR C. Y C.) Julio José Vaquero García (IECA)

COLABORADORES

José Calleja Carrete (IECA)

ACRÓNIMOS DE EMPRESAS E INSTITUCIONES CEDEX IECA U.P.V. AFCA DRAGADOS D.F.A. BEGAR

Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas Instituto Español del Cemento y su Aplicaciones Universidad Politécnica de Valencia Asociación de Fabricantes de Cemento de Andalucía DRAGADOS, Obras y Proyectos Diputación Foral de Álava BEGAR Construcciones y Contratas, S.A.

1

Capítulo

LOS MATERIALES TRATADOS CON CEMENTO EN LOS FIRMES SEMIRRÍGIDOS Este capítulo sirve de introducción a los materiales tratados con cemento como partes integrantes de los firmes denominados semirrígidos. Se definen sus características, se presentan sus ventajas y se describe el desarrollo que han tenido en España.

1.1

INTRODUCCIÓN Se conoce como materiales tratados con cemento a aquellos materiales para firmes que utilizan cemento como conglomerante. Se dosifican de manera que resulte un material de consistencia seca, apto para ser compactado con rodillos, y que cumpla unas determinadas características resistentes a una cierta edad. Los materiales tratados con cemento se utilizan como base o subbase de firmes. A los firmes compuestos por una o dos capas de materiales tratados con cemento sobre las que se disponen capas superiores bituminosas se les denomina firmes semirrígidos. En los firmes semirrígidos las capas de materiales tratados con cemento son las que esencialmente aportan la resistencia estructural al firme. El pavimento bituminoso, que soporta directamente las solicitaciones de tráfico, proporciona fundamentalmente las características superficiales y la impermeabilidad. Bajo la acción de las cargas de los vehículos las capas de materiales tratados con cemento trabajan a flexión, como una losa, disminuyendo y uniformizando muy apreciablemente las tensiones y deflexiones que originan dichas cargas. Por lo tanto, los esfuerzos y deformaciones que se producen en la explanada y, en su caso, en las capas inferiores del firme, son también muy reducidos. Como consecuencia, el empleo de capas tratadas con cemento normalmente permite reducir los espesores del firme o aumentar su vida de servicio, lo que les hace muy interesantes desde los puntos de vista técnico y económico.

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M A T E R I A L E S T R A T A D O S F I R M E S S E M I R R Í G I D O S

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El objetivo de este Manual es proporcionar unos criterios sencillos y prácticos para poder proyectar y construir adecuadamente los firmes semirrígidos con materiales tratados con cemento.

1.2

TIPOS DE MATERIALES TRATADOS CON CEMENTO La adición de cemento a un material granular tiene como objetivo principal dotarle de cohesión para mejorar sus propiedades mecánicas y su durabilidad. Incluso con contenidos moderados de cemento, el material granular aumenta de forma notable su rigidez. La técnica de materiales tratados con cemento comprende una serie de unidades de obra que se diferencian en función de las características del material granular utilizado y de los porcentajes de cemento añadidos a la mezcla. Dentro de los mismos se pueden encontrar desde sueloscemento, con una resistencia a compresión a largo plazo del orden de 5 MPa y un módulo de elasticidad del orden de 8.000 MPa, hasta hormigones compactados con una resistencia a compresión a largo plazo superior a 35 MPa y un módulo de elasticidad del orden de 33.000 MPa.

Foto 1.1

Testigos extraídos de un firme con base de suelocemento.

En este Manual sólo se van a contemplar los materiales cuya compactación se realiza con rodillo, que son los que habitualmente se utilizan en los firmes semirrígidos. No son objeto del mismo aquellos otros que se ponen en obra mediante la técnica de vibrado. Tampoco se consideran las capas de suelos estabilizados para explanadas o los materiales obtenidos mediante el reciclado con cemento de firmes existentes.

Los materiales tratados con cemento se clasifican en función de las características del material granular utilizado y de la resistencia alcanzada por la mezcla a una determinada edad. La resistencia depende, esencialmente, del contenido de cemento, por lo que también se pueden clasificar en función de éste, salvo en el caso del suelocemento, en donde el tipo de suelo tiene también una gran influencia. En la Fig. 1.1 se han representado los intervalos de

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resistencia que se pueden considerar típicos para las distintas familias de materiales tratados con cemento en función de su edad.

RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)

40

30

HC HMC

20

GCA 10

GC SC

0 1

10

100

1000

EDAD (DÍAS)

Figura 1.1 Resistencias de materiales tratados con cemento

1.2.1 Suelocemento (SC) Se trata de un material fabricado con suelos granulares o zahorras, cuyo contenido de cemento en masa suele ser del orden del 3 - 7 %. A largo plazo, su resistencia a compresión suele ser superior a 4 MPa (según las especificaciones incluidas en el PG-3∗, a 7 días debe ser mayor de 2,5 MPa), y su módulo de elasticidad presenta valores del orden de 6.000 MPa con suelos granulares y superiores a 10.000 MPa si se emplean zahorras. Se usa normalmente como capa de apoyo (subbase) de otros materiales tratados con cemento, o bien como capa resistente (base inferior) bajo capas bituminosas. También hay ya una amplia experiencia en su utilización como base y subbase de un mismo firme semirrígido, con resultados muy positivos. Se fabrica normalmente en central, aunque se puede ejecutar in situ mediante equipos similares a los empleados en estabilización de explanadas o en el reciclado de firmes con cemento.

1.2.2 Gravacemento (GC) Se trata de un material constituido por áridos de machaqueo, sin finos plásticos y con una granulometría ajustada, y contenido de cemento del orden del 3,5 - 5 %, cuya fabricación se realiza en central. A largo plazo, su resistencia a compresión suele ser superior a 8 MPa (según el PG-3, a 7 días debe ser mayor de 4,5 MPa) y su módulo de elasticidad es del orden de 20.000 MPa. Se emplea como capa de base bajo pavimentos bituminosos.

∗

Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes del Ministerio de Fomento.

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1.2.3 Gravacemento de alta resistencia (GCA) Este material no figura por el momento en las especificaciones españolas, si bien ha sido incluido en el catálogo francés de firmes publicado en 1998. En la fabricación de este material, que se realiza en central, se emplean áridos con las mismas exigencias que los de la gravacemento, y un contenido de cemento algo más elevado, en el intervalo del 5 al 7%. Ello se traduce en una resistencia a compresión a largo plazo superior a 14 MPa (a 7 días debería presentar valores superiores a 8 MPa) y un módulo de elasticidad del orden de 25.000 MPa. Su empleo como base supone una reducción de espesores con respecto a los necesarios para una gravacemento convencional.

1.2.4 Hormigón magro compactado (HMC) Este material tampoco está aún recogido en las especificaciones españolas, si bien se ha utilizado en alguna obra importante. Es similar al hormigón magro vibrado, pero con consistencia seca. Se trata de un material, fabricado en central, constituido por áridos similares a los empleados en la gravacemento, y con un contenido de cemento del orden del 5 al 10 %. A largo plazo, la resistencia a compresión suele ser superior a 22 MPa (a 7 días debería presentar valores superiores a 12 MPa) y el módulo de elasticidad es del orden de 30.000 MPa. Se emplea fundamentalmente como capa de base.

1.2.5 Hormigón compactado (HC) Se trata de un material fabricado en central, constituido por áridos similares a los empleados en la gravacemento y un contenido de cemento del orden del 10 14 %. A largo plazo, la resistencia a compresión suele ser superior a 35 MPa (a 7 días debería presentar valores superiores a 18 MPa) y el módulo de elasticidad es del orden de 33.000 MPa. Por sus características mecánicas puede soportar, directamente o con un tratamiento superficial, el paso de vehículos pesados. Sin embargo, para tráficos circulando a velocidad elevada es preciso disponer una capa de rodadura bituminosa para mejorar la regularidad superficial, actuando entonces como capa de base.

1.3

TIPOLOGÍA DE LOS FIRMES SEMIRRÍGIDOS Los firmes semirrígidos están constituidos por los siguientes materiales: Mezclas bituminosas en caliente, en una o varias capas. Aportan principalmente las características superficiales, si bien también colaboran en las estructurales. Materiales tratados con cemento, en capas de base y/o subbase, con las funciones resistentes típicas de estas capas. Normalmente se han venido utilizando dos tipos de firmes semirrígidos: En el primero (Fig. 1.2.a), se suele disponer una sola capa de suelocemento. En estos casos la mezcla bituminosa tiene un espesor importante y comparte el papel estructural con las capas tratadas con cemento. En el segundo tipo (Fig. 1.2.b), los materiales tratados con cemento desarrollan la principal función resistente. Generalmente se disponen dos capas de estos Página - 4 -

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materiales, aunque con tráficos medios o bajos se puede utilizar una capa única. La inferior suele ser de suelocemento y la superior de gravacemento, hormigón magro u hormigón compactado. El pavimento de mezcla bituminosa suele tener un espesor relativamente pequeño y sus funciones principales son las de dotar al firme de unas características superficiales adecuadas y de la necesaria impermeabilidad. Otro tipo, del que en España sólo hay aplicaciones experimentales, es el denominado firme inverso (Fig. 1.2.c), en el que se dispone una capa de zahorra de unos 12 cm de espesor entre la mezcla bituminosa y la capa tratada con cemento para prevenir la reflexión de grietas.

MEZCLA BITUMINOSA

15 CM

GRAVACEMENTO

22 CM

SUELOCEMENTO

22 CM

CIMIENTO

a)

MEZCLA BITUMINOSA

20 CM

SUELOCEMENTO

25 CM

MEZCLA BITUMINOSA

18 CM

ZAHORRA

12 CM

GRAVACEMENTO

22 CM

CIMIENTO

CIMIENTO

c)

b)

Figura 1.2 Tipos de firmes semirrígidos: a) con base de suelocemento; b) con base de gravacemento; c) inverso

Los espesores de las capas varían en función del tráfico al que vaya a estar sometido el firme, de la explanada sobre la que se disponga y del tipo de firme semirrígido de que se trate. Como intervalos de variación de los mismos se pueden indicar los siguientes: Mezclas bituminosas en caliente: 5 a 30 cm en una o varias capas. En firmes de baja intensidad de tráfico pueden sustituirse por tratamientos superficiales con gravilla. Suelocemento: 20 a 35 cm en una sola capa. Gravacemento, gravacemento de alta resistencia, hormigón magro compactado y hormigón compactado: 20 a 32 cm en una sola capa. A igualdad de tráfico pesado de proyecto, los mayores espesores de mezclas bituminosas corresponden a aquellos firmes en los que la única capa de material tratado con cemento es una subbase de suelocemento. Sobre bases de gravacemento o de otros materiales de mayor resistencia se disponen espesores de mezcla bituminosa menores que los anteriores, pero en cualquier caso superiores a los estrictamente necesarios desde un punto de vista funcional con el objeto de retrasar en lo posible la reflexión de las fisuras de retracción. Las técnicas de prefisuración en fresco, que se tratan con detalle en este Manual, permiten disminuir estos espesores con respecto a los que han sido habituales en este tipo de firmes.

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VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS FIRMES SEMIRRÍGIDOS Se indican a continuación algunas ventajas y limitaciones de los firmes semirrígidos:

1.4.1 Ventajas técnicas Entre las ventajas técnicas de este tipo de firmes se pueden mencionar las siguientes: Excelente capacidad estructural y elevada vida de servicio. Las capas bituminosas superiores no sufren tracciones que las fatiguen siempre que estén adecuadamente adheridas entre sí y a la capa tratada con cemento. Las deformaciones de la explanada originadas por las cargas de tráfico son muy reducidas, por lo que no se producen asientos ni descompactaciones en la misma.

1.4.2 Ventajas económicas y ambientales Entre las ventajas económicas y ambientales de este tipo de firmes pueden mencionarse las siguientes: Costes de construcción considerablemente inferiores a los de otros tipos de firmes con mezclas bituminosas en caliente, para tráficos pesados y muy pesados (T0, T00). Excelente relación coste/vida útil. Posibilidad de utilización de suelos granulares y zahorras locales en las capas de suelocemento. Reducción importante del volumen de mezclas bituminosas. Empleo en su construcción de equipos (extendedoras, rodillos, etc.) usuales en otras unidades de obra

1.4.3 Limitaciones Las limitaciones de este tipo de firmes son las siguientes: Su comportamiento se puede ver afectado sensiblemente por una fabricación o una puesta en obra incorrecta. La posibilidad de aparición de fisuras en la superficie del firme, si bien hoy en día se resuelve mediante la prefisuración a distancias cortas de la capa de material tratado con cemento.

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Foto 1.2

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Firme semirrígido con grietas reflejadas selladas.

DESARROLLO HISTÓRICO

1.5.1 Inicio de la técnica La concepción actual del suelocemento para su uso en carreteras se remonta a principios del siglo XX. Un avance muy importante se dio en Estados Unidos en los años 30 con la construcción de varios tramos de ensayo en Carolina del Sur, lo que permitió profundizar en el conocimiento de estos materiales. A partir de 1936 la técnica se difundió en otros Estados de EE.UU. Algunos años más tarde comenzaron a emplearse en California las denominadas bases tratadas con cemento (cement-treated bases), en las que se utilizaban materiales granulares con una granulometría más o menos continua. Durante la Segunda Guerra Mundial, el Cuerpo de Ingenieros del ejercito norteamericano desarrolló aún más la técnica, que comenzó a ser de aplicación general a partir de entonces. En Europa, a principios de los años 60, se introdujo y generalizó la gravacemento (grave-ciment) con la puesta en marcha por las autoridades francesas del Programa de Autopistas, a fin de obtener un material menos deformable que la zahorra artificial y más resistente que el suelocemento. El hormigón compactado es bastante anterior al hormigón vibrado. El primer pavimento de hormigón conocido se construyó en Escocia hacia 1865. Se utilizó en varios países hasta los años 30, en los que se empezó a imponer la técnica de la vibración, ya que con ella se lograban pavimentos de mayor calidad. La crisis del petróleo de los años 70 despertó de nuevo el interés por este material.

1.5.2 Desarrollo de la técnica en España En las Fig. 1.3, 1.4 y 1.5 se ha resumido el empleo de firmes con capas con cemento en la Red de Carreteras del Estado. Los firmes con base de gravacemento se introdujeron en España para hacer frente al considerable incremento de la intensidad del tráfico pesado que se produjo en los años 60. La técnica, recién importada de Francia, se utilizó por Página - 7 -

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primera vez en 1963 en el tramo Las Rozas-Villalba de la carretera N-VI, en la provincia de Madrid. A raíz del éxito de esta obra, la técnica se popularizó y se construyeron con ella diversas carreteras del Plan de Accesos a Madrid, del Plan REDIA y de los accesos a Galicia, la Meseta y Málaga. Además, se introdujeron de forma generalizada en las obras que comenzaron a construirse dentro del Plan Nacional de Autopistas de 1967.

Semirrígidos 25% Rígidos 4%

Flexibles (MB < 15 cm) 19%

Flexibles (MB > 15 cm) 52%

Figura 1.3

Distribución de firmes por tipos en la Red de Carreteras del Estado (datos hasta el año 1998).

En la Instrucción de Carreteras 6.1-IC de 1963 no figuraba todavía la gravacemento, pero en el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas de 1965 apareció por primera vez un artículo sobre este material. En 1975 se publicó la Norma 6.1-IC de firmes flexibles, que ya incluía en su catálogo secciones tipo con bases de gravacemento y subbases de suelocemento o granulares. La crisis del petróleo del año 1973 llevó al abandono de las bases bituminosas en los firmes para tráficos pesados, las cuales fueron sustituidas de forma generalizada por bases de gravacemento. Sin embargo, algunos fallos que se produjeron a finales de los años 70, debidos principalmente a la fatiga de la gravacemento apoyada sobre subbases granulares, frenaron su desarrollo. Por ello, la Dirección General de Carreteras mediante la Orden Circular 287/84 P.I. de 12 de noviembre de 1984 proscribió las secciones del catálogo de la Norma 6.1 I.C. con bases de gravacemento sobre subbases de materiales granulares.

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MB/GC/SC 41%

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MB/HC 1% MB/GE 5%

MB/GC 16%

Figura 1.4

MB/SC 37%

Distribución por tipos de los firmes semirrígidos con base tratada con cemento en la Red de Carreteras del Estado (datos hasta el año 1998).

Dos años más tarde, y ante la inminente puesta en marcha del Programa de Autovías dentro del Plan Nacional de Carreteras 1984 - 1991, se acometió la revisión de la Instrucción sobre Secciones de Firmes. Ello se tradujo, en primer lugar, en la Instrucción sobre Secciones de Firme en Autovías, y finalmente en la Instrucción 6.1 y 2 –IC de 1989. En ambas se introdujeron nuevas prescripciones para la gravacemento. Durante el período comprendido entre 1986 y 1993, dentro del Plan General de Carreteras, se emplearon profusamente en autovías las secciones con base de gravacemento. A lo largo de todo este tiempo se han construido miles de kilómetros de firmes con bases tratadas con cemento. Por ejemplo, en la Red de Carreteras del Estado se han construido unos 2.500 km en autopistas de peaje, y más de 2.500 km de calzada y unos 1.000 km en ensanches en la red estatal. A pesar de la dilatada experiencia y de los últimos avances técnicos, el problema de la reflexión de fisuras ha provocado que este material haya sido poco utilizado en los últimos años, con algunas excepciones, como los 50 km de la N-I construidos en la provincia de Álava, cuyo comportamiento ha sido muy satisfactorio. Uno de sus tramos, la Circunvalación de Vitoria, puesta en servicio en 1989, había soportado hasta finales de 2002 más de 22 millones de camiones por sentido, sin haber sido preciso realizar ningún tipo de refuerzo.

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Circunvalación de Vitoria (N-I).

Los firmes con subbase de suelocemento se empezaron a desarrollar en España en la misma época que los de gravacemento, si bien antes de 1964 había ya alguna experiencia en la utilización de este material en caminos rurales, casi siempre mediante mezcla in situ, por parte del entonces Instituto Nacional de Colonización. La realización más importante fue la ya citada del tramo Las Rozas-Villalba de la N-VI (20 km), donde en una de las dos calzadas se construyeron 4 km con suelocemento y mezclas bituminosas. En 1968 se construyó el tramo Alcobendas-San Agustín de Guadalix de la N-II, también en la provincia de Madrid, con un comportamiento magnífico durante más de 20 años. A pesar de ello su desarrollo no tuvo continuidad. En carreteras con tráficos elevados se prefirieron los firmes con gravacemento, ya que se consideraban más duraderos, y para otros tráficos, los firmes con base granular ya que resultaban más económicos. La normativa sobre suelocemento evolucionó en paralelo a la de la gravacemento, de manera que ambas unidades de obra fueron incluidas por primera vez en la Norma 6.1 – IC del año 1975. La construcción de firmes con suelocemento, muy esporádica en los años 70 y 80, se aceleró a partir de 1990 por el buen comportamiento de los tramos construidos, y porque las secciones estructurales con subbase de suelocemento resultaban más económicas que otras para tráficos elevados. En numerosos tramos de autovías y de autopistas de peaje construidos en los últimos años se han utilizado firmes con suelocemento y mezclas bituminosas. Por otro lado, la Junta de Castilla y León, basándose en sus experiencias, inició a finales de 1980 el uso generalizado de la técnica del suelocemento para aprovechar en lo posible los suelos de la traza en la construcción de ensanches o nuevos tramos y solucionar la carencia de zahorras de calidad en muchas zonas de la Comunidad. Actualmente existen unos 2.200 km de calzada con subbase de suelocemento en la Red de Carreteras del Estado (1.000 km de calzada de autovía), de los que solamente unos 700 km son anteriores a 1987. Además, en la Red Autonómica

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de Carreteras de Castilla y León se han construido unos 1.500 km de calzada con base y/o subbase de suelocemento. Distribución de la edad de los firmes semirrígidos

kms 1000 MB/SC

900

MB/GC/SC

800

MB/GC

700

MB/HC

600 500 400 300 200 100

Figura 1.5

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

1987

1986

1985

1984

1983

1982

1981

1980

75-79

70-74

>1970

0

Distribución de las fechas de ejecución de los firmes semirrígidos con bases tratadas con cemento en la Red de Carreteras del Estado (datos hasta el año 1998).

Los firmes con hormigón compactado se comenzaron a utilizar en España en 1984 en carreteras importantes, aunque había experiencias desde los años 70 en vías de baja intensidad de tráfico, y se incluyeron en la Instrucción sobre Secciones de Firme en Autovías publicada en 1986. Rápidamente se pudo comprobar que era necesaria la realización de juntas transversales de contracción para evitar la reflexión de fisuras en superficie, y en la Instrucción 6.1 y 2 –IC de 1989 se hicieron obligatorias (espaciadas entre sí no más de 7 m y con un esviaje 1:6 con respecto al eje longitudinal de la calzada). Con estas nuevas directrices se acometieron, entre 1988 y 1992, la ejecución de 121 km de calzada de la autovía A-92 Sevilla-Granada. Durante este periodo se realizó otra importante obra: el refuerzo de la CL-803, en el tramo SanchidriánSan Pedro del Arroyo, en la provincia de Ávila, pero ninguno de los primeros sistemas empleados se mostró eficaz para evitar la reflexión de fisuras, al haberse dispuesto las juntas, que se ejecutaron por serrado, con una separación excesiva (6 – 7 m). En 1990, se construyó un tramo de ensayo de 4,5 km de longitud en la Autovía Madrid-Zaragoza, entre Alcalá de Henares y Meco, sometido a un tráfico de más de 3.000 camiones diarios por sentido. En este tramo se probaron varios procedimientos para evitar la reflexión de fisuras con distintas distancias entre juntas ejecutadas en fresco. Ese mismo año se ejecutó un tramo en la Variante de Archidona prefisurado en fresco a distancias de 5 m. Posteriormente, y aplicando la técnica de juntas en fresco con separaciones cortas, se han construido otras obras: la variante de Irurzun y el tramo Huarte Arakil-Lacunza de la autovía Pamplona-Vitoria, y la autovía Jaén-Torredonjimeno, todos ellos con un buen comportamiento. En el año 2001 se empezaron a ejecutar en Navarra y el País Vasco distintos tramos con gravacemento de altas prestaciones prefisurada: variante de UrrozPágina - 11 -

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Campanas y ramales en la variante de Zeanuri y en el enlace de Apario. Lógicamente, el muy escaso tiempo transcurrido desde su puesta en servicio no permite extraer todavía conclusiones sobre los mismos. No obstante, los datos disponibles en el momento de la elaboración de este manual son muy alentadores. Finalmente, en el año 2002 se ha revisado la normativa sobre secciones de firme con la publicación de la Norma 6.1 – IC y del Artículo 513, materiales tratados con cemento, del PG-3. En estos documentos se recoge ya la necesidad de prefisurar las capas tratadas con cemento de firmes con tráficos T2 o superior y con espesores de mezcla bituminosa iguales o inferiores a 20 cm.

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Capítulo

PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS TRATADAS CON CEMENTO En este capítulo se describen las propiedades fundamentales de las mezclas tratadas con cemento: los efectos de la incorporación del cemento, las propiedades en estado fresco, las propiedades físicas y mecánicas después del endurecimiento y, finalmente, aquellas relacionadas con los cambios dimensionales y la durabilidad del material.

2.1 INTRODUCCIÓN Los materiales tratados con cemento presentan ciertas características que los diferencian de las mezclas con otros tipos de ligantes o conglomerantes. Entre otras se pueden citar las siguientes: Elevados módulos de elasticidad: éstos son muy superiores a los de los materiales de partida, bien sean áridos o suelos, así como a los de las mezclas de éstos con ligantes bituminosos (Fig. 2.1). Ello se traduce en una gran capacidad de reparto de cargas, de forma que las tensiones que llegan a las capas inferiores y al cimiento son muy reducidas.

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HORMIGONES COMPACTADOS

GRAVASCEMENTO

SUELOSCEMENTO

M. BITUMINOSAS CONVENCIONALES

MAT. GRANULARES

SUELOS

0

10000

20000

30000

40000

50000

Módulos a 25ºC (MPa)

Figura 2.1 Rangos de módulos de elasticidad de materiales utilizados en capas de firmes .

Comportamiento a edades tempranas: el proceso de puesta en obra (desde la fabricación hasta el final de la compactación) se debe realizar dentro del llamado plazo de trabajabilidad, que normalmente se encuentra entre 2 y 3 horas salvo que se empleen retardadores de fraguado. Estabilidad inmediata: si es necesario, los materiales tratados con cemento (salvo algunos sueloscemento sin gruesos) se pueden abrir inmediatamente a la circulación una vez compactadas, lo que las hace muy interesantes para su utilización en refuerzos bajo tráfico. Evolución rápida de resistencias: estas mezclas tienen un desarrollo rápido de resistencias, alcanzando valores apreciables a edades tempranas.

Resistencia a compresión a 7 días (MPa)

Importancia del grado de compactación: como en la mayoría de las unidades de obra, la densidad alcanzada tras la compactación es un factor decisivo ya que de ella depende la resistencia mecánica final de la mezcla. Un ligero descenso en la densidad obtenida implica una importante disminución de la resistencia y viceversa (Fig. 2.2).

12 10 8 50 %

6 4 2 0 2,15

5% 2,2

2,25

2,3

2,35

3

Densidad (g/cm )

Figura 2.2

Ejemplo de relación entre la resistencia y la densidad de una gravacemento

Comportamiento a fatiga: la curva de fatiga de los materiales tratados con cemento es una recta muy tendida. Por consiguiente, una pequeña Página - 2 -

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disminución de las tensiones generadas en el fondo de capa, como consecuencia por ejemplo de un ligero incremento del espesor de la capa, aumenta mucho la durabilidad del firme y viceversa. Fisuración por retracción térmica: la fisuración de los materiales tratados con cemento es un hecho inherente a su naturaleza, y no debe ser atribuida en general a fallos de ejecución. Debido a su elevado módulo de elasticidad y a su coeficiente de dilatación térmica, las tensiones debidas a las variaciones de temperatura diarias y estacionales pueden llegar a rebasar la de rotura del material, incluso a pesar del efecto protector de la capa o capas superiores. Resistencia a la abrasión: los sueloscemento, las gravascemento y, en menor medida, los hormigones magros compactados, son materiales que directamente no pueden soportar el paso de un gran número de vehículos pesados sin que se produzcan importantes desgastes. Ello obliga a disponer sobre ellos una capa de rodadura de mezcla bituminosa. Por el contrario, los hormigones compactados, con mayores resistencias mecánicas, presentan una notable resistencia a la abrasión y por tanto únicamente precisan una capa de rodadura para mejorar su regularidad superficial en el caso de que vaya a circular tráfico a elevada velocidad.

2.1 EFECTOS DE LA INCORPORACIÓN DEL CEMENTO La adición de cemento a un material granular modifica prácticamente todas sus características, mejorándolas, como se verá a lo largo de este capítulo. No obstante, hay que destacar dos de ellas en las que se basa fundamentalmente su aplicación en firmes: la reducción de la sensibilidad al agua y el endurecimiento de la mezcla El desprendimiento de CaOH que tiene lugar durante la hidratación del cemento produce la floculación y estabilización de las partículas arcillosas presentes en los suelos y materiales granulares empleados en explanadas y capas de firme, impidiendo de forma definitiva que vuelvan a experimentar cambios de volumen y de capacidad de soporte. La reducción de la sensibilidad al agua puede tener una importancia considerable en la fabricación de materiales para la explanada donde se pueden utilizar suelos con una cierta plasticidad. Pero el efecto más importante es el fraguado, que consiste en la formación, en presencia de agua, de silicatos y aluminatos de calcio, que dotan al conjunto de una gran cohesión y estabilidad, además de una apreciable resistencia mecánica. Los silicatos son estables y poco solubles en agua, y la reacción es progresiva e irreversible. El resultado es un material capaz de resistir los esfuerzos de flexión generados por la acción de las cargas del tráfico y muy adecuado para capas de firme. El comienzo del fraguado y la velocidad con que se desarrolla dependen de la naturaleza de los constituyentes (cemento y áridos o suelos) y de la temperatura a la que se produzca el proceso, pero en cualquier caso se empieza a producir a las pocas horas del mezclado y se extiende durante un periodo de tiempo que puede durar varios meses. Las características mecánicas del material endurecido se pueden controlar variando el contenido de cemento o actuando sobre otros

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factores relacionados con los componentes, de manera que para una obra determinada se obtengan las resistencias deseadas, dentro de un tiempo también prefijado. Se obtiene el máximo partido del fraguado y endurecimiento cuando la mezcla se compacta adecuadamente y con un contenido de humedad que facilite la densificación del material.

Entre las ventajas obtenidas tras este proceso de endurecimiento del material se pueden citar las siguientes: Un contenido moderado de cemento es suficiente para obtener materiales con una resistencia y módulo de elasticidad elevados, lo que se traduce en una gran capacidad de reparto de cargas. La capacidad de soporte alcanzada supera considerablemente la que se puede conseguir con otros materiales para firmes (materiales granulares o mezclas bituminosas). Disminuyen las tensiones que llegan a la explanada (Fig. 2.3) y las que se producen en las capas superiores, con lo que se disminuye el espesor total de la sección estructural y se proporciona al tráfico de obra una plataforma de trabajo estable y resistente. Se reducen los efectos negativos que sobre el firme tienen los cambios de humedad del soporte. 0,80 MPa 25 cm

DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES A LA EXPLANADA

CAPA DE BASE: ZAHORRA NATURAL O GRAVACEMENTO

Tensión vertical (MPa)

0,00 -0,05 -0,10 -0,15

ZAHORRA NATURAL GRAVACEMENTO

-0,20 -0,25 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Distancia al centro de la carga (m)

Figura 2.3

Diferencia entre las tensiones distribuidas a la explanada por capas granulares y tratadas con cemento.

2.2 PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO Una vez realizada la mezcla del material granular con el cemento y el agua, el producto debe presentar unas determinadas propiedades en estado fresco. Por un lado, ha de permanecer trabajable durante cierto tiempo para permitir su

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puesta en obra y su compactación sin que el endurecimiento del mismo las dificulte o impida. Por otro lado, a veces se hace necesario que, tras ser compactado, el material posea una estabilidad suficiente para permitir la apertura al tráfico sin que las deformaciones producidas por las cargas de los vehículos rompan los enlaces creados entre las partículas de material granular.

2.2.1 Trabajabilidad A medida que se va desarrollando el proceso de hidratación del conglomerante, empiezan a formarse enlaces entre los áridos o las partículas del suelo. Si se efectúa la compactación tras haberse creado un número importante de los mismos, éstos podrían ser destruidos sin posibilidad de que se regeneren y su rotura perjudicaría de forma apreciable el comportamiento posterior del material. Se define como plazo de trabajabilidad el tiempo transcurrido a partir de la finalización del proceso de mezclado del material, y durante el cual es posible efectuar la compactación del mismo sin merma apreciable de sus propiedades mecánicas finales. La compactación de la mezcla debe finalizar antes de que transcurra el plazo de trabajabilidad ya que después resulta muy difícil y además se puede dañar, de forma irreversible, la capa de material tratado con cemento.

Generalmente, los áridos muy absorbentes y los bajos contenidos de agua reducen el plazo de trabajabilidad, mientras que los cementos con elevados contenidos de adiciones lo aumentan. El plazo de trabajabilidad es muy sensible a los aumentos de temperatura, por lo que su determinación debe realizarse en unas condiciones lo más parecidas a las que vayan a darse durante la puesta en obra. Como regla general, en épocas estivales las temperaturas más elevadas suelen producirse entre las 12 y las 15 horas. En condiciones normales el plazo de trabajabilidad se encuentra entre 2 y 3 h, y para su determinación se puede efectuar alguno de los ensayos que se citan en el Capítulo 4. En general, es recomendable el empleo de retardadores de fraguado en cualquier circunstancia. Debido a que la temperatura es uno de los factores que más influyen en el plazo de trabajabilidad (Fig. 2.4), se hacen imprescindibles con temperaturas ambiente por encima de los 30 ºC, o cuando sea conveniente aumentar el mismo, por ser largo el tiempo de transporte entre la planta y el punto de puesta en obra.

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2,5 Retardador (% s/cem)

Temperatura (ºC)

45

T R A T A D A S

40 35 30 25 20 15

2 1,5 1 0,5 0

0

60

120

180

240

300

Tiempo de trabajabilidad (min)

Figura 2.4

0

60

120

180

240

300

360

Tiempo de trabajabilidad (min)

Efecto de la temperatura (izquierda) y la incorporación de retardadores (derecha, a 40 ºC) sobre el plazo de trabajabilidad

2.2.2 ESTABILIDAD INMEDIATA La estabilidad inmediata es aquella característica del material por la cual, tras la compactación, es capaz de soportar los esfuerzos del tráfico sin experimentar deformaciones que perjudiquen su posterior comportamiento. Esta propiedad del material en fresco depende básicamente del rozamiento interno de los áridos, y se consigue dotando al material de un esqueleto mineral suficiente y compactándolo adecuadamente, de manera que las deformaciones originadas por los vehículos sean mínimas. La posibilidad de conseguir una estabilidad inmediata elevada facilita las obras de refuerzo, en las que es fundamental permitir el paso inmediato del tráfico. Si se trata de una obra en la que ello no resulta imprescindible es preferible esperar al endurecimiento del material. Suele ser fácil alcanzar una estabilidad inmediata adecuada cuando mezcla contiene un porcentaje importante de áridos de machaqueo.

la

La gravacemento, el hormigón magro compactado y el hormigón compactado suelen tener una estabilidad adecuada para el paso inmediato del tráfico. En el caso del suelocemento, dependerá del tipo de suelo utilizado, aumentando al crecer el porcentaje de elementos gruesos del mismo. Si el suelocemento se realiza con zahorras o bien con arenas con una granulometría adecuada, también suele presentar una estabilidad inmediata suficiente. Para la estimación de la estabilidad inicial se utiliza el denominado índice de capacidad de soporte inmediata (IPI), que se describe en el Capítulo 4. El IPI es también un indicador de la posibilidad de circulación de los equipos de obra sobre el material.

2.3 PROPIEDADES FÍSICAS 2.3.1 Densidad y humedad En general, los valores de la densidad máxima y la humedad óptima de un material tratado con cemento no presentan grandes diferencias con respecto a

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los que se obtienen sin añadirle el cemento. En la Tabla 2.1 se indican los rangos habituales de estos parámetros. El elevado contenido de finos que habitualmente presentan las arenas o suelos tratados con cemento, da lugar a mezclas de densidades relativamente bajas y mayores contenidos de humedad de compactación en comparación con los valores obtenidos al utilizar otros materiales granulares. Tabla 2.1

Rangos de densidades máximas y humedades óptimas Proctor Modificado de materiales tratados con cemento.

MATERIAL Zahorras con cemento Arenas con cemento

DENSIDAD MÁXIMA (g/cm3) 2,15 – 2,35 1,8 – 2

HUMEDAD ÓPTIMA (%) 5–7 5 – 10

2.3.2 Permeabilidad La permeabilidad de un material viene definida por su coeficiente de permeabilidad, que expresa la velocidad de paso de un líquido a través de un medio poroso. En general, la permeabilidad de los materiales tratados con cemento es muy baja, por la falta de huecos de la pasta endurecida que rellena los huecos entre los áridos. Sin embargo, el agua puede penetrar por succión un cierto espesor, directamente proporcional al coeficiente de permeabilidad, lo que podría afectar a la durabilidad del material en zonas sometidas a fuertes heladas. En la Tabla 2.2 se muestran rangos habituales del coeficiente de permeabilidad de las mezclas compactadas. Tabla 2.2

Rangos aproximados del coeficiente de permeabilidad para materiales tratados con cemento.

MATERIAL Zahorras con cemento Arenas con cemento

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD (m/s) 10-10 – 10-12 10-5 – 10-10

2.4 PROPIEDADES MECÁNICAS Para poder dimensionar los firmes semirrígidos es necesario evaluar el comportamiento mecánico de los materiales tratados con cemento que integran su estructura, y para ello se requiere el conocimiento de cuatro parámetros fundamentales: La resistencia a la rotura, que indica la máxima tensión que puede soportar el material sometido a una carga estática. El módulo de elasticidad, que representa la relación entre la tensión aplicada y la correspondiente deformación unitaria, y es indicativo de la deformabilidad del material. El coeficiente de Poisson , que representa la relación entre la deformación transversal y la deformación axial del material, al aplicarle una carga también axial. Influye en la distribución de tensiones en el seno del material, aunque en pequeña medida para los valores usuales de este parámetro.

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La resistencia a fatiga, que representa la capacidad del material para soportar la aplicación repetida de cargas inferiores a la de rotura sin que se agriete. Esta característica se suele definir mediante leyes que relacionan las tensiones que se producen en el material por una determinada carga con el número de repeticiones de la misma que admite el material hasta su rotura. A partir de los tres primeros parámetros se puede estimar la respuesta del material, en tensiones y deformaciones, ante una determinada solicitación. Con el cuarto parámetro se estima el número de aplicaciones de carga necesario para que se agriete. Las propiedades mecánicas de los materiales tratados con cemento dependen, no sólo de las características y proporciones de los materiales constituyentes, sino también de su edad y de las condiciones de humedad y temperatura a las que hayan estado sometidos durante su fraguado y endurecimiento. Sin embargo, a diferencia de los materiales bituminosos, no se ven prácticamente influidas ni por la temperatura a la que se encuentra el material, ni por la velocidad de aplicación de la carga.

2.4.1 Resistencia a la rotura Los ensayos más usuales para determinar la resistencia a la rotura son los de compresión, tracción indirecta, tracción directa y flexotracción (Fig. 2.5).

FLEXOTRACCIÓN

Figura 2.5

COMPRESIÓN TRACCIÓN INDIRECTA

TRACCIÓN

Esquema de diferentes ensayos para caracterizar la resistencia a rotura.

El ensayo de flexotracción es el que mejor reproduce la forma de trabajo del material en los firmes al paso de las cargas de tráfico. Sin embargo, la dificultad de confeccionar probetas prismáticas para ser ensayadas a flexotracción lleva en general a estimar dicha resistencia a partir de resultados de otros tipos de ensayos, y a reservar los de flexotracción, en su caso, para estudios especiales. El ensayo de rotura a compresión simple es el más utilizado para clasificar los distintos materiales. En la Tabla 2.3 se indican los rangos habituales de resistencias a compresión a largo plazo de los materiales tratados con cemento incluidos en este Manual. Tabla 2.3

Resistencias a largo plazo de materiales tratados con cemento.

MATERIAL Suelocemento Gravacemento Gravacemento de alta resistencia Hormigón magro compactado Hormigón compactado

RESISTENCIA COMPRESIÓN (MPa) 4–8 8 –14 14 – 22 22 – 35 35 – 45

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Las características mecánicas de estos materiales, y por tanto sus resistencias, están influidas por varios factores, y en particular por: El contenido de cemento. La humedad de la mezcla. La densidad alcanzada en la compactación. La naturaleza y granulometría de los áridos o del suelo. La edad del material. Las temperaturas a las que se ha visto sometido durante el fraguado. En los siguientes apartados se analiza la influencia que cada uno de ellos tiene en las características resistentes del material. 2.4.1.1 Influencia del contenido de cemento El contenido de cemento tiene una gran importancia en la resistencia alcanzada por el material tratado, ya que al aumentar éste se crea un mayor número de enlaces entre partículas. En los materiales tratados con cemento, en las que el tipo de árido a utilizar se encuentra muy tipificado, el contenido de cemento tiene una influencia determinante en las resistencias alcanzadas, sirviendo incluso para clasificar los distintos materiales. Sin embargo, en el suelocemento las resistencias alcanzadas se ven también muy influidas por la calidad del suelo utilizado. Esto se aprecia claramente en el ejemplo de la Fig. 2.6, donde, para un mismo contenido de cemento, la resistencia alcanzada es muy superior utilizando una zahorra en lugar de un suelo seleccionado.


5 4 3 2 SUELO SELECCIONADO ARENA GRUESA NP ZAHORRA NP

1 0 0

Figura 2.6

2

4 6 Cemento (%)

8

Relación entre la resistencia y contenido de cemento para varios tipos de sueloscemento.

2.4.1.2 Influencia del contenido de agua Al ir aumentando el contenido de agua de una mezcla con cemento entran en juego dos factores contrapuestos: por una parte, se aumenta la relación agua/cemento, lo que tiende a disminuir las resistencias mecánicas, pero por otra

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se aumenta la densidad, hasta alcanzar la humedad óptima, y con ello la resistencia. Normalmente, la resistencia máxima de un material tratado con cemento no se obtiene con su humedad óptima de compactación (Fig. 2.7), sino con un valor algo más reducido. 7 6 2,28

5 4

2,23

3

2,18

RC a 7d

2

Densidad

1

2,13


3

Densidad (kg/cm )

2,33

0 3

4

5

6

7

Humedad (%)

Figura 2.7

Influencia del contenido de humedad en la densidad y resistencia alcanzadas por una gravacemento.

2.4.1.3 Influencia de la densidad Existe una gran relación entre la densidad de compactación y la resistencia alcanzada (Fig. 2.2) ya que los huecos existentes en los materiales mal compactados constituyen puntos débiles por donde se puede iniciar la rotura del material. Un descenso del 100 al 95% en la densidad de compactación se puede traducir en una disminución de la resistencia de hasta un 50%. Los ensayos para la determinación del contenido de cemento se deben realizar sobre probetas fabricadas con la densidad exigida en obra.

2.4.1.4 Influencia del material En este punto hay que distinguir en primer lugar entre tipos de materiales de partida. En general, a igualdad de contenido de conglomerante, la resistencia de las zahorras con cemento es muy superior a la de los suelos con cemento, porque en las primeras, el esqueleto mineral formado por los áridos tiene una contribución muy importante en la resistencia mecánica. Este hecho se aprecia con claridad en el ejemplo de la Fig. 2.6. Las zahorras y suelos bien graduados y con finos no plásticos requieren, para alcanzar una cierta resistencia, un contenido de cemento sensiblemente menor que los suelos limosos o arcillosos.

Por otra parte, se puede afirmar que: Con zahorras se obtienen resistencias más altas si se emplean áridos calizos de machaqueo en lugar de áridos silíceos rodados, ya que en comparación

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presentan mejor adherencia con la pasta de cemento por su forma angulosa, su superficie más rugosa, y su mayor afinidad química. Con suelos se obtienen mayores resistencias cuanto menor sea su porcentaje de finos (hasta un cierto límite en el entorno del 5 %). Por otra parte, cuanto menos plástico es un suelo, menos cemento hace falta para conseguir una determinada resistencia. Otro factor que influye de forma importante en la resistencia del material tratado es su granulometría porque condiciona la densidad alcanzada. Cuanto mayor sea la compacidad del material, es decir la relación entre su volumen real y su volumen aparente, menor será el volumen de huecos a rellenar con la pasta de cemento y mayor su resistencia. 2.4.1.5 Evolución de las resistencias con el tiempo La variación de la resistencia con la edad guarda una relación lineal con el logaritmo de esta última. Además, la pendiente de la curva aumenta al crecer el contenido de cemento (Fig. 2.8).

Resistencia a compresión (MPa)

60 80 kg/m^3 50

160 kg/m^3 240 kg/m^3

40 30 20 10 0 1

10

100

1000

Edad en días

Figura 2.8

Evolución de la resistencia a compresión con el tiempo de un mismo material tratado con diferentes contenidos de cemento.

La curva de evolución de la resistencia con el tiempo depende a su vez de dos factores: El contenido de adiciones activas del cemento utilizado: cuanto mayor es el mismo, mayor es la relación entre las resistencias a corto y a largo plazo (Fig. 2.9). Si se emplean cementos para usos especiales (ESP), con un elevado contenido de adiciones activas, las especificaciones de resistencia se deben fijar a 90 días de edad, o bien reducir en un 15-20 % las establecidas a 7 días, con el fin de evitar contenidos exagerados de conglomerante que puedan intensificar los fenómenos de reflexión de fisuras en el caso de no prefisurar la capa de material tratado con cemento.

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En el control de obra de los materiales tratados que incorporen cementos con elevado contenido de adiciones es conveniente establecer correlaciones entre los ensayos de resistencia a 7 y a 90 días, o bien reducir entre un 15 y un 20 % las exigencias normales de resistencia a 7 días.

Relación entre resistencias a compresión

2,5 2,25

R28/R7

2

R90/R7

1,75 1,5 1,25 1 20

30

40

50

60

70

80

Cenizas v olantes (%)

Figura 2.9 Ganancia de resistencias de un hormigón compactado (300 kg/m3 de cemento) en relación a las alcanzadas a 7 días, para distintos contenidos de adiciones activas en el cemento.

La resistencia del material a edades tempranas, pues cuanto mayor es el desarrollo de éstas tanto más disminuye la relación entre la resistencia a largo y corto plazo (Fig. 2.10).

Relación entre resistencias a compresión a 365 y a 7 días

4

3,5

3

2,5

2 0

5

10

15

20

25

30


Figura 2.10 Relación entre la resistencia a compresión a 365 y a 7 días para materiales granulares mezclados con distintos contenidos de cemento con aproximadamente un 50% de adiciones activas.

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2.4.1.6 Influencia de la temperatura La resistencia de un material tratado con cemento aumenta al ir progresando las reacciones de hidratación del conglomerante. A su vez, el ritmo de desarrollo de estas últimas en la etapa inicial se incrementa con la temperatura.

2.4.2 Módulo de elasticidad El módulo de elasticidad de una capa de firme es indicativo de su capacidad de reparto de tensiones, tanto hacia las capas inferiores, en caso de existir, como a la explanada. A igualdad de espesor, cuanto mayor es dicho módulo, las deflexiones que se originan son más reducidas y uniformes, sin valores máximos acusados bajo los puntos de aplicación de las cargas (Fig. 2.3). En general, los materiales tratados con cemento presentan un comportamiento elástico marcadamente lineal al menos hasta alcanzar un porcentaje importante de su tensión de rotura, y su módulo de elasticidad puede considerarse prácticamente constante en el rango de tensiones dentro del cual suelen trabajar. En la Tabla 2.4 se indican valores habituales del módulo de elasticidad a largo plazo de materiales tratados con cemento. Tabla 2.4

Valores habituales del módulo de elasticidad (dinámico) a largo plazo de materiales tratados con cemento.

MATERIAL Suelocemento con suelos granulares Suelocemento con zahorras Gravacemento Gravacemento de alta resistencia Hormigón magro compactado Hormigón compactado

MÓDULO (MPa) 5.000 – 8.000 8.000 – 18.000 18.000 – 22.000 22.000 – 28.000 28.000 – 32.000 32.000 – 35.000

Por otra parte, se debe tener en cuenta que puede haber diferencias entre los módulos de elasticidad obtenidos a partir de ensayos de compresión y de tracción directa (Fig. 2.11), o entre los hallados a partir de ensayos estáticos y dinámicos (estos últimos suelen dar valores más altos, entre un 10 y un 15%).

1,75 TRACCIÓN

COMPRESIÓN / MÓDULO A

RELACIÓN MÓDULO A

2

1,5 1,25 1 0,75 0,5 0

20 40 RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)

60

Figura 2.11 Relación entre los módulos a compresión y a tracción para materiales tratados con cemento.

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2.4.3 Coeficiente de Poisson Normalmente, se suele adoptar en los cálculos analíticos un coeficiente de Poisson de 0,25 para mezclas con cemento de materiales granulares, o de suelos con porcentajes apreciables de grava, si bien pueden presentar valores inferiores, de 0,20 ó incluso menores. En el caso de utilizar suelos más finos, el valor del coeficiente aumenta hasta 0,25-0,30 para suelos limosos ó 0,30-0,35 para suelos arcillosos. No obstante, el valor adoptado tiene poca influencia en la estimación de las tensiones provocadas por las cargas.

2.4.4 Comportamiento a fatiga Los materiales tratados con cemento están sujetos a fenómenos de fatiga, es decir, que, para solicitaciones repetidas, la rotura se produce para una tensión inferior a la que produce la rotura bajo carga estática. Dado que el tráfico actúa por repetición de cargas, resulta fundamental conocer la relación entre las tensiones soportadas y el número de repeticiones de estas solicitaciones que producen el agrietamiento del material (ley de fatiga). El comportamiento real del material indica la existencia de un límite de fatiga, es decir, que por debajo de un determinado valor de la tensión repetida que soporta el material (normalmente en torno al 40 - 50% de su resistencia a flexotracción), el material podría soportar teóricamente un número infinito de aplicaciones de la carga que la provoca (Fig. 2.12).

Cociente tensional (σ/RF )

1 RANGO EN QUE LA LEY DE FATIGA PUEDE CONSIDERARSE LINEAL

0,9

0,8

0,7

0,6 ASÍNTOTA 0,5 1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

Número de aplicaciones de carga Figura 2.12 Ejemplo de ley de fatiga.

Aunque la función f que relaciona log N con el cociente tensional σ/RF no es exactamente lineal, sí se asemeja mucho a una recta. Por ello, se suelen adoptar

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como leyes de fatiga de las mezclas con cemento relaciones lineales∗ como la siguiente:

σ RF

 1 = 1 −   · log N a

en donde: σ: tensión de flexotracción provocada por una determinada carga; RF : resistencia a flexotracción del material; N: número de aplicaciones de la carga provocando la tensión σ que puede soportar el material hasta rotura. a: coeficiente cuyo valor está comprendido entre 12 y 15. La tensión máxima que puede soportar el material durante un millón de ciclos varía entre el 40 y el 50% de la tensión de rotura.

REDUCCIÓN DE LA VIDA TEÓRICA DE SERVICIO

Las leyes teóricas de fatiga utilizadas habitualmente para materiales tratados con cemento presentan pendientes muy reducidas, por lo que ligeros aumentos del espesor de las capas, al reducir el valor de la relación σ/RF, aumentan notablemente la vida de servicio del firme y viceversa (Fig. 2.13).

100% 80% 60% 40% 20% 0% 0%

5%

10%

15%

20%

VARIACIÓN SOBRE EL ESPESOR ORIGINAL

Figura 2.13 Reducción del número teórico de aplicaciones de carga que puede soportar un firme semirrígido (18cm MB+20cm SC sobre explanada E3) al disminuir el espesor teórico de la capa de material tratado con cemento.

En España se suele utilizar para gravascemento la ley de fatiga del Instituto Eduardo Torroja (1979):

σ RF

= 1− 0,065 · log N

∗

Hay que indicar, no obstante, que la aproximación de la curva de fatiga mediante una recta es válida dentro del rango comprendido entre 102 y 107 aplicaciones de carga. Por encima del mismo, la curva de fatiga suele disminuir su pendiente, tendiendo hacia la horizontal (Fig. 2.12).

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que corresponde a un valor de “a” muy próximo a 15. Esta misma ley se considera válida para todos los materiales tratados con cemento, introduciendo el valor de RF que corresponda al material que se considere. Sin embargo, en el caso de sueloscemento algunos organismos (IECA, Ministerio de Fomento) aplican los criterios franceses y adoptan para “a” un valor igual a 12, con lo que la ley de fatiga puede escribirse entonces en la forma:

σ RF

= 1− 0,0833 · log N

Otro aspecto a destacar es que al tratarse de materiales frágiles sólo admiten pequeñas deformaciones a tracción antes de su rotura, del orden de 20 a 40 microdeformaciones.

2.4.5 Correlaciones entre características mecánicas En muchas ocasiones es útil disponer de correlaciones entre los resultados de diferentes ensayos, de manera que se pueda estimar razonablemente una determinada característica mecánica del material aunque no se disponga de datos directos. Las correlaciones más utilizadas son las existentes entre las características que se miden habitualmente, resistencia a compresión y a tracción indirecta, y otras más difíciles de evaluar mediante ensayos, como la resistencia a flexotracción del material (que es la que mejor reproduce su forma de trabajo) o su módulo de elasticidad (parámetro fundamental para evaluar su respuesta estructural). Las correlaciones entre las propiedades mecánicas difieren según el tipo de material tratado con cemento, y en cualquier caso, se deben utilizar únicamente para estimar órdenes de magnitud.

2.4.5.1 Relación entre la resistencia a compresión y a flexotracción En estos materiales, tal y como se puede apreciar en la Fig. 2.14, la resistencia a flexotracción aumenta en menor medida que su resistencia a compresión. Por tanto, la relación (RC/RF) es mayor para los materiales que presentan resistencias más altas.

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RESISTENCIA A FLEXOTRACCIÓN (MPa)

7 6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40


Figura 2.14 Relación entre resistencia a compresión y a flexotracción para materiales tratados con cemento.

En la Tabla 2.5 se muestran valores aproximados de esta relación para los distintos materiales tratados con cemento incluidos en este Manual. Se puede comprobar como la relación aumenta con la resistencia del material. Tabla 2.5

Relación entre resistencias a compresión y a flexotracción para materiales tratados con cemento.

MATERIALES Sueloscemento Gravascemento y hormigones compactados

RELACIÓN (RC/RF) 4–5 5–6

2.4.5.2 Relación entre la resistencia a compresión y a tracción indirecta Pese a que ambas resistencias son sencillas de medir, puede resultar interesante conocer la correlación existente entre ambas. Para sueloscemento y gravascemento la relación (RC/RTI) suele encontrarse entre 8 y 10 (véase el ejemplo de la Fig. 2.15). Al igual que ocurre en el caso de la resistencia a flexotracción, cuando las resistencias del material aumentan, la relación pierde la condición lineal y la resistencia a tracción crece en menor medida que la de compresión.

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RESISTENCIA A T. INDIRECTA(MPa)

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1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

4

8

12

16


Figura 2.15 Ejemplo de correlación entre la resistencia a compresión y a tracción indirecta de una gravacemento (datos para edades de 7 y 90 días). Se puede apreciar que la relación entre dichas resistencias presenta un valor en torno a 10.

2.4.5.3 Relación entre la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad Generalmente, no se dispone de medidas directas del módulo de elasticidad del material, y por tanto se suele estimar a partir de expresiones de tipo potencial, similares a las admitidas para el hormigón vibrado, que lo relacionan con su resistencia a compresión (véanse Fig. 2.16 y 2.17).

60 COMPRESIÓN (GPa)

MÓDULO DE DEFORMACIÓN EN

70

50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60


Figura 2.16 Relación entre el módulo de elasticidad (estático) y la resistencia a compresión de materiales tratados con cemento de distintas edades y características.

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10000 COMPRESIÓN (MPa)

MÓDULO DE DEFORMACIÓN A

12000

8000 6000 4000 2000 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

RESIST. COMPRESIÓN (MPa)

Figura 2.17 Relación entre módulo de elasticidad (dinámico) y la resistencia a compresión para sueloscemento de distintas edades y características.

Cada tipo de material tiene una relación distinta entre el módulo de elasticidad y la resistencia a la rotura. Por ejemplo, para una misma resistencia, el módulo de una gravacemento, aún con un contenido de cemento más reducido, es mayor que el de un suelocemento, como consecuencia de su esqueleto mineral (Fig. 2.18).

Módulo en compresión (GPa)

30 Zahorras con cemento Suelos y arenas con cemento

25 20 15 10 5 0 0

2

4 6 8 Resistencia a compresión (MPa)

10

Figura 2.18 Módulo de elasticidad (dinámico) en función de la resistencia a compresión para distintas mezclas con cemento.

2.5 PROPIEDADES TÉRMICAS Las propiedades térmicas de las mezclas con cemento tienen un gran interés, puesto que de sus valores dependen: El desarrollo de gradientes de temperatura en las capas del firme provocados fundamentalmente por los cambios de temperatura entre el día y la noche.

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Los cambios de longitud entre verano e invierno en las “losas” en que queda dividida la capa de material tratado, que dan lugar a una mayor o menor abertura de las juntas y grietas de retracción. Y, por lo tanto, las tensiones de origen térmico. Todos estos fenómenos tienen una gran influencia tanto en el desarrollo de fisuras en las capas tratadas con cemento como en su posible reflexión en las capas superiores de mezcla bituminosa. En la Tabla 2.6 se muestran algunos valores medios de los parámetros térmicos de materiales tratados con cemento. Tabla 2.6

Valores aproximados de los parámetros térmicos de materiales tratados con cemento.

PARÁMETRO TÉRMICO

VALORES APROXIMADOS 0,6.10-5 /ºC ARIDO CALIZO ARIDO SILÍCEO 1,3.10-5 /ºC 1,5 W/ºC.m GC, GCA, HMC Y HC 1,15 W/ºC.m SC 840 – 1170 J/kg.ºC 3 – 6 .10-3 m2/h

Coef. de dilatación térmica Conductividad térmica Calor específico Difusividad térmica

El coeficiente de dilatación térmica, el cual depende fundamentalmente de la naturaleza de los áridos, es uno de los factores que más influye en los cambios dimensionales de los materiales tratados con cemento. Los áridos calizos presentan los valores más bajos para este parámetro y por tanto se ven menos afectados por las variaciones térmicas.

2.6 RETRACCIÓN Durante el fraguado y endurecimiento de los materiales tratados con cemento se produce una pérdida paulatina de agua como consecuencia de los procesos de hidratación y de secado. Esto conlleva un cambio de volumen del material conocido como retracción. El valor de ésta depende de factores tales como el contenido de cemento, el tipo de suelo o material granular, el contenido de agua, el grado de compactación y las condiciones de curado del material. Ahora bien, esta retracción tiene escasa importancia en los materiales tratados con cemento en comparación con los cambios dimensionales originados por las variaciones de temperatura entre el día y la noche o entre verano e invierno (retracción térmica).

2.7 CAMBIOS DIMENSIONALES Los cambios dimensionales que se producen en los materiales tratados con cemento, ya sean por retracción hidráulica o térmica, tienen una gran influencia en el fenómeno de su fisuración. Los cambios volumétricos debidos a la retracción provocan la fisuración inicial del material que se produce a edades tempranas, mientras que los debidos a gradientes térmicos provocan la apertura de estas fisuras y su reflexión a las capas superiores de mezclas bituminosas. El fenómeno se produce de la siguiente manera:

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Durante el fraguado inicial del material se produce una contracción por pérdida de agua y temperatura. El movimiento de retracción hace que aparezcan esfuerzos de rozamiento entre la capa y su soporte. Cuando estos esfuerzos igualan o superan la resistencia a tracción del material tratado con cemento, que a edades tempranas es muy reducida, se produce la fisuración en losas. Por lo tanto, la resistencia a tracción R, el coeficiente de rozamiento con el soporte µ y la densidad del material γ son los elementos que influyen de manera esencial en la iniciación de las grietas de retracción. Igualando los esfuerzos de rozamiento a la resistencia a tracción (Fig. 2.19) se obtiene la relación: L =

2R

µ .γ

L/2

TENSIONES TOTALES MOVILIZADAS

h

R. h

γ . h . L/2 . µ

VARIACIÓN DE TENSIONES DE ROZAMIENTO

EQUILIBRIO: γ . h . L/2 . µ = R. h

Figura 2.19 Determinación de la separación media entre fisuras en capas tratadas con cemento.

La distancia media L entre fisuras en los materiales tratados con cemento es directamente proporcional a la resistencia a tracción del material a corto plazo. Si se dejaran fisurar libremente, las distancias entre fisuras serían normalmente del orden de 3 a 6 m para suelocemento, 5 a 10 m para gravacemento y 8 a 15 m para hormigones compactados.

A largo plazo, una vez que el material tratado con cemento ha sido recubierto con una capa bituminosa, los movimientos de las fisuras, debidos a las variaciones diarias o estacionales de la temperatura, pueden iniciar a su vez fisuras en la mezcla bituminosa y provocar su propagación hasta la superficie de la carretera (fenómeno de reflexión de grietas). El fenómeno se puede evitar si el material tratado se prefisura a distancias cortas.

2.8 DURABILIDAD 2.8.1 Comportamiento frente a heladas El fraguado de los materiales tratados con cemento se puede ver retardado, e incluso detenido, cuando tiene lugar en periodo de heladas, debido entre otras

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causas a que las reacciones químicas que dan lugar al mismo dependen de la temperatura. Por otra parte, la acción expansiva del agua intersticial puede dar lugar a una descompactación del material. En los firmes en servicio, las capas bituminosas suelen asegurar la necesaria protección térmica para evitar que se produzca la congelación del agua dentro del material tratado con cemento. En capas de hormigón compactado sin ninguna protección superficial, la gran compacidad de este material es suficiente para garantizar una adecuada resistencia a las heladas.

2.8.2 Comportamiento frente a temperaturas elevadas Las propiedades mecánicas de los materiales tratados con cemento no varían con la temperatura, al contrario de lo que ocurre con las mezclas bituminosas. No obstante, hay que indicar que en obras ejecutadas en inviernos fríos se pueden producir fenómenos de pandeo al experimentar la capa construida una elevación de temperatura, como consecuencia por ejemplo de una ola de calor, cuyos efectos pueden verse aumentados si coincide con la extensión en la misma época de la mezcla bituminosa de la capa superior. Dichos pandeos se producen sobre todo en juntas de construcción en las que no se haya cuidado su verticalidad mediante alguna de las medidas que se indican en el Capítulo 6.

2.8.3 Comportamiento frente a ambientes agresivos Los terrenos y aguas subterráneas con yeso u otros tipos de sulfatos (de sodio, magnesio o potasio) pueden atacar a las mezclas con cemento. Dicho ataque se puede originar de varias formas, pero el más peligroso se produce al reaccionar los sulfatos con el aluminato tricálcico hidratado de la pasta de cemento, lo que da lugar a cristales de sulfoaluminato tricálcico hidratado, también conocido como ettringita. Esta reacción es muy expansiva (el aumento de volumen es de unas dos veces y media) y puede llevar a la desintegración de la capa tratada con cemento. La rapidez y la importancia de estos ataques aumentan a medida que se incrementan tanto la concentración de los sulfatos en las aguas que pueden ponerse en contacto con las capas tratadas, como la temperatura (Capítulo 3). Cuando se prevea la posibilidad de ataques por sulfatos se deben utilizar cementos resistentes a estos compuestos.

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3

Capítulo

MATERIALES BÁSICOS En este capítulo se describen las características de los diversos materiales básicos que se emplean en las mezclas con cemento. Se han tenido en cuenta los criterios contenidos en las especificaciones españolas y se han incluido algunas recomendaciones complementarias.

3.1

INTRODUCCIÓN Los materiales tratados con cemento están constituidos por una mezcla homogénea de materiales granulares (áridos o suelos), cemento, agua, y en su caso, aditivos. Los materiales granulares son los que intervienen en mayor proporción en la mezcla ya que constituyen aproximadamente el 90 – 95 % de la masa total. En el caso de las gravascemento u hormigones compactados (GC, GCA, HMC y HC) se utilizan zahorras artificiales obtenidas a partir de la composición de dos o más fracciones granulométricas de árido. En los sueloscemento es más frecuente el empleo de suelos o zahorras naturales, aunque también se pueden utilizar materiales machacados procedentes de cantera, excavaciones, o incluso zahorras artificiales, siendo suficiente en estos casos que cumplan las mismas prescripciones exigidas a los suelos. Por otra parte, en estas aplicaciones se suelen utilizar cementos con contenidos elevados de adiciones y resistencias moderadas, que presentan retracciones térmicas reducidas y mayores plazos de trabajabilidad de las mezclas. En general, se pueden utilizar aguas potables o que hayan sido sancionadas por la experiencia como aceptables. Los únicos aditivos que se suelen emplear son los retardadores de fraguado para aumentar los plazos de trabajabilidad. En el curado de las mezclas con cemento se suelen emplear emulsiones bituminosas que impermeabilizan la superficie del material para evitar que pierda agua.

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ÁRIDOS Los áridos empleados deben proceder de la trituración de piedras de cantera o gravera, tener buena calidad, y presentar una granulometría ajustada a un huso, especialmente para su empleo en gravascemento, donde se deben conseguir resistencias apreciables con contenidos bajos de cemento. En los materiales de mayor resistencia que la gravacemento la calidad de los áridos no influye excesivamente en el valor final de la resistencia, pero sí juega un papel importante en su comportamiento.

Foto 3.1

Áridos de diferentes tamaños.

Se pueden emplear asimismo productos inertes de desecho o subproductos industriales o mineros estables. En España hay experiencias, por ejemplo, con materiales reciclados de firmes, estériles de mina de carbón o escorias de horno alto. Para obtener un material con una adecuada calidad, el conjunto de los áridos debe tener las siguientes características: Esqueleto mineral compactable y no segregable, que proporcione un material homogéneo y con una superficie de capa regular. Estabilidad de la mezcla compactada antes de endurecer, para soportar el paso del tráfico de obra sin deformarse. Adherencia adecuada con la pasta de cemento, que permita obtener una resistencia suficiente. Ausencia de componentes que puedan ser lixiviados, dando lugar a disoluciones que puedan significar un riesgo potencial para el medio ambiente o para los elementos de construcción situados en sus proximidades. Estabilidad físico-química y volumétrica, incluso en presencia de agua. Los áridos no deben ser susceptibles de meteorización o de otras alteraciones apreciables bajo las condiciones más desfavorables en servicio. Se debe controlar especialmente la presencia de áridos que puedan reaccionar con los álcalis del cemento. Ausencia de sustancias perjudiciales, que afecten a la durabilidad de la capa o al fraguado del cemento.

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En la Tabla 3.1 se recomiendan una serie de características que deben cumplir los áridos para que al mezclarlos con cemento resulte un material con un comportamiento adecuado. Tabla 3.1

Características recomendables de los áridos para la fabricación de gravacemento y hormigón compactado.

CARACTERÍSTICA

LIMITACIÓN

Máx. % de finos (pasa UNE 0,063)

7%

Mín. % de finos (pasa UNE 0,063)

3%

Tamaño máximo

25 – 50 mm*

OBJETIVO DE LA LIMITACIÓN Mejorar estabilidad del esqueleto mineral. Evitar contenidos excesivos de cemento. Evitar dificultades en la compactación. Evitar dificultades en la compactación. Evitar pastas de material cementante poco resistentes. Evitar segregaciones superficiales. Facilitar la compactación. Evitar segregaciones. Mejorar la regularidad superficial. Esqueleto mineral estable. Facilitar la compactación. Disminuir el contenido de cemento necesario. Aumentar el rozamiento interno de los áridos.

Continuidad granulométrica dentro de un huso

Plasticidad del árido fino

(tráfico pesado) NP y EA > 35 –40 * o bien EA > 30 y VAM < 10 g/kg (tráfico ligero) LL<25, IP<6

Unión cemento – árido más resistente. Disminuir la sensibilidad al agua.

Resistencia al desgaste y a la fragmentación (máximo coeficiente de Los Ángeles)

40 – 30*

Evitar degradaciones durante la compactación. Mejorar el engranaje en juntas y grietas de retracción.

Partículas trituradas mín.

75 - 30 %*

Estructura granular estable. Capacidad de soporte durante extendido y compactación. Reducir segregaciones. Mejorar transmisión de esfuerzos entre grietas de retracción.

Forma (máximo índice de lajas y agujas)

30 – 40*

Evitar roturas de áridos durante la compactación.

Terrones de arcilla

árido fino ≤ 1% árido grueso ≤ 0,25%

Evitar la descomposición del material con el tiempo. Evitar coqueras.

Materia orgánica máx. (método del permanganato potásico)

1%

Evitar retraso o falta de fraguado y endurecimiento del material.

Sulfatos solubles máx.

Total ≤1% Solubles en ácido ≤0,8%

Evitar reacciones expansivas. Evitar pérdidas de resistencia del material.

* Según categoría de tráfico pesado y capa

3.2.1 Granulometría Se deben tener en cuenta tres aspectos fundamentales relativos a la granulometría de los áridos: el tamaño máximo del árido, el contenido de finos y la forma de la curva granulométrica.

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3.2.1.1 Tamaño máximo de las partículas Se denomina tamaño máximo de un árido la mínima abertura de tamiz UNE-EN 933-2 por el que pase más del 90% en peso, cuando además pase el total por el tamiz de abertura doble. Se entiende por arena o árido fino, el árido o fracción del mismo que pasa por un tamiz de 4 mm de luz de malla (tamiz 4 UNE), y por grava o árido grueso, el que resulta retenido por dicho tamiz. El tamaño máximo del árido se debe limitar por varios motivos: Para evitar las segregaciones en la mezcla y conseguir un material sensiblemente homogéneo. Para poder compactar adecuadamente la capa. Para mejorar la regularidad superficial. No obstante, el tamaño máximo debe ser suficiente para conseguir un adecuado rozamiento interno de los áridos y disminuir el porcentaje de cemento necesario, reduciendo así el coste del material. Es aconsejable que el tamaño máximo no supere los 40 mm y en ningún caso los 50 mm. En capas de base es recomendable utilizar tamaños máximos de árido de 20 a 25 mm. En capas de subbase o arcenes se pueden admitir tamaños máximos de 40 ó en algunas situaciones los de 50 mm.

3.2.1.2 Contenido de finos El contenido de material de tamaño inferior a 0,063 mm se debe limitar superior e inferiormente. La ausencia de finos entraña dificultades de compactación, problemas de segregaciones superficiales y la obtención de pastas de material cementante poco resistentes. El exceso puede llevar también a problemas de compactación y a elevadas dotaciones de cemento para poder obtener la cantidad óptima de pasta que garantice una adecuada envuelta de todas las partículas.

Foto 3.1

Fracción fina de los áridos.

Teniendo en cuenta que el cemento añadido contribuye también al contenido total de partículas finas, es recomendable que el porcentaje de

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finos del material granular, excluido el cemento, se encuentre en el intervalo entre el 3% y el 7%.

3.2.1.3 Continuidad granulométrica Se deben buscar curvas granulométricas continuas y de máxima compacidad, con un equilibrio entre gruesos y finos. El esqueleto mineral debe ser estable incluso antes del endurecimiento. Es recomendable, para adaptarse al huso correspondiente, la utilización de dos, o incluso tres, fracciones granulométricas diferentes: arena 0/4 mm y uno o dos tamaños de gravas. El análisis de la granulometría se debe realizar siempre teniendo en cuenta el contenido de cemento, por la importancia que tiene sobre el contenido total de finos en la mezcla. La Tabla 3.2 recoge las curvas granulométricas vigentes actualmente. Para la gravacemento se definen dos husos, el GC20 (con un tamaño máximo de 20 ó 25 mm) para utilizar en bases de calzada con tráficos pesados o medios, y el GC25 (con un tamaño máximo de 25 ó 40 mm) para bases con tráficos ligeros, subbases o arcenes. Para el hormigón compactado también se define el huso HC20, con un tamaño máximo de 20 mm. Tabla 3.2

Granulometrías de materiales tratados con cemento (sin incluir el contenido de cemento).

TAMICES UNEEN 932-2 (mm) 40 25 20 8 4 2 0,5 0,063 (1) (2)

GRAVACEMENTO Y GRAVACEMENTO DE ALTA RESISTENCIA GC20 GC25 100 100 76-100 80-100 67-91 44-68 38-63 28-51 25-48 19-39 16-37 7-22 6-21 1-7 1-7

HORMIGÓN COMPACTADO (1)

HC20 100 71-90 41-67 26-51 16-37 4-20 0-3

HORMIGÓN MAGRO COMPACTADO (2) HMC20 100 75-94 48-69 30-55 20-41 8-24 0-6

Deducido a partir del huso del Pliego PG-3, el cual está definido con otra serie de tamices, Material aún no normalizado en el Pliego PG-3

3.2.2 Características físicas y mecánicas Se deben considerar entre otras las siguientes características de los áridos: el porcentaje de partículas con dos o más caras de fractura, la forma del árido y la resistencia a la fragmentación. 3.2.2.1 Partículas trituradas Las gravas empleadas, sobre todo con tráficos pesados y medios, han de tener un porcentaje importante de partículas trituradas que presenten más del 50% de caras de fractura con objeto de conseguir una estructura granular estable y una adecuada capacidad de soporte inmediata. Por otra parte, los elementos con caras de fractura ayudan a reducir la segregación y mejoran la transmisión de esfuerzos en juntas y grietas.

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Gravas con y sin caras de fractura.

Es recomendable exigir un mínimo del setenta y cinco por ciento de partículas trituradas cuando se necesite una apertura inmediata al tráfico de obra.

3.2.2.2 Forma del árido Los áridos utilizados deben tener una forma sensiblemente cúbica evitando, en lo posible, la utilización de partículas con forma de lajas o agujas, ya que pueden romperse durante la compactación, alterando la curva granulométrica y creando zonas débiles no cementadas.

Foto 3.3

Calibre para la estimación de partículas con forma de lajas.

En capas de base para tráfico pesado, un límite superior adecuado para el coeficiente de lajas es de 30. Dicho valor puede aumentarse hasta 35 en bases para tráficos ligeros, y hasta 40 en subbases y arcenes.

3.2.2.3 Resistencia a la fragmentación Los áridos empleados deben tener una resistencia a la fragmentación suficiente para asegurar la estabilidad durante la compactación y un comportamiento adecuado frente a la repetición de cargas.

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Es recomendable limitar el resultado del ensayo Los Ángeles de resistencia al desgaste por debajo de 30 para su utilización en bases con tráfico pesado, de 35 en bases para tráfico ligero y de 40 en subbases y arcenes.

3.3

PLASTICIDAD Y LIMPIEZA La limpieza de las arenas y la ausencia de plasticidad de la fracción fina tienen una gran influencia en la adherencia entre el conglomerante y el árido, y por tanto en la sensibilidad del material a la acción del agua, así como en el contenido de cemento necesario para alcanzar la resistencia especificada. Es conveniente utilizar áridos con finos no plásticos y con valores del ensayo de equivalente de arena superiores a 30 para tráfico pesado, e índices de plasticidad inferiores a 6 en el resto de los casos. Alternativamente, el índice de azul de metileno debe estar por debajo de 10 (g/kg).

Foto 3.4

3.4

Ensayo de equivalente de arena.

PRESENCIA DE SUSTANCIAS PERNICIOSAS La presencia de ciertas sustancias, en determinadas cantidades, puede provocar efectos no deseados en el material tratado con cemento: los terrones de arcilla producen puntos débiles en el material, la materia orgánica puede retrasar o incluso inhibir el fraguado del cemento, y los sulfatos o sulfuros oxidables pueden producir reacciones expansivas que lleven a la desintegración del material tratado. En presencia de agua el cemento hidratado reacciona con los sulfatos y sulfuros para formar sulfoaluminato de calcio (ettringita) en el primer caso, y ácido Página - 7 -

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sulfúrico y óxido de hierro hidratado en el segundo. Estos compuestos ocupan un volumen mucho mayor que los iniciales, lo que lleva a la expansión y desintegración del material tratado.

Foto 3.5

Vista microscópica de la ettringita.

Se recomienda limitar la presencia de sustancias perjudiciales para el material tratado: terrones de arcilla según UNE 7133 (árido fino ≤ 1%, árido grueso ≤ 0,25%), materia orgánica (< 1% determinada con el método del permanganato potásico) o sulfatos (azufre total ≤ 1% y sulfatos solubles ≤ 0,8% en SO3). En este último caso, si se supera el valor de 0,5% hay que utilizar cementos resistentes a los sulfatos y aislar adecuadamente las obras de fábrica de las capas del firme.

No obstante, se tiene conocimiento del buen comportamiento de materiales tratados con cemento con contenidos de estas sustancias algo superiores a los propuestos. Una buena práctica, si se superan estos valores, consiste en comprobar el efecto del agua sobre la resistencia a la cohesión de las mezclas, mediante el ensayo de inmersión-compresión (NLT-312). Cuando no exista experiencia de uso con determinados áridos se deben realizar los correspondientes ensayos de identificación en un laboratorio especializado.

3.5

SUELOS En la fabricación de suelocemento se pueden utilizar prácticamente todos los tipos de suelos, siempre que se alcancen las resistencias exigidas. La única excepción la constituyen aquellos suelos que presenten un contenido excesivo de materiales perniciosos que puedan afectar a la durabilidad, tales como los sulfatos. Sin embargo, con algunos suelos la dosificación necesaria de cemento puede llegar a ser tan elevada que aunque se puedan conseguir las resistencias fijadas no resulta interesante su utilización desde el punto de vista económico. Por ello, en general se preferirán suelos granulares. También se pueden utilizar zahorras naturales y artificiales.

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Para definir los diferentes tipos de suelos se suelen utilizar sistemas de clasificación basados en su granulometría y plasticidad. En la Tabla 3.3 se presentan recomendaciones sobre las características que deberían cumplir los suelos para que al estabilizarlos con cemento resulte un material con unas características técnicas adecuadas y económicamente admisibles. Tabla 3.3

Características recomendables de los materiales granulares para la fabricación de suelocemento.

CARACTERÍSTICA Máx. % de finos

LIMITACIÓN 35 %

Mín. % de finos

3%

Tamaño máx.

20 – 50 mm*

Continuidad granulométrica Plasticidad máxima

Huso

Materia orgánica máxima (método del permanganato potásico) Sulfatos solubles Máx.

IP < 15 LL < 30 1%

Total ≤1% Solubles en ácido ≤0,8%

OBJETIVO DE LA LIMITACIÓN Mejorar estabilidad del esqueleto mineral. Evitar altos contenidos de cemento. Evitar dificultades en la compactación. Evitar altos contenidos de cemento. Mejorar regularidad superficial. Evitar segregaciones. Evitar dificultades de compactación. Mejorar la compactación. Disminuir el contenido de cemento necesario. Evitar problemas durante el mezclado y extendido del material. Evitar altos contenidos de cemento. Disminuir la sensibilidad del material al agua. Evitar retraso o falta de fraguado y endurecimiento del material.

Evitar reacciones expansivas. Evitar pérdidas de resistencia del material.

* Según categoría de tráfico

En resumen, los suelos más apropiados para fabricar suelocemento son los granulares con cierta continuidad granulométrica, proporción moderada de finos, de plasticidad baja, y tamaños máximos limitados. Los suelos seleccionados, según la clasificación española de suelos para terraplenes (Art. 330 del PG-3), cumplen estas características, así como muchos suelos adecuados e incluso algunos suelos tolerables.

3.5.1 Granulometría Tres son los aspectos de la granulometría que conviene considerar: El tamaño máximo de las partículas del suelo. El contenido de finos, entendido como el porcentaje que pasa por el tamiz 0,063 mm UNE. La continuidad de la misma.

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Tamiz y torre de tamices granulométricos.

3.5.1.1 Tamaño máximo de las partículas El tamaño máximo de las partículas del suelo se suele limitar para mejorar, por un lado, la regularidad superficial de la capa y para evitar, por otro, las posibles segregaciones y los problemas en la compactación del material. Es aconsejable que el tamaño máximo no supere los 40 mm y en ningún caso los 50 mm. Se pueden utilizar suelos con tamaños máximos reducidos, tipo arenas, siempre que se cumpla la limitación de contenido de finos señalada en el punto siguiente. Aunque este material (arenacemento) necesita generalmente contenidos algo superiores de cemento que los necesarios en el caso de que haya una cierta proporción de elementos gruesos, por la mayor superficie específica de las partículas, permite aprovechar en muchos casos suelos de la traza y por tanto puede ser muy interesante su aplicación.

Los suelos más finos, como ciertas arenas arcillosas o limosas, necesitan mayores contenidos de cemento y suelen presentar problemas de compactación. Por otra parte las primeras suelen ser difícilmente desmenuzables. Por ello, es necesario realizar un estudio detallado de estos materiales antes de decidir sobre su posible utilización. 3.5.1.2 Contenido de finos El contenido de finos de un suelo tiene gran influencia en el comportamiento del esqueleto mineral del conjunto de partículas, que será tanto más adecuado, cuanto más compensadas estén la fracción más fina, que aumenta la densidad, y la fracción gruesa, que aporta rozamiento interno y reduce la cantidad necesaria de cemento. El esqueleto mineral debe ser estable durante el proceso de puesta en obra, lo cual no ocurre cuando se supera un determinado porcentaje de finos, ya que las partículas granulares dejan de tener puntos de contacto. Además, al existir muchas partículas por unidad de volumen y con una gran superficie específica, es precisa una elevada cantidad de cemento para conseguir la resistencia necesaria. Por tanto, al considerar la conveniencia de utilizar un determinado suelo se debe tener en cuenta que:

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Aunque algunas especificaciones admiten hasta el 50% en peso de partículas que pasen por el tamiz 0,063 mm UNE, por encima del 35% algunos suelos requieren contenidos elevados de cemento. Es necesario que los suelos tengan también un contenido mínimo de finos, ya que en caso contrario sería preciso un contenido elevado de cemento para llenar los huecos entre partículas del suelo y lograr un material fácilmente compactable. El valor que usualmente se considera es del orden del 3%. 3.5.1.3 Continuidad granulométrica Otro aspecto al que se debe prestar especial atención es el de la continuidad granulométrica del suelo, ya que generalmente redunda en una mejor compactabilidad del mismo y ayuda a alcanzar con más economía las exigencias de resistencia del material. La Tabla 3.4 recoge las curvas granulométricas definidas actualmente en el PG-3. Para el suelocemento se definen dos husos, el SC40 (con un tamaño máximo entre 40 y 12,5 mm) para utilizar en calzadas con tráficos pesados o medios, y el SC20 (con un tamaño máximo entre 20 y 2 mm) para tráficos ligeros y arcenes. Tabla 3.4

Granulometrías de suelocemento (sin incluir el contenido de cemento) TAMICES UNEEN 932-2 (mm) 50 40 25 20 12,5 8 4 2 0,5 0,063

SUELOCEMENTO SC40

SC20

100 80-100 67-100 62-100 53-100 45-89 30-65 17-52 5-37 2-20

100 92-100 76-100 63-100 48-100 36-94 18-65 2-35

Los suelos que no cumplan los criterios señalados se pueden mejorar mediante cribado o mezclado con los materiales convenientes. Por ejemplo, en el caso de arenas de granulometría uniforme con una cantidad insuficiente de finos, puede ser conveniente su mezclado con un suelo con un cierto exceso de finos.

3.5.2 Plasticidad Otra de las características del suelo que hay que controlar es la plasticidad de su fracción fina. El aporte de cemento reduce la plasticidad del suelo, pero cuando ésta es muy alta puede no resultar suficiente. La utilización de suelos de elevada plasticidad hace que se presenten problemas durante la mezcla, disminuyendo el rendimiento de la operación (adherencia y obstrucción en las tolvas, dificultades en el amasado, desgaste de elementos, obstrucciones en la salida, etc.) y dificultando el extendido. Por otro lado, al aumentar la plasticidad lo hace también el contenido de cemento necesario. Además, con suelos muy plásticos el suelocemento resulta sensible al agua. Página - 11 -

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En consecuencia, conviene limitar la plasticidad de la fracción fina del suelo a valores del índice de plasticidad por debajo de 15 y preferiblemente 10, siempre y cuando el contenido de la misma sea suficiente como para influir en el comportamiento del suelo.

3.5.3 Presencia de sustancias perniciosas en el suelo Otro de los factores del suelo a tener en cuenta es la presencia de componentes perniciosos, y en concreto, de materia orgánica o de sulfatos, por las mismas razones señaladas en el Apartado 3.2.4. Normalmente, se exige que el contenido de materia orgánica no supere el 1%. En casos extremos, el efecto negativo se puede neutralizar mediante la adición de cal viva o de cloruro de calcio. Es recomendable llevar a cabo ensayos de fraguado y resistencia a rotura antes de rechazar un material por este motivo, ya que los distintos tipos de materia orgánica afectan de forma diferente al fraguado del material tratado con cemento. Se especifica que el contenido de compuestos totales de azufre y de sulfatos solubles, expresados en SO3 (según la Norma UNE 103204) no sea superior al 1% ni al 0,8% respectivamente, y que, en caso de que los sulfatos solubles rebasen el 0,5%, se utilicen cementos resistentes a sulfatos. Un ensayo apto para evaluar este fenómeno es el inmersión-compresión (NLT312), ya que cuando se incrementa el contenido de humedad del suelocemento se produce una pérdida apreciable de su resistencia mecánica. En principio, el índice de resistencia conservada no deberá ser inferior al 80%, sin que las probetas sumergidas presenten señales de expansión o fisuración.

3.6

CEMENTO El cemento, mezclado íntimamente con el material granular, proporciona a la mezcla las resistencias mecánicas exigidas y mejora tanto su durabilidad, entendiendo por tal la resistencia a los agentes físicos y químicos agresivos, como la estabilidad dimensional. El cemento Portland se obtiene por molturación conjunta de su clínker, de adiciones activas, en su caso, y de la cantidad adecuada de un regulador de fraguado, normalmente piedra de yeso natural. El clínker es el producto que se obtiene al calcinar mezclas de calizas y arcillas preparadas adecuadamente, hasta conseguir la combinación prácticamente total de sus componentes. Los principales componentes del clínker son el silicato tricálcico (SC3), el silicato bicálcico (SC2), el aluminato tricálcico (AC3) y el ferritoaluminato tetracálcico (C4AF), a los que hay que añadir otros componentes secundarios. Algunos de ellos, como el silicato y aluminato tricálcico, presentan un calor de hidratación, una velocidad de fraguado y una resistencia inicial elevados. Los cementos Portland sin adiciones no suelen utilizarse en capas de firmes, siendo lo más habitual recurrir a cementos con cenizas volantes, escorias de horno alto u otros tipos de adiciones puzolánicas o con hidraulicidad latente.

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Foto 3.7

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Central de fabricación de cemento.

3.6.1 Designación de los cementos españoles Los cementos españoles para estas aplicaciones se rigen en la actualidad por el Art. 202 del PG-3 y la Instrucción para la Recepción de Cementos (véase Tabla 3.5), basada en las normas UNE. En ella se recogen una gran variedad de tipos de cemento por lo que su elección dependerá en muchos casos de la disponibilidad en la zona, y de las prestaciones de cada tipo.

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Tabla 3.5 Tipos de cementos españoles. Composición porcentual (proporción en masa) (1) Tipo de cemento

CEM I

CEM II

Designación

Componentes principales(2) Componentes minoritarios Escoria de Humo de Clínker Cenizas (6) horno alto sílice Puzolana(4) (5) Caliza K volantes S D(3)

Cemento Portland

CEM I

95-100

——

——

——

——

——

0-5

Cemento Portland CEM II/A-S con escoria CEM II/B-S

80-94 65-79

6-20 21-35

—— ——

—— ——

—— ——

—— ——

0-5 0-5

Cemento Portland CEM II/A-D con humo de sílice

90-94

——

6-10

——

——

——

0-5

Cemento Portland CEM II/A-P con puzolana CEM II/B-P

80-94 65-79

—— ——

—— ——

6-20 21-35

—— ——

—— ——

0-5 0-5

Cemento Portland CEM II/A-V con ceniza volante CEM II/B-V

80-94 65-79

—— ——

—— ——

—— ——

6-20 21-35

—— ——

0-5 0-5

Cemento Portland CEM II/A-L con caliza CEM II/B-L

80-94 65-79

——

——

——

——

6-20 21-35

0-5 0-5

Cemento Portland CEM II/A-M CEM II/B-M mixto(7)

80-94 65-79

—— ——

—— ——

0-5 0-5 0-5

6-20 21-35

CEM III

Cemento de horno alto

CEM III/A CEM III/B CEM III/C

35-64 20-34 5-19

36-65 66-80 81-95

CEM IV

Cemento puzolánico(7)

CEM IV/A CEM IV/B

65-89 45-64

—— ——

CEM V

Cemento compuesto(7)

CEM V/A CEM V/B

40-64 20-38

18-30 31-50

ESP VI

Cemento para usos especiales

ESP VI-1

25-55

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

—— ——

—— —— 11-35 36-55

——

18-30(8) 31-50 45-75(9)

0-5 0-5 ——

0-5 0-5 0-5

Los valores de la tabla se refieren a la suma de los componentes principales y minoritarios (núcleo de cemento, entendiéndose por tal el clínker y las adiciones, con exclusión del sulfato de calcio regulador de fraguado y de los aditivos) Se incluyen también en las Normas cementos Portland con esquistos calcinados (CEM II/A-T y CEM II/B-T), con los mismos límites en el contenido de adición (esquistos) que en los restantes cementos CEM II, aunque por el momento no se fabrican en España La proporción de humo de sílice se limita al 10 por 100. Se admiten dos tipos de puzolana: la natural, P, y la natural calcinada, Q Se admiten dos tipos de cenizas volantes: las silíceas, V, y las calcáreas, W Se admiten dos tipos de caliza: la L, con un contenido de carbono orgánico total (TOC) inferior al 0,50% en masa, y la LL, en la que el TOC debe ser inferior al 0,20% en masa Los componentes principales distintos del clínker deberán ser declarados en la designación del cemento No podrán utilizarse cenizas volantes calcáreas, W Podrán emplearse en estos cementos escorias de horno alto, puzolanas naturales P y cenizas volantes silíceas, de forma que el conjunto de las mismas quede dentro de los límites indicados en la Tabla. El contenido de puzolanas naturales no superará el 40%

3.6.2 Cementos más adecuados En los materiales tratados con cemento el tipo de conglomerante tiene una importancia menor en comparación con la dosificación del mismo o la densidad alcanzada en la compactación. Es posible utilizar la gran mayoría de los cementos comercializados en España, por lo que, como ya se ha mencionado, en muchos casos su elección dependerá de la disponibilidad y precio de los

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mismos. No obstante, algunas recomendaciones de tipo práctico pueden mejorar ciertos aspectos. Los cementos más adecuados para estas unidades de obra son los que presentan las siguientes propiedades: Inicio y final de fraguado suficientemente largos, de forma que se tenga un elevado plazo de trabajabilidad. Moderado calor de hidratación, para limitar los efectos de la fisuración por retracción (abertura de fisuras y distancia entre estas), principalmente en épocas calurosas. Desarrollo lento de resistencias y módulos de rigidez a edades tempranas, recuperándolas a largo plazo. Así se consigue limitar el efecto de la retracción y los fenómenos iniciales de fatiga inducidos por las cargas del tráfico sobre las bases y subbases. Los cementos que más se aproximan a las cualidades anteriores son aquellos con mayor contenido de adiciones activas (escorias de horno alto, puzolanas naturales y cenizas volantes principalmente). En general se debe procurar emplear cementos de resistencia media o baja (clase 32,5 N ó, en el caso de los cementos especiales ESP, también la 22,5), dejando los de clase superior para situaciones especiales, como puede ser una puesta en obra en tiempo frío. No se deben emplear cementos de aluminato de calcio, ni mezclas de cemento con adiciones que no hayan sido realizadas en la fábrica de cemento. Si el firme se tiene que disponer sobre terrenos yesíferos o que contengan sulfato de magnesio, es conveniente aislar las capas tratadas con cemento y, en cualquier caso, utilizar cementos con alto contenido de adiciones (escoria de horno alto, puzolana o ceniza volante) o resistentes a los sulfatos. El principio de fraguado, determinado según la norma UNE-EN 196-3, no podrá tener lugar antes de las dos horas. No obstante, si la extensión se realizase con temperatura ambiente superior a 30 ºC, el principio de fraguado, determinado según dicha norma, pero realizando los ensayos a una temperatura de 40 ± 2 ºC, no podrá tener lugar antes de una hora.

3.7

AGUA El agua deberá cumplir las mismas prescripciones fijadas para hormigones y morteros (Art. 280 del PG-3).

Un índice útil de carácter general sobre la aptitud de un agua es su potabilidad. No obstante, algunas aguas manifiestamente insalubres pueden ser también utilizadas: aguas bombeadas de minas (que no sean de carbón), algunas de residuos industriales, aguas pantanosas, aguas depuradas con cloro, etc. En cualquier caso, deben cumplirse las condiciones señaladas en la Tabla 3.6. No conviene emplear aguas cuyo pH sea inferior a 5, ni las que contengan aceites, grasas, hidratos de carbono o materias sólidas en suspensión (limos o arcillas).

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Tabla 3.6

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Características recomendables de las aguas para la fabricación de materiales tratados con cemento.

CARACTERÍSTICA

LIMITACIÓN

CAUSA DE LA LIMITACIÓN Alteraciones en el fraguado y endurecimiento. pH ≥5 Disminución de resistencias y de durabilidad. Pérdida de resistencias mecánicas. Sustancias disueltas ≤ 15 g/l Fenómenos expansivos a largo plazo. Alteraciones en el fraguado y endurecimiento. Contenido en sulfatos Pérdidas de resistencia. SO4= ≤ 1 g/l* Merma importante de la durabilidad. No debe Impide el fraguado o produce alteraciones en el Hidratos de carbono apreciarse mismo y en el endurecimiento. Graves alteraciones el fraguado y/o Sustancias orgánicas solubles en éter endurecimiento. ≤ 15 g/l Fuertes caídas de resistencia. (*) Cuando se utilicen cementos resistentes a sulfatos el límite de ión sulfato se puede elevar hasta la cifra de 5 g/l.

El agua de mar se puede utilizar en el amasado de la mezcla, aunque provoque una cierta disminución de la resistencia, pero no en el curado. Durante el amasado, el material está aún fresco y admite los cambios de volumen. Por el contrario, si se emplea en el curado, se corre el riesgo de introducir sulfatos en los poros del material, que ha comenzado a endurecer, con el consiguiente riesgo de rotura debido a las expansiones por la formación de ettringita. En general se pueden utilizar, tanto en el amasado como en el curado, todas las aguas que hayan sido sancionadas por la práctica como aceptables.

3.8

RETARDADORES DE FRAGUADO Los retardadores de fraguado son aditivos cuya función principal es retrasar el fraguado (principio y final) del cemento, con el consiguiente aumento del plazo de trabajabilidad de la mezcla. Los retardadores de fraguado producen por lo general una disminución de las resistencias mecánicas a corta edad, que se recupera posteriormente hasta alcanzar los valores normales. El plazo de trabajabilidad para una determinada temperatura de la mezcla depende de una serie de características de la misma: tipo de cemento, material granular utilizado, dosificación de la mezcla, relación agua/cemento, tipo de aditivo y dosis empleada. Por ello, la eficacia de estos aditivos está ligada a todos estos factores. Resulta recomendable trabajar con retardadores a cualquier temperatura ambiente, por la flexibilidad que proporcionan a las diferentes operaciones de extendido y compactación. Con temperaturas ambientes altas, por encima de los 30 ºC, se hace prácticamente imprescindible su uso.

3.9

EMULSIONES PARA EL CURADO DE LA MEZCLA Las emulsiones más adecuadas para el riego de curado son las fluidas y de rotura rápida, con el objeto de poder conseguir un buen reparto con poca dotación y

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facilitar un sellado rápido de la superficie. Se suelen emplear emulsiones ECR-1 ó EAR-1.

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4

Capítulo

DOSIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN En este capítulo se describen los principales métodos de dosificación y los ensayos disponibles actualmente para la caracterización de los materiales tratados con cemento.

4.1

INTRODUCCIÓN La dosificación de un material tratado con cemento para una capa de firme tiene como objetivo obtener la combinación óptima de cemento, árido o suelo, agua, y en su caso, aditivos, que cumpla las especificaciones técnicas fijadas sobre sus características en estado fresco y endurecido. La dosificación debe tener en cuenta además las condiciones de ejecución, especialmente la trabajabilidad, la calidad pretendida y la economía de la obra. El proceso de dosificación debe sacar el mejor partido posible de los materiales básicos disponibles y conseguir la mayor economía dentro del nivel de calidad fijado.

4.1.1 Propiedades de la mezcla Las propiedades fundamentales que se buscan en los materiales tratados con cemento son: Unas adecuadas características mecánicas a través de la resistencia a la rotura como medida indirecta del módulo de elasticidad y de la resistencia a fatiga. Una durabilidad suficiente: estabilidad química y volumétrica, y resistencia a la meteorización. Estas propiedades se deben mantener para pequeñas variaciones de los componentes. Además, la mezcla debe ser trabajable durante un tiempo suficiente y fácilmente compactable. Junto a estas características se pueden

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perseguir otras, como la de permitir una circulación inmediata, que dependerán de las condiciones propias de la obra.

4.1.2 Datos de partida La dosificación de un material tratado con cemento tiene como base de partida: El conocimiento de los materiales disponibles: áridos o suelos, cementos, agua y, en su caso, aditivos. Las especificaciones de los Pliegos de Prescripciones Técnicas, en las que se definen las características que debe cumplir el material tanto en estado fresco como endurecido.

4.1.3 Fases de la dosificación La dosificación de las mezclas con cemento comprende varias fases: Definición y caracterización de los materiales que componen el material tratado con cemento. Determinación en laboratorio de la fórmula de trabajo con las proporciones de los distintos materiales. Comprobación y ajuste de la fórmula de trabajo en la central de fabricación.

4.2

DETERMINACIONES PREVIAS Previamente a la dosificación, se debe comprobar que los materiales que se van a utilizar cumplen las especificaciones de los Pliegos de Prescripciones Técnicas aplicables a la obra. Las características que en general deben cumplir los materiales de partida vienen recogidas en el Capítulo 3. En las tablas siguientes (Tablas 4.1, 4.2 y 4.3) se relacionan las determinaciones previas que es recomendable realizar y las normas de ensayo que se deben utilizar para ello. Tabla 4.1 Determinaciones previas a realizar sobre los áridos. DETERMINACIÓN NORMA Granulometría de las fracciones y el conjunto de los áridos UNE-EN 933-1 Proporción de partículas trituradas del árido grueso UNE-EN 933-5 Índice de lajas de las distintas fracciones del árido grueso UNE-EN 933-3 El coeficiente de Los Ángeles de las distintas fracciones del árido grueso UNE-EN 1097-2 Proporción de terrones de arcilla del árido grueso y del árido fino UNE 7133 Equivalente de arena del árido fino UNE-EN 933-8 Índice azul de metileno (en sustitución del equivalente de arena) UNE-EN 933-9 Límite líquido del árido fino UNE 103103 Límite plástico del árido fino UNE 103104 Contenido de materia orgánica del material granular UNE 103204 Contenido de sulfatos solubles en ácido del material granular UNE-EN 1744-1 Lixiviación NLT-326 Reactividad potencial con los álcalis del cemento UNE 146507-1 Efecto del agua sobre la resistencia a la cohesión (1) NLT-312 (1) Cuando se quiera comprobar cómo afecta el contenido de sulfatos del material granular a las características mecánicas de la mezcla con cemento. Esta comprobación no viene especificada en el PG-3.

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Tabla 4.2 Determinaciones previas a realizar sobre los suelos. DETERMINACIÓN NORMA Granulometría del material granular UNE-EN 933-1 Límite líquido del material granular UNE 103103 Límite plástico del material granular UNE 103104 Contenido de materia orgánica del material granular UNE 103204 Contenido de sulfatos solubles en agua del material granular UNE-EN 1744-1 Lixiviación NLT-326 Reactividad potencial con los álcalis del cemento UNE 146507-1 Efecto del agua sobre la resistencia a la cohesión (1) NLT-312 (1) Cuando se quiera comprobar cómo afecta el contenido de sulfatos del material granular a las características mecánicas de la mezcla con cemento. Esta comprobación no viene especificada en el PG-3.

Tabla 4.3 Relación de ensayos a realizar sobre el agua. DETERMINACIÓN Contenido total de substancias solubles en agua Contenido total de sulfatos Determinación cualitativa de hidratos de carbono Determinación de la acidez de las aguas Aceites y grasas contenidos en el agua

NORMA UNE 7130 UNE 7131 UNE 7132 UNE 7234 UNE 7235

En lo que se refiere al cemento, y salvo que éste esté en posesión de un Sello o Marca de Calidad oficialmente reconocidos, se deben realizar los ensayos dispuestos en la vigente Instrucción para la recepción de cementos o normativa que la sustituya.

4.3

DOSIFICACIÓN POR COMPACTACIÓN Y RESISTENCIA Se trata del procedimiento más habitual para dosificar materiales tratados con cemento para bases y subbases de carreteras. Con este método se combinan los constituyentes de manera que la mezcla cumpla ciertas condiciones físicas (máxima densidad) y alcance unas determinadas resistencias. Además, el material resultante no debe presentar una variación excesiva de sus propiedades dentro del rango de tolerancias en las proporciones de sus constituyentes admitidas en los Pliegos. El procedimiento de dosificación consta de las siguientes fases: Ajuste de la composición granulométrica. Determinación del contenido óptimo de agua. Dosificación del conglomerante. Dosificación del retardador de fraguado, en su caso.

4.3.1 Ajuste de la composición granulométrica La composición de la granulometría de los áridos tiene por objeto obtener una combinación de las fracciones de áridos disponibles, después de comprobar que cumplen las características exigidas, de manera que la granulometría conjunta se encuentre dentro del huso especificado en el proyecto para el material tratado con cemento. A veces se buscan curvas dentro del huso que cumplan unas determinadas condiciones, como una máxima compacidad compatible con una Página - 3 -

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adecuada trabajabilidad. En la Tabla 4.4 se relacionan los ensayos necesarios para realizar la composición granulométrica de los áridos. Tabla 4.4

Relación de ensayos granulométrica.

necesarios

para

realizar

DENOMINACIÓN DEL ENSAYO Toma de muestras Análisis granulométrico de áridos gruesos y finos Densidad relativa y absorción de áridos gruesos Densidad relativa y absorción de áridos finos

la

composición NORMA UNE-EN 932-1 UNE-EN 933-1 NLT-153 NLT-154

Las muestras deben ser representativas de los materiales que se vayan a utilizar, por lo que se deben tomar de forma aleatoria y siguiendo procedimientos normalizados (UNE-EN 932-1). Si no se conocen bien las propiedades de los áridos que se van a utilizar, se deben determinar las densidades relativas (NLT-153 y NLT-154) de las distintas fracciones de los áridos, para comprobar que se encuentran dentro del rango habitual (2,6 ± 0,2 t/m3). Si alguna fracción de áridos es sensiblemente más ligera o pesada que las otras es conveniente llevar a cabo una dosificación en volumen, convirtiendo los porcentajes de las distintas fracciones a peso tal y como se muestra en el siguiente ejemplo:

Porcentaje en Densidad Peso (1) volumen A 55 % 3,80 209 B 40 % 2,70 108 C 5% 1,20 6 TOTAL 100 % 323 (1) PESO=VOLUMEN x DENSIDAD (2) % EN PESO = 100 x (PESO INDIVIDUAL/PESO TOTAL)

ARIDO

Porcentaje en peso (2) 65 % 33 % 2% 100 %

Por otro lado, el análisis de la absorción de las distintas fracciones ayuda a entender posibles discrepancias entre las demandas de agua del material estudiado y las dotaciones habituales. La determinación de la granulometría de las fracciones de árido permite, posteriormente, obtener las proporciones necesarias de cada una para conseguir una determinada granulometría conjunta. La serie de tamices a utilizar en el análisis granulométrico viene definida en el artículo del Pliego correspondiente a las distintas unidades de obra. Desde 1999 se utiliza una serie básica de tamices, adoptada por el Comité Europeo de Normalización (CEN), definida en la norma UNE-EN 933-2, que es la siguiente: 0,063 - 0,125 - 0,25 - 0,5 - 1 - 2 - 4 - 8 - 16 - 31,5 - 63 - 125 (en mm) A esta serie básica acompañan otras complementarias, con distintas aberturas de tamiz. Es importante que el análisis granulométrico de las fracciones se haga por lavado, no sólo en la fracción fina sino también en el árido grueso (UNE-EN Página - 4 -

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933-1), debido a la influencia del contenido de finos en las características del material tratado con cemento.

En la fase de composición granulométrica propiamente dicha se deben buscar curvas granulométricas que encajen dentro del huso especificado y sean continuas, sin que haya ausencia de ciertos tamaños, para evitar posibles segregaciones. La composición granulométrica puede hacerse mediante tanteos, empleando métodos matemáticos o gráficos, o bien mediante aplicaciones informáticas que permiten optimizar rápidamente la combinación de áridos por ajustes del tipo de mínimos cuadrados. Aun en el caso de que se disponga de alguna de estas últimas, suele ser conveniente realizar varios tanteos a mano para analizar y entender los efectos de los cambios en las proporciones. Por otra parte, siempre es conveniente representar las granulometrías gráficamente para apreciar la forma de las curvas. En ocasiones, las granulometrías de ciertas fracciones de los áridos, especialmente de las arenas, hacen difícil ajustar la granulometría conjunta a la curva deseada, quedando encajadas en los límites superior o inferior del huso con poco margen para incluir las tolerancias. En estos casos, algunas de las soluciones posibles son subdividir la fracción fina en dos (0/2 mm y 2/4 mm), o bien mezclar arenas diferentes.

En la Figura 4.1 se representa el huso granulométrico de la gravacemento GC-20 del Art. 513 del PG-3 en un gráfico de potencia 0,45. En estos gráficos la línea que une el origen de coordenadas con el tamiz por el que pasa el 100% del material, así como las líneas paralelas a ella, definen líneas de máxima densidad. Se observa que la granulometría centrada del huso de la gravacemento se ajusta sensiblemente a la línea de máxima densidad, teniendo en cuenta además que la granulometría no incluye el cemento.

100

0,063 0,5

2

Tamices UNE 8 4

20

25

90 80

% pasa

70 60 50 40 30

Curv a de máxima densidad

20 10 0

Tamiz ^ 0,45

Figura 4.1 Representación del huso granulométrico de la gravacemento GC-20 y de la curva de máxima densidad a la potencia 0,45.

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Desde un punto de vista práctico, lo más recomendable es ajustar la granulometría combinada al centro del huso especificado de forma que la curva quede dentro del mismo aún aplicando las tolerancias admisibles para cada fracción del árido. La utilización de tres fracciones de áridos permite un mejor ajuste de la granulometría final al huso prescrito o a la curva granulométrica definida en la fórmula de trabajo.

Otro criterio alternativo es buscar curvas dentro del huso que proporcionen la máxima densidad posible junto con una adecuada trabajabilidad, ya que para un mismo material la densidad se relaciona directamente con la capacidad de soporte, la resistencia mecánica y la durabilidad.

4.3.2 Determinación del contenido óptimo de agua En los materiales tratados con cemento el agua tiene dos funciones fundamentales: Hidratar el cemento. Facilitar la compactación de la mezcla. Para la primera de ellas se necesita únicamente una pequeña cantidad de agua, del orden del 2%, por lo que la humedad de la mezcla viene siempre determinada por la necesaria para la compactación, que se suele encontrar en el intervalo del 5 al 7%. 4.3.2.1 Procedimiento general El objetivo de esta fase de la dosificación es hallar, para una mezcla con una granulometría fijada de antemano y con una dotación de cemento estimada aproximadamente para que cumpla las resistencias especificadas, el contenido óptimo de agua para su compactación. Como porcentajes de cemento de partida se pueden adoptar los indicados en la Tabla 4.5. Tabla 4.5

Porcentajes de cemento recomendados para pre-dosificaciones.

MATERIAL Suelocemento fabricado con suelos Suelocemento fabricado con zahorras Gravacemento Gravacemento de alta resistencia Hormigón magro compactado Hormigón compactado

SIGLA SC SC GC GCA HMC HC

% CEMENTO INICIAL 6 3 4 5,5 7,5 11

Como el contenido final de cemento, definido por los ensayos de resistencia, será probablemente distinto al estimado en la determinación inicial del contenido óptimo de agua, habría que realizar un nuevo ensayo de compactación al final del proceso y una comprobación de resistencias. Hay que mencionar a este respecto que, a igualdad del resto de factores, una variación de unos pocos puntos porcentuales en el contenido de cemento tiene una influencia muy limitada en el valor de la humedad óptima, especialmente en el caso de las gravascemento y hormigones compactados. En consecuencia, no se considera necesario en general repetir el ensayo de compactación después del de resistencia.

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En el caso de los sueloscemento el rango de posibles contenidos de cemento es de más amplitud que en el resto de materiales. En consecuencia, para una mayor precisión, en vez de fijar un contenido previo de cemento se suele determinar la humedad óptima mediante el ensayo Proctor Modificado para tres a cuatro contenidos, de manera que si tras los ensayos de resistencia, el contenido final de cemento es intermedio entre los estudiados, la humedad óptima final se pueda determinar por interpolación. Por ejemplo, en el caso de un suelocemento se podrían ensayar contenidos de cemento del 3, 4, 5 y 6%, y seleccionar un contenido óptimo de humedad para cada uno. PASO 1: Se procede al secado al aire del material granular, si se trata de suelos, o en estufa si son áridos, para poder aproximar con mayor precisión el contenido de agua buscado. PASO 2: Se mezclan los áridos o suelos con el contenido de cemento prefijado. PASO 3: Se amasa la mezcla de áridos y cemento con distintos porcentajes de agua. Suele ser conveniente ensayar cinco contenidos de agua diferentes intentando que el contenido medio del intervalo coincida con el contenido esperado de humedad∗, que es generalmente del 5-7% en mezclas con áridos, y del 5-10% en mezclas con suelos, aunque en este último caso puede haber desviaciones respecto al intervalo señalado con algunos tipos de suelo. PASO 4: Para cada contenido de agua se realiza un ensayo de compactación, siguiendo el método Proctor Modificado (norma UNE 103501). Tras la mezcla del material granular con el cemento en la amasadora, se introduce el material en moldes tipo CBR sin disco espaciador y se compacta en 7 tongadas con la maza Proctor Modificado, aplicando 60 golpes por capa (energía Proctor Modificado). La planeidad de la cara final se comprueba con una regla y en caso necesario se enrasa con mortero para conseguir una superficie homogénea.

Foto 4.1

Detalle de compactación Proctor Modificado.

Resulta conveniente realizar el ensayo empleando áridos previamente humedecidos, a fin de tener en cuenta su capacidad de absorción de agua. Para

∗ Si se desconoce el contenido más probable, puede ser conveniente hacer un ensayo previo en el que varíe el porcentaje de humedad de un punto a otro en un 2%. Una vez estimada la humedad óptima, se realiza de nuevo el ensayo centrando la serie de contenidos de humedad en el contenido aproximado que se haya determinado y variando los otros porcentajes alrededor de éste, de medio en medio punto porcentual.

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ello, se mezclan los áridos añadiéndoles un 3% de agua, y las muestras se introducen en bolsas herméticas durante 24 horas. Seguidamente se realiza el ensayo del modo habitual incorporando el resto del agua.

Humedad drenada (%)

Es importante volver a determinar el contenido de humedad de las muestras después de la compactación (según norma NLT-102), ya que la humedad de la probeta (humedad retenida) puede diferir de la humedad inicial (humedad añadida). Ello es debido a que durante la compactación puede ser expulsada parte del agua (Fig. 4.2). Si esta diferencia es mayor del 2%, este resultado en particular no debe tenerse en cuenta en la estimación del contenido óptimo de humedad.

1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 4

5 6 7 8 Humedad añadida (%)

Figura 4.2 Humedad expulsada durante el proceso de compactación Proctor Modificado de una gravacemento.

Aunque el ensayo Proctor Modificado es el utilizado como referencia, se admite también la compactación con martillo vibrante∗ (normas NLT-310 y NLT-311). El ensayo se realiza en 3 tongadas y con un tiempo entre 20 y 30 segundos por cada capa. Este último se determina por calibración con el Proctor Modificado, a fin de obtener una densidad máxima aproximadamente igual en ambos ensayos. El coeficiente de calibración varía con el tipo de material, por lo que no es válido adoptar el obtenido en obras anteriores, a menos que los materiales utilizados sean muy similares. Este método presenta ventajas frente al de la maza Proctor, tales como un fácil traslado, lo que es muy importante para su utilización en obra, una realización más sencilla y una mayor rapidez de ejecución. Su principal inconveniente es la variabilidad de sus resultados si la presión que es necesario ejercer sobre las tongadas al compactar el material se confía exclusivamente al operario. Este problema se resuelve no obstante con la utilización de una sobrecarga adecuada acoplada al martillo, montándose el conjunto sobre un bastidor provisto de guías para poder aplicarlo sobre la masa a compactar (Foto 4.1). ∗

Si se emplea el martillo vibrante, hay que llevar a cabo una calibración de sus resultados comparándolos con los del Proctor Modificado. Se deberá tener en cuenta que los resultados de la calibración difieren en función del tipo de material empleado, no existiendo una tendencia definida. Con los materiales sin cohesión el martillo vibrador proporciona densidades mayores o iguales a las del Proctor Modificado. Sin embargo, con materiales ligeramente arcillosos, se obtienen a veces densidades más altas con el procedimiento Proctor Modificado.

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Foto 4.2

4 .


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Detalle de martillo vibrante con guías para la compactación de probetas en obra.

El ensayo Proctor Modificado es, actualmente, el procedimiento más aceptado y que se toma como referencia en los materiales tratados con cemento, a pesar de que el control de obra se sustituya por el martillo vibrante debido a la comodidad de su utilización.

PASO 5: A partir de los resultados obtenidos, para cada contenido de humedad se calcula la densidad aparente húmeda del material, y a continuación, la densidad seca. Posteriormente, se representan los datos en un gráfico que relaciona la densidad seca con la humedad, y a partir del mismo, se calculan la densidad máxima y la humedad óptima retenida o añadida (Fig. 4.3).

Densidad (Mg/m3 )

2,04

2,02

2

1,98

1,96 4

5

6

7

8

9

10

11

12

Humedad añadida (%)

Figura 4.3 Curvas densidad – humedad del ensayo de compactación Proctor Modificado para un suelocemento con el 6% de cemento.

La humedad óptima se obtiene por dibujo de los distintos puntos, uniéndolos mediante una curva suave. Es conveniente representar tanto la humedad añadida como la retenida. Una indicación de que se ha alcanzado la humedad óptima es que en la compactación con mayores humedades se comienza a apreciar la expulsión de agua en las probetas (Fig. 4.4). Página - 9 -

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Densidad seca (Mg/m3)

2,30 HUMEDAD

2,25

ÓPTIMA RETENIDA

2,20 2,15 Humedad añadida

2,10

Humedad retenida

2,05 3

4

5 6 Humedad (%)

7

8

Figura 4.4 Curvas de compactación Proctor Modificado (humedad añadida y humedad retenida) de una gravacemento

Generalmente el porcentaje de agua de compactación que se fija en la fórmula de trabajo es el que corresponde a la humedad óptima retenida en el ensayo Proctor Modificado. No obstante, algunos técnicos prefieren reducir ligeramente (generalmente medio punto porcentual) el agua respecto a dicho óptimo teniendo en cuenta dos consideraciones: Las resistencias máximas se suelen obtener para contenidos de humedad entre medio punto y un punto porcentual (-0,5 % y -1%) inferiores al del óptimo Proctor Modificado. Si se selecciona el contenido óptimo, las tolerancias de los Pliegos de Prescripciones pueden llevar a que se fabriquen materiales con contenidos de agua en el lado húmedo de la curva Proctor, lo que puede producir caídas de resistencia. Por otro lado, se debe tener en cuenta que la fabricación de materiales tratados con cemento en el lado seco, siguiendo el criterio señalado, va en perjuicio de la trabajabilidad del material, por lo que lo más adecuado es que la decisión final sobre el contenido de agua se base en un estudio de la sensibilidad al mismo, no sólo de la densidad y resistencia, sino también de la trabajabilidad y en los resultados obtenidos en el tramo de ensayo. En caso de que se utilicen retardadores de fraguado, generalmente se puede fijar un contenido de agua ligeramente por debajo del óptimo sin problemas de trabajabilidad. La humedad de fabricación debe ser ligeramente superior a la de compactación. En cualquier caso, se debe ajustar durante la ejecución de la capa para tener en cuenta las posibles pérdidas que se puedan producir en las operaciones de transporte y puesta en obra del material.

Una vez determinado el contenido de conglomerante mediante el procedimiento que se indica en el Apartado 4.3.3, es conveniente obtener con dicho valor la curva humedad – densidad, a fin de evaluar con más precisión la densidad

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máxima y la humedad óptima. No obstante, como ya se ha indicado, ninguno de ellos suelen variar de forma significativa, especialmente la humedad. 4.3.2.2 Método de compactación en laboratorio

4.3.3 Dosificación del conglomerante Una vez definida la humedad óptima de compactación la dosificación del conglomerante se obtiene por medio de ensayos de resistencia a rotura. Esta fase tiene a su vez varias etapas: Preparación y curado de las probetas. Realización de los ensayos de rotura a la edad especificada. Primera determinación del contenido de conglomerante. Comprobación de la sensibilidad de la dosificación. Ajuste final del contenido de conglomerante. 4.3.3.1 Preparación y curado de las probetas La resistencia a rotura se debe determinar sobre series de probetas (tres como mínimo, y preferiblemente cinco, por cada dotación de cemento elegida) fabricadas y compactadas en laboratorio con el contenido óptimo de agua de compactación y la densidad mínima exigida en obra. Para la fabricación de probetas con una densidad seca previamente establecida se puede utilizar el procedimiento descrito en la norma NLT-310, o bien estimar mediante tanteos la energía (en número de golpes por capa) que se debe aplicar en el ensayo Proctor Modificado para obtener la densidad requerida. El curado de las probetas se lleva a cabo preferentemente en cámara húmeda o, si no fuera posible, mediante otros procedimientos tales como su introducción en bolsas de plástico selladas, inmersión en arena húmeda o inmersión en agua. Los resultados con los procedimientos citados son muy similares entre sí, aunque no es recomendable utilizar el procedimiento de inmersión en agua con suelocemento. Si se realizan en cámara húmeda se suelen introducir las probetas el primer día con el molde de fabricación, y después de 24 h (o más tarde si no han adquirido resistencia) se retiran del molde prosiguiendo el curado hasta la fecha fijada. No es necesario refrentar las probetas fabricadas a menos que las caras de éstas sean irregulares o tengan una falta evidente de paralelismo (desviación máxima de 5 grados respecto a la vertical). 4.3.3.2 Realización de los ensayos de resistencia a rotura a la edad especificada El ensayo de rotura más utilizado en las especificaciones técnicas es el ensayo de compresión simple (norma NLT-305), ya que tras cortos períodos de curado (7 días o incluso inferiores) proporciona resistencias suficientemente elevadas como para caracterizar y comparar los materiales. Por otra parte, se realiza sobre probetas cilíndricas de fácil fabricación.

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Los valores de resistencia a compresión exigidos en las especificaciones españolas están referidos a probetas tipo CBR sin disco espaciador (152,4 mm de diámetro interior y 177,8 mm de altura). No obstante, el ensayo de resistencia a compresión se puede realizar en general sobre probetas cilíndricas de cualquier relación altura-diámetro siempre que se apliquen los correspondientes coeficientes correctores (norma NLT-305). El rango de resistencias mínimas a 7 días en los materiales tratados con cemento se encuentra entre los 2,5 MPa del suelocemento y los más de 20 MPa del hormigón compactado. En el artículo 513 del PG-3 se especifican valores mínimos y máximos de resistencia a compresión a corto plazo, para limitar la incidencia del fenómeno de retracción. Si se utiliza la técnica de la prefisuración no es necesario imponer un valor máximo. 4.3.3.3 Selección del contenido de cemento Una vez realizados los ensayos de resistencia a la rotura a la edad especificada, se representan en un gráfico los valores de las resistencias en función del contenido de cemento. Se elegirá un contenido de cemento teniendo en cuenta que: Debe superar un valor mínimo del 3%, para garantizar un reparto adecuado del cemento en la masa de la mezcla. Debe permitir cumplir las resistencias mínima y máxima, en su caso, especificadas en los Pliegos, incluso cuando se incorpore el valor de la tolerancia permitida durante el proceso de fabricación del material (±0,3%) y con la densidad de referencia exigida realmente en obra (98% de la máxima PM). En la Tabla 4.6 se recogen las prescripciones de resistencia mecánica de los materiales tratados con cemento para capas de firme de carreteras Tabla 4.6

Prescripciones de resistencia de materiales tratados con cemento para su utilización en capas de firmes (D. G. Carreteras del Ministerio de Fomento).

MATERIAL

NORMA

Suelocemento

Art. 513 PG-3

Gravacemento

Art. 513 PG-3

Hormigón compactado

6.1 y 2 –IC (1989)

RESISTENCIA (MPa) Mínima

Máxima

RC7d ≥ 2,5 RC7d ≥ 4,5 RC7d ≥ 4,5

RC7d ≤ 4,5 RC7d ≤ 7,0 RC7d ≤ 6,0

RTI28d ≥ 3,3 MPa

EMPLEO Calzada y arcenes Calzada Arcenes Bases bajo pavimentos bituminosos

Notas: Probetas compactadas con el 98% de la densidad máxima Proctor Modificado. RC7d – Resistencia a compresión simple a 7 días sobre probetas NLT-310, ensayadas según NLT-305, calculada como la media aritmética de los resultados obtenidos al menos sobre 3 probetas de la misma amasada RTI28d – Resistencia a tracción indirecta a 28 días sobre probetas NLT-310, ensayadas según UNE 83306 En el caso de emplearse cementos para usos especiales (ESP VI-1), los valores indicados se disminuirán en un 15%

Lo más recomendable es escoger un contenido de cemento que Página - 12 -

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proporcione una resistencia algo superior a la mínima especificada (entre un 15 y un 20%) para considerar las caídas de resistencia que se pudieran dar en obra a causa de las tolerancias: menor contenido de cemento, mayor humedad de compactación, etc (Fig. 4.5). Este factor corrector se puede ajustar posteriormente a la vista de la sensibilidad del material frente a los cambios en la dosificación.

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

Cemento (%) Figura 4.5 Determinación del contenido de cemento para suelocemento (resistencia a compresión a 7 días ≥ 2,5 MPa y ≤ 4,5 MPa). Se ha escogido el porcentaje de cemento que proporcione una resistencia un 20% superior a la mínima especificada (3,0 MPa).

4.3.3.4 Sensibilidad de la dosificación Una vez fijado el contenido de cemento, se debe analizar la sensibilidad de la resistencia del material frente a pequeñas variaciones en los siguientes parámetros: La densidad de compactación: Con la dosificación elegida se varía la energía de compactación para obtener probetas compactadas entre el 95% y el 100% de la densidad máxima PM. Posteriormente, se halla su resistencia a rotura y se representa en un gráfico la variación de la resistencia con respecto a la densidad (Fig. 4.6).

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4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 95

96

97

98

99

100

Densidad (en % de la máxima Proctor) Figura 4.6 Variación de la resistencia a compresión con la densidad de compactación para un suelocemento (5,7% de cemento y humedad óptima PM). Se comprueba que con la densidad mínima de obra se alcanza la resistencia mínima especificada.

La humedad de compactación: Se varía la humedad de compactación con respecto a la óptima PM (-1%,+0,5%), fundamentalmente por exceso, ya que las mayores caídas de resistencias se producen en la rama húmeda (Fig. 4.7).


3,5 3 Resistencia mínima

2,5 2

Hum. óptima PM 1,5 7,5

8

8,5

9

9,5

10

10,5

Humedad (%)

Figura 4.7 Variación de la resistencia a compresión con la humedad de compactación para un suelocemento (5,7% de cemento y densidad PM). Se comprueba que con ligeras variaciones de la humedad (-1%,+0,5%) se sigue superando la resistencia mínima especificada.

4.3.4 Determinación del plazo de trabajabilidad El plazo de trabajabilidad de un material tratado con cemento se define como el tiempo transcurrido a partir de la finalización del proceso de mezclado del material, con las temperaturas que van a prevalecer en obra, durante el cual el fraguado producido es muy escaso, de tal manera que es posible efectuar la compactación del material sin merma apreciable de sus propiedades mecánicas finales.

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Densidad (en % de la máxima Próctor)

El método más sencillo para su determinación es el ensayo de compactación diferida (UNE 41240). Básicamente, consiste en confeccionar varias probetas con la dosificación elegida, según alguno de los procedimientos de compactación referidos (Proctor Modificado, según la norma UNE 103501, o martillo vibrante, según la norma NLT-311), y determinar sus densidades a edades crecientes a partir del momento de la mezcla de los componentes. Se considera que el plazo de trabajabilidad viene dado por el tiempo transcurrido desde la mezcla de los componentes hasta que se produce una caída de dos puntos porcentuales (2%) con relación a la densidad máxima obtenida tras fabricar el material. El ensayo se puede hacer a varias temperaturas y se debe indicar siempre, junto con el resultado de plazo de trabajabilidad, la temperatura de conservación de los componentes, previamente al ensayo, y la de realización del ensayo (Fig. 4.8). Plazo de trabajabilidad = 190 min

104 102 100 98 96 94 92 90 0

50

100

150

200

250

300

Tiempo (minutos) Figura 4.8 Determinación del plazo de trabajabilidad de una mezcla con cemento mediante el ensayo de compactación diferida a una temperatura de 30 ºC.

Es importante preparar la muestra en laboratorio especificando una temperatura de conservación de la mezcla igual a la temperatura media del aire en las horas más calurosas del día, normalmente entre las 12 y las 15 horas, estimada para el emplazamiento de la obra en la época de la construcción.

Existe otro procedimiento de ensayo basado en la medición del tiempo de paso de ultrasonidos a través de una probeta recién compactada. A medida que se van desarrollando las reacciones de hidratación del conglomerante y el material va endureciendo, disminuye dicho tiempo de paso. Se considera que se ha alcanzado el final del plazo de trabajabilidad cuando el tiempo de paso disminuye en un 60% con respecto al inicial. Los plazos de trabajabilidad indicados en la Tabla 4.7 se consideran recomendables para una correcta compactación y densificación del material. Estas recomendaciones se refieren a aquellas situaciones en las que las operaciones de transporte no superen la media hora; en caso contrario se añadirá el exceso sobre este tiempo. En general, para obtener estos plazos se hace imprescindible la utilización de retardadores de fraguado.

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Tabla 4.7

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Plazos de trabajabilidad recomendados para una correcta puesta en obra de materiales tratados con cemento (tiempo máximo de transporte: 30 min.).

TIPO DE OBRA Sin tráfico a ancho completo sin refino Sin tráfico a ancho completo con refino Sin tráfico por semianchos sin junta Refuerzos bajo tráfico

PLAZO MÍNIMO (min.) 180 240 240 300

El plazo de trabajabilidad a alcanzar depende del tipo de obra pero, en general, se debe dosificar la mezcla para que sea siempre superior a 2 horas, ya que se considera que es el tiempo mínimo necesario para la puesta en obra. Además, se debe comprobar que se cumplen estos valores incluso con el contenido de humedad óptima menos la tolerancia (Hopt-1%). Es recomendable, no obstante disponer de tiempos de trabajabilidad superiores al mínimo absoluto.

4.3.5 Ajuste final de la dosificación Finalmente la dosificación se debe ajustar de forma que: Para la densidad de referencia exigida en obra, se cumplan las resistencias mínimas y máximas a rotura prescritas para la mezcla. En otro caso, habría que aumentar o disminuir el contenido de cemento. Para pequeñas variaciones en el contenido de humedad (-1%; +0,5%), la resistencia del material se mantenga dentro del rango de valores prescritos y el plazo de trabajabilidad sea superior al mínimo especificado. Una vez ajustados los contenidos finales de agua y de cemento es conveniente llevar a cabo ensayos de resistencia a medio o largo plazo (28 ó 90 días) para comprobar que no se produce una evolución anómala de resistencias. Esto resulta imprescindible cuando se utilicen retardadores de fraguado, ya que pueden afectar a la evolución de la resistencias del material a largo plazo.

4.3.6 Fórmula de trabajo Una vez realizados en laboratorio los ensayos anteriores se define la fórmula de trabajo, la cual debe incluir los siguientes aspectos: En su caso, proporción en seco de cada fracción de árido en la alimentación. Granulometría de los áridos combinados, por los tamices establecidos en la definición del huso granulométrico en el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares. Contenido de cemento en peso respecto de los áridos secos. Contenido de retardador de fraguado (en su caso). La densidad máxima y la humedad óptima alcanzada en el ensayo Proctor Modificado. La densidad mínima a alcanzar en la compactación. El plazo de trabajabilidad para distintas temperaturas.

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Es deseable, por otro lado, que el encargado técnico de la central de fabricación reciba el estudio de laboratorio o, al menos, la siguiente información: Origen de los materiales ensayados. Características de los materiales. Curvas de la dosificación en laboratorio (Proctor Modificado y resistencias a compresión). Los cambios que se pretendan hacer sobre la fórmula de trabajo deberían ser supervisados o aprobados por el mismo laboratorio que realizó la dosificación.

4.3.7 Ajuste de la fórmula de trabajo en la central de fabricación La central de fabricación se debe calibrar para obtener las granulometrías y dosificaciones señaladas por la fórmula de trabajo. Una vez calibrada la planta se debe comprobar que el material fabricado con la misma permite obtener la resistencia especificada y, en su caso, realizar los ajustes necesarios. Una vez llevado a cabo el estudio en planta se fijan tanto la humedad de fabricación como la de compactación. Aunque pueda pensarse que si se consigue replicar la fórmula de laboratorio las densidades y las resistencias de la mezcla deberían ser iguales, en la práctica se pueden dar diferencias por distintas causas: Diferentes capacidades de amasado entre los equipos de mezclado en laboratorio y en central. Degradaciones del árido (formación de finos) durante el proceso de fabricación. Variaciones importantes en la granulometría de los áridos (mayor contenido de gruesos) respecto a la utilizada en laboratorio. Distintos tiempos para la absorción de agua por los áridos. Esta verificación se debe considerar como la segunda fase del proceso de dosificación. Si una vez ajustadas las granulometrías se producen variaciones importantes en las resistencias en laboratorio frente a las de la central se deben corregir variando las proporciones de cemento, o las relativas de áridos grueso y fino.

4.4

DOSIFICACIÓN BASADA EN LA DURABILIDAD Algunos países (fundamentalmente EE.UU.) con inviernos muy fríos recurren a criterios de durabilidad para la dosificación de materiales tratados con cemento en lugar de utilizar criterios de resistencia mecánica. Este método se basa en la realización de ensayos de congelación/deshielo y de humedad/sequedad (NLT302 y NLT-303) en los que se evalúa la pérdida de peso que experimenta una serie de probetas, previamente saturadas de agua, con una edad inicial de 7 días, tras haber sido sometidas a alguno de dichos ensayos y ser cepilladas al final del mismo.

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En España se utilizaron estos procedimientos en las primeras obras con suelocemento pero se abandonaron por varias razones: Se han obtenido mezclas de adecuada durabilidad con las especificaciones sobre resistencias del suelocemento establecidas en la normativa (resistencia a compresión a 7 días no inferior a 2,5 MPa para subbases). Tanto el ensayo de humedad – sequedad como el de congelación – deshielo fueron concebidos para condiciones climáticas muy distintas a las usuales en España. Se requiere cerca de un mes para su realización. Los contenidos de cemento obtenidos mediante estos métodos se consideran excesivos para las condiciones españolas. En consecuencia, hoy en día estos ensayos no se emplean en España.

4.5

OTROS ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN MECÁNICA

4.5.1 Índice de capacidad de soporte inmediato En caso de que vaya a circular tráfico, incluso el de obra, inmediatamente finalizada la compactación, la mezcla debe poseer una adecuada estabilidad para que no se produzcan deformaciones importantes que puedan perjudicar su comportamiento posterior. Dicha estabilidad, que depende fundamentalmente de su esqueleto mineral, se evalúa mediante el denominado índice de capacidad de soporte inmediata IPI, que se determina sometiendo una probeta, recién compactada, a un ensayo de penetración con la prensa CBR (norma UNE 103502), sin inmersión en agua y sin ninguna sobrecarga anular. El índice CBR obtenido en estas condiciones es el índice de capacidad de soporte inmediata, el cual debe ser igual o mayor que 65. Este valor no es difícil de alcanzar cuando la mezcla contiene un porcentaje importante de elementos de machaqueo, por lo que su aplicación se reduce casi exclusivamente a los sueloscemento, sobre todo si se realizan con arenas de baja capacidad de soporte.

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Foto 4.3

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Detalle de la realización ensayo CBR.

4.5.2 Resistencia a tracción indirecta Otro ensayo de frecuente utilización para evaluar la resistencia a rotura del material es el ensayo de tracción indirecta, también conocido como ensayo brasileño (UNE 83306), ya que se puede realizar en prensas habitualmente presentes en los laboratorios al ser el valor de la carga total a aplicar relativamente reducido. Este ensayo tiene el interés de que caracteriza la resistencia a tracción∗ del material (Fig. 4.9), que está relacionada más directamente con la resistencia a flexotracción que la de compresión, aunque existe menos experiencia en su aplicación. Es usual realizarlo a los 28 ó 90 días, ya que proporciona resistencias bajas o dispersas a edades tempranas. Las resistencias usuales a 28 ó 90 días, dependiendo del tipo de cemento, son del orden de 0,7 MPa para la gravacemento y más de 2,8 MPa para el hormigón compactado.

Figura 4.9 Ensayo de compresión diametral durante la carga y en rotura.

∗

La tensión horizontal de tracción en el diámetro vertical de la probeta es prácticamente constante en todos los puntos del mismo y tiene un valor 2Pπ/hd, expresión en la que: P=carga aplicada; h=altura de la probeta; d=diámetro de la probeta.

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En algunos países se determina la resistencia a tracción directa utilizando unas probetas cilíndricas especiales con los extremos ensanchados. Sobre estos ensayos no se cuenta con experiencia en España.

4.5.3 Módulo de elasticidad La caracterización en laboratorio del módulo de elasticidad de estos materiales, pese a no ser habitual, puede resultar de interés en alguna ocasión, como por ejemplo para el dimensionamiento analítico del firme. Los ensayos pueden ser estáticos o dinámicos, aunque los resultados con ambos son distintos, siendo lo más adecuado reproducir en el laboratorio el efecto dinámico de las cargas. La medida de módulos se puede hacer en compresión (NLT-349), tracción directa o indirecta y flexión.

Foto 4.4

Detalle de la realización del ensayo de módulo dinámico.

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5

Capítulo

MAQUINARIA PARA LA FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA En este capítulo se describen los diferentes sistemas de fabricación de los materiales tratados con cemento. Asimismo, se hace un repaso de la maquinaria utilizada para la puesta en obra del material: equipos de transporte, extensión, compactación, prefisuración y curado.

5.1

INTRODUCCIÓN Para la ejecución de un material de calidad hay que contar con la maquinaria y equipos adecuados a las necesidades de cada obra, correctamente calibrados y cuyo funcionamiento se debe revisar periódicamente.

5.2

CENTRALES DE FABRICACIÓN En el proceso de fabricación se debe conseguir mezclar íntimamente, y en las proporciones fijadas, los áridos o suelos con el cemento y el agua, y en su caso con el retardador de fraguado correspondiente. El proceso debe garantizar, además, una homogeneidad suficiente a lo largo de la obra. Con una dosificación y una fabricación correctos se aprovechan las mejores cualidades de los materiales, y al contrario, cualquier deficiencia en estos procesos, puede provocar que partiendo de buenos materiales se obtenga una mezcla de poca calidad. Aunque en algunos países se tiene una experiencia importante en el mezclado de los componentes in situ, por el momento en las obras españolas éste se ha realizado en central en casi todos los casos. Por ello, serán este tipo de instalaciones las que se describirán con detalle en este capítulo. Existen centrales con formas y distribuciones diferentes, pero todas están compuestas al menos de los siguientes equipos o procesos: Almacenamiento de las materias primas.

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M A Q U I N A R I A P A R A P U E S T A E N O B R A

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F A B R I C A C I Ó N

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Instalaciones de alimentación y dosificación. Equipo de amasado. Sistemas de control de la dosificación.

Foto 5.1

Vista general de una planta de fabricación de materiales tratados con cemento.

5.2.1 Clasificación de las centrales de fabricación Las centrales se pueden clasificar en función de su equipo de amasado o de su movilidad, dando lugar a los diferentes tipos mostrados en la Tabla 5.1. Tabla 5.1 Clasificación de las centrales de fabricación. PARÁMETRO Equipo de amasado

DENOMINACIÓN Continuas Discontinuas Móviles

Movilidad

Fijas

CARACTERÍSTICAS Mejor relación rendimiento/coste. Dosificación más precisa y mayor homogeneidad. Bajo coste de instalación. Alto coste de instalación. Adecuadas para grandes volúmenes de producción.

5.2.1.1 Centrales continuas Son aquellas centrales en las que la amasadora no se vacía durante el proceso de fabricación. La amasadora, por tanto, recibe un caudal continuo de los materiales que integran el producto final (Fig. 5.1). Muchas de las centrales de este tipo disponibles todavía en el mercado utilizan sistemas de dosificación volumétrica de los áridos, más imprecisos que los ponderales. El reducido coste que supone adaptar los sistemas de dosificación de las plantas continuas para que éstos sean ponderales, no justifica hoy en día seguir empleando los sistemas volumétricos.

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1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.-

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Tolvas para arenas y áridos con cintas pesadoras para cada tamaño de árido y/o arena. Cinta común para la recepción en continuo de los áridos previamente pesados en capas tipo sandwich. Cinta de aproximación para transportar los áridos a la mezcladora. Silo de cemento con válvula plana corredera. Sinfín para transportar el cemento del silo a la tolva de medición. Tolva de medición con una válvula con puerta rotatoria para controlar el flujo de bajada de cemento al sinfín que controla la cantidad de cemento que entra en la mezcladora. Sinfín con sistema continuo de medida. Sistema de medida del agua con medición del flujo mediante la medición del flujo superpuesto a válvula solenoidal y válvula de control. Mezcladora en continuo. Cinta transportadora de descarga de la mezcla para transporte a obra.

Figura 5.1 Esquema de una planta continua de obra.

5.2.1.2 Centrales discontinuas En este tipo de centrales, tras la dosificación de los componentes en las proporciones definidas se procede al mezclado de los mismos. El ciclo de producción se completa con la descarga del material amasado sobre el elemento de transporte. Una vez vacía la amasadora se inicia un nuevo ciclo. Estas centrales son más precisas en la dosificación que las continuas, ya que siempre disponen de sistemas de dosificación ponderal de los áridos y del cemento, y logran una mayor homogeneidad de la mezcla. 5.2.1.3 Centrales móviles Se trata de plantas de fácil montaje y transporte, que disponen de ruedas para el desplazamiento de los elementos en que se subdividen. Pueden ser tanto continuas como discontinuas. 5.2.1.4 Centrales fijas Son plantas que requieren un costoso montaje y por tanto se instalan en áreas de gran consumo o en obras civiles de gran magnitud. En España son generalmente de tipo discontinuo con rendimientos superiores a 100 m3/h y se emplean sobre todo para la fabricación de hormigones.

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5.2.2 Selección de las características de la central 5.2.2.1 Obras de volumen importante En obras de volumen importante en las que se requieren grandes rendimientos se suele recurrir a centrales continuas, por su mejor relación rendimiento/coste respecto a las discontinuas, aunque conviene estudiar siempre la posibilidad de utilizar centrales de este último tipo por su mayor precisión en la dosificación de los componentes y en el amasado. Los rendimientos de las centrales continuas varían desde 75 m3/h hasta 300 m3/h, con posibilidad de alcanzar en algunos casos producciones superiores a 500 m3/h. Para asegurar una homogeneidad adecuada del material fabricado, una central continua debería disponer al menos de los siguientes sistemas: Tres tolvas de árido, o preferiblemente 4 (2 para arena y una para cada tamaño de árido grueso) para que el volumen de las distintas fracciones esté compensado. Dosificación ponderal del suelo o áridos a la salida de cada una de las tolvas, con cinta principal de transporte o alimentación sobre la que se vierten los áridos por capas. Al menos dos silos de cemento, con sistemas que impidan la formación de bóvedas y provistos de los filtros apropiados. Equipos ponderales de dosificación del cemento. •

Dosificación del cemento directamente a la amasadora mediante una tolva de recepción. Equipos de dosificación del agua de alta precisión. Equipos de dosificación del aditivo de alta precisión. Palpadores de seguridad, que detengan automáticamente la instalación en caso de faltar alguno de los componentes. Automatización de todo el proceso de fabricación con control y registro por medio de ordenador de los parámetros que intervienen en el mismo (pesadas de materiales, tiempos de amasado, energía consumida, etc.). Amasadora de buena calidad con el forro y las paletas en correcto estado, con sistemas regulables que aseguren que el material es amasado el tiempo necesario.

Además de todo ello, es también muy conveniente que cuenten con sistemas automáticos de detección de la humedad de la arena, preferiblemente del tipo microondas, que corrijan la cantidad de agua dosificada en la amasadora. 5.2.2.2 Obras de volumen reducido En obras de volumen reducido en las que no se precisen grandes rendimientos (caminos rurales, pavimentaciones urbanas o industriales, etc.) se suelen utilizar plantas discontinuas. Es frecuente recurrir en estos casos a centrales de hormigón preparado existentes en la zona.

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El tipo y rendimiento de la central de fabricación se deben elegir en función del rendimiento del equipo de extensión y del volumen de la obra. En cualquier caso, se debería exigir que la central estuviera dotada de sistemas de dosificación ponderal, al menos para el cemento y las arenas.

5.2.3 Instalación de la central La decisión de ubicar la central de fabricación cerca de la obra o junto al préstamo o cantera debe tomarse de manera que se optimicen los costes de transporte. La zona donde se sitúe la central debe ser sensiblemente horizontal, con suficiente capacidad de soporte y un buen drenaje. Definido el emplazamiento, en función de la disponibilidad de terrenos y condicionantes medioambientales y administrativos, son necesarias las siguientes actuaciones: Planificación de las zonas dedicadas a cada función: área de acopios, zona de colocación de la planta, excavación del foso de carga en su caso, ubicación de los depósitos de agua y caseta de mando, etc. Distribución de los elementos de la central en el espacio disponible (tolvas de áridos, silos de cemento, amasadora, tolva depósito, etc.), de forma que se reduzcan al máximo las maniobras de los vehículos de transporte, las paradas de espera entre los mismos y los riesgos de colisiones. Construcción de la cimentación necesaria según las características de la central. Realización de las primeras pruebas y tarados en vacío y en carga, para calibrar los dosificadores y asegurar el correcto funcionamiento del conjunto. En la organización de la central deben tomarse las medidas adecuadas para minimizar el riesgo de que se produzcan segregaciones de los materiales.

5.2.4 Almacenamiento de los materiales La organización correcta de los acopios es fundamental para el buen funcionamiento de la central, ya sea continua o discontinua. Los errores en esta fase de la operación se reflejan en un funcionamiento no uniforme de la central y llevan a obtener materiales heterogéneos. 5.2.4.1 Acopio de los áridos La zona de acopios deberá estar debidamente acondicionada con vías de servicio, sistemas de evacuación de aguas y báscula de pesaje. En el momento de iniciar la fabricación, el material deberá estar acopiado en cantidad suficiente para permitir que la central mantenga un trabajo continuo. 5.2.4.2 Acopio del cemento El cemento se acopia en silos, cuyo llenado se realiza de forma neumática desde las cisternas de transporte a través de una tubería flexible. Disponen de un filtro para dejar pasar el aire en las operaciones de llenado o vaciado, y de un cierre de tajadera o mariposa que corta el paso del cemento durante las operaciones de mantenimiento.

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Foto 5.2

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Silos para la fabricación y almacenamiento de cemento.

Los silos se pueden disponer en vertical o en horizontal. La mayor parte de los silos de fabricación existentes son verticales aunque los de almacenaje pueden ser tanto verticales como horizontales. Estos últimos no necesitan cimentación, tienen mayor movilidad y presentan menos atascos. Sin embargo, precisan más espacio y son más difíciles de vaciar. Para que el acopio del cemento sea adecuado se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: El número de silos ha de ser acorde con el rendimiento de la obra, debiéndose disponer al menos de dos de ellos para no detener las tareas de producción. Los silos deben ser perfectamente estancos, a fin de aislar el cemento de la humedad. Se debe impedir la formación de bóvedas de apelmazamiento en el interior de los silos. Para ello, deben estar dotados de boquillas para la inyección de aire a presión, vibradores de pared u otros sistemas sancionados por la práctica. Se debe facilitar el acceso y la inspección de los silos para lo que se dispondrá de escalera y barandilla de protección en la zona superior. Se procurará que los silos dispongan de indicadores de nivel que permitan controlar el volumen total almacenado. Si los silos no disponen de detectores de nivel o de alarmas para el caso de ausencia de flujo, se deben inspeccionar frecuentemente para verificar su correcto funcionamiento. Se debe limitar el período de almacenamiento del cemento según su categoría resistente. Éste no deberá ser superior a 1, 2 o 3 meses, según que su categoría resistente sea 52,5, 42,5 ó 32,5. Si el cemento ha estado almacenado demasiado tiempo se pueden producir caídas de resistencia y aumento del tiempo de fraguado, debiéndose comprobar previamente a su empleo que las características del mismo no se han visto modificadas, mediante la realización de ensayos de fraguado y de obtención de las resistencias mecánicas a 3 y 7 días. Estos cementos se pueden emplear siempre que el retraso en el tiempo de fraguado no perjudique a la obra (no Página - 6 –

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sería aceptable en caso de heladas), y, en caso de que se haya producido un descenso de resistencias, compensando éste con una mayor dosificación. El acopio en fábrica deberá ser capaz de garantizar el suministro regular de cemento. 5.2.4.3 Almacenamiento del agua y los aditivos Las instalaciones para el almacenamiento del agua dependerán fundamentalmente del ritmo de producción1 y de la posibilidad de acceso a una red de abastecimiento. Hay que prever no solamente el consumo de agua para la fabricación del material, sino también el necesario para la limpieza tanto de los camiones de transporte como de la planta, que es también muy importante. Con ritmos importantes de producción suele ser necesario instalar depósitos reguladores que se abastecen de la red local. En obras de carreteras alejadas de zonas urbanas, es necesaria normalmente la construcción de balsas o depósitos. Los aditivos, en caso de que se utilicen, se deben almacenar en depósitos estancos de pequeño volumen, protegidos de posibles heladas y con dispositivos agitadores que impidan decantaciones.

5.2.5 Instalaciones de alimentación y dosificación A continuación se describen, además de los sistemas de dosificación, los necesarios para salvar la distancia entre estos últimos, los puntos de acopio y las tolvas. 5.2.5.1 Almacenamiento y dosificación de áridos El traslado de los áridos desde los acopios a las tolvas de dosificación se realiza en general con una pala cargadora, o bien a través de cintas transportadoras. Las tolvas deben estar provistas de: Dispositivos ajustables de dosificación a su salida. Paredes resistentes y estancas. Bocas de anchura suficiente, para que su alimentación se efectúe correctamente. Rejillas para limitar el tamaño máximo, a fin de evitar que los gruesos puedan romper las cintas o paletas de la amasadora (caso del suelocemento). Palpadores de salida. En ocasiones se emplean tolvas intermedias que regulan la alimentación de los acopios a las tolvas dosificadoras, y que deberán disponer de separadores intermedios que impidan que pase material de una tolva a otra. Los dispositivos de dosificación pueden ser ponderales o volumétricos. Los primeros constan de cintas transportadoras pesadoras, que regulan los sistemas de alimentación del material a las mismas, o bien de tolvas báscula, en las que se vierte la proporción de cada material y tras comprobar su peso correcto se procede a la apertura de las bocas de salida hacia la amasadora o cinta principal.

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Ambos sistemas son elementos que se apoyan en células de carga. La información puede visualizarse mediante indicadores digitales electrónicos situados en el cuadro de control.

Foto 5.3

Detalle de tolvas de dosificación de áridos.

Los sistemas de dosificación volumétricos suelen constar de una pequeña cinta en la salida de cada tolva que vierte a la cinta transportadora principal, encargada de desplazar conjuntamente la proporción adecuada de árido o suelo hasta la amasadora. La dosificación se realiza ajustando la apertura de la tolva y la velocidad de la correspondiente cinta. Además, se deben disponer palpadores de seguridad que detengan automáticamente la alimentación en caso de no salir material por alguna de las tolvas, bien por falta del mismo o bien por una obstrucción. No es aconsejable utilizar sistemas volumétricos en obras de una cierta importancia en las que sea imprescindible obtener materiales relativamente homogeneos. En cualquier caso, si se utilizan se deben calibrar periódicamente. Para conseguir una dosificación ajustada a la fórmula de trabajo y homogénea durante el proceso de fabricación la central debe estar provista de elementos de dosificación ponderal adecuadamente calibrados.

5.2.5.2 Alimentación y dosificación de cemento El transporte del cemento desde el silo de almacenamiento hasta el silo dosificador o tolva báscula se realiza normalmente mediante un tornillo sinfín. Dicho tornillo gira dentro de una carcasa cerrada elevando el material desde la boca de salida del silo hasta el dosificador de cemento. Otras soluciones, como el empleo de un canal fluidificante (inyección de aire) o directamente por gravedad, son menos comunes. Es recomendable que se disponga de: Un manguito flexible entre el tornillo y la tolva dosificadora para corregir pequeños errores de inclinación del tornillo sinfín durante la instalación. Un filtro que permita la entrada y salida de aire (respiradero) para eliminar atascos y posibles pérdidas pulverulentas del material.

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El sistema de dosificación del cemento debe ser siempre ponderal, para asegurar la precisión en la dosificación de estas unidades de obra con contenidos de cemento generalmente bajos. Además, estos sistemas resultan más rentables a medio plazo al ser más precisa la dosificación.

Para dosificar ponderalmente el cemento se pueden utilizar varios sistemas: tolvabáscula situada por encima de la amasadora, cinta pesadora, sinfín pesador, etc. 5.2.5.3 Alimentación y dosificación de agua La elevación del agua se hace mediante electro-bombas, complementadas con las válvulas, filtros y llaves necesarios. La dosificación se puede realizar por peso (báscula), volumen (caudalímetro), tiempo o contadores eléctricos. Generalmente, se dispone de un grupo dosificador automático regulable desde el centro de control, siendo muy aconsejables los sistemas que utilizan básculas para pesar el agua, que si bien reducen el rendimiento proporcionan mayor precisión. Para conseguir las tolerancias de las prescripciones resulta imprescindible que los dosificadores de agua sean automáticos y de alta precisión.

El agua se puede introducir en el mezclador en cualquier momento del ciclo, aunque lo conveniente es hacerlo al inicio del amasado, en las centrales continuas, y tras un primer premezclado en seco, en las discontinuas. Por otra parte, es frecuente que, principalmente en periodos húmedos, las arenas y los suelos presenten contenidos altos de humedad en los acopios, los cuales varían además entre las capas externas aireadas y las más internas. Este problema, de muy poca importancia si los áridos están secos, se agrava después de una lluvia fuerte y prolongada, y se llegan a dar casos en los que el contenido en agua del volumen de arena a dosificar es superior al necesario, por lo que hay que airear el árido y no añadir nada de agua a la amasadora. En cualquier caso, la cantidad de agua a dosificar debe ser tal que, sumada a la humedad de los áridos, proporcione el volumen requerido. Por tanto, se deben utilizar aparatos medidores de la humedad de los áridos. En algunas centrales estos medidores están conectados a un ordenador que regula el sistema dosificador del agua, efectuándose las correcciones automáticamente. Una primera indicación de la humedad de la arena se puede obtener a través de la energía gastada en el amasado, medida con un vatímetro, que a igualdad de otros factores depende de la humedad del material mezclado. Además, se pueden utilizar en las tolvas alguno de los siguientes aparatos: Sonda higrométrica con medición continua de la humedad por microondas. La sonda, cilíndrica o tubular tiene varios puntos de medición (4-8 normalmente), es de alta resistencia a la abrasión y se puede instalar en la tolva, en la trampilla, en la boca de casco o en la cinta dosificadora. Este mismo sistema de microondas se puede emplear en la amasadora.

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Medición manual de la humedad de la arena mediante secado, según la Norma NLT-359. Se trata de un sistema muy lento y a veces poco representativo, por no ser un proceso continuo, pero en muchas obras es la única solución posible. Actualmente, por su rapidez de ejecución, es muy habitual en laboratorios de obra el secado en microondas. En estos casos se introduce la muestra en un recipiente cerrado para evitar la pérdida de las partículas más finas. 5.2.5.4 Dosificación del retardador de fraguado La dosificación se realiza en forma líquida, añadiéndolos al agua de amasado. Se dosifica, en general, mediante depósitos volumétricos, aunque actualmente se dispone de depósitos ponderales con báscula de alta precisión. En las plantas continuas se recomienda utilizar un depósito donde se mezcla el retardador con el agua, para pasar al caudalímetro una vez efectuada esta operación.

5.2.6 Equipos de amasado La amasadora es sin duda el elemento más importante para lograr un material homogéneo y sin segregaciones. Una vez dosificados todos los componentes en las proporciones adecuadas se transportan hasta la amasadora mediante cintas, que deben estar cubiertas para evitar pérdidas de polvo. El amasado de la mezcla se realiza por el giro de las paletas interiores, que voltean y arrastran el material y, en su caso, de la cuba.

Foto 5.4

Detalle de las paletas de la amasadora.

Para que el material resultante de la mezcla tenga la homogeneidad adecuada sin reducir la producción: Las paletas de mezclado se deben encontrar en buen estado, lo cual se debe verificar periódicamente. El tiempo de mezclado se debe fijar mediante ensayos de producción. En el caso de las centrales continuas, dicho tiempo se regula generalmente mediante la abertura de una compuerta a la salida de la amasadora o el cambio de la inclinación de las paletas finales.

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5.2.6.1 Elección del tipo de amasadora Se distinguen varios tipos de amasadoras: En función de la posición del eje: vertical u horizontal En función de la movilidad de la carcasa: fija o móvil. Para la fabricación de suelocemento o gravacemento lo más conveniente, por razones económicas, es el empleo de centrales continuas con amasadoras de eje horizontal, ya que permiten mayores rendimientos al realizar el amasado en un proceso continuo sin paradas y requieren un menor coste de inversión. No hay que olvidar, no obstante, que sus sistemas de dosificación son menos precisos, en general, que los de las plantas discontinuas, por lo que es necesario un mayor control.

5.2.6.2 Descarga del material amasado En las plantas continuas, una vez amasado el material se almacena en una tolva estanca, para que no pierda humedad a la espera de la descarga en el equipo de transporte. En estas tolvas se suelen disponer vibradores de contacto para evitar que el material se adhiera a sus paredes. En los procesos discontinuos, el vertido se suele hacer directamente sin disponer de tolva-almacén de material fabricado.

Foto 5.5 Vista de la descarga de la amasadora a la caja del camión.

La descarga se debe hacer desde la menor altura posible para evitar segregaciones del material al caer sobre la caja del camión volquete. Si esta altura es grande se puede disponer con dicho fin un tubo de goma o manguera de gran diámetro a la salida de la tolva.

5.2.7 Control de operaciones y medidas medioambientales Para el correcto funcionamiento de la planta se deben realizar algunas operaciones periódicas de control: Página - 11 –

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Calibrar el flujo de la cinta suministradora de materiales en seco en centrales continuas, para lo que, una vez detenida, se recoge y pesa el material existente en una longitud definida. Verificar la exactitud de las básculas de dosificación y caudalímetros, así como el correcto funcionamiento de vibradores de pared, compuertas, cintas, etc. Comprobar especialmente las primeras amasadas tras arrancar la planta, ya que se pueden producir problemas de homogeneidad en la mezcla. Limpiar todas las boquillas al final de cada jornada, para evitar que se adhiera material y se reduzca la sección de paso. Limpiar la amasadora y los equipos de dosificación, con agua y/o aire a presión, así como los filtros de los compresores, los respiraderos de las tolvas de cemento, etc., y engrasar todos los motores y los elementos que lo precisen. Es conveniente que las centrales dispongan de sistemas de seguridad que avisen si se producen fallos en el suministro de algún componente. El operario de la cabina de control se encarga del control del pupitre de mando, la comprobación de los datos registrados y la verificación del correcto funcionamiento de todos los equipos y sus componentes. Las principales medidas medioambientales que se toman en la fabricación de estos materiales van encaminadas a evitar pérdidas de material y emisiones de polvo. Las acciones correctoras más usuales son: Proteger con carenados de lona o de chapa la zona de carga de las tolvas de áridos, las cintas transportadoras y la zona de vertido a la mezcladora. Utilizar filtros para el cemento, normalmente de mangas o cartuchos, que permiten la desaireación de los silos saliendo el aire limpio al exterior. En casos de gran sensibilidad medioambiental se pueden adoptar medidas tales como el cierre de las plantas con paneles, o el montaje de las mismas en el interior de naves.

5.3

EQUIPOS PARA LA PUESTA EN OBRA

5.3.1 Transporte El transporte del material desde la central hasta el tajo de extensión se realiza en camiones volquete de caja lisa y estanca provistos de cobertores para evitar desecaciones. Con el fin de no perturbar la regularidad de la alimentación al equipo de extensión, la flota de camiones debe ser homogénea, es decir, formada por vehículos de similar capacidad.

5.3.2 Extensión La extensión del material se puede realizar con alguno de los siguientes equipos: Motoniveladoras Extendedoras Equipos de encofrados deslizantes Página - 12 –

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La elección del equipo se debe basar en el rendimiento deseado y en la necesidad de asegurar la regularidad superficial necesaria y de obtener sin dificultad los espesores prescritos para la capa una vez compactada.

Normalmente, y salvo que se utilicen equipos con sistemas de alta precompactación, las capas se extienden con espesores mayores que los señalados en proyecto (incrementos de alrededor del 20% sin precompactación y del 5 al 10% con precompactación) de manera que una vez compactadas se consiga el espesor deseado. La reducción de espesor debida a la compactación puede ocasionar problemas para obtener la adecuada regularidad superficial que se agravan cuando la humedad de compactación se aleja de la óptima. 5.3.2.1 Motoniveladoras Estos equipos son los más económicos, en cuanto a inversión y mantenimiento, y los de mayor disponibilidad. Proporcionan rendimientos medios de 100 m3/h en superficies amplias. Con ayuda de otra motoniveladora para refino se pueden alcanzar los 150 m3/h.

Foto 5.6

Extensión de una capa tratada con cemento con motoniveladora.

Los principales inconvenientes de las motoniveladoras son: La gran dependencia de la pericia del operador para la obtención de la rasante con la regularidad superficial adecuada. La falta de precompactación del material tras su extensión. El menor rendimiento frente a otros equipos de extensión. Para obtener una rasante regular, es recomendable que las motoniveladoras incorporen sistemas de guiado, siendo los más adecuados para su uso en carreteras los de guiado por cable o los sistemas robotizados 3D.

Por ser todavía poco usuales, se describen a continuación algunos de los sistemas más recientes de guiado de motoniveladoras:

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Sistema 3D: La cota es controlada por una estación total robotizada. El grado de inclinación de la cuchilla de la motoniveladora, sobre la que se monta un prisma omnidireccional, se va corrigiendo de forma continua y automática por comparación en cada punto de la traza de los datos XYZ con los teóricos proyectados, calculados mediante ordenador de forma precisa e instantánea, al introducir previamente la geometría de la misma. La información de la posición se transmite vía radio en frecuencias no usuales para evitar interferencias. Este sistema permite alcanzar, con ayuda de otra motoniveladora de refino, rendimientos de hasta 300 m3/h. Por cable (ultrasonidos): La motoniveladora se guía con ayuda de unos sensores de ultrasonidos, similares a los de una extendedora, que detectan un cable colocado previamente en el lateral. El operador introduce en el control del inclinómetro de la máquina los peraltes del perfil transversal en cada sección para que la cuchilla lleve la inclinación deseada. Dado que el ancho de la cuchilla es inferior al de una sección completa, en el resto de las calles se debe apoyar sobre la ya extendida junto al cable, teniendo el operador que controlar los errores que pudieran irse acumulando al palpar sobre la calle anterior.

Foto 5.7

Motoniveladora dotada de sistema de guiado.

Aunque no se disponga de dichos sistemas, la motoniveladora es una solución muy adecuada en vías de baja intensidad de tráfico, en ensanches de reducida dimensión, o en zonas de superficie irregular como cruces de calles, aparcamientos, zonas industriales, etc. Además, permite extender espesores mayores que con los otros equipos, aunque no hay que olvidar que éstos se encuentran limitados por la capacidad para lograr la compactación en el fondo de la capa. 5.3.2.2 Extendedoras Las extendedoras son los equipos más empleados actualmente para la puesta en obra de capas tratadas con cemento. Una de sus principales ventajas es que, además de extender la capa, la someten a una compactación inicial en torno al 80% de la óptima Proctor Modificado en las extendedoras convencionales y del orden del 90% con los equipos dotados de maestras con elevado poder de precompactación. Con ello se obtiene una mejor regularidad superficial, al reducir Página - 14 –

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las irregularidades que se producen como consecuencia de las disminuciones del espesor tras la compactación.

Foto 5.8

Extensión de una capa de material tratado con cemento con extendedora.

Los equipos más recomendable son las extendedoras con gran poder de precompactación, ya que mejoran notablemente la regularidad superficial y disminuyen el número de pasadas de los rodillos. Las extendedoras convencionales son adecuadas cuando no se requiera una gran regularidad superficial de la capa.

La gama de anchos de extensión de estos equipos es muy amplia, desde 2,5 m hasta más de 12 m. Sin embargo, resulta conveniente no sobrepasar una anchura de extensión de 9 m, por el riesgo de que se produzcan segregaciones de gruesos en los bordes de la capa extendida. Para anchuras mayores se puede recurrir al empleo de dos extendedoras en paralelo.

Foto 5.9

Extensión de una capa de material tratado con cemento con ancho de extendido superior a 12 m y detalle del borde de la plancha extensible.

El rendimiento medio de estos equipos se suele encontrar alrededor de 150 m3/h con la limitación de 25 cm de espesor compactado, si bien en las extendedoras de última generación se pueden obtener rendimientos incluso del doble y espesores compactados hasta de 30 cm.

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En los ensanches se pueden utilizar extendedoras de vertido lateral, siempre que el ensanche sea de dimensión regular. En estos casos es también interesante que estén dotadas de maestras de precompactación. 5.3.2.3 Otros equipos de extensión Existen equipos que utilizan el mismo bastidor básico que las pavimentadoras para la construcción de firmes de hormigón vibrado, pero incorporando al mismo un tornillo sinfín repartidor, una o dos planchas vibrantes de extrusión del material y opcionalmente una tolva de alimentación. Se eliminan del equipo la batería de vibradores y la “bailarina” o fratás oscilante longitudinal.

Foto 5.10 Extensión de una capa de material tratado con cemento con pavimentadora.

En caso de utilizar equipos de este tipo que no dispongan de tolva de alimentación, es importante realizar un reparto previo o preextensión del material mediante una tolva abierta en el fondo que deje una capa de altura constante o bien mediante carretones que formen dos cordones homogéneos. El ancho de trabajo de este tipo de maquinaria puede variar desde una franja de 60 cm con los equipos pequeños hasta 8,5 m, llegando su rendimiento hasta valores en torno a los 300 m3/h.

5.3.3 Compactación Entre los equipos de compactación más utilizados se pueden distinguir los siguientes: Rodillos vibratorios lisos Compactadores de neumáticos Compactadores manuales El equipo de compactación debe ser capaz de obtener la densidad mínima señalada dentro del plazo de trabajabilidad definido y con la calidad de acabado necesaria. Para los espesores habituales de estas capas es imprescindible utilizar compactadores vibratorios.

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Compactación de una capa tratada con cemento con rodillo vibratorio y compactador de neumáticos.

Para facilitar la labor del operador y evitar errores es conveniente que los equipos de compactación dispongan de una serie de automatismos adecuados, como pueden ser: Control automático de las aceleraciones máximas. Limitación de las frenadas. Control automático de la velocidad. Control de la cantidad de agua en el riego. Desconexión y conexión automática de la vibración (en los vibratorios). Cambio automático de funciones de rodillos (en los tandem). Control automático de la presión de inflado (en los de neumáticos). Es muy importante que exista, además, algún control o registro del número de pasadas, dada la importancia del trabajo y la monotonía del mismo. 5.3.3.1 Rodillos vibratorios Los más usuales son los formados por dos rodillos metálicos lisos, siendo al menos uno de ellos vibratorio, o bien los mixtos articulados. La vibración se obtiene por el giro de masas excéntricas. En función del peso y de la excentricidad se obtienen distintas amplitudes de vibración. A mayor amplitud, mayor esfuerzo de compactación, y cuanto mayor frecuencia mayor eficacia en los suelos no cohesivos. En general, suele ser necesario trabajar con amplitudes altas, al menos en las primeras pasadas del compactador.

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Compactación con rodillo vibratorio pesado.

Un parámetro fundamental en la eficacia de la compactación es la carga estática por unidad de longitud de generatriz de rodillo, que se debe elegir en función del espesor que se vaya a compactar. Atendiendo al mismo, se pueden distinguir los tipos de rodillos que aparecen en la Tabla 5.2. Cuanto más limpio y exento de finos plásticos se encuentre el material a compactar, más eficaz es la vibración y mayor será el espesor que se pueda compactar dentro del intervalo indicado (siempre que se disponga de un mínimo de finos suficiente). En cualquier caso, el peso estático mínimo del rodillo debe de ser de 10 t, aunque son recomendables los de 12 a 15 t. Tabla 5.2 Tipos de rodillos vibratorios. TIPO DE RODILLO VIBRATORIO Ligeros Medios Pesados Muy pesados

CARGA ESTÁTICA POR UNIDAD DE LONGITUD DE GENERATRIZ (N/cm) 100 – 250 250 – 350 350 – 450 > 450

ESPESOR DE CAPA MÁS ADECUADO (cm) 10 – 15 15 – 20 20 – 30 ≥ 30

5.3.3.2 Compactadores de neumáticos Se trata de equipos de carga estática que se utilizan ocasionalmente para cerrar la superficie del material compactado, ya que la vibración de los rodillos suele descompactar ligeramente los milímetros superiores de la capa. Esta operación también se puede llevar a cabo empleando un rodillo metálico sin vibrar. Los compactadores de neumáticos pueden ser remolcados o autopropulsados, siendo estos últimos los más utilizados por su maniobrabilidad. Se deben emplear equipos con una carga por rueda no inferior a 3 t y una presión de inflado no inferior a 0,7 MPa. El reparto de carga por rueda debe ser uniforme en cualquier clase de terreno, por lo que conviene que la suspensión sea flotante y de tipo isostática. Las huellas de las ruedas traseras y delanteras se deben solapar.

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5.3.3.3 Compactadores manuales Para los lugares de difícil acceso o de geometría irregular puede resultar útil el empleo de pequeños rodillos lisos vibratorios desplazados manualmente, así como en los bordes, para evitar los desmoronamientos que se pueden producir al paso de los rodillos autopropulsados de mayor tamaño, sobre todo en las capas extendidas sin precompactación.

5.3.4 Prefisuración Existen diversos procedimientos, que básicamente consisten en practicar una entalla por medio de una cuchilla metálica en todo el ancho de trabajo o en una parte importante del mismo antes de compactar el material. En ocasiones se introduce algún producto (emulsión, tira de plástico flexible, perfil de plástico rígido, etc.) que impida la adherencia de las caras de la junta. Entre los equipos para realizar juntas en fresco se pueden mencionar los cuatro siguientes: Equipo CRAFT Equipo OLIVIA Equipo de juntas activas Placas y rodillos vibrantes Los tres primeros se utilizan únicamente para realizar juntas transversales. Las placas y rodillos vibrantes se pueden utilizar tanto para juntas transversales como longitudinales, aunque para las primeras no son recomendables en obras importantes. 5.3.4.1 Equipo CRAFT (CReación Automática de Fisuras Transversales) Se trata de un equipo que, al mismo tiempo que realiza la entalla, vierte emulsión en las paredes de la misma. Estas operaciones se llevan a cabo de forma automática mediante un sistema electrónico programable. El equipo consta de tres partes diferenciadas, cada una de las cuales tiene una misión específica: Un elemento de corte, que abre el surco en todo o gran parte del espesor de la capa e inyecta una emulsión. Consta de una doble cuchilla dotada de un vibrador para facilitar la penetración, por cuya parte trasera se realiza la alimentación de la emulsión. Un brazo articulado, que introduce en la capa el elemento de corte y desplaza este último a velocidad constante en todo el ancho de trabajo. A través de un circuito hidráulico se le proporciona la potencia requerida. Un depósito de emulsión, revestido de un aislamiento, que puede ser calentado y regulado para mantener aquélla a temperatura constante. Una bomba realiza el suministro de emulsión al elemento de corte. Actualmente existen dos tipos de equipos con anchos de trabajo de 3,5 m y 5 m, consumos de emulsión de 0,5 t/h y 1 t/h, y capacidad de depósito de 500 l y 1.000 l respectivamente. Dado su alto rendimiento (una junta cada treinta segundos aproximadamente), se pueden integrar en general en cualquier obra sin provocar retrasos.

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Foto 5.13 Vista lateral del equipo CRAFT.

5.3.4.2 Equipo OLIVIA Este equipo crea un surco transversal en la capa y simultáneamente inserta en él una cinta de plástico de forma automatizada. Ésta se suministra en rollos, que se montan en el equipo. La cinta de plástico debe tener un ancho del orden de 1/3 del espesor de la capa, y un espesor de 80 µm. El equipo va montado en el chasis de una carretilla elevadora de carga frontal, y permite la penetración de un elemento de corte en la capa y su desplazamiento a lo largo de una viga móvil. El equipo consta de los siguientes elementos: Una viga fija, unida al vehículo portante Una viga móvil, guiada en su movimiento de traslación con respecto a la viga fija. Una vez alcanzada su posición de trabajo, se apoya mediante dos gatos hidráulicos en la capa que se vaya a prefisurar. El dispositivo de prefisuración propiamente dicho, el cual se desplaza a lo largo de la viga móvil mediante un sistema de motor hidráulico y cadena de transmisión. El elemento de corte consiste esencialmente en una cuchilla estrecha (2 cm), provista en su parte delantera de una ranura para alimentación de la cinta de plástico. Mientras que el elemento de corte avanza en su movimiento en el interior de la capa, la cinta de plástico se desenrolla y se inserta con su parte ancha en posición vertical en el surco que se va formando. La salida de la cinta, en posición vertical, se realiza a través de una segunda ranura en la parte trasera del elemento de corte. Al final de cada pasada la cinta se corta automáticamente. Tanto el desplazamiento de la viga móvil como el del elemento de corte se controlan electrónicamente. Los dos modelos existentes en la actualidad tienen un ancho de trabajo mínimo de 2 m y máximo de 5 m.

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Foto 5.14 Vista lateral del equipo OLIVIA.

5.3.4.3 Equipo de juntas activas El equipo de juntas activas realiza un surco en todo el espesor de la capa e introduce en el mismo un perfil ondulado de plástico rígido. Cada elemento de junta tiene una longitud de 2 m y se sitúa en el eje de cada carril, transversalmente al mismo y en posición vertical. Su altura es del orden de los 2/3 del espesor de la capa y se coloca apoyado en el fondo de la misma, de forma que quede al menos a 5 cm de la superficie, para no perturbar el resto de las operaciones de compactación y refino. Su forma ondulada permite obtener una adecuada transmisión de cargas entre los labios de las juntas incluso en materiales que no poseen un esqueleto granular con elementos gruesos, como es el caso, por ejemplo, de una arenacemento. 5.3.4.4 Placas y rodillos vibrantes Se trata de placas vibrantes con una cuchilla triangular soldada a su cara inferior o bien de rodillos manuales provistos de una cuchilla anular. Las placas vibrantes pueden ser propulsadas manualmente, en cuyo caso disponen de ruedas permitiendo su elevación y facilitando así su traslado entre entalla y entalla, o bien pueden acoplarse a otros equipos que controlen su desplazamiento (rodillo compactador, pala excavadora, etc.). En el primer caso su eficacia es limitada y exigen un gran esfuerzo físico, por lo que en general no son recomendables en obras importantes.

5.3.5 Curado y riego de adherencia Entre los equipos empleados para la extensión del ligante de curado se pueden diferenciar los siguientes: Sistemas manuales, únicamente adecuados para pequeñas superficies u obras de poca entidad. Consisten en una caldera, montada normalmente sobre camión, calentada por un generador de queroseno y dotada de bomba del ligante, realizándose el riego por un operario mediante lanza.

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Sistemas automatizados, consistentes en camión cisterna con barra regadora, normalmente de 2,30 m de longitud más dos laterales abatibles, control de la velocidad y dispositivos automáticos de ajuste de la altura e inclinación de la rampa, de la anchura de riego y de la dotación de ligante. Para la protección del riego de curado se suelen utilizar repartidores de gravilla, dejando la distribución manual para actuaciones muy reducidas, por su bajo rendimiento y alto coste. Se pueden distinguir los siguientes equipos: Distribuidores centrífugos de arena. Repartidores adosados a la caja de los camiones portantes. Repartidores remolcados por los camiones. Repartidores autopropulsados.

Foto 5.15

5.4

Extensión del riego de curado con lanza manual y distribución de gravilla para su protección.

FABRICACIÓN IN SITU En general, todos estos materiales se deben fabricar en central, donde se logra una dosificación precisa y una buena homogeneidad. Sin embargo, para la fabricación de suelocemento, en ocasiones puede ser aceptable la mezcla in situ, en especial cuando los suelos tiene una cierta plasticidad, dificultando su manejo y amasado en central. Las operaciones que hay que realizar, sus objetivos, y los equipos utilizables para las mismas se muestran en la Tabla 5.3 y se analizan en los siguientes apartados.

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Tabla 5.3

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Equipos recomendados para la fabricación in situ de suelocemento.

OPERACIONES Aporte, extensión y refino inicial de suelo Humectación (1) Distribución del conglomerante Disgregación Mezclado Planchado previo Ejecución de juntas Compactación inicial Refino posterior

OBJETIVOS

EQUIPOS USUALES

Mejora de las características del suelo existente in situ.

Distribuidor. Extendedora. Motoniveladora.

Obtención de la humedad óptima.

Camión cisterna acoplado a recicladoraestabilizadora. Distribuidor de lechada.

Aporte de conglomerante en la dotación requerida, de acuerdo con la fórmula de trabajo y el espesor a tratar. Disgregar el suelo existente. Mezcla homogénea del suelo disgregado con el conglomerante y el agua. Asentar el material para que soporte una compactación más enérgica sin grandes deformaciones. Control de la fisuración transversal y longitudinal (véase Capítulo 8). Obtención de una densidad del orden del 90 - 92% de la máxima Proctor Modificado. Eliminación de material sobrante para obtención de cota definitiva. Mejora de la regularidad superficial.

Distribuidor de conglomerante (en polvo o lechada). Estabilizadora. Estabilizadora. Rodillo liso en modo estático (vibradores parados). Equipos mecanizados (CRAFT) para las juntas transversales Placa vibrante con cuchilla para las juntas longitudinales. Rodillo liso en modo estático. Motoniveladora.

Rodillo liso vibrante + rodillo de neumáticos (o rodillo liso en modo estático). Curado del suelocemento. Camión regador de emulsión. Riego de curado Extendedora de gravilla (3) + rodillo de y protección(2) Protección del riego de curado. neumáticos. (1) Si el suelo existente tiene una humedad excesiva, se deberá proceder en primer lugar a la disgregación y oreo del mismo. (2) En épocas calurosas o en condiciones que favorezcan la desecación (viento, etc. ) se deberá disponer de un equipo de pulverización de agua para mantener la humedad de la superficie antes de la extensión del riego de curado. (3) Obligatorio si circula tráfico de obra y recomendable en todo caso. Compactación final

Obtención de la densidad requerida.

5.4.1 Distribuidores de conglomerante Los equipos distribuidores de conglomerante pueden dosificar este último en polvo o en forma de lechada. La distribución manual solamente es admisible en superficies irregulares de pequeña dimensión. En general, y pese a que su rendimiento es ligeramente inferior al de los distribuidores de conglomerante en polvo, es recomendable utilizar los distribuidores en forma de lechada (salvo en suelos con excesiva humedad) ya que se evitan pérdidas de conglomerante por el viento, se trata de una solución más respetuosa con el medio ambiente, y proporciona una dosificación más exacta.

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5.4.1.1 Dosificadores en forma de polvo Los dosificadores en polvo suelen ser camiones-silo o tanques remolcados con tolvas acopladas en la parte posterior con compuerta regulable y tornillo distribuidor, en ocasiones ligado a la velocidad de avance del vehículo tractor. Deben ir protegidos con faldones para limitar la emisión de polvo. Los dispositivos de dosificación suelen ser de tipo volumétrico ajustados a la velocidad del equipo. Actualmente se dispone de dosificadores que, aunque son también volumétricos, llevan acoplados unos dispositivos adicionales de ajuste ponderal. 5.4.1.2 Dosificadores en forma de lechada Están constituidos fundamentalmente por un silo de cemento, un depósito de agua, un mezclador de suspensión, una bomba que impulsa la suspensión hasta el rotor de fresado y dispositivos electrónicos capaces de dosificar ponderalmente la lechada. La aportación de lechada no es admisible si la humedad del suelo está próxima a la de compactación, salvo que se rebaje la misma oreando el material.

5.4.2 Estabilizadoras Estos equipos disponen en su parte central un rotor para disgregar el suelo y realizar el mezclado del mismo con el agua y el cemento. Dicho rotor se encuentra alojado dentro de una carcasa protectora. El producto resultante sale por una compuerta regulable situada en la parte trasera del equipo. El rotor de fresado puede llevar picas o paletas, bien rectas o bien en forma de L, montadas siguiendo una disposición helicoidal. La carcasa dispone de una barra regadora con una serie de toberas para la inyección del agua o de la lechada de cemento.

Foto 5.16

Recicladora para la estabilización de suelos in situ y camión dosificador de conglomerante.

En caso de suelos cohesivos son más apropiadas las paletas que las picas, ya que el mezclado es más enérgico. Suele ser necesario reponer una proporción importante de los elementos de mezclado a lo largo de la jornada de trabajo ya que son elementos sometidos a un gran desgaste. Página - 24 –

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Los anchos de trabajo oscilan entre 2 y 3,8 m, siendo lo normal 2,4 m. Las profundidades de trabajo, si bien pueden llegar en algunos casos hasta los 50 cm, no suelen superar los 35 cm, para poder compactar el material adecuadamente.

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Capítulo

EJECUCIÓN DE LAS OBRAS En este capítulo se describe el proceso completo de ejecución de las capas de materiales granulares tratados con cemento: las actuaciones previas y acopio de materias primas, la fabricación, transporte y extensión, la compactación y el acabado, la realización de juntas y la extensión de riegos auxiliares. Además, se comentan algunos de los problemas que pueden aparecer ocasionalmente durante la ejecución de las obras.

6.1

INTRODUCCIÓN Al igual que con el resto de unidades de obra para firmes, la ejecución de las capas de materiales tratados con cemento requiere una eficaz organización y control de las diferentes operaciones que conlleva. Además, el personal encargado de la ejecución de las obras debe contar con suficiente experiencia. Resulta fundamental realizar cuidadosamente todas las operaciones descritas en este capítulo, pero en especial hay que procurar evitar las segregaciones, conseguir un material homogéneo a lo largo de la obra y , sobre todo, que el espesor de capa y la densidad sean los especificados, ya que estos dos últimos parámetros tienen gran influencia en la vida útil de los firmes. En la obtención de la densidad es muy importante que la trabajabilidad del material y el proceso de compactación sean los adecuados para las características de la obra.

6.2

PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE DE APOYO Antes de iniciar la ejecución de la capa hay que comprobar que el apoyo sobre el que se vaya a colocar tiene la densidad y regularidad adecuadas, corrigiéndose en caso contrario. En épocas calurosas, si la capa inferior es granular, conviene además humedecer su superficie regando con agua, sin llegar a encharcarla, con el fin de que no absorba humedad del material tratado con cemento.

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APROVISIONAMIENTO DE MATERIALES GRANULARES El aprovisionamiento de áridos o suelos se debe realizar con tiempo suficiente antes de comenzar la obra para que al iniciar la fabricación de la mezcla haya un acopio que permita un trabajo continuo de la central. Lo más recomendable es tener acopiado como mínimo el volumen de material que se vaya a consumir en una semana de trabajo. Es muy importante, además, que el material empleado para el estudio de la fórmula de trabajo sea representativo del que se vaya a utilizar en la obra, y que se disponga de una cantidad suficiente para realizar el mismo. Por otro lado, conviene buscar préstamos de los que se obtengan materiales con la mayor homogeneidad posible. En el caso particular de los suelos, se debe intentar reducir la variabilidad tanto en el contenido de finos como en la plasticidad, puesto que en caso de ser excesiva genera muchos problemas. Para conseguir unos buenos acopios de material granular, conviene tener presentes las siguientes recomendaciones: Evitar las contaminaciones con polvo, barro u otros materiales. Lo más recomendable es que el material granular se disponga sobre una superficie pavimentada. Si esto no fuera posible, se ha de procurar que las palas cargadoras accedan con los neumáticos limpios y que no carguen de los 30 cm inferiores. Evitar las segregaciones, sobre todo en el caso de suelos o materiales todo-uno. Lo más recomendable es acopiar los materiales en tongadas horizontales de medio metro de espesor, aproximadamente, para que al cargar con la pala en sentido vertical se obtenga material de varias tongadas y lograr así una mayor homogeneidad del mismo. Separar adecuadamente los áridos o suelos en caso de emplear diferentes tipos de material o diferentes fracciones granulométricas, bien mediante la disposición de muros separadores, o bien previendo espacio suficiente para evitar que se mezclen las partes bajas.

Foto 5.1

Acopios de áridos por fracciones granulométricas con disposición de muros separadores.

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FABRICACIÓN DE LA MEZCLA En la fabricación se debe perseguir el mayor rendimiento compatible con la obtención de un producto de calidad, de manera que no se reduzca la productividad del tajo de extensión y, por tanto, del conjunto de la obra. Por tanto, se debe establecer una adecuada correspondencia entre los medios de fabricación, transporte y puesta en obra, de manera que la ejecución se realice de manera continua evitando las paradas. En condiciones normales, el rendimiento de la extensión y, en general, de toda la obra, dependerá del de la central, así como de una correcta coordinación del transporte. Es una buena práctica que la central de fabricación supere la capacidad de extensión con un margen suficiente para que no obstaculice el rendimiento de la obra.

Aunque la fabricación de la mezcla esté automatizada, no se debe restar nunca importancia al proceso, ni responsabilidad al personal encargado de la producción. La puesta a punto de la planta y la preocupación del personal encargado son factores decisivos para conseguir una mezcla óptima y obtener sus mejores cualidades. Por el contrario, si estos aspectos no se cuidan, se obtendrá una mezcla heterogénea, difícilmente compactable y de menor resistencia, incluso con un material de buenas características granulométricas y mecánicas. A este respecto, puede indicarse que algunas obras de mediano o pequeño volumen en las que se han empleado centrales con dosificadores volumétricos o amasadoras deterioradas han mostrado contenidos muy variables de cemento y resistencias muy heterogéneas, a pesar de que el consumo final de cemento haya resultado superior al teóricamente previsto. Además de todo lo expuesto en el capítulo anterior, en la fabricación de la mezcla se debe perseguir la obtención de un producto de calidad y la optimización del rendimiento en la ejecución.

Un producto de calidad requiere no sólo que el material tenga unas características apropiadas para una correcta puesta en obra (proporción adecuada de cada componente, humedad óptima o cercana a la misma, etc.), sino además ser homogéneo. En la obtención de un producto regular y homogéneo intervienen varios factores, pudiéndose destacar dos de ellos: La necesidad de disponer de dosificadores ponderales (no volumétricos). El correcto funcionamiento de la amasadora. Esta última juega un papel fundamental para lograr una buena envuelta y homogeneidad de la mezcla sin reducir la producción. En el caso de centrales continuas, se deben ajustar los dispositivos necesarios para que el material esté el tiempo suficiente en la amasadora.

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Además, se debe cuidar el correcto estado de todos los equipos, así como evitar el vertido desde alturas elevadas o contra paredes lisas inclinadas, ya que puede provocar segregación de los áridos gruesos. En algunas ocasiones, coincidiendo con la época estival y en los períodos de gran actividad constructiva, el cemento puede llegar caliente a la central si hubiera estado poco tiempo en los silos de la fábrica de cemento. Si la temperatura del cemento excediera de 70 ºC se debe controlar la precisión de los sistemas de transporte y dosificación, principalmente si estos últimos son volumétricos (el cemento caliente fluye más fácilmente).

6.5

TRANSPORTE Los medios de transporte deben estar siempre adaptados al ritmo de ejecución de la obra. La elección del número de vehículos se debe hacer teniendo en cuenta los siguientes aspectos: Capacidad de producción de la central. Distancia desde la central hasta el tajo de puesta en obra. Rendimiento del equipo de extensión. Se debe evitar tanto la falta de material para alimentar a la extendedora, ya que genera problemas de regularidad superficial de la capa, como el exceso de vehículos esperando para descargar, por la posible desecación del material y un aumento innecesario de coste, así como un número escaso de vehículos que pueda provocar paradas de la central. Además, en la mayoría de los casos será necesario prever vías de acceso de los vehículos al tajo para evitar que circulen sobre las capas recién extendidas, evitando así posibles deterioros superficiales del material.

Foto 6.1

Exceso de camiones esperando para descargar en la extendedora.

En todo caso, hay que tomar las siguientes precauciones durante las operaciones de transporte: Reducir al máximo posible la altura de caída del material desde la planta de fabricación a la caja del camión, para evitar segregaciones.

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Reducir el tiempo de transporte, eligiendo adecuadamente el lugar de instalación de la planta, para evitar desecaciones y posibles segregaciones del material por el movimiento del camión. Cubrir la caja del camión con lonas, en toda circunstancia, para evitar desecaciones o para que en caso de lluvia fina no se modifique la humedad del material.

6.6

DESCARGA En lo que se refiere a la descarga del material pueden distinguirse dos situaciones en función del equipo utilizado para la extensión. Si se emplea extendedora, la descarga se realiza directamente desde los camiones a la tolva de alimentación de la misma. Cuando la extensión se lleva a cabo con motoniveladora, los camiones descargan directamente sobre el soporte de la capa. En la descarga sobre la tolva de la extendedora hay que asegurarse de que no se produzcan segregaciones de gruesos en los laterales, que posteriormente dan lugar a nidos de grava en los bordes de los tornillos sinfín (márgenes y, en su caso, centro del ancho de extensión). De ser así, hay que actuar directamente sobre el proceso de fabricación, pues normalmente este problema suele estar causado bien por una falta de mezclado y envuelta de los gruesos, bien por una curva granulométrica excesivamente discontinua y de difícil colocación, o bien por segregaciones producidas entre la salida de la amasadora y la llegada al tajo de extensión (descarga sobre la tolva almacén, excesiva altura de caída a la caja del camión o segregación durante el transporte).

Foto 6.2

Descarga del material sobre la tolva de la extendedora.

En la descarga sobre el apoyo se pueden producir igualmente problemas de segregación o de falta de envuelta de los gruesos, sobre todo si la curva granulométrica es discontinua. Si la extensión se realiza con motoniveladora, las operaciones realizadas por un maquinista experimentado pueden mejorar dicha situación. Por el contrario, una extensión incorrecta puede dar lugar a una mayor segregación y a la formación de cordones de árido grueso.

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Descarga sobre el apoyo para la extensión con motoniveladora para la ejecución de un ensanche.

EXTENSIÓN Los equipos más adecuados para la extensión de este tipo de materiales son las extendedoras por las considerables ventajas que ofrecen: mayor precisión en el espesor de extensión, mejor regularidad superficial, menor segregación, mayor compacidad (especialmente si están dotadas de sistemas de elevada precompactación), etc. Las motoniveladoras pueden resultar adecuadas en zonas irregulares o de reducidas dimensiones, así como en ensanches o vías de baja intensidad de tráfico. Las extendedoras deben trabajar a velocidad constante disminuyendo al mínimo imprescindible cualquier interrupción, que además puede afectar negativamente a la regularidad superficial de la capa). Por ello, es necesario compatibilizar su funcionamiento con la producción de la planta y la composición del equipo de transporte. Respecto a los sistemas de ejecución, la extensión de una calzada se puede realizar a ancho completo o bien por semianchos. Por otra parte, si el espesor de proyecto no permite compactar en una única capa, la ejecución ha de llevarse a cabo en dos capas, con el mínimo desfase entre ambas. Con este sistema es posible colocar con garantías capas tratadas con cemento en espesores de hasta 40 cm.

6.7.1 Extensión en una capa La ejecución a ancho completo es el procedimiento más adecuado para obras nuevas o de cierta entidad, ya que: Frente a la extensión por franjas con unión en fresco entre ambas, se evitan los posibles problemas que se podrían producir en caso de sobrepasar el plazo de trabajabilidad del material. Frente a la extensión por franjas con junta en frío, se evita tener que cortar los bordes de las mismas Página - 6 -

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Ejecución con extendedora a ancho completo.

No obstante, este procedimiento necesita un mayor número de equipos compactadores y que tanto la producción de la central de fabricación como el suministro de materiales sean suficientes para que la puesta en obra se pueda realizar sin interrupciones. Obviamente, la ejecución a ancho completo no es de aplicación en las obras de refuerzo en las que se desee dejar un carril abierto a la circulación. En aquellas obras en las que se realicen juntas transversales en fresco es conveniente prefisurar también una junta longitudinal cuando la capa de base se extienda en un ancho superior a 5 m. La junta se debe situar aproximadamente en el centro de la anchura extendida, en una zona que no coincida con las bandas de rodadura del tráfico de la calzada final. En obras de menor entidad se puede utilizar el procedimiento de extensión por franjas o semianchos, bien realizando en fresco la unión entre ambas franjas, o bien con junta en frío, extendiendo la segunda contra la primera ya endurecida. Si la unión entre dos franjas se realiza en fresco hay que tomar las siguientes precauciones: Realizar la extensión y la compactación del material dispuesto en la segunda franja dentro del plazo de trabajabilidad del material de la franja colindante. Si dicho plazo se desconoce, estas operaciones deberían realizarse en menos de una hora, salvo que se utilicen retardadores de fraguado. Evitar las segregaciones en la zona de unión, cuidando el material en los bordes de la franja extendida. Evitar la desecación del borde de la primera franja extendida pulverizando agua previamente a la extensión de la siguiente franja. Compactar conjuntamente las franjas colindantes de ambas capas. Para ello, se debe dejar una zona de unos 30/50 cm sin compactar en la primera franja extendida, la cual se compactará posteriormente con la siguiente. Evitar que la zona de unión de las franjas quede situada bajo la zona de rodada de los vehículos.

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En capas de base en las que se realicen juntas transversales en fresco si el ancho total es superior a 5 m se debe dejar formada, por prefisuración, una junta entre las franjas extendidas. La extensión por franjas se puede realizar también con dos extendedoras trabajando en paralelo desplazadas varios metros. En este caso, la central de fabricación debe ser capaz de fabricar el material necesario para alimentar a ambas extendedoras. Se debe intentar que la distancia de trabajo entre las extendedoras se mantenga aproximadamente constante, evitar los mencionados problemas de segregación en los bordes, y cuidar que las juntas de final de día o de parada se realicen en la misma sección transversal.

Foto 6.5

Extensión por franjas con dos extendedoras trabajando en paralelo.

Otra posibilidad es la extensión por franjas con junta realizada en frío. En este caso, se extiende una primera franja y, una vez endurecida, se trata el borde para realizar una junta en frío (véase Apartado 6.10). A continuación, se extiende la franja adyacente. Este sistema tiene el inconveniente de su menor rendimiento, de que se desperdicia el material que se retira tras el serrado de la junta y de que la transmisión de cargas entre las dos franjas es peor que en el caso de una junta en fresco. Por ello, únicamente se suele utilizar cuando la producción de la central no permite la unión en fresco entre dos bandas, cuando se están construyendo más de dos carriles, en refuerzos cuando se debe trabajar con tráfico, o bien, cuando trabajando con dos extendedoras en paralelo se avería una de ellas. La ejecución con motoniveladora puede resultar muy atractiva por su mayor disponibilidad y economía, pero ya se han mencionado los problemas existentes para obtener la rasante indicada con la precisión exigida (aunque los equipos con ayudas de guiado, como cable, láser, o sistemas 3D, mejoran dicha situación) y la falta de precompactación del material extendido, que puede dificultar la obtención de una regularidad superficial adecuada. Para mejorar esta última se debe recurrir al refino de la superficie, bien con la propia motoniveladora o bien con una refinadora sobre orugas. Para ello, se extienden unos centímetros más de los necesarios para obtener el espesor especificado, y se compactan con varias pasadas de rodillo hasta conseguir un 90 - 92% de la densidad de referencia. Posteriormente, se retiran con la Página - 8 -

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motoniveladora los centímetros sobrantes, y se continúa con la compactación hasta alcanzar la densidad exigida. El material sobrante puede ser reutilizado, por ejemplo en arcenes, siempre que se encuentre aún dentro del plazo de trabajabilidad. Nunca se deben realizar recrecidos de la capa terminada, ya que no se puede garantizar su adherencia a la capa existente y se suelen producir en superficie nidos y cordones de gruesos sin envuelta.

Foto 6.6

Refino con motoniveladora de la superficie extendida.

No es recomendable la utilización de motoniveladoras como equipo de extensión cuando las exigencias de regularidad y espesor de la capa sean importantes, como suele ocurrir en vías principales, salvo que se prevea el empleo de sistemas de guiado de las mismas y la ejecución de un refino.

6.7.2 Extensión en dos capas Cuando los espesores de capa son elevados y no se puede asegurar una adecuada compactación, o las exigencias de regularidad superficial son muy estrictas, es posible extender el material tratado con cemento en dos capas. Empleando extendedoras, se pueden construir en dos capas cuando el espesor de materiales tratados con cemento sea superior a 25 ó 30 cm, mientras que si se utilizan motononiveladoras se debe recurrir a este sistema cuando se sobrepasen los 35 cm. En el caso de que se disponga únicamente de una extendedora y una motoniveladora, se recomienda extender la capa inferior con motoniveladora y la superior con extendedora. El procedimiento consiste en extender dos capas de espesores sensiblemente parecidos, no debiendo utilizarse la capa superior como regularización de la inferior. La primera capa se compacta hasta alcanzar la densidad final y, a continuación, se extiende la segunda tan pronto como sea posible, para asegurar la adherencia con la primera capa. La compactación de la capa superior hasta alcanzar la densidad especificada debe realizarse antes de que transcurra el plazo de trabajabilidad de la inferior.

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Para garantizar una adecuada adherencia entre capas es recomendable que el plazo de trabajabilidad de la mezcla sea dilatado, por lo que normalmente se deberá utilizar un retardador de fraguado. Dada la multiplicidad de operaciones a realizar en esta forma de ejecución, se debe procurar siempre realizar la extensión a ancho completo.

6.7.3 Ensanches Los ensanches se suelen presentar asociados al refuerzo del firme existente en la calzada. Es habitual que esta última tenga una regularidad superficial inadecuada, por lo que en general es necesario extender una capa de mezcla bituminosa de regularización previamente al refuerzo propiamente dicho. En este caso, la ejecución del ensanche, frecuentemente constituido por un material tratado con cemento, se puede realizar siguiendo uno de los siguientes procedimientos: Extender la capa de regularización tras realizar el ensanche, y a continuación, extender la capa de refuerzo. Extender la capa de regularización sobre la calzada antigua antes de realizar el cajeo del ensanche. Posteriormente, se realiza el ensanche de manera que quede enrasado con la capa de regularización. Finalmente, se extiende el refuerzo en toda la calzada. La primera opción es la más recomendable, sobre todo en carreteras con tráficos elevados, ya que se reducen las posibilidades de reflexión de la junta calzada ensanche al disponerse de un mayor espesor de mezcla bituminosa sobre la misma. Además, presenta la ventaja de no tener que recurrir a una planta de mezcla bituminosa al inicio de la obra. La segunda opción debe ser utilizada únicamente en carreteras de baja intensidad de tráfico, ya que existen más posibilidades de que se refleje la junta. Por el contrario, presenta la ventaja de que se reduce el volumen necesario de mezcla bituminosa para la regularización. Al corregirse además los peraltes y la regularidad longitudinal, el material del ensanche se puede extender con la rasante definitiva previa a la capa de refuerzo, sin necesidad de recrecidos de regularización posteriores. Es recomendable cortar verticalmente y retranquear las capas del firme antiguo de manera que no coincidan las distintas juntas longitudinales. Asimismo, es muy importante que las juntas del antiguo pavimento no coincidan con las nuevas rodadas, sino que se sitúen en el centro de los carriles o, de no ser ello posible, muy próximas a la línea de separación de carriles.

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Ejecución de un ensanche con motoniveladora.

PREFISURACIÓN Dada la importancia de esta cuestión, se trata específicamente y con detalle en el Capítulo 8.

6.9

COMPACTACIÓN Y TERMINACIÓN La correcta compactación de cualquier capa de material tratado con cemento tiene una importancia decisiva en la calidad final de todo el firme. Una densidad elevada asegura la obtención de una buena resistencia de la capa, y por tanto una mayor vida útil del firme. Se recomienda que para cualquiera de estos materiales la densidad de la capa no sea inferior al noventa y ocho por ciento (98%) de la densidad máxima Proctor Modificado.

En la Tabla 6.1 se muestran las especificaciones sobre densidad de la capa compactada que recoge el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales del Ministerio de Fomento. Tabla 6.1

Densidades mínimas de compactación para materiales tratados con cemento para capas de firme exigidas en el PG-3 del Ministerio de Fomento.

Material Suelocemento Gravacemento Hormigón compactado

Densidad exigida (% sobre densidad de referencia) Media en todo el espesor. 98 Media en todo el espesor. 98 Media en todo el espesor 97 Fondo de capa. 95

Densidad de referencia Proctor Modificado Proctor Modificado Proctor Modificado

En general, con espesores de capa inferiores a 35 cm, el material se compacta en una sola tongada. Para ello se han de disponer equipos de compactación capaces de conseguir la calidad de acabado y la densidad especificadas, dentro del plazo de trabajabilidad del material. En el Capítulo 5 se han descrito los equipos más usuales, siendo lo más recomendable el empleo de rodillos

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metálicos vibratorios para obtener la densidad en todo el espesor de la capa, y compactadores de neumáticos para terminar y cerrar la superficie o, en su defecto, rodillos metálicos sin vibración. La compactación se suele iniciar mediante una pasada doble de rodillo liso sin vibración a efectos de alisar o planchar la capa sin producir desplazamientos, aunque ello puede no ser necesario si se emplean extendedoras con dispositivos potentes de precompactación. Después, se continúa con varias pasadas vibrando hasta alcanzar la densidad especificada (de 3 a 6 pasadas dobles según el material), y por último se aplica el compactador de neumáticos o el rodillo liso sin vibrar (2 a 4 pasadas dobles) hasta que se observe la superficie bien cerrada y sin marcas del compactador vibrante. Normalmente, es suficiente con un equipo de cada compactador dado el alto rendimiento de los mismos, superior a 700 m2/h para los espesores habituales de capa entre 20 y 25 cm.

Foto 6.8

Tren de compactación de capas tratadas con cemento.

Conviene determinar el número necesario de pasadas de rodillo a la vista de los resultados obtenidos en el tramo de ensayo, pues depende tanto del equipo empleado, como de las características intrínsecas del material. Fijadas las condiciones de empleo de los equipos hay que respetarlas escrupulosamente, dando instrucciones claras y precisas a los conductores de los compactadores, que deberán conocer: El momento en el que deben intervenir (lo más cerca posible de la extendedora). La velocidad de trabajo del compactador. Los parámetros de trabajo (frecuencia y amplitud de la vibración, presión de inflado). El número de pasadas que deben dar. Es muy importante mentalizar adecuadamente a los maquinistas de la importancia de su trabajo, pues la monotonía del mismo puede llevar a reducir el número de pasadas, con la consiguiente falta de compactación de algunas zonas.

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La compactación se debe iniciar longitudinalmente por el borde más bajo de la capa, separándose ligeramente del mismo si no hay contención lateral, y se continúa hacia el borde más alto. Las bandas de compactación de cada pasada se deben solapar y se procurará que tengan longitudes ligeramente distintas. Todas las maniobras de los rodillos se deben realizar sobre el material ya compactado y con suficiente resistencia. En las esquinas o curvas muy cerradas, la compactación se debe realizar en abanicos sin forzar el giro de los compactadores, ya que en el caso de los vibratorios se producen desplazamientos del material por la diferencia de recorrido de cada uno de los extremos del rodillo. En estos lugares de difícil acceso puede resultar útil el empleo de pequeños rodillos lisos vibratorios desplazados manualmente.

Foto 6.9

Vista del procedimiento general de compactación de una capa.

En una sección transversal cualquiera la compactación total debe quedar terminada antes de que transcurra el plazo de trabajabilidad del material contabilizándolo desde que se obtuvo el primer amasijo para esa sección. Si no se ha determinado, salvo que se utilicen retardadores de fraguado, no se deben superar dos horas en condiciones normales, y una hora en épocas calurosas. Durante la compactación se debe efectuar un control continuo de la densidad alcanzada mediante el uso de equipos de respuesta rápida, como las sondas nucleares. De esta forma se pueden detectar anomalías en el proceso y corregir sus causas. Es importante que estos equipos se encuentren en la obra permanentemente hasta que quede perfectamente definido el proceso de compactación. En obras pequeñas se puede disponer del equipo de control a tiempo parcial. En todo momento, y especialmente en tiempo seco y caluroso, o con fuerte viento, la superficie se ha de mantener húmeda mediante riego con agua finamente pulverizada. Para distribuir el agua es aconsejable disponer de un camión cisterna con un equipo agrícola adaptado y boquillas de jardinería en los extremos, y no confiar esta misión al abanico de la cuba. Esta solución es más adecuada que el empleo del agua de los depósitos de los compactadores de neumáticos, ya que ésta humedece de forma más local y a veces hace que se adhiera el material a las ruedas.

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Distribución de agua con barra regadora tras la compactación de la capa.

Una vez terminada la compactación de una tongada no se debe realizar ningún recrecimiento de la misma. No obstante, y siempre dentro del plazo de trabajabilidad de la mezcla, los puntos que rebasen la superficie teórica de replanteo deberán refinarse con motoniveladora, recompactando posteriormente la zona corregida.

6.10 EJECUCIÓN DE JUNTAS DE TRABAJO Además de la prefisuración de juntas longitudinales y transversales de contracción, que se trata específicamente en el Capítulo 8, en la ejecución de las capas tratadas con cemento es necesario realizar juntas de trabajo cuando el proceso constructivo se interrumpa más allá del plazo de trabajabilidad del material. Pueden ser juntas transversales, normalmente de fin de jornada, o longitudinales, cuando la capa se ejecuta por semianchos.

Figura 6.1 Esquema de ejecución de juntas de trabajo.

Las juntas de trabajo transversales se realizan al final de cada jornada, o bien si la obra se debe detener durante un cierto tiempo. Dichas juntas se deben compactar adecuadamente. En ellas hay que dejar una cuña de material, para permitir la salida de los equipos de compactación. Dichas juntas se deben serrar

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transversalmente en todo su espesor para poder eliminarlas posteriormente con la cuchilla de la motoniveladora o cualquier otro dispositivo similar. Hay que cuidar que el borde de la junta quede perfectamente vertical y lo más limpio posible, puesto que los bordes de junta inclinados constituyen puntos débiles y pueden dar lugar a un cabalgamiento de las losas. Las juntas de trabajo longitudinales se suelen realizar en la ejecución por semianchos cuando la extensión de una franja longitudinal difiere del de la colindante un tiempo superior al plazo de trabajabilidad de la primera.

Foto 8.11

Compactación de junta de trabajo transversal.

En determinadas situaciones con bajas temperaturas, y únicamente para el hormigón compactado, puede ser necesario ejecutar juntas de dilatación en curvas muy cerradas, de radio inferior a 50 m o, en zonas urbanas, en cruces de calles. Dichas juntas se deben disponer perpendicularmente al eje de la calzada.

6.11 CURADO La operación de curado se realiza con el fin de evitar la evaporación del agua y permitir el correcto fraguado del material tratado con cemento. Un curado inadecuado hace que la zona superficial de la capa se debilite, con los consiguientes problemas estructurales y de adherencia entre capas. Para curar la capa se riega la superficie con una emulsión bituminosa con una dotación no inferior a 600 g/m2 , lo que aproximadamente equivale a 300 g/m2 de betún residual. Se pueden emplear emulsiones aniónicas (EAR-1) o catiónicas (ECR-1). En pavimentos vistos de hormigón compactado, sin capa superior de mezcla bituminosa, se pueden utilizar también productos filmógenos de curado. El curado mediante la pulverización o difusión constante de agua, o la utilización de plásticos, sólo es aceptable en caminos rurales o en pequeñas superficies. En caso de regar con agua se debe realizar de la forma más homogénea posible, sin llegar a encharcar la superficie. Pese a que lo más conveniente es pulverizar el agua, se suele utilizar una barra regadora.

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La operación de curado se debe realizar inmediatamente después de acabar la compactación y, en todo caso, antes de transcurrir tres horas, manteniendo mientras tanto húmeda la superficie de la capa pero sin que llegue a encharcarse.

La aplicación del riego de curado debe realizarse con camión cisterna regador dotado de rampa de distribución. Conviene comprobar el buen funcionamiento de la cisterna para evitar discontinuidades en la aplicación.

Foto 6.12

Ejecución del riego de curado mediante camión cisterna con barra regadora.

Si tras finalizar la extensión del riego de curado se desea abrir la capa al tráfico, al margen de que el material tratado con cemento presente una adecuada estabilidad inmediata, hay que proteger el riego de curado extendiendo una arena 0-4 mm o una gravilla fina (2/6 mm con dotación de 4-6 l/m2) sin necesidad de aumentar la dotación de emulsión. A continuación, es recomendable apisonar dicha gravilla y esperar a que rompa la emulsión. En cualquier caso, se debe comprobar que el tráfico circulante no deteriora superficialmente la capa terminada.

6.12 ADHERENCIA ENTRE CAPAS BITUMINOSAS Y TRATADAS CON CEMENTO El objetivo fundamental de esta fase de la ejecución es conseguir que ambos tipos de capas trabajen de forma solidaria para lo que se debe conseguir una superficie de contacto sana y limpia y el riego de adherencia se debe realizar de forma adecuada y en la dotación precisa. La falta de adherencia entre cualquiera de ellas se traduce en un importante incremento de las tensiones en el material tratado con cemento y en las capas superiores de mezcla bituminosa, pudiendo provocar el agotamiento prematuro del conjunto del firme.

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Medida de la adherencia entre capas.

La falta de adherencia entre capas es uno de los factores que más influye en el agotamiento prematuro de un firme. Por tanto, es muy importante conseguir la máxima adherencia posible entre las capas del mismo.

Actualmente, se puede obtener de forma relativamente sencilla la adherencia total entre dos capas bituminosas y entre una capa bituminosa y otra tratada con cemento. Por otra parte, se debe intentar que el rozamiento de las capas tratadas con cemento entre sí sea el mayor posible, para lo cual es imprescindible la eliminación del riego de curado mediante un barrido enérgico. Para asegurar la adherencia entre la capa del material tratado con cemento y la mezcla bituminosa superior, es necesario realizar las siguientes tareas: Barrido enérgico de la superficie del material tratado con cemento. Riego con emulsión catiónica termoadherente∗ o de rotura rápida (ECR1) en una dotación no inferior a 300 g/m2 de ligante residual. El objetivo del barrido enérgico es lograr que la superficie del material tratado con cemento esté limpia y sana, sin presencia de polvo o materiales sueltos (áridos, restos de emulsión de curado, etc.) para asegurar que el riego de adherencia una adecuadamente las dos capas entre sí, y que la resistencia superficial del material sea suficiente para soportar los esfuerzos tangenciales transmitidos por la mezcla bituminosa adherida al mismo. El barrido se ha de realizar con una barredora autopropulsada dotada de cepillo de cerdas metálicas y, preferentemente, equipo de aspiración. En materiales del tipo gravacemento, o de resistencia superior, existen experiencias positivas limpiando la superficie del material con agua a presión mediante mangueras. En ocasiones, antes del barrido se ha raspado la superficie de la capa en un espesor de 5 a 10 mm, con la hoja de la motoniveladora, para eliminar zonas con resistencia superficial baja. Para ello es necesario que el

∗

Se trata de emulsiones bituminosas especialmente estudiadas para evitar que se despeguen por el paso del tráfico de obra.

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material haya adquirido una cierta resistencia (normalmente, es suficiente con esperar una semana) y que el equipo sea manejado por un maquinista experto, para evitar que se produzcan levantamientos de áridos. Al igual que en el curado, la aplicación del riego se ha de llevar a cabo con camión cisterna regador dotado de rampa de distribución.

6.13 TRAMO DE PRUEBA Con la ejecución del tramo de prueba se persigue un doble objetivo: por una parte, fijar la forma de actuación de los equipos, y especialmente, el plan de compactación; y por otra comprobar que el material se puede fabricar de acuerdo con la fórmula de trabajo. El tramo se debe realizar, al menos, con una semana de antelación al inicio de la extensión de la capa, y en las mismas condiciones, o lo más parecidas posible, a las que vayan a dar en la obra, especialmente en lo relativo a la capa de apoyo. La longitud más adecuada es de unos 150 m, pero en ningún caso debe ser inferior a 50 m. En la Tabla 6.2 se resumen las comprobaciones que hay que realizar durante esta fase. Tabla 6.2 Comprobaciones que se suelen realizar en el tramo de prueba. FASE DEL PROCESO Fabricación Extensión

Compactación

COMPROBACIONES A REALIZAR Funcionamiento de la planta. Adecuación de los sistemas de transporte. Obtención de rasantes. Nivel de precompactación alcanzada. Velocidad de avance del equipo de extensión. Funcionamiento del sistema de prefisuración. Plan de compactación. Densidad de referencia. Funcionamiento y calibración del equipo nuclear. Resistencia a 7 días (si no se ha comprobado previamente).

El plan de compactación debe fijar la composición y la forma de actuar de los equipos de compactación para que se cumplan las especificaciones sobre densidad y terminación superficial, teniendo en cuenta los equipos disponibles, la producción de la central y el plazo de trabajabilidad del material para las condiciones de la obra. En particular debe definir lo siguiente: El modo de empleo de cada rodillo. La velocidad de avance. La frecuencia y amplitud de la vibración. El número de pasadas. Los recorridos de los rodillos. El orden de intervención de los mismos. El proceso para definir el sistema de compactación sería el siguiente: finalizada la extensión y después de una primera pasada del rodillo liso sin vibrar, se va midiendo, tras cada pasada doble del rodillo vibrando, la densidad en al menos 2 ó 3 puntos. El proceso se detiene cuando se observe una clara estabilización de la densidad obtenida. Conviene comprobar los resultados obtenidos y, si no son los esperados, hay que modificar la amplitud o frecuencia de vibración conforme a la experiencia. En general, los espesores más elevados requieren amplitudes

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más altas y frecuencias más bajas, y viceversa. En el caso de los rodillos vibrantes se debe tener cuidado de no sobrepasar un cierto número crítico de pasadas por encima del cual pueden empezar a producirse descompactaciones del material. Si no ha sido posible alcanzar todavía la densidad requerida, se deberán cambiar los rodillos por otros de características más adecuadas.

Rodillo vibrante

Densidad (% de la máxima PM)

100 95

Rodillo estático 90 85 0

1

2 3 4 5 6 7 Número de pasadas

Figura 6.2 Evolución de la densidad con el número de pasadas dobles del compactador vibratorio o estático.

Es muy importante establecer relaciones entre el número de pasadas y la densidad alcanzada, para cada compactador y para el conjunto de los equipos de compactación.

La densidad del material compactado debe superar el valor mínimo fijado en la fórmula de trabajo de laboratorio o, al menos, el valor de referencia obtenido para el material realmente fabricado en planta, y es ésta la que se debe considerar, con las debidas tolerancias, como densidad de referencia. En el caso de que no se pueda alcanzar una densidad adecuada dentro del plazo de trabajabilidad del material, se deben utilizar equipos de compactación más potentes o modificar la fórmula de trabajo para obtener un material más trabajable. En ocasiones, las características intrínsecas de algunos suelos (por ejemplo, los carentes de finos) impiden alcanzar las densidades especificadas a pesar de disponer de equipos adecuados. En este caso, se deben realizar todas las pruebas posibles con los diferentes parámetros de compactación que se puedan manejar para definir el proceso de trabajo con el que se consigue la máxima densidad del material. Si la mayor densidad obtenida en el material sigue siendo menor que la definida en la fórmula de trabajo (no se debe olvidar que durante el ensayo de compactación el material se encuentra confinado), se debe exigir ésta en toda la obra, y realizar las probetas del ensayo de rotura con esta misma densidad. Ello exigirá, en general, un pequeño aumento de la dosificación de conglomerante para obtener la resistencia especificada.

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Para agilizar la medida de densidades resulta fundamental contar con una sonda nuclear en obra durante todo el tiempo que dure la realización del tramo de ensayo. Se debe aprovechar el tramo de prueba para calibrar los medidores nucleares de densidad y humedad, y contrastar sus resultados con los de otros métodos de medida, tales como el de la arena (UNE 103503). Por último, es conveniente tomar testigos a distintas edades que sirvan de referencia posterior de la resistencia del material realmente puesto en obra.

6.14 LIMITACIONES A LA EJECUCIÓN DERIVADAS DE LAS CONDICIONES CLIMÁTICAS En épocas calurosas hay que evitar que las altas temperaturas produzcan la desecación del material durante el transporte, extensión y posteriores operaciones de ejecución, alterando desfavorablemente las reacciones de hidratación del cemento. La desecación se aprecia fácilmente a simple vista, ya que la mezcla adquiere un color más terroso y un aspecto seco. Algunas de las medidas que se pueden tomar para reducir estos problemas son: Añadir la cantidad de agua de amasado necesaria para contrarrestar la evaporación que previsiblemente se pueda producir durante el transporte y la extensión. Extender el riego de curado lo antes posible y mantener la superficie húmeda pero sin encharcarla hasta su aplicación. Detener el trabajo en las horas más calurosas del día. Emplear cementos con alto contenido en adiciones, que produzcan menor calor de hidratación. Además de todas estas medidas, en épocas calurosas es imprescindible emplear un retardador de fraguado para incrementar el plazo de trabajabilidad del material, que en estos casos se ve muy reducido.

Tampoco es conveniente extender el material en épocas frías en las que exista peligro de helada, ya que la ganancia de resistencias es muy débil o inapreciable cuando la temperatura ambiente desciende por debajo de los 5 ºC. En caso de que la temperatura vaya en aumento, se puede fijar este límite en 2 ºC. Además, no hay que olvidar que el material se está colocando en las condiciones de máxima retracción y al llegar la época de calor, o extender encima la capa de mezcla bituminosa a altas temperaturas, el material puede experimentar unas dilataciones importantes. En estos casos resulta todavía más necesario cortar lo más verticalmente posible las juntas de trabajo, por el peligro de que se produzcan pandeos o cabalgamientos de unas losas sobre otras. En épocas frías se debe prever que puede ser necesario amasar la mezcla con agua caliente, así como emplear cementos con un reducido contenido de adiciones.

Con tiempo lluvioso hay que detener los trabajos, puesto que se incrementa considerablemente el contenido de humedad y se puede, además, lavar la

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superficie. Sin embargo, es aceptable extender el material bajo una ligera llovizna sin tendencia a aumentar. La presencia de viento, incluso con humedad ambiente alta, deseca rápidamente la superficie del material, tanto sobre los vehículos de transporte, como durante la puesta en obra. Para evitarlo, además de proteger la caja del camión con lonas, se debe disponer siempre de los equipos necesarios para poder pulverizar continuamente una fina película de agua hasta que se extienda el riego de curado.

6.15 PROBLEMAS COMUNES DURANTE LA PUESTA EN OBRA Muchos de los problemas que se pueden presentar durante la puesta en obra de los materiales tratados con cemento están relacionados con las variaciones de humedad de la mezcla y con que se intenta compactar una vez superado el plazo de trabajabilidad. Si el material no llega al tajo con la humedad adecuada, bien sea por errores en la fabricación o bien por pérdida de humedad durante el transporte, se generan problemas en la extensión y en la compactación. Además, no hay que olvidar que las modificaciones en la humedad del material que superen el 1% pueden suponer importantes descensos de la densidad y de la resistencia obtenidas. Una de las cuestiones que requieren mayor cuidado es que la mezcla, en el tajo de extensión, tenga una humedad lo más próxima posible a la óptima del ensayo Proctor Modificado, para de esta manera, lograr la mayor densidad del material y, por tanto, una mayor resistencia del mismo y una mayor vida de servicio del firme.

6.15.1 Problemas durante la fabricación Uno de los problemas típicos en todas las instalaciones de almacenamiento de cemento, al igual que con cualquier otro material pulverulento, es la formación de bóvedas por apelmazamiento, sobre todo en las zonas superior y en el cono de salida del silo. Para evitar las mismas se puede recurrir a cualquiera de los siguientes sistemas, o mejor a la combinación de varios: Empleo de vibradores de pared. Inyección de aire comprimido en diversos puntos del silo a través de difusores. Empleo de membranas inflables, adheridas a las paredes, y que se hinchan con aire comprimiendo las posibles bóvedas. El empleo de silos con una amplia base cónica, como los horizontales, o con base asimétrica, reduce también la probabilidad de formación de bóvedas. En cualquier caso, la planta debe estar provista de sistemas automáticos de parada en caso de falta de suministro del cemento. Otro de los aspectos de la fabricación que juega un papel fundamental en las características del producto final es la humedad de la mezcla, ya que va a influir decisivamente en la compactación del material. Los materiales que componen estas mezclas, suelos o áridos (principalmente las arenas), suelen retener cierta cantidad de agua en los acopios, lo cual puede desajustar la dosificación prevista Página - 21 -

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en la fórmula de trabajo. Por consiguiente, el porcentaje de agua añadido en la amasadora se debe reducir en el mismo volumen que aporten los áridos para que el producto llegue al tajo de extendido con la humedad óptima. En el apartado 5.2.5.3 se describen algunos de los sistemas que se pueden utilizar para determinar el porcentaje de agua acumulado en los acopios. Por otro lado, cuando se fabrica suelocemento a partir de suelos plásticos (IP>10) suelen surgir problemas de segregación de los gruesos al verter en la tolva de recepción de la amasadora, y de adherencia del suelo a las paredes de las tolvas, si bien esto último se puede intentar solucionar disponiendo placas de teflón en las mismas. Estos hechos producen un gran desgaste de sus paredes y problemas de alimentación a la amasadora, ya que se forman con gran frecuencia bóvedas que hay que eliminar mediante picado con varilla. En estos casos puede ser interesante la mezcla in situ del suelocemento. Se debe vigilar periódicamente el estado de las paletas de la amasadora y sustituirlas en caso de rotura, ya que se originan problemas por falta de homogeneidad de la mezcla, lo que provoca una merma importante de la calidad del producto. Hay que resaltar también los problemas que suelen surgir en las operaciones de arranque o parada de la planta, principalmente en las básculas de pesaje, de los áridos y el cemento, y en todos los elementos móviles, hasta alcanzar el régimen de funcionamiento apropiado. Por ello, se debe prestar especial atención a la calidad del producto fabricado en las primeras amasadas tras cada parada. Además, se debe realizar un mantenimiento regular de la planta, que evite problemas tales como: Averías de cintas transportadoras: correas trapezoidales destensadas, rodillo en mal estado, reductor averiado, etc. Averías en el sinfín del cemento: atascos, fugas, rotura de los manguitos de unión, etc. Desajuste de las básculas o sistemas de dosificación. Fugas de aire en los sistemas neumáticos. Averías de los sistemas eléctricos. La limpieza de toda la planta en general y particularmente de la amasadora y equipos de dosificación, con agua y/o aire a presión, la limpieza de los filtros (compresores, agua, respiradero de las tolvas de cemento) y el engrase de todos los motores es una tarea fundamental para el mantenimiento y correcto estado de toda la planta. No se debe olvidar nunca, que un mal aprovechamiento de la planta instalada o un bajo rendimiento, repercute en la ejecución de la capa (falta de regularidad superficial) y en el coste de la unidad de obra.

6.15.2 Problemas durante el transporte Durante las operaciones de transporte hay que cuidar que no se produzcan segregaciones de los áridos o pérdida de humedad de la mezcla. Para reducir ésta última, especialmente en épocas calurosas o con presencia de viento, se debe cubrir la caja del camión con lonas. Además, hay que coordinar adecuadamente estas operaciones con el rendimiento de la extendedora para

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evitar tanto una alimentación irregular de la misma como la acumulación de camiones parados en el tajo de extensión.

Foto 6.14

Descarga desde la amasadora al camión en tres montones para evitar que se produzcan segregaciones.

6.15.3 Problemas durante la extensión En la extensión se pueden presentar problemas de segregación de los áridos o formación de nidos de áridos gruesos. Los primeros están producidos generalmente por los sinfines de las extendedoras y se suelen presentar en los bordes o en el centro de la franja extendida. Una posible solución, aparte de ajustar mejor la fórmula de trabajo o resolver problemas del equipo como la falta de topes en el centro del sinfín, es ampliar el ancho teórico de extensión para evitar que los bordes con segregación formen parte del mismo. Para la corrección de pequeñas segregaciones puntuales se puede disponer de personal que retire los gruesos segregados con un rastrillo. Por otro lado, hay que cuidar que el tensado del cable de nivelación del equipo de extensión sea adecuado y que las distancias entre piquetes no sean excesivas.

6.15.4 Problemas durante la compactación Nunca se debe extender aquel material que visualmente se aprecie seco a su llegada al tajo de extensión. Si no se detecta en la recepción pero durante la compactación sí se aprecia que la mezcla está seca, se debe intentar obtener la densidad de referencia aumentando la energía de compactación. Si no se consigue, hay que rechazar el material. Si la desecación es únicamente superficial, se puede humedecer el material pulverizando agua en su superficie, teniendo en cuenta que esto puede suponer una disminución de su resistencia en los centímetros superiores de la capa.

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Extensión de un material excesivamente seco y con algunos problemas de segregaciones.

Si por el contrario el material está excesivamente húmedo, resulta difícil lograr la densidad adecuada ya que ello da lugar a “colchoneos” o desplazamientos del material, que se ondula escapando del rodillo. Además, se producirá una caída de la resistencia del material. En estos casos, la solución más adecuada es eliminar el material, para lo cual es imprescindible disponer permanentemente de una retroexcavadora junto a la extendedora. Otra solución consiste en airear el material un cierto tiempo con el fin de reducir ligeramente su humedad. Sin embargo, este último procedimiento se debe controlar escrupulosamente intentando que se compacte el material lo antes posible, ya que al seguir avanzando el tajo y ante la monotonía del trabajo, es usual que los compactadores no vuelvan a las zonas hasta que están excesivamente secas, quedando entonces estos tramos con una densidad reducida. La aparición de arrollamientos, huellas o marcas superficiales suele ser debida a pequeñas variaciones de la fórmula de trabajo, principalmente de la humedad o de la granulometría, sobre todo en cuanto al contenido de finos. Otro problema que se puede presentar es el de la obtención de una densidad media análoga a la especificada pero con una fuerte dispersión, o bien, una densidad media inferior a la de referencia. El primer caso, es decir, de una fuerte dispersión de las densidades obtenidas, puede deberse a alguna de las siguientes causas: Heterogeneidad en el trabajo de los equipos de compactación. Es recomendable, en este caso, dar nuevas instrucciones a los maquinistas. Variaciones en la granulometría del material, lo cual puede ser originado por un mal funcionamiento de la planta, que debe entonces ser corregida. Heterogeneidad del soporte. Lo más adecuado es adecuar el plan de compactación a las variaciones del mismo. El segundo caso, es decir, de una densidad inferior a la de referencia, se puede deber a alguna de las siguientes causas:

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Superación del tiempo de trabajabilidad del material. En tal caso, hay que emplear un retardador de fraguado, o bien corregir la dotación del mismo. Desajuste de los parámetros del compactador. En este caso, hay que ajustar de nuevo la amplitud, la frecuencia o la presión de las ruedas. Incumplimiento del plan de compactación. En tal caso, hay que efectuar un control más intenso. Modificación de la granulometría incrementándose el porcentaje de gruesos y reduciéndose el de finos. En este caso, hay que corregir la misma o bien cambiar el plan de compactación. Capacidad de soporte de la base inferior a la supuesta o espesores mayores que los especificados. En este caso, hay que incrementar la energía de compactación. Además de cuidar los aspectos mencionados, es fundamental mentalizar a los maquinistas de la importancia de su trabajo, quizás el más monótono y aburrido de toda la obra, dándoles instrucciones claras y simples. Es necesario, sobre todo, controlar la correcta realización y compactación de los tramos próximos a las juntas de trabajo, ya que se realizan a última hora del día, cuando el personal está más cansado y menos mentalizado para la obtención de una calidad adecuada.

6.15.5 Problemas durante el curado Durante la extensión del riego de curado los problemas que se producen más frecuentemente son: El riego de humectación no se hace, se hace tarde o no se repite cuando sea necesario. El riego de curado es escaso o no se cubre adecuadamente la superficie. No se elimina el riego de curado antes de extender el de adherencia. No se cubren los bordes y juntas de trabajo para evitar desecaciones.

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Capítulo

CONTROL DE CALIDAD En este capítulo se describen aquellos aspectos relativos al control de calidad de los materiales tratados con cemento para su utilización en capas de firme. Se analizan los controles que se deben realizar en cada uno de los procesos de construcción de la capa y del producto final. Asimismo, se recomiendan algunos sistemas para el análisis de los resultados de los ensayos de control y se indican las normas de aplicación para los mismos.

7.1

INTRODUCCIÓN El control de calidad está constituido por todas aquellas actividades que permiten comprobar, con un grado de confianza suficientemente elevado, que se cumplen las especificaciones del proyecto. Sirve de apoyo por tanto a la Dirección de Obra, pero también al Contratista que puede así determinar si el procedimiento de ejecución es adecuado y de esta manera disminuir el riesgo de que la capa construida no reúna las características especificadas y sea rechazada. El control de calidad se puede organizar mediante planteamientos muy simples, en los que un único equipo de control cubre las necesidades de la Propiedad y de la Contrata, o mediante otros planteamientos más complejos en los que hay un autocontrol por parte del contratista y un control por parte de la Propiedad. En algunos países se separa totalmente el control del proceso, realizado por el Contratista, del control del producto terminado, realizado por la Propiedad. En este capítulo se exponen los procedimientos de control más usuales para las unidades de obra de materiales tratados con cemento, sin diferenciar entre aquellos propios del control de la Propiedad o de la Contrata, ya que la división entre unos y otros puede variar en función de la organización específica de la obra. Los procedimientos de control incluyen una serie de actividades que se pueden agrupar en inspecciones y ensayos. Las inspecciones se deben dirigir a todo el proceso de manera que se asegure, en la fabricación del material y en la

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ejecución de la capa, que se cumplen las reglas de buena práctica expuestas en los Capítulos 5 y 6. Los ensayos específicos de control tienen la función de comprobar que el material se fabrica según la fórmula de trabajo y que la capa colocada en el firme cumple con las especificaciones del proyecto. Una parte se basa en la toma de muestras del material fabricado y en su ensayo en laboratorio, y otra se realiza directamente en la capa ejecutada. Una parte muy importante del control es la calibración y puesta a punto de todos los equipos de ensayo para evitar que las variaciones en los resultados se puedan deber a fallos o imprecisiones de los mismos.

7.2

ORGANIZACIÓN DEL CONTROL DE CALIDAD La obra debe contar con un plan o esquema de calidad que señale como se organiza el control para conseguir un producto dentro de la calidad exigida. El Plan de Calidad debe definir claramente las siguientes cuestiones: La organización de la obra para garantizar el correcto ordenamiento de las diferentes tareas elementales. La forma de ejecutar los distintos tajos o tareas que tengan incidencia en la calidad de la obra, y en particular, la composición de los diferentes equipos de obra. La organización del proceso de control, que incluirá la definición de los siguientes aspectos: –

Lotes y frecuencias de ensayo o inspección.

–

Determinaciones o comprobaciones por lote.

–

Características a ensayar o inspeccionar.

–

Calibraciones periódicas.

–

Puntos de control.

–

Métodos de toma de muestras.

–

Métodos de ensayo.

–

Sistema de archivo y almacenamiento de muestras.

–

Informes periódicos, registro y archivo de los resultados

Sistemas de detección y aviso de anomalías o no-conformidades (incumplimiento de procesos o especificaciones). En este sentido deben definirse: –

Tolerancias.

–

Niveles de alarma.

–

Niveles de no-conformidad.

–

Criterios de aceptación y rechazo.

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Sistemas de corrección de anomalías y tratamiento de noconformidades (colocación del material, previa aceptación de la Propiedad; reubicación del material, para una aplicación alternativa; o rechazo del material). En su caso debe incluir también cómo se organiza y coordina el trabajo de las distintas unidades de control presentes en la obra y el tratamiento que se debe dar a los resultados discrepantes de los distintos laboratorios. El Plan de Control se aplica a las siguientes fases de la fabricación y ejecución: 1. Control de materias primas en origen. 2. Control de fabricación de la mezcla con cemento. 3. Control de ejecución. 4. Control de producto terminado. Actualmente, en obras de una cierta importancia la organización del control de calidad de la obra se basa en el autocontrol por parte del Contratista (control interior), que crea su propia organización y asigna los medios suficientes para realizar los ensayos y vigilar los procesos constructivos. La Propiedad se encarga de comprobar que se ha implantado el sistema de autocontrol y que éste funciona (control exterior), realizando únicamente algunos ensayos de contraste para comprobar los efectuados por el Contratista. Al final de la obra, la Propiedad realiza las determinaciones necesarias para la aceptación final del producto. Este control exterior lo realiza la Dirección de Obra con el auxilio de personal de la Propiedad o bien mediante contrato de una asistencia técnica. Para realizar el control interior de una determinada obra, el Contratista sigue las directrices marcadas por un Plan de Aseguramiento de la Calidad (PAC), que responde básicamente a lo señalado anteriormente. La realización del mismo es responsabilidad del Contratista, y su supervisión está a cargo de la Dirección de Obra. Dentro de la propia empresa constructora se establecen dos escalones de control, el interno y el externo. En el primero, el Contratista con sus propios medios (personal, laboratorio propio o contratado) realiza su propio control. En el segundo, se confía el control a agentes no relacionados directamente con los procesos de ejecución, que vigilan que el control interno se realice de acuerdo a los procedimientos establecidos.

Foto 7.1

Vista general de un laboratorio de obra.

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LOTES Y MUESTRAS En general, el control de calidad que se realiza sobre la mayoría de las unidades de obra de una carretera (salvo para algún elemento especial de gran repercusión) y en concreto sobre las capas de materiales tratados con cemento, es por muestreo. Es decir, a efectos de control se divide la obra en partes sucesivas denominadas lotes, y de cada uno de ellos se extraen una serie de muestras representativas, sobre las que se efectúa el control estadístico. La aceptación o rechazo del material que constituye el lote se decide sobre los resultados de las muestras tomadas. Los lotes son grupos, constituidos por elementos de una misma unidad de obra, que se pueden considerar homogéneos a efectos de su control (idénticos componentes, procesos de construcción, condiciones de ejecución, etc.). Algunos parámetros que puedan estar afectados por factores variables a lo largo del día pueden descomponerse en sublotes (humedad, densidad, etc. ). El tamaño del lote debe establecerse considerando: El ritmo de producción de la unidad de obra (uniformidad del proceso de ejecución y de las condiciones ambientales). El tiempo de reacción ante posibles resultados inconvenientes (tamaños de lote compatibles con la duración del ensayo de control). La definición del tamaño del lote se debe realizar cuidadosamente ya que tiene una repercusión importante en el coste de los medios asignados a tal efecto. Los mayores tamaños de lote llevan a un menor número de muestras y de ensayos, pero si la producción no es aceptable, el rechazo afecta a un mayor volumen de material. Por esta razón los lotes tienden a ser relativamente pequeños, y rara vez son superiores a un día de producción. En general, los lotes se suelen definir en función del tiempo o la cantidad producida (por ejemplo, la producción diaria, 500 m3 fabricados o 3.500 m2 ejecutados). La definición del lote por tiempo tiene la ventaja de que se disminuye el riesgo de materiales heterogéneos (al estar fabricado todo el lote en un tiempo dado, bajo los mismos condicionantes externos), y el inconveniente de que los lotes pueden contener cantidades distintas de material. La definición del lote por cantidad tiene las ventajas de que los lotes son constantes y los ensayos representan una misma cantidad de muestra. El principal inconveniente es que pueden contener materiales fabricados en distintos periodos de tiempo (días, horas, etc.) lo que aumenta el riesgo de que el material sea heterogéneo. De cada lote se deben tomar una serie de muestras representativas. La definición del lote no tiene un peso excesivo en los riesgos de aceptación, pero el número o tamaño de las muestras dentro del lote si la tiene, ya que afecta directamente al riesgo. Generalmente, un mayor número de muestras o un mayor tamaño de las mismas reducen el riesgo tanto del Contratista (que se rechace un material adecuado) como de la Propiedad (que se acepte un material inadecuado). Por tanto, la selección del tamaño de la muestra se debe realizar considerando los siguientes aspectos: El grado de dispersión de las unidades a controlar El grado de confianza que se desee obtener en el control

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El número de muestras, o frecuencia de ensayo, se puede definir también en varios niveles (normal, reducido, elevado) en función de los resultados que se vayan obteniendo. En los siguientes apartados de este capítulo se dan recomendaciones sobre el número de muestras a considerar para cada parámetro de control. Por otro lado, se debe tener en cuenta que las variaciones de los resultados de ensayos pueden tener su origen, además de en la heterogeneidad de los materiales, en las técnicas de muestreo y en la propia realización de los ensayos, por lo que es importante que estos aspectos queden definidos con precisión (procedimiento, puntos de toma de muestras y técnicas de ensayo). Conviene elegir las zonas de toma de muestras de forma aleatoria, de manera que cada punto de la superficie tenga la misma probabilidad de ser ensayado. No obstante, el muestreo aleatorio se debe realizar en determinadas franjas de la sección transversal (bordes, ejes, rodadas, etc.).

7.4

CONTROL DE MATERIAS PRIMAS

7.4.1 Control en origen Este control pretende garantizar que la calidad de las materias primas requeridas para la fabricación de las mezclas con cemento sea adecuada, que exista un volumen suficiente de las mismas, y que su suministro pueda ser continuo y sus características regulares. En esta fase se han debido realizar todos los ensayos previos para comprobar que se cumplen las características exigidas en las prescripciones técnicas para las materias primas que se vayan a utilizar: cemento, áridos o suelos, agua, retardadores o aditivos en su caso, productos de curado, etc. Los ensayos más comunes para estos materiales se describen en el Capítulo 3 y se revisan en el Apartado 7.4.2 al tratar del control de calidad en la central de fabricación. Se debe realizar un muestreo de los acopios de áridos o yacimientos de suelos que se vayan a utilizar en la obra para determinar la homogeneidad de sus características y, en caso necesario, tener en cuenta las desviaciones en sus propiedades en el estudio de la fórmula de trabajo. Por otra parte, se pueden detectar acopios o zonas del yacimiento inválidas para ser utilizadas. Es conveniente que las materias producidas fuera de la obra dispongan de un certificado de conformidad con las especificaciones que asegure que se fabrican de acuerdo con un procedimiento controlado, definido y riguroso. Además de la garantía que esto supone, se simplifican las tareas de control, que se pueden limitar en este caso a un muestreo de las características certificadas.

7.4.2 Control en central de fabricación El control de las materias primas en central de fabricación tiene por objeto verificar que son acordes con las prescripciones.

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7.4.2.1 Cemento Al comenzar la fabricación de las mezclas con cemento se deben realizar los ensayos físicos, químicos y mecánicos correspondientes a la recepción del conglomerante, según lo indicado en la Instrucción para la Recepción de Cementos. En el caso de suministros continuos o cuasi-continuos, el lote sometido a recepción debe ser la cantidad mensual recibida de un mismo tipo de cemento, siempre que no sobrepase la cantidad de 200 t en peso. Si el suministro mensual a obra supera dicha cantidad, el número de lotes sometidos a recepción será igual al de porciones de 200 t que puedan formarse, más un último lote con la fracción residual si ésta supera las 100 t. En el caso de suministros discontinuos, cada uno de ellos constituirá un lote. Estos ensayos podrán ser eximidos o simplemente muestreados por la Dirección de Obra cuando el cemento posea marca de calidad oficialmente reconocida por la Propiedad (AENOR o similar), debiendo no obstante guardar una muestra preventiva durante 100 días. A este respecto hay que indicar que el marcado CE no es una marca de calidad y por tanto no exime de la realización de los ensayos. Las muestras preventivas se deben tomar tanto de los vehículos de suministro como de los silos de la central de fabricación para detectar posibles contaminaciones o mezclas en la obra. También se debe comprobar que no se producen mezclas de cementos de distintos orígenes, aunque sean del mismo tipo. 7.4.2.2 Áridos Los áridos se examinan durante la descarga al acopio o alimentación a la central, desechando aquellos que a simple vista presenten materia vegetal o tamaños superiores al máximo. Se debe vigilar la altura de acopios, de tal forma que no se produzcan segregaciones, así como el estado de sus elementos separadores, en su caso.

Foto 7.2

Toma de muestras de áridos en la cinta transportadora.

Conviene tomar al menos 10 muestras por acopio para comprobar su homogeneidad. En caso de acopios heterogéneos, se puede proceder a su homogeneización por mezclado con otros más regulares. En su caso, hay que comprobar si la heterogeneidad existente permite fabricar un material con las características especificadas.

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Durante la fabricación del material tratado con cemento se recomienda realizar los ensayos especificados en la Tabla 7.1 seleccionando la periodicidad que se considere adecuada para la obra y teniendo también en cuenta la homogeneidad observada en los ensayos precedentes. Tabla 7.1

Frecuencias de muestreo recomendadas para ensayos sobre áridos.

CARACTERÍSTICA Granulometría Humedad natural Equivalente de arena Lajas Caras de fractura Coeficiente Los Angeles Materia orgánica Sulfatos

X (Baja) Cada 2 días ó 1.500 m3 Cada día ó 750 m3 Cada 2 días ó 1.500 m3

FRECUENCIA DE MUESTREO Y (Media) Z (Alta) Cada día ó 750 m3 2 cada día ó 400 m3 2 cada día ó 400 m3 4 cada día ó 200 m3 3 Cada día ó 750 m 2 cada día ó 400 m3

Cada mes ó 25.000 m3 Cada mes ó 25.000 m3 Al inicio de las obras

Cada 7 días ó 6.000 m3 Cada 7 días ó 6.000 m3 Cada mes ó 25.000 m3

Cada 3 días ó 3.000 m3 Cada 3 días ó 3.000 m3 Cada 7 días ó 6.000 m3

Cada mes ó 25.000 m3 Al inicio de las obras

Cada 7 días ó 6.000 m3 Cada mes ó 25.000 m3

Cada 3 días ó 3.000 m3 Cada 7 días ó 6.000 m3

Los resultados de granulometría se utilizan para analizar la homogeneidad del material. Las determinaciones de humedad permiten ajustar el agua que se añadirá en el mezclador. Conviene hacer al menos dos determinaciones diarias porque puede haber variaciones importantes. Si las tolvas están equipadas con sensores de humedad se deben calibrar a diario. La humedad se debe medir fundamentalmente en las arenas. Las características físicas de los áridos (coeficiente Los Angeles, lajas, caras de fractura) suelen ser bastante regulares y por tanto no necesitan una comprobación continua, salvo que se sospeche algún cambio en las mismas. Los análisis de elementos que puedan perturbar el fraguado de cemento se hacen en origen, y se comprueban en planta esporádicamente o cuando se sospeche alguna irregularidad de suministro. 7.4.2.3 Suelos Se deben examinar durante la descarga al acopio o alimentación a la central, desechando los suelos que a simple vista presenten materia vegetal, terrones de arcilla o tamaños superiores al máximo. Se acopiarán aparte aquellos que presenten alguna anomalía de aspecto, tales como distinta coloración, plasticidad, etc.

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Toma de muestras de suelos en el acopio.

Los criterios de control de suelos son similares a los que se han descrito para los áridos. Las frecuencias de muestreo recomendadas se indican en la Tabla 7.2. Tabla 7.2

Frecuencias de muestreo recomendadas para ensayos sobre suelos.

CARACTERÍSTICA Granulometría Humedad natural Límite líquido e índice plástico Materia orgánica Sulfatos

X (Baja) Cada 2 días ó 1.500 m3 Cada día ó 750 m3

FRECUENCIA DE MUESTREO Y (Media) Z (Alta) Cada día ó 750 m3 2 cada día ó 400 m3 2 Cada día ó 400 m3 4 cada día ó 200 m3

Cada 7 días ó 6.000 m3

Cada 3 días ó 3.000 m3

Cada día ó 750 m3

Cada mes ó 25.000 m3 Al inicio de las obras

Cada 7 días ó 6.000 m3 Cada mes o 25.000 m3

Cada 3 días ó 3.000 m3 Cada 7 días ó 6.000 m3

La aplicación de los resultados es similar a la señalada para los áridos. La plasticidad de los suelos es un elemento de aceptación o rechazo. En caso de sucesivos incumplimientos se deben localizar zonas del yacimiento que cumplan los requisitos o bien buscar otro yacimiento. 7.4.2.4 Agua Cuando no se posean antecedentes de su utilización se deberán realizar ensayos periódicos de las siguientes características del agua: pH, sulfatos, sustancias disueltas, hidratos de carbono y sustancias orgánicas solubles. Los resultados deben cumplir las especificaciones señaladas en el Capítulo 3. Estas características se pueden comprobar semanal o mensualmente si se considera suficiente. Además, se debe vigilar que no se produzcan contaminaciones en las instalaciones de almacenamiento o en las conducciones. 7.4.2.5 Retardadores de fraguado No se podrán utilizar aditivos que no se suministren correctamente etiquetados y acompañados del certificado de garantía del fabricante. Sobre el producto aceptado se llevarán a cabo comprobaciones periódicas de sus características de acuerdo con la norma UNE-EN 934-2.

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CONTROL DE FABRICACIÓN DE LA MEZCLA Esta fase de control tiene por objeto verificar que la mezcla fabricada cumple las especificaciones técnicas fijadas. Para alcanzar este objetivo se deben realizar las siguientes tareas: Inspeccionar y poner a punto los equipos o procedimientos de la central de fabricación para asegurar que el material producido se ajusta a la fórmula de trabajo y que es suficientemente homogéneo. Comprobar que las desviaciones de las proporciones de los constituyentes de la mezcla, a la salida de la planta de fabricación, no superan las tolerancias admitidas con respecto a la fórmula de trabajo. El control se dirige tanto a operaciones preventivas de inspección de los equipos y procedimientos de la central de fabricación, como a la evaluación directa del material fabricado.

7.5.1 Control de la central de fabricación 7.5.1.1 Inspección inicial de equipos y acopios Esta tarea consiste en la inspección visual de los elementos que componen la central, para comprobar si se cumplen las prescripciones establecidas para la obra y si son compatibles con un proceso de fabricación adecuado. Se deben verificar, entre otras, las siguientes cuestiones: Que la central cuenta con los dosificadores ponderales contemplados en las prescripciones. Que el número de silos o tolvas es compatible con la producción esperada. Que el mezclador se encuentra en buen estado y con sus elementos en la posición correcta. Asimismo, se deben verificar los elementos de pesada o de dosificación volumétrica, los elementos de control, alarma y regulación de la central y los de registro de datos. Otro aspecto importante es la inspección de acopios. Se debe verificar que los de material granular se encuentran adecuadamente separados, que se han realizado por tongadas, sin segregaciones ni contaminaciones, con materiales aprobados y en volumen suficiente. Asimismo, los dispositivos de almacenamiento de agua, cemento y, en su caso, aditivos deben tener capacidad suficiente para una operación continua. 7.5.1.2 Puesta a punto de la central La puesta a punto de la central consiste en ajustar el procedimiento de fabricación para obtener el material de acuerdo a la fórmula de trabajo establecida. Se puede considerar que el material fabricado se ajusta a la fórmula de trabajo cuando: Las desviaciones entre la masa teórica de áridos y la medida son inferiores al 2% en una muestra de al menos 10 t de áridos.

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Las desviaciones entre la masa teórica de conglomerante y la medida son inferiores al 1% en una muestra de al menos 50 kg de conglomerante. Si se utilizase un sistema de dosificación volumétrico, lo que no se recomienda porque da lugar a materiales muy heterogéneos, la muestra debe ser de unos 200 kg. Las desviaciones entre la cantidad teórica del agua y la medida son inferiores al 2% en una muestra de al menos una tonelada de agua. En la fase de puesta a punto de la central se debe comprobar además la resistencia sobre probetas fabricadas con el material producido. Los resultados que se obtengan posteriormente en el tramo de prueba pueden hacer necesaria una nueva modificación de la fórmula de trabajo, especialmente del contenido de agua. En caso de observarse que con un material fabricado de acuerdo con la fórmula de trabajo de laboratorio las resistencias difieren de las obtenidas en probetas de laboratorio y se considera necesario reajustar la misma lo más práctico es modificar la dosificación de cemento.

7.5.1.3 Control del funcionamiento de la central durante la ejecución de las obras Además de la inspección y puesta a punto inicial, se debe comprobar regularmente el correcto funcionamiento de los elementos de la central de fabricación, y en particular de los siguientes: Sistemas de dosificación de los distintos materiales de partida (cemento, suelo o áridos, aditivos y agua). Sistemas de registro. Tensión de las cintas transportadoras. Estado de las paletas. Acopios.

Figura 7.1 Sonda para la medida de la humedad de áridos en los acopios o las tolvas.

Los sistemas de dosificación de áridos, cemento y agua se deben calibrar en general una vez por semana y siempre que se detecten desviaciones continuadas respecto a la fórmula de trabajo. Las calibraciones se deben realizar en las proximidades del caudal que se vaya a dosificar y se debe contrastar en su Página - 10 -

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caso la exactitud de las pesadas, tomando muestras dosificadas de árido de las cintas y pesándolas posteriormente con un conjunto adecuado de pesas patrón. Se debe controlar regularmente el estado de los acopios y comprobar que se toman las muestras necesarias para determinar si las granulometrías y calidades determinadas en origen se mantienen. Para determinar la cantidad de agua que es necesario añadir a la mezcla resulta imprescindible controlar la humedad de los áridos diariamente, especialmente la de las arenas.

Si la central dispone de un sistema automatizado de toma de datos, se recomienda realizar un registro continuo de la composición del material fabricado de manera que se puedan detectar las desviaciones y disponer las medidas correctoras oportunas.

Foto 7.4

Caudalímetros.

En centrales discontinuas se debe vigilar periódicamente la duración del amasado para comprobar que coincide con el tiempo establecido. La calidad del mezclado se comprueba observando el aspecto de la mezcla a la salida del mezclador o en los camiones de transporte. Se deben rechazar todas aquellas partidas que estén segregadas o cuya envuelta no sea homogénea. En cualquier caso, se tendrá en cuenta lo siguiente: Si hay dudas de la homogeneidad del mezclado, se pueden tomar distintas muestras correspondientes a la carga de un camión o a una amasada, y comprobar sus constituyentes y resistencias. Si la central no es capaz de mezclar homogéneamente los componentes, se debe reducir la producción horaria hasta conseguir la homogeneidad necesaria. Si se producen segregaciones, se debe buscar su origen y modificar el proceso convenientemente.

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7.5.2 Control del material fabricado En esta fase, se deben determinar los contenidos de los distintos componentes de la mezcla (material granular, cemento y agua) sobre muestras del material fabricado, y compararlos con los especificados en la fórmula de trabajo: Si las desviaciones son inferiores a las tolerancias establecidas para la fórmula de trabajo, se acepta el material. En caso contrario, se rechaza o se adoptan las medidas contempladas en los documentos contractuales. Por consiguiente, será necesario definir por una parte unas tolerancias aceptables para el material fabricado y por otra una frecuencia de ensayos para el control de las mismas. Las tolerancias y la frecuencia de los controles dependerán de la importancia de la obra, del material de que se trate o de la capa donde se vaya a utilizar este material. Por tanto, será también necesario definir unos niveles de control adecuados a las exigencias de calidad deseadas y asociar a cada nivel unas tolerancias aceptables y una frecuencia de ensayos adecuada. Además, en obras importantes en las que haya un gran volumen de producción se podría disminuir la frecuencia de ensayos si se ha comprobado el correcto funcionamiento de la central. Las definiciones de los niveles de control para las tolerancias y las frecuencias de muestreo recomendadas se recogen en el Anejo 3. Se deben realizar al menos medidas de los siguientes parámetros: La granulometría de la mezcla de componentes en seco (UNE-EN 9331). La humedad de la mezcla (UNE 103300). El contenido de cemento de la mezcla. Al margen de esto, en la Tabla 7.3 se muestra un resumen de las tareas que se deben realizar durante la fase de control de la fabricación del material.

Figura 7.2 Mezcladora de doble eje horizontal con sensor para la medida automática de la humedad de la mezcla.

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Tabla 7.3 Resumen de tareas durante el control de fabricación INSPECCIÓN/ENSAYO Comprobación visual Granulometría, contenido de cemento, humedad Densidad y resistencia de probetas Registro de hora de fabricación Limpieza de los vehículos de transporte

PROPÓSITO Comparar con la apariencia normal respecto a granulometría, homogeneidad, envuelta y humedad. Asegurar que el material cumple especificaciones. Asegurar que el material cumple las especificaciones. Como referencia para ensayos de compactación. Comprobar que se ejecuta dentro del plazo de trabajabilidad. Evitar contaminaciones.

FRECUENCIA Cada camión Según prescripciones Según prescripciones

Cada camión Antes de cada carga

7.5.2.1 Toma de muestras Las muestras se deben tomar durante la descarga del mezclador o en algún punto del camión, generalmente a media altura de la carga (NLT-148). No es conveniente tomar muestras a la entrada del mezclador para determinar la granulometría combinada, ya que entonces no se tiene en cuenta la posible degradación granulométrica o la producción de finos debida al mezclado, y no se podría determinar el contenido de agua, que se debería hacer posteriormente. 7.5.2.2 Control de la composición granulométrica La granulometría se puede determinar en todos los tamaños que figuren en la fórmula de trabajo o si se desea simplificar el análisis y seguimiento, únicamente en una serie de tamaños característicos (con cinco suele ser suficiente). En este último caso, se suelen tomar el tamaño máximo, otro tamaño grueso característico, el tamiz de 2 mm, otro fino característico, y el tamiz de 63 micras. 7.5.2.3 Control del contenido de cemento En la actualidad, el contenido de cemento en el material fresco no se puede determinar mediante un método directo suficientemente preciso, lo que hace necesario recurrir a estimaciones o procedimientos indirectos. Los más usuales son: Fabricación de probetas y determinación de la resistencia mecánica del material a 7 días, ya que si la granulometría y contenido de agua son homogéneos, la resistencia depende directamente del contenido de cemento. Determinación del contenido de finos (material que pasa por el tamiz 0,063 mm UNE) sobre el material fresco. Si previamente se ha obtenido la granulometría del material a la entrada del mezclador y se ha estimado asimismo el porcentaje de finos que se produce en el mezclado, se puede calcular a su vez el contenido de cemento. Este procedimiento tiene el problema de que las desviaciones pueden ser relativamente importantes.

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Control del consumo medio de cemento. El principal inconveniente de este sistema es que no se basa en datos directamente recogidos por el control, sino en las informaciones suministradas por el fabricante. Registros de dosificación de la central. Este sistema puede presentar inconvenientes similares a los del anterior. Hay otros procedimientos para medir el contenido de cemento (ensayo químico BS 1924: Part 2; 1990, ASTM D5982-02; ASTM D2901-99; calorímetro UNE 80118), pero son de realización lenta, necesitan personal especializado, requieren calibraciones previas y no tienen una gran precisión, por lo que se deben considerar también como estimaciones. Dado que ninguno de los métodos de estimación del contenido de cemento es demasiado preciso, lo más recomendable es recurrir a más de uno de ellos simultáneamente para contrastar la validez de los resultados obtenidos.

7.5.3 Control de resistencias Aunque es más representativo el material tomado en el tajo de extensión, el control de la resistencia mecánica del material se suele realizar, por comodidad, sobre probetas fabricadas con material tomado a la salida del mezclador. La toma de muestras en el tajo de extensión se realiza bien en la tolva de la extendedora o bien en la cuchilla de la motoniveladora. Normalmente se determina la resistencia a compresión simple, y a veces la de tracción indirecta, sobre todo en el caso de hormigón compactado. En el control de la resistencia se debe verificar que la densidad a la que se compactan las probetas corresponde a la mínima exigida en obra y que la conservación de las mismas se realiza adecuadamente, y no a temperaturas superiores a las normalizadas. Por cada lote se deben comprobar como mínimo tres amasadas, valor que se puede reducir a dos en obras sometidas a tráficos ligeros. El número de probetas de cada amasada no deberá ser inferior a tres. La resistencia de referencia del lote se suele tomar como la media de las probetas fabricadas con material del mismo.

7.6

CONTROL DE EJECUCIÓN Los objetivos del control de ejecución son los siguientes: Determinar si el apoyo de la capa es adecuado. Determinar si la resistencia del material se encuentra entre los límites, mínimo y máximo, especificados. Comprobar que la puesta en obra de los materiales es correcta. Determinar si la compactación del material ha sido adecuada. Comprobar que las juntas (de trabajo y en su caso las de prefisuración) se ejecutan correctamente. Comprobar que la geometría de la capa (espesor, anchura y cota) se ajusta a la de los planos. Evaluar si la regularidad superficial, longitudinal y transversal, cumple las prescripciones.

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Comprobar que el riego de curado, y el de protección en su caso, se ha ejecutado correctamente. Dentro del control de ejecución se pueden distinguir las siguientes actividades:

7.6.1 Control de la superficie de asiento En esta fase se determina la conformidad de la superficie de asiento con las prescripciones, especialmente en lo que se refiere a regularidad superficial, homogeneidad, integridad, ausencia de segregaciones, cota, densidad, y en su caso, capacidad de soporte. Antes de la extensión se debe comprobar también que la zona a pavimentar está limpia y despejada de obstáculos, que el tajo está debidamente acotado y señalizado para facilitar el acceso y la maniobra de los camiones, y que se han colocado y comprobado en su caso los elementos de guía de las extendedoras, tanto en perfil longitudinal como en cota. El control de la superficie de asiento se debe hacer con la antelación suficiente para permitir una puesta en obra sin interrupciones de la capa superior. En función de los resultados obtenidos se puede decidir la recompactación o reperfilado del apoyo, o la mejora puntual o general de la capacidad de soporte. Es muy importante conseguir una buena terminación en la capa de asiento, ya que sus irregularidades pueden reflejarse en la capa superior tratada con cemento en forma de variaciones de espesor, que en estos materiales tienen una gran importancia en el comportamiento del firme. Las irregularidades del apoyo influyen también en la regularidad superficial de la capa tratada con cemento. Si antes de la extensión de la capa superior, se riega con agua la superficie de apoyo, se debe comprobar que no quedan zonas secas o encharcadas.

7.6.2 Inspección de equipos de puesta en obra Antes del comienzo de la obra se debe comprobar que los equipos de puesta en obra son los requeridos y que se encuentran en buenas condiciones. Se debe verificar el estado y funcionamiento de todos los equipos que intervienen en el proceso, y especialmente: Elementos de transporte: limpieza antes de entrar a cargar, disponibilidad de elementos de cobertura, etc. Extensión: estado general del equipo y disponibilidad de los elementos necesarios, limpieza, buen funcionamiento de los controles, comportamiento en el tramo de prueba, especialmente de los sistemas de nivelación, y ausencia de segregaciones. Compactación: peso de compactadores, limpieza, colocación del lastre, funcionamiento de los elementos de vibración y de los manómetros que indican la presión de inflado. Ejecución de juntas en fresco: véase el Apartado 8.5. Curado: funcionamiento y posición de difusores, uniformidad y cobertura del riego. A lo largo de la obra se deben repetir periódicamente las inspecciones de los equipos (semanal o quincenalmente), y de forma especial si se detectan defectos en el material ejecutado, tales como falta de densidad, irregularidades

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superficiales, segregaciones, etc. Cada día se debe comprobar que el estado de limpieza de los equipos es adecuado.

7.6.3 Control de la puesta en obra Durante el proceso de ejecución hay que observar si las operaciones de transporte, extensión y compactación se realizan adecuadamente. Para ello se llevan a cabo las siguientes tareas: Inspección visual de la mezcla. Control de tiempo de ejecución. Control de la temperatura ambiente. Control de la temperatura de la mezcla. Control de la humedad del material. Control de la segregación del material. Control de la velocidad de extensión. Control de la prefisuración. Control de la compactación de la capa tratada. Control de las juntas de trabajo. Control del curado. La inspección visual de la mezcla a su llegada a obra tiene por objeto determinar, por el aspecto (color, homogeneidad y brillo), si se han producido segregaciones o pérdidas importantes de humedad. En caso de que se sospechen anomalías, se debe analizar la composición de los materiales mediante ensayos de laboratorio. Si se confirman las desviaciones, se debe entonces localizar el origen de las mismas para corregirlas. El control del tiempo que transcurre entre la fabricación y el final de la compactación, sirve para determinar si se está dentro del plazo de trabajabilidad definido para la temperatura de puesta en obra. El tiempo transcurrido se obtiene por diferencia entre la descarga del mezclador y la finalización de la compactación y debe llevarse a cabo para todo el material puesto en obra. Se suele realizar mediante los partes de salida de planta o mediante comunicación entre los equipos de inspección. En aquellos casos en que se haya sobrepasado el plazo de trabajabilidad para la temperatura de obra se debe retirar el material y modificar el proceso para evitar que se repita esta situación. Para los maquinistas puede ser útil que se les indique que se está alcanzando el final del plazo de trabajabilidad, empleando para ello por ejemplo pequeñas pizarras de distintos colores (roja la de la hora límite, verde hasta media hora antes y amarilla en la última media hora). Se debe medir la temperatura ambiente a lo largo del día para comprobar que no se superan los límites que fijan las prescripciones para la extensión del material, y que se corresponde con la adoptada para la determinación del plazo de trabajabilidad y para, en su caso, ajustar la dotación de retardador. El control de la humedad del material durante la compactación es una de las determinaciones más importantes, ya que influye decisivamente en el comportamiento de la mezcla. Se realiza para comprobar si la humedad se encuentra dentro del rango fijado (humedad definida más una tolerancia que generalmente debe estar comprendida entre –1 y +0,5%). Desde un punto de vista práctico es preferible llevar a cabo la medida al terminar la compactación, ya Página - 16 -

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que en una única medida se pueden controlar la humedad y la densidad. No obstante, siempre que se sospechen anomalías por el aspecto del material o bien por su comportamiento durante la extensión se debe pasar a controlar antes de la compactación, y preferiblemente antes de la extensión, para poder tomar las decisiones oportunas. Una manera de estimar rápidamente si la mezcla tiene exceso de humedad es tomar una muestra con la mano para ver su consistencia. Es conveniente realizar como mínimo dos determinaciones diarias de la humedad, y siempre que las condiciones meteorológicas (lluvia o subidas repentinas de la temperatura) o de extensión, puedan modificar el contenido de agua. Si el contenido de agua es más bajo que el admisible, se puede humedecer el material o aumentar la energía de compactación. Si por el contrario es más elevado, se debe rechazar el material antes de la puesta en obra, si se ha detectado a tiempo, o después de la compactación, si se comprueba que no se han podido conseguir las densidades mínimas fijadas. En los materiales tratados con cemento, la influencia del contenido de agua en las características del material, tanto en fresco como ya endurecido, es de gran importancia y del mismo orden que la del contenido de cemento.

Si se sospecha que se producen segregaciones en la extensión, se debe proceder al control de la segregación mediante la comparación de la densidad o de la granulometría en distintas muestras extraídas a la salida de la extendedora o del material extendido con la motoniveladora. Se pueden comparar muestras tomadas del borde y del centro de la banda extendida, o de las zonas superior e inferior de un mismo punto. Si se controla mediante la granulometría se debe comprobar que las diferencias en el contenido de arenas (cernido por el tamiz 4 mm UNE) no superen el 10% en ningún caso, o bien el 5% en obras que exijan una gran calidad de los materiales. Si se detectan anomalías, se deben verificar los procesos de vertido al camión desde el mezclador, de transporte y de extensión. Si se está colocando el material con extendedora, se debe comprobar que la velocidad de extensión no supera la definida en el tramo de prueba, la cual es generalmente del orden de 1-2 m/min. Si se ha definido una determinada precompactación, se debe vigilar que se mantiene la frecuencia de vibración y se debe controlar la densidad a la salida de la extendedora. Si se realiza una prefisuración de la capa, se debe controlar, antes de iniciar la compactación, que se han creado todas las juntas y que éstas se han dispuesto con la separación especificada El control de la compactación de la capa tratada se puede llevar a cabo mediante dos sistemas diferentes: Control de procedimiento: se controla el procedimiento de compactación previamente definido en el tramo de prueba (o por el Director de las Obras): número de pasadas, plan de pasadas y velocidad de marcha.

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Control del producto terminado: se comprueba que la densidad supera la exigida en las prescripciones, la cual es generalmente un porcentaje de la densidad de referencia. Lo más recomendable es combinar ambos métodos, ya que con el segundo únicamente es factible llevar a cabo un limitado número de medidas. En cualquier caso, se deben llevar a cabo determinaciones previas de la humedad del material y terminar el proceso dentro de plazo de trabajabilidad de la mezcla. La medida de densidades con equipos nucleares es relativamente rápida y económica. Son preferibles los equipos de transmisión directa frente a los de retrodispersión que presentan mayores dispersiones en los resultados. El vástago del densímetro se debe introducir hasta el fondo de la capa (Fig. 7.1) ya que el valor medido por el equipo es el promedio de la densidad del material entre el punto de emisión (situado en la punta del vástago) y el de recepción (situado en la base del equipo). Dicho valor corresponde a la densidad media de todo el espesor. Es conveniente realizar un número elevado de medidas en puntos aleatoriamente distribuidos. Se recomienda considerar al menos el nivel medio de frecuencia de control indicado en la Tabla 7.4.

Foto 7.5

Equipo nuclear para la medida de densidad y humedad de la capa.

Dentro de los parámetros que afectan al comportamiento de una capa del firme, la densidad es el que tiene mayor importancia. Por otro lado es uno de los que se pueden optimizar de una manera más económica. Por ello es muy importante controlar exhaustivamente la densidad en cualquier tipo de obra y circunstancia. Tabla 7.4

Frecuencias de muestreo recomendadas para medida de densidades.

MEDIDA DE DENSIDADES Número de ensayos por lote

FRECUENCIA Y (Media) Z (Alta) Cada 50 m de extensión Cada 20 m de extensión

La densidad de referencia y sus tolerancias se deben definir en el proyecto y confirmar en el tramo de prueba. Normalmente se exige que la densidad de la capa supere el 98% de la densidad máxima Proctor Modificado definida en la Página - 18 -

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fórmula de trabajo. No obstante se deben comprobar diariamente las densidades obtenidas sobre probetas de material fabricado por si se observan variaciones importantes que hagan necesario modificar el valor de referencia. Generalmente, se suele fijar que la densidad media en cada lote supere el valor de la densidad de referencia y que no haya desviaciones superiores a 2 puntos porcentuales. En caso de duda, se deben realizar ensayos mecánicos sobre testigos. Con respecto a las juntas de trabajo, se debe comprobar cada día, antes de comenzar la puesta en obra del material, que el borde de la junta transversal del material realizado anteriormente es vertical y homogéneo en todo el espesor. Cuando la ejecución de la obra se realice por bandas paralelas, se debe controlar que el desfase entre ambas permite compactar el material dentro del plazo de trabajabilidad de la extendida en primer lugar. También es importante localizar la posición de las juntas, de manera que no se superpongan verticalmente las de distintas capas. El curado tiene un papel decisivo en el comportamiento de la capa tratada con cemento. Un curado defectuoso perjudicará el endurecimiento del material, especialmente de su superficie, lo que puede llevar a su disgregación impidiendo la adherencia con la capa superior. Se debe comprobar visualmente el estado de humedad superficial hasta el momento en que se aplica la emulsión de curado, verificar que el riego se efectúa correctamente y con la dotación especificada, y vigilar que no se levanta durante la ejecución de la obra. Las dotaciones de emulsión se comprueban por la diferencia de peso de planchas de superficie conocida colocadas sobre la capa, antes y después del paso del equipo de extensión del riego de curado.

7.7

CONTROL DE LA CAPA TERMINADA Para el control del material terminado se definen lotes de material que se aceptan o rechazan en su totalidad. En la definición de estos lotes se debe tener en cuenta lo señalado anteriormente en este capítulo. Se suelen utilizar dos formas para definir los lotes: En función del tiempo: usualmente se toma lo fabricado en un día. En controles intensos se puede tomar lo fabricado en la mitad de tiempo (media jornada), y en otros más ligeros, en el doble (dos jornadas). En función del volumen: se suele definir por superficie ejecutada (por ejemplo, cada 3.500 m2 de calzada), con las mismas relaciones anteriores para controles más intensos o ligeros.

7.7.1 Control geométrico 7.7.1.1 Espesor y cota El control del espesor y de la cota de cada capa se emplea para determinar si la ejecución se ha realizado de acuerdo a las exigencias del proyecto. Además, el control del espesor también se utiliza para determinar el volumen de material realmente puesto en obra.

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Existen dos procedimientos para determinar el espesor de la capa: mediante extracción de testigos (véase Apartado 7.7.2), que es el sistema recomendable aunque tiene el inconveniente de que hay que esperar un cierto tiempo, muy prolongado en el caso del suelocemento, para poder extraerlos, o por nivelación topográfica.

Foto 7.6

Medida del espesor de la capa sobre testigos.

Si se desea determinar los espesores mediante nivelación topográfica es necesario tomar medidas en diferentes perfiles repartidos de forma equidistante a lo largo del tramo (cada 10 ó 20 m, según la intensidad de control fijada para la obra y la capa). Para poder deducir el espesor de la capa se debe haber medido el nivel de la capa inferior en los mismos perfiles. En curvas puede ser necesario disminuir la separación entre perfiles de control con respecto a la adoptada en tramos rectos. En cada perfil se mide el espesor en distintos puntos (tres como mínimo), evitando que coincidan con el borde de la calzada por las inevitables caídas de pendiente que se suelen producir en esta zona. Generalmente, se exige que el espesor medio sea igual o superior al que figura en los planos, admitiéndose que no más de dos individuos de la muestra ensayada de un lote presenten valores que bajen del especificado en más de un 10%. En cuanto a la rasante de la superficie terminada, ésta no debe superara a la teórica en ningún punto ni quedar por debajo de ella en más de 15 mm. Las zonas que no cumplan las tolerancias, o que retengan agua en superficie, se deben corregir. Si se está dentro del plazo de trabajabilidad del material, éste se puede recortar y recompactar. En caso contrario, habrá que reconstruir totalmente la capa en la zona afectada. Cuando el problema se debe únicamente a puntos altos, éstos se pueden eliminar por fresado con discos de diamante, siempre que ello no suponga una reducción del espesor de la capa por debajo del valor especificado. Si el espesor de la capa queda por debajo del teórico en más de las tolerancias admitidas, nunca se deberá recrecer con capas delgadas. Por el contrario, se incrementará el espesor de la capa superior o se reconstruirá la zona afectada. En cualquier caso, se debe tener en cuenta que los

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incrementos de espesor en la capa superior bituminosa resultan más caros y no mejoran la resistencia a fatiga del firme original.

7.7.1.2 Control de la pendiente y de la regularidad transversal Se debe verificar que la capa tratada con cemento tiene la pendiente asignada en los planos de proyecto. Generalmente, no se establecen tolerancias para esta característica, aunque es recomendable hacerlo (por ejemplo, 0,5 % en bases, 0,75 % en subbases y 1 % en arcenes, con criterios adicionales para desviaciones puntuales). La comprobación se realiza topográficamente y los perfiles de medida pueden ser los mismos en los que se comprueba la cota. La regularidad del perfil transversal se puede comprobar mediante regla fija de 3 m o mediante perfilómetros. Es recomendable establecer distintos niveles de tolerancia (0,5 cm, 1 cm ó 2 cm, según la obra). 7.7.1.3 Control de la regularidad longitudinal La regularidad longitudinal se comprueba generalmente obteniendo mediante perfilómetro el parámetro IRI (Índice de Regularidad Internacional, NLT-330), aunque también se puede llevar a cabo mediante regla rodante. Es conveniente tomar varios perfiles de medida, como mínimo una en cada carril y normalmente en su eje. Se suelen exigir los valores mostrados en la Tabla 7.5, o bien, que la superficie no varíe en más de 10 mm con regla rodante de 3 metros. Si los resultados exceden el límite establecido en cada caso, deberán corregirse los defectos mediante fresado.

Foto 7.7

Equipo Dipstick para la medida de la regularidad.

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Tabla 7.5

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Valores máximos recomendados para el IRI (dm/hm) en capas tratadas con cemento.

PORCENTAJE DE HECTÓMETROS 50 80 100

TIPO DE VÍA Y CAPA Subbases en tronco de Bases en tronco de autopistas autopistas y autovías y bases y autovías en resto de vías < 2,5 < 3,0 < 3,0 < 3,5 < 3,5 < 4,0

7.7.1.4 Control de la anchura de capa La anchura de la capa se puede comprobar con cinta métrica. Se suelen considerar tolerancias del orden de 2, 3 ó 5 cm según la obra.

7.7.2 Testigos Los testigos se utilizan fundamentalmente para la determinación del espesor y densidad de la capa o de la resistencia del material. Se pueden emplear también para comprobar la adherencia entre capas tratadas con cemento y capas bituminosas. Además de la extracción de testigos, es recomendable complementar el control de espesores con medidas topográficas, y así disponer de un mayor número de valores. Hay que tener en cuenta que hay que esperar un cierto tiempo hasta que pueden extraerse los testigos.

Foto 7.8

Extracción de testigos.

Resulta conveniente extraer como mínimo dos testigos por lote, localizados aleatoriamente, debiéndose aumentar hasta cinco si el espesor de alguno de los dos primeros fuera inferior al prescrito. Si se van a utilizar posteriormente para la medida de resistencias, deben ser de 15 cm de diámetro. Las tolerancias que se aplican a los espesores se han señalado anteriormente (véase Apartado 7.7.1). Los orificios producidos se deben rellenar con material de la misma calidad que el utilizado en el resto de la capa, el cual debe ser correctamente compactado y enrasado. En casos de litigio, o para comprobación de las condiciones de ejecución, se pueden comparar las resistencias de los testigos con las obtenidas en testigos de edad similar extraídos en el tramo de prueba. Generalmente, las resistencias sobre testigos son menores que las medidas sobre probetas, debido a que los

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primeros suelen presentar puntos débiles producidos durante el proceso de extracción. Se deben también considerar las temperaturas a las que se han visto sometidos los materiales, ya que pueden haber acelerado o retrasado el proceso de fraguado.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Un control adecuado de la calidad no se puede basar únicamente en la obtención de una serie de resultados de ensayos, sino que exige su interpretación y un análisis de la tendencia de los mismos. Esto puede hacerse de forma sencilla con la ayuda de herramientas de análisis estadístico. Lógicamente, la aplicación de técnicas estadísticas es más limitada en obras pequeñas, donde hay menos datos disponibles y es difícil conseguir que se mantengan las mismas condiciones de ejecución. Sin embargo, no es realista basar decisiones en pocos ensayos, ya que se producen variaciones debidas al muestreo o al propio ensayo. Un instrumento muy útil para ver cambios en los procesos de ejecución son los gráficos de control. Una vez detectada la variación se pueden tomar las medidas correctoras para eliminar las causas del desajuste. Uno de los gráficos de control más utilizados es el de las medias móviles a partir de 4 ó 5 valores consecutivos. Uno de los sistemas más adecuados para detectar posibles desajustes en los procedimientos de ejecución es el análisis de gráficos de control (por ejemplo, diagramas de medias móviles como el mostrado en la Figura 7.2). Este sistema permite adoptar medidas correctoras si se produce alguna variación inesperada de los resultados, o evaluar las consecuencias de las modificaciones introducidas.

104

Densidad (% PM)

7.8

102 100 98

Límite inferior prescripción: 98%

96

Puntual Media móvil

94 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

Ensayos Figura 7.3 Ejemplo de utilización de medias móviles de cuatro ensayos para controlar la compactación de una capa. Los ensayos 6 y 7 muestran que la densidad media está bajando por lo que se tendrán que adoptar medidas para incrementar la misma.

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Las medias móviles se representan junto a los límites y las tolerancias de cada valor y los umbrales de aviso en su caso, de manera que sea fácil detectar las noconformidades.

7.9

LISTADO DE NORMAS DE ENSAYO Para que los resultados de los ensayos aporten alguna información que permita adoptar decisiones es necesario que en su valoración se utilicen procedimientos normalizados, que vienen recogidos en forma de normas reguladas o establecidas por organismos oficiales. En la Tabla 7.6 se incluye un listado de las normas que son de aplicación para el control de calidad de los materiales tratados con cemento. Tabla 7.6

Listado de normas de ensayo de materiales tratados con cemento.

ENSAYO Toma de muestras de material granular Límite líquido Límite plástico Contenido de materia orgánica Contenido de sulfatos solubles agua Contenido de sulfatos solubles en ácido Equivalente de arena Valor del índice azul de metileno Granulometría del material granular Proporción de terrones de arcilla Coeficiente de desgaste Los Ángeles Proporción de partículas trituradas Índice de lajas Humedad de la mezcla Densidad de referencia Proctor Modificado Plazo de trabajabilidad Fabricación de probetas Conservación de probetas Resistencia a compresión simple Resistencia a tracción indirecta Sensibilidad al agua Regularidad superficial (IRI) Densidad de la capa por el método de la arena Contenido de cemento de sueloscemento en fresco (método del calor de neutralización) Contenido de cemento de sueloscemento en fresco Contenido de cemento de mezclas con cemento

NORMA UNE-EN 932-1 UNE 103103 UNE 103104 UNE 103204 UNE-EN 1744-1 UNE-EN 1744-1 UNE-EN 933-8 UNE-EN 933-9 UNE-EN 933-1 UNE 7133 UNE-EN 1097-2 UNE-EN 933-5 UNE-EN 933-3 UNE 103300 UNE 103501 41240 NLT-310 UNE 83301 NLT-305 UNE 83306 NLT-312 NLT-330 UNE 103503 ASTM D5982 ASTM D2901 BS 1924:Part2

7.10 GUÍA PRÁCTICA DE IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS Se presenta a continuación en forma de tabla, una guía práctica de identificación de algunos de los problemas más comunes que pueden surgir durante el control de calidad de los materiales tratados con cemento y de las causas que suelen provocarlos.

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Tabla 7.7 PROBLEMA

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Guía práctica de identificación de problemas durante el control de calidad. CAUSAS POSIBLES Se ha dosificado menos cemento del indicado en la fórmula de trabajo. La humedad de la mezcla es alta. Posible contaminación del acopio, generalmente por plasticidad.

La resistencia de las probetas es inferior a lo La fabricación de probetas es requerido incorrecta.

Exceso de humedad.

Curado defectuoso. Falta de compactación. Se está utilizando otro cemento al de la fórmula.

COMENTARIO Comprobar consumos diarios y tarar los dosificadores. Comprobar la humedad del acopio y los dosificadores. Verificar la densidad in-situ. Si se sospecha, acotar el acopio y realizar una campaña de límites. La humedad nunca puede ser mayor a la de obra. Averías en la cámara de curado. Densidad de la probeta inferior a la requerida. Comprobar todos los albaranes.

Examinar la amasadora, paletas y tiempo de amasado. Por lluvias o por razones de fabricación. La La humedad de puesta en obra es alta. densidad es muy sensible de la humedad. Por número de pasadas o por peso de los La densidad Falta energía de compactación. compactadores. que se obtiene en obra es El proctor de referencia es alto. Contrastar el acopio. inferior a la Es muy raro, pues se ve al ejecutar la Las capas de debajo no están bien. que se propia capa. prescribe Es poco usual y antieconómico, pero a Exceso de espesor en la capa. mayor espesor e igual número de pasadas, menor densidad. Se están produciendo segregaciones en el La superficie de rodadura se pela. extendido. Revisar la descarga de planta a camión. Revisar la granulometría de la mezcla. El acabado de rodadura está segregado, Revisar la extendedora, puede haber hay nidos. desgaste. El compactador neumático mejora este problema. No se está compactando bien. La velocidad del extendido es alta. Se está El acabado de rodadura presenta secando la superficie por viento y hay ondulaciones. arrollamientos al compactar. Puede haber Problemas exceso de finos. asociados al acabado o Falta de berma. Los bordes se están terminacion Los bordes están muy deformados. secando y no tienen consistencia. Se está pisando mal. Exceso de resistencias. Curado La capa está rompiendo por donde inadecuado. Mala ejecución de quiere. prefisuración. Observar evolución. Mala ejecución de las juntas. Curado Los labios de prefisuración se rompen. inadecuado. Las mezclas tratadas con cemento son muy sensibles a los movimientos. Nunca Otros aspectos de la fisuración. se deben colocar en un terraplén de cierta entidad sin tiempos de espera. Problemas Nos hemos equivocado en la fórmula de La resistencia a 90 días se dispara. asociados a un trabajo por no formular a 90 días. exceso de Se debe prefisurar a menor distancia. conglomerante Fisuración violenta sin orden. Dejarlo evolucionar antes de tomar decisiones. Comprobar la temperatura del Temperatura de la mezcla. conglomerante. Estamos queriendo cumplir sobrados a Se debe formular siempre a 90 días, 7días. incluso cuando lo carguemos antes. Amasado en planta defectuoso.

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CAUSAS POSIBLES Contaminaciones de acopio.

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COMENTARIO Cuando se producen y son detectadas se suele sobredosificar como mal menor y esto genera unas dispersiones tremendas.

8

Capítulo

PREFISURACIÓN DE CAPAS TRATADAS CON CEMENTO En este capítulo se describen las causas de la fisuración de los materiales tratados con cemento y la técnica de la prefisuración como el mejor método para controlar e incluso eliminar la reflexión de estas fisuras en la superficie del pavimento.

8.1

INTRODUCCIÓN La fisuración por retracción y cambios volumétricos debidos a gradientes térmicos (véase Apartado 8 del Capítulo 2) es una característica inherente a las capas de materiales tratados con conglomerantes hidráulicos. El principal inconveniente que se achaca a los firmes semirrígidos, frente a las evidentes ventajas que presentan desde el punto de vista estructural, es la posibilidad de que estas fisuras se reflejen en la superficie del firme. Los firmes semirrígidos son y han sido ampliamente utilizados tanto en España como en el resto del mundo, especialmente en Europa y Estados Unidos. No obstante, y pese a sus numerosas ventajas, la aparición de fisuras reflejadas en la superficie del firme comenzó a preocupar debido al posible rechazo que podía sufrir esta técnica. Se inició así un importante esfuerzo de investigación encaminado a estudiar el fenómeno de la fisuración así como a encontrar sistemas adecuados para retardar, y en lo posible evitar, la reflexión de estas fisuras. Entre las medidas estudiadas la más sencilla consistía en la disposición de juntas transversales de contracción a distancias próximas. La aplicación de esta medida se fue optimizándo con el tiempo y derivando hacia una ejecución en fresco antes de la compactación de la capa de material tratado con cemento, adoptándose el termino de "prefisuración" para referirse a la misma.

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De todos los métodos estudiados hasta la fecha, la prefisuración de las bases tratadas con cemento ha demostrado ser el más eficiente para minimizar, e incluso eliminar, la reflexión de fisuras en la superficie del firme.

La eficacia mostrada por la prefisuración ha hecho que países como Francia, Alemania y España hayan incluido esta técnica en sus catálogos de secciones de firme (Francia, 1998, Alemania, 2001 y España 2002).

8.2

LA REFLEXIÓN DE FISURAS DE RETRACCIÓN Las fisuras de la superficie del firme, producidas por la reflexión de grietas de retracción o juntas de contracción de las capas tratadas con cemento, se caracterizan por ser sensiblemente rectilíneas, perpendiculares al eje de la calzada y regularmente espaciadas. En ocasiones pueden aparecer también grietas longitudinales paralelas al eje de la calzada hacia la mitad de la anchura de la misma. Cuando se permite la libre fisuración de estas capas sin realizar juntas de contracción, el espaciamiento entre las fisuras suele variar entre los 3 y los 20 m, dependiendo de la naturaleza de los materiales, la dosificación de conglomerante utilizada y las condiciones climáticas. La abertura de los labios de las fisuras es inicialmente muy pequeña, pudiendo evolucionar con rapidez en función de la intensidad y agresividad del tráfico, de las variaciones térmicas en la zona, y de la naturaleza de la mezcla bituminosa del pavimento.

Foto 8.1

Detalle de grieta transversal reflejada en superficie.

8.2.1 Causas de la reflexión de fisuras La reflexión de fisuras en superficie se produce por procesos cíclicos de abertura y cierre de las mismas, y por movimientos verticales diferenciales, producidos como consecuencia de la combinación de diferentes factores: Variaciones estacionales de temperatura, que dan lugar a movimientos horizontales como consecuencia de los acortamientos y alargamientos experimentados por las losas. Página - 2 -

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Variaciones diarias de temperatura, generalmente producidas entre el día y la noche, que dan lugar a la existencia de gradientes térmicos en las losas que pueden provocar su deformación por combado. Las cargas de tráfico pesado, que originan movimientos verticales diferenciales de los labios de las fisuras al pasar de una losa a otra.

Foto 8.2

Grieta reflejada deteriorada con escalonamiento.

En general, los movimientos verticales son los que más favorecen la reflexión de fisuras; en particular cuando su magnitud se incrementa debido a un insuficiente o inexistente engranaje entre los labios de la fisura. La insuficiente transferencia de cargas puede ser consecuencia de una distancia excesiva entre las fisuras, que propiciará que las aberturas producidas por fenómenos de contracción térmica sean mayores y no haya contacto entre bordes, por un desgaste de los áridos producido por diversas causas (dureza inadecuada, insuficiente número de caras de fractura, erosión producida por la entrada de agua, etc.), o por el serrado de las juntas a profundidades excesivas. Los movimientos debidos a variaciones térmicas son tanto mayores cuanto mayor es la separación entre fisuras. El acortamiento de una losa provocado por un descenso de temperatura será mayor cuanto mayor sea la longitud de ésta. Lo mismo ocurre con los movimientos verticales diferenciales: cuanto más larga sea la losa, mayor puede ser el despegue de ésta con respecto a su soporte. Si las fisuras son muy finas y próximas, los movimientos horizontales son muy reducidos y los verticales diferenciales están impedidos por el engranaje de las partículas resistentes de los áridos. Sin embargo, con fisuras más espaciadas aumenta la abertura de la fisura y disminuye dicho engranaje, y estos movimientos alcanzan valores que no puede soportar el pavimento bituminoso, salvo que se disponga con espesores importantes (superiores a 18 cm), lo que suele resultar antieconómico. El objetivo fundamental de la prefisuración a distancias cortas es limitar la separación entre fisuras, ya que es el factor que más influye en los

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movimientos de las mismas, y por tanto, en su reflexión en la superficie del firme.

8.2.2 Consecuencias de la reflexión La reflexión de fisuras tiene una serie de consecuencias negativas para el firme. Por un lado, con tráfico pesado e intenso, si no se tratan, las fisuras se van abriendo y pueden constituir una vía de entrada de agua o de partículas sólidas, ocasionándose importantes degradaciones en los labios de la fisura tanto al producirse la dilatación de las losas por el aumento de la temperatura como por los impactos de los vehículos pesados. Sólo en el caso de tráfico ligero sus consecuencias son limitadas y no requieren atención. Por otra parte, perjudican el aspecto del firme, si bien el usuario no aprecia en general la existencia de las fisuras hasta que su abertura ha ido progresando y se ha llevado a cabo un ponteado como actuación de conservación.

Foto 8.3

Vista de grietas reflejadas selladas.

8.2.3 Factores que influyen en la reflexión Resulta difícil valorar la influencia que los distintos factores tienen sobre la fisuración o la reflexión de estas fisuras. Sin embargo, sí se han podido observar tendencias de comportamiento de los firmes ante parámetros tales como los siguientes: Características de la capa de material tratado con cemento. Condiciones de adherencia con las capas superior e inferior. Características y espesor de las mezclas bituminosas superiores. Condiciones de puesta en obra. Factores climáticos y condiciones de tráfico. Ejecución o no de juntas prefisuradas. Las características del material tratado con cemento que más influyen son: La naturaleza y granulometría de los áridos, y la naturaleza y contenido de conglomerante de la mezcla.

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Se ha puesto de manifiesto que la utilización de áridos calizos, por su coeficiente de dilatación térmica más reducido, así como la de cementos con elevado contenido de adiciones, debido a su desarrollo más lento de resistencias y a su menor calor de hidratación, dan lugar a mezclas que presentan menores problemas de fisuración. Por otra parte, cuanto mayor sea el rozamiento entre la capa y su soporte y menor la resistencia del material a edades cortas, mayor será la proximidad entre fisuras y menor será la abertura de las mismas. Las características de las mezclas bituminosas que se coloquen sobre la capa tratada tienen también una importante influencia en la evolución de la reflexión de fisuras (véase Capítulo 9). En general, la evolución será más lenta en mezclas con altos contenidos de ligante. Por otro lado, el espesor total de mezclas bituminosas tiene una importancia decisiva ya que al aumentar éste, disminuyen los gradientes térmicos en la base tratada con cemento, se reducen los movimientos de la fisuras, y éstas tardan más en reflejarse en superficie. La falta de adherencia con la capa superior bituminosa, no sólo reduce la vida de fatiga del firme, sino que también tiene su importancia en la naturaleza y evolución de la fisuración. Con una adherencia deficiente, la fisura se refleja de forma ramificada, experimentando un grave y rápido deterioro. Las condiciones climáticas, tanto durante la puesta en obra como a lo largo de la vida del firme, así como el tráfico, influyen también en la fisuración, tal y como ya se ha explicado. Los movimientos de las fisuras debidos a gradientes térmicos (sobre todo entre el día y la noche) unidos al efecto del tráfico favorecen la rápida propagación de fisuras. En este sentido, se ha comprobado que la reflexión de fisuras en climas marítimos templados es mucho menor que en climas continentales, como es el caso de la meseta española.

8.3

CONTROL DE LA REFLEXIÓN DE FISURAS DE RETRACCIÓN Existen varias formas para tratar de controlar y limitar la reflexión de fisuras en la superficie del firme, entre las que se pueden destacar las siguientes: Reducir las tensiones transmitidas por la base tratada al pavimento bituminoso. Para ello, se pueden formar fisuras más finas y próximas mediante la técnica de la prefisuración, además de actuar sobre la dosificación y naturaleza de los materiales componentes de la base tratada. Interponer sistemas, del tipo membrana o capas de arena-betún, que absorban las tensiones existentes en la interfase base-pavimento. Esta técnica está más extendida en conservación, situando el sistema entre las capas de refuerzo y el firme antiguo, frecuentemente tras la extensión de una capa de regularización. Aumentar la capacidad resistente del pavimento a la propagación de fisuras. Esto se puede lograr utilizando mezclas bituminosas con elevado contenido de mortero, e incrementando el espesor de las mismas. La segunda técnica permite controlar los esfuerzos tangentes producidos por los movimientos de abertura y cierre de las fisuras, pero no así los esfuerzos de Página - 5 -

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cizallamiento producidos por el paso de las cargas del tráfico, y que son tanto mayores cuanto menor es el coeficiente de transmisión de cargas entre fisuras. La tercera técnica, aún siendo eficaz, no es eficiente, ya que resulta claramente antieconómico aumentar el espesor de las capas bituminosas únicamente para impedir que se reflejen las fisuras. Una medida también empleada es la de imponer un límite superior a la resistencia del material a edades cortas, ya que de esa manera se consigue que las fisuras surjan a menor distancia. Esta medida se ha traducido en muchos casos en dotaciones reducidas de conglomerante lo que en ocasiones puede resultar más perjudicial que beneficioso (menores resistencia mecánica, durabilidad, resistencia a la abrasión, etc).

Foto 8.4

Vista de una capa prefisurada en fresco.

La prefisuración hace innecesario imponer un límite superior a la resistencia de los materiales tratados y permite utilizar bases de elevadas prestaciones (gravascemento de alta resistencia, hormigones magros compactados u hormigones compactados) sin riesgos de que se produzcan fisuras con una separación excesiva, con tendencia a degradarse por efecto del tráfico. Lógicamente, la prefisuración será necesaria cuando el riesgo de reflexión de fisuras sea elevado y las consecuencias sean incompatibles con el nivel de funcionamiento deseado para el firme. Dando por hecho que tanto las mezclas bituminosas utilizadas, como la adherencia entre capas, son adecuadas, se han de tener en cuenta básicamente cuatro parámetros para tomar la decisión: El tráfico. La zona climática. El espesor de la mezcla bituminosa superior. La resistencia del material tratado. La decisión sobre cuándo prefisurar se puede basar en las indicaciones de la tabla 8.1. En general, es necesario prefisurar todos los materiales con una resistencia igual o superior a la de una gravacemento, salvo en el caso de tráficos bajos y

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clima litoral, y resulta necesario prefisurar el suelocemento únicamente con tráficos altos. Tabla 8.1

Recomendaciones acerca de la necesidad de prefisurar la capa tratada con cemento.

CLIMA RCS7 < 4 MPa RCS7 ≥ 4 MPa CONTINENTAL Obligatorio (1) IMDP ≥ 200 Obligatorio LITORAL Recomendable (1) CONTINENTAL No necesario IMDP < 200 LITORAL Recomendable (2) RCS7: Resistencia compresión simple a 7 días del material tratado con cemento. (1) No necesario cuando el espesor de MB ≥ 18 cm. (2) No necesario cuando la IMD de vehículos pesados en el carril de proyecto sea inferior a 25, durante el primer año de puesta en servicio. TRÁFICO

La distancia más adecuada entre juntas transversales de contracción es de 2 a 3 metros, aunque en los casos menos críticos como el del suelocemento bajo espesores de mezcla bituminosa superiores a 10 cm se puede aumentar esta distancia a 4 m. Con esta separación entre juntas se intenta garantizar que todas ellas se abrirán y trabajarán como tales y limitar la abertura de las mismas. De este modo, los movimientos debidos al tráfico y las variaciones térmicas podrán ser soportados por las capas superiores de mezcla bituminosa, evitándose la reflexión de grietas en superficie, y en caso de que se llegaran a producir, serían lo suficientemente finas para no degradarse por efecto del tráfico. Actualmente, la técnica más eficiente para impedir que se produzca la reflexión de fisuras de la base tratada en las capas de mezcla bituminosa es la formación de juntas en fresco a distancias cortas de unos 3 m (2 a 4 m), lo que permite disminuir de forma drástica los movimientos horizontales y verticales de las fisuras.

8.4

SISTEMAS DE PREFISURACIÓN Desde hace más de tres décadas se vienen desarrollando técnicas para la creación de juntas próximas en las capas tratadas con cemento, a fin de minimizar los movimientos, tanto verticales como horizontales, de las mismas. Dichas juntas se consiguen mediante la creación de entallas, con o sin inclusión de algún elemento en las mismas, las cuales se pueden agrupar en dos familias: Entallas que abarcan menos de la mitad del espesor de la capa (normalmente entre 1/3 y 1/4 del espesor de la misma), realizadas en fresco o por serrado del material endurecido. Entallas que abarcan la práctica totalidad del espesor de la capa, realizadas en fresco y en las que se introduce algún elemento en el surco realizado que impida el fraguado conjunto de ambos lados de la junta formada. En las entallas realizadas por serrado se pueden provocar deterioros en los labios de las juntas si el material no presenta la suficiente resistencia. Esto obliga, en general, a esperar un cierto plazo para poder proceder al serrado de la capa, lo que puede causar la fisuración incontrolada del material. Además, el serrado de

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juntas puede producir una pérdida significativa de transferencia de cargas entre bordes. El sistema de prefisuración en fresco a espesor parcial, sin inclusión de ningún elemento, plantea la duda de si las entallas se cerrarán tras el paso de los rodillos y de si, aún sin cerrarse, el debilitamiento será suficiente para que se forme la junta en todas ellas. Para evitar este problema se recomienda prefisurar en fresco un espesor importante de la capa incorporando en el surco formado algún elemento que evite la adherencia entre los labios de la fisura y asegure un debilitamiento real de la junta realizada (emulsión bituminosa, láminas de plástico flexible o perfiles ondulados de plástico rígido). No se recomienda la creación de juntas por serrado en el material endurecido. Por su mayor eficacia, sencillez y economía se recomienda la ejecución de juntas profundas en fresco.

8.5

EJECUCIÓN DE LAS JUNTAS EN FRESCO La ejecución de juntas transversales en fresco (prefisuración) es una de las tareas que más va a influir en el correcto funcionamiento del firme semirrígido. La importancia de esta operación requiere los medios humanos y materiales necesarios, así como suficiente atención. Existen dos sistemas para realizar las juntas en fresco, el mecanizado mediante equipos automáticos, y el manual mediante bandejas vibrantes con una cuchilla acoplada. Los equipos automáticos (Apartado 5.3.4) ejecutan las juntas en fresco de forma mecanizada y sencilla sin interferir en el resto de las operaciones de puesta en obra. Estos sistemas automáticos (tipo CRAFT, OLIVIA o JUNTAS ACTIVAS) ofrecen gran calidad, elevado rendimiento, sencillez y facilidad de ejecución. Con los sistemas manuales, tipo placas vibrantes, se deben extremar las precauciones durante la ejecución, ya que la calidad del corte de las juntas depende mucho de los operarios. Debido a la gran dureza del trabajo, a las pocas horas éstos tienden a no introducir la cuchilla de la bandeja vibrante en la profundidad requerida, con peligro de que no se cree posteriormente la junta en todo el espesor de la capa. Se recomienda la utilización del sistema automatizado CRAFT ya que cumple la doble condición de que garantiza suficientemente la calidad en el corte de las juntas y se ha utilizado con éxito en España. Los sistemas manuales únicamente se deberían utilizar en carreteras secundarias o en tramos de poca longitud, o bien como recurso de emergencia en caso de que se averíe el equipo automático.

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Prefisuración en fresco con equipo mecanizado tipo CRAFT.

Sea cual fuere el sistema utilizado, la ejecución de las juntas debe comenzar inmediatamente después de finalizar la extensión y antes de iniciar la compactación del material tratado. Las juntas se cortan perpendicularmente a la dirección de la calzada y, siempre que sea posible, en todo el espesor de la capa tratada con cemento. Una vez creadas las entallas y después de introducir en su caso la emulsión o el elemento de separación, se lleva a cabo la compactación de la capa mediante el paso de rodillos.

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Compactación de la capa tras la creación de las fisuras transversales en fresco.

8.5.1 Sistemas mecanizados Se han desarrollado equipos de gran potencia con los que se realiza un corte que afecta una gran parte (más del 50%) o la totalidad del espesor de la capa, aún en el caso de que ésta tenga una cierta precompactación, y que al mismo tiempo efectúan algún tipo de tratamiento (vertido de emulsión en el equipo CRAFT, inclusión de una lámina de plástico flexible en el sistema OLIVIA, o inclusión de un perfil ondulado de plástico rígido en el sistema de JUNTAS ACTIVAS) para evitar que se vuelvan a adherir las caras de la junta. El sistema CRAFT consiste en un equipo acoplado al sistema tractor de una motoniveladora o retroexcavadora, que realiza las operaciones de ejecución de la junta de forma automática, vertiendo emulsión bituminosa en las paredes del surco a medida que lo va creando. Su alto rendimiento le permite adaptarse perfectamente al ritmo de puesta en obra, tanto en extendidos en ancho completo como por semianchos, sin provocar retrasos en la ejecución.

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Detalle de la cuchilla del equipo CRAFT.

La duración de un ciclo de trabajo, desde que la máquina inicia el corte de un surco hasta que se coloca sobre el siguiente, es inferior a 30 segundos. Por otra parte, el movimiento del brazo articulado no supone un obstáculo para el resto de los equipos. Dada la operatividad y eficacia de este equipo, está especialmente indicado para la ejecución de juntas transversales de contracción en capas de base tratadas. Además, sus dimensiones le permiten trabajar cómodamente por bandas, por lo que su empleo en obras bajo tráfico (refuerzos, ensanches, reciclados in situ) no plantea ningún tipo de problema. El sistema OLIVIA consiste en un equipo montado en el chasis de una carretilla elevadora de carga frontal que crea un surco transversal en la capa de material tratado y simultáneamente inserta en él una cinta de plástico.

Foto 8.8

Detalle de la inserción de una tira de plástico con el sistema OLIVIA.

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Para evitar ser arrastrada por los equipos de puesta en obra, la cinta se coloca a una profundidad de 6 a 10 cm por debajo de la superficie del material sin compactar. Con ello se tiene en cuenta tanto el descenso de la cota de esta última tras el paso de los rodillos como un eventual refino para mejorar la regularidad superficial.

Foto 8.9

Testigo extraido de una junta realizada con el sistema de juntas activas.

Un último sistema es el denominado de JUNTAS ACTIVAS. Esta técnica consiste en practicar un surco en todo el espesor de la capa, una vez extendida y tras haber sufrido una ligera compactación, introduciendo a continuación en el mismo un perfil ondulado de plástico rígido. Posteriormente, la misma máquina cierra el surco y se finaliza la puesta en obra de la forma usual.

8.5.2 Sistemas manuales En general, estos sistemas utilizan placas vibrantes con una cuchilla triangular soldada a su cara inferior para crear entallas interesando únicamente parte del espesor. Las placas pueden ser desplazadas manualmente, en cuyo caso disponen de ruedas que permiten su elevación y facilitan su traslado, o bien se pueden acoplar a otros equipos que lleven a cabo su desplazamiento (rodillo compactador, pala excavadora, etc.).

Foto 8.10

Ejecución manual de juntas transversales y detalle de cuchilla acoplada a placa vibrante.

También se pueden utilizar con el mismo fin pequeños rodillos vibrantes provistos de una cuchilla anular, o bien rodillos con un disco cortante giratorio acoplado a uno de sus laterales. Los equipos desplazados manualmente, y en particular las cuchillas acopladas a bandejas vibrantes, no suelen dar resultados satisfactorios cuando en el extendido se utiliza maquinaria con elevada precompactación, ya que resulta muy difícil introducir la cuchilla. El acoplamiento de la bandeja a una retroexcavadora o rodillo, o bien el empleo de cuchillas anulares, o discos incorporadas a rodillos, puede ayudar a resolver este problema.

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En cualquier caso, si se decide realizar la prefisuración mediante métodos manuales, se recomienda adoptar las siguientes medidas: Facilitar el manejo del dispositivo (estudiar la conveniencia de organizar varios turnos de 4-5 horas por día para evitar el cansancio de los operarios). La entalla se debe realizar como mínimo a 1/3 del espesor total sin compactar. La entalla debe generar un surco claro y ser lo más recta posible. Introducir algún tratamiento antiadherente, tipo emulsión o similar, en el surco creado. Extremar el control de calidad sobre todo el proceso.

8.5.3 Juntas longitudinales Siempre que se prefisure transversalmente la capa y la anchura de la calzada sea superior a 5 m se deben realizar también juntas longitudinales para evitar que surjan fisuras cuya reflexión pueda coincidir con la zona de rodada de los vehículos. En general se pueden situar en el centro de los carriles, o en todo caso, muy próximos a la línea de separación de los mismos, procurando que se formen losas con una relación entre sus lados mayor y menor no superior a 2. Se realizarán preferentemente por prefisuración en fresco con placas vibrantes, o bien, cuchillas o discos acoplados a la extendedora o a los rodillos compactadores. Si esto no fuera posible, se pueden realizar por serrado del material endurecido creando una entalla del orden de un tercio del espesor de la capa.

Foto 8.11

Creación de junta longitudinal con un equipo manual.

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Capítulo

MEZCLAS BITUMINOSAS En este capítulo se revisan las técnicas más adecuadas en relación con las mezclas bituminosas empleadas en pavimentos y bases de firmes semirrígidos con capas tratadas con cemento, desde el punto de vista de su espesor en el firme, dosificación de sus componentes y condiciones de ejecución.

9.1

INTRODUCCIÓN La colocación de mezclas bituminosas sobre capas tratadas con cemento tiene por objeto: Dotar al firme de una superficie de rodadura segura, cómoda y duradera, ya que en general, las capas tratadas con cemento no suelen permitir, ni por su resistencia a la abrasión ni por su regularidad superficial, que el tráfico pueda circular directamente sobre ellas. La única excepción la constituyen los firmes de hormigón compactado con circulación a velocidad reducida Evitar o reducir la reflexión de fisuras de retracción propias de los materiales tratados con cemento. En algunos casos, aportar capacidad estructural a la sección. Las funciones anteriores son comunes a todo tipo de firmes, salvo la relativa a evitar o reducir la posible reflexión de las grietas de retracción, que por tanto marca algunas características diferenciadas de los pavimentos bituminosos para los firmes semirrígidos, en cuanto a espesor, tipo de mezcla bituminosa y condiciones de puesta en obra. Se debe tener en cuenta que aunque las medidas que se señalan en este capítulo ayudan a retrasar la reflexión de grietas, los espesores de mezclas bituminosas inferiores a 18 cm pueden no ser suficientes para evitarla y se deben complementar, en las situaciones recomendadas en el capítulo anterior, con la prefisuración. Las recomendaciones que se indican a continuación deben tenerse

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también en cuenta cuando las mezclas bituminosas se coloquen sobre capas prefisuradas.

9.2

ELECCIÓN DE LAS MEZCLAS BITUMINOSAS

9.2.1 Mezclas bituminosas para capas de rodadura Las mezclas en caliente más usuales para capas de rodadura (Art. 542 y 543 del PG-3) para capas de rodadura son las mezclas continuas de tipo denso (D) o semidenso (S), las discontinuas para capas finas (F ó M) y las drenantes (PA). Todas ellas se pueden utilizar como capa de rodadura en firmes semirrígidos.

Foto 9.1

Detalle del aspecto superficial de una capa de rodadura drenante.

En las mezclas bituminosas para capa de rodadura sobre bases de gravacemento o de hormigón compactado, la dosificación debe evitar que se produzca un envejecimiento prematuro, ya que las mezclas envejecidas son relativamente frágiles y propagan rápidamente las fisuras. Además, una vez reflejadas, se produce un rápido deterioro de las mismas con el paso del tráfico. Las mezclas discontinuas y las drenantes no suelen tener problemas de envejecimiento prematuro, por sus contenidos usuales de ligante, pero las mezclas semidensas o densas pueden tenerlos. En estas mezclas se debe dosificar un contenido de ligante ligeramente mayor que en otros tipos de firmes, dentro del intervalo en el que no se presenten problemas de deformaciones plásticas. Las mezclas densas o semidensas en capas de rodadura sobre gravacemento u hormigón compactado se deben dosificar con un contenido de ligante algo más elevado, dentro del intervalo de seguridad frente a las deformaciones plásticas (ensayo de deformación en pista de laboratorio NLT – 173).

9.2.2 Mezclas bituminosas para capas inferiores Dentro de las mezclas bituminosas en caliente para capas intermedias y de base hay definidos dos tipos generales de granulometría continua: las mezclas semidensas y las gruesas. Además, existe un tipo especial de mezcla semidensa basado en la utilización de betún duro y que se conoce como mezcla de alto módulo (MAM). Las mezclas semidensas y las MAM suelen tener contenidos de

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huecos entre el 4 y el 6%, y las gruesas entre el 6 y el 9%, aunque ambos tipos se pueden diseñar con más o menos huecos que los señalados. Los husos granulométricos se subdividen en función del tamaño máximo del árido. Las mezclas bituminosas sobre capas tratadas con cemento no sufren deformaciones de tracción de entidad como para que presenten problemas de fatiga. Su dosificación se debe dirigir fundamentalmente a que no se produzcan grietas de reflexión en la superficie o que éstas sean lo más finas posible, especialmente en el caso de gravascemento u otros materiales de mayor resistencia, donde los esfuerzos de corte que soportan las mezclas son más importantes. Las mezclas más adecuadas para evitar la reflexión de fisuras son aquellas con un contenido de mortero algo más elevado, es decir con dotaciones de betún del orden del 4,7% en peso sobre áridos y un contenido de árido fino (cernido por el tamiz 2 mm UNE) entre el 30% y el 35%, lo que implica porcentajes de huecos del orden del 4%. Un aumento del contenido de huecos eleva rápidamente la velocidad de transmisión de grietas.

Foto 9.2

Probeta para la realización del ensayo de resistencia a la reflexión de fisuras.

Los criterios anteriores los cumplen las mezclas semidensas, así como algunas mezclas gruesas situadas en la parte alta del huso y con contenidos altos de betún (más del 4,5% de ligante en peso sobre áridos). El buen comportamiento de las mezclas semidensas se ha comprobado tanto en laboratorio como en obra. Por el contrario, las mezclas de tipo grueso con contenidos de ligante entre el 4% y el 4,5%, muy utilizadas en capa de base, no tienen apenas capacidad de amortiguar la reflexión de grietas. Con respecto a las mezclas de alto módulo no se tiene aún experiencia suficiente sobre su comportamiento en este sentido.

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Las mezclas bituminosas en caliente más adecuadas en capas intermedias o de base sobre materiales tratados con cemento son las de tipo semidenso con contenidos de betún del orden del 4,7% y huecos próximos al 4%. Estas mezclas reúnen las características adecuadas en cuanto a amortiguación de la propagación de fisuras, resistencia a las deformaciones plásticas y módulo de rigidez.

En estas mezclas con elevados contenidos de ligante se debe cuidar especialmente su dosificación para que no sean susceptibles a las deformaciones plásticas. En obras de cierta importancia y en caso de duda es aconsejable realizar sobre ellas el ensayo de deformación en pista de laboratorio (NLT-173).

9.3

ESPESOR DE LAS MEZCLAS BITUMINOSAS El espesor de mezclas bituminosas varía en función de las características que vayan a aportar al firme: Regularidad superficial Capacidad estructural Resistencia a la reflexión de fisuras Si su principal función es mejorar la regularidad superficial de las capas tratadas con cemento con objeto de obtener una rodadura cómoda para vehículos que circulen a velocidades superiores a 100 km/h, generalmente bastará con dos capas de mezcla bituminosa de pequeño espesor. Para velocidades inferiores, suele ser suficiente una única capa. Si el principal objetivo es el de aportar capacidad estructural al firme se proyectará el espesor que sea necesario para ello, siempre que cumpla el resto de las funciones. Si la principal función es evitar o retrasar la reflexión de fisuras de capas tratadas con cemento no prefisuradas se deben proyectar unos espesores mínimos en función del tipo de material tratado sobre el que se apoye y del tráfico que vaya a soportar. Los materiales más resistentes presentarán mayores aberturas de fisuras y por tanto precisarán de un pavimento más grueso, salvo que se prefisuren. Con tráficos ligeros no suele tener tanta importancia la reflexión de las fisuras. Los espesores mínimos para evitar la reflexión de fisuras en firmes con capas no prefisuradas son del orden de 10 cm sobre suelocemento y de 12 cm sobre gravacemento, teniendo en cuenta además que las intensidades más elevadas de tráfico suelen exigir también mayores espesores. Con tráfico pesado, el espesor de mezclas bituminosas que se suele disponer por motivos estructurales sobre capas de suelocemento supera estos valores. En firmes con gravacemento u otros materiales tratados con cemento de mayor resistencia, la técnica de la prefisuración reduce en gran medida la reflexión de fisuras, permitiendo proyectar los espesores de mezcla bituminosa necesarios únicamente desde el punto de vista estructural o por motivos de regularidad superficial.

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Resulta conveniente que el espesor de la tongada bituminosa que se dispone directamente sobre la capa tratada con cemento sea lo mayor posible, ya que se ha comprobado que desde el punto de vista de la reflexión de fisuras es más eficaz colocar una sola tongada gruesa que dos finas; así, por ejemplo, es preferible extender una tongada de 10 cm que dos de 5 cm.

9.4

COMPOSICIÓN DE LA MEZCLA Para reducir la reflexión de fisuras se puede también actuar directamente sobre los componentes de las mezclas bituminosas. Las siguientes medidas son beneficiosas en este sentido: Utilizar tamaños máximos de árido no muy elevados (20 mm) y, cuando se disponga de ellas, arenas calizas para aumentar la cohesión del mortero. Evitar la utilización de betunes duros tipo B 40/50 en las capas intermedias o inferiores, ya que su escasa deformabilidad acelera la reflexión de grietas. Quedan exceptuados los betunes para mezclas de alto módulo que se disponen con dotaciones no inferiores al 5,5% en peso sobre áridos. Emplear ligantes modificados con elastómeros (tipos BM-3b y BM-3c), que favorecen la consecución de altos contenidos en mortero sin riesgos de deformaciones plásticas.

9.5

PUESTA EN OBRA En la colocación de capas bituminosas en firmes semirrígidos hay que adoptar una serie de medidas de buena práctica: Compactar adecuadamente las capas de mezcla bituminosa, manteniendo el nivel de huecos en mezcla dentro de los valores proyectados. Una vez iniciada la puesta en obra de las capas de mezcla bituminosa, colocar todas ellas lo más rápidamente posible, y en ningún caso permitir que llegue el invierno sin haber extendido el espesor total de mezclas bituminosas. Asegurarse de que se ponen en obra los espesores previstos.

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Extensión de una mezcla bituminosa en caliente.

Además, y siempre que sea posible: No ejecutar el material tratado con cemento en épocas de fuerte calor. Posponer la extensión de la mezcla bituminosa hasta que se haya producido el primer agrietamiento por retracción (aproximadamente un mes).

9.6

ADHERENCIA ENTRE CAPAS BITUMINOSAS Como ya se ha comentado en el apartado 6.12, es fundamental conseguir la máxima adherencia entre todas las capas del firme para evitar su agotamiento prematuro. La unión de dos capas de mezcla bituminosa se consigue de forma relativamente sencilla aplicando entre ellas un riego de adherencia. El riego de adherencia consiste en la extensión de una emulsión bituminosa entre ambas capas bituminosas. La dotación más adecuada de ligante residual del riego dependerá del tipo de mezclas bituminosas que se vayan a unir, según se indica en la Tabla 9.1. Las emulsiones más adecuadas para esta aplicación son las termoadherentes, las de rotura rápida convencionales de los tipos ECR-1 o EAR-1 (según Art. 213 del PG-3) y las modificadas con polímeros de los tipos ECR-1-m o ECR-2-m (según Art. 216 del PG-3). Tabla 9.1

Dotaciones habituales de ligante para riegos de adherencia.

CAPA BITUMINOSA Bajo capas de mezclas bituminosas convencionales Bajo microaglomerados en caliente (tipos F y M) Bajo capas de rodadura drenantes (tipo PA)

LIGANTE RESIDUAL 300 g/m2 400 g/m2 500 g/m2

Previamente a la ejecución del riego se debe comprobar que la superficie existente está limpia de polvo, suciedad y materiales sueltos. En caso contrario se debe limpiar utilizando barredoras mecánicas u otros equipos adecuados. La aplicación del riego se debe realizar con camión cisterna regador y hay que coordinarlo con la extensión de la capa bituminosa superior de forma que la emulsión haya roto, pero sin que haya perdido su efectividad como elemento de

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unión. Además hay que evitar que los vehículos de obra levanten o dañen la emulsión aplicada.

Foto 9.4

Extensión de riego de adherencia con camión cisterna con rampa de riego.

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Capítulo

10 PROYECTO Y DIMENSIONAMIENTO DE FIRMES SEMIRRÍGIDOS En este capítulo se tratan aquellas cuestiones relativas al proyecto y dimensionamiento de los firmes semirrígidos. En particular se describen los métodos de dimensionamiento existentes, se definen los factores de diseño necesarios y se detalla el procedimiento que se debe seguir para el cálculo analítico de las secciones del firme.

10.1 INTRODUCCIÓN El objetivo del proyecto de un firme es diseñar y dimensionar todos los elementos que lo componen de manera que constituya una vía cómoda y segura para la circulación de vehículos, combinando de manera óptima la durabilidad, el coste y el respeto por el medio ambiente. El proyecto incluye el dimensionamiento de la sección estructural de la calzada y de los arcenes, así como, en su caso, el diseño de los elementos de drenaje del firme y de evacuación del agua superficial. El dimensionamiento de la sección estructural del firme debe partir del conocimiento del tráfico, la capacidad de soporte de la explanada, el clima y los materiales disponibles en la zona y, en algunos casos, también del entorno o las características de la carretera. A partir de estos datos, y para un determinado período de proyecto, se pueden dimensionar diferentes tipos de firmes que cumplan las condiciones fijadas y sean técnicamente adecuados. Posteriormente se realiza la selección del más apropiado mediante un análisis comparativo que permita establecer una relación entre la vida de servicio del firme y el coste de su construcción y de su mantenimiento en unas condiciones adecuadas.

10.2 MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO Los métodos de dimensionamiento de firmes se pueden clasificar en empíricos y analíticos, aunque en la práctica lo más habitual es encontrarse con métodos que combinan ambos procedimientos.

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Existe una amplia variedad de métodos empíricos. En uno de los extremos se encuentran aquellos basados únicamente en la experiencia del ingeniero y cuya evolución en el tiempo se basa en su periódica revisión al ir acumulándose dicha experiencia. En el otro extremo están aquellos otros que son el resultado de una recogida sistemática de datos sobre el comportamiento de los firmes y de una adecuada correlación de las variables de diseño con dicho comportamiento. Un ejemplo muy ilustrativo de este segundo caso son las primeras versiones del método de la AASHTO, basadas en regresiones sobre los datos obtenidos en el ensayo del mismo nombre llevado a cabo entre 1959 y 1961. En los métodos analíticos la respuesta del firme, en forma de tensiones, deformaciones o deflexiones de sus capas, se determina a través del uso de modelos matemáticos denominados modelos de respuesta. Estas respuestas se relacionan con el comportamiento de la estructura del firme mediante modelos de comportamiento o deterioro basados en ensayos de laboratorio o en datos de comportamiento en servicio. La observación de dicho comportamiento es necesaria para diseñar firmes de una manera realista. Entre las ventajas potenciales de este método frente a los empíricos se encuentran las siguientes: Se acomoda a los cambios de los tipos de carga. Se utilizan mejor los materiales disponibles. Se pueden incluir nuevos materiales. Mayor grado de confianza de las predicciones de comportamiento. Mejora la adaptación a las prácticas de construcción. Las propiedades de los materiales se relacionan mejor con el comportamiento real del firme. Se mejora la definición de las propiedades de las capas del firme. Permite incorporar efectos climáticos y de envejecimiento de materiales. Sin embargo, en la práctica su aplicación presenta muchos problemas, debido a la falta de datos sobre las características reales de los materiales (propiedades mecánicas, leyes de fatiga, etc.), y a que la mayoría de los técnicos que deben emplearlos no son especialistas en dimensionamiento de firmes. Por otra parte, estos modelos se deben ajustar de acuerdo con una serie de factores de carácter práctico, como por ejemplo las dispersiones de los materiales y espesores de las capas obtenidos realmente en obra. También hay que tener en cuenta que en la elaboración de los modelos matemáticos son necesarias simplificaciones que, lógicamente, no pueden prever todas las situaciones posibles que se puedan producir en la realidad. Hay ya en España un método de dimensionamiento analítico publicado por la Junta de Andalucía (Instrucción para el diseño de firmes de la Red de Carreteras de Andalucía, 1999) que puede servir de referencia para este tipo de estudios. Por los problemas que presentan los métodos analíticos, desde los años 70 en muchos países europeos se ha recurrido al establecimiento de unos catálogos de firmes en cuya elaboración se han tenido en cuenta tanto modelos analíticos como consideraciones empíricas. En España, el dimensionamiento de firmes mediante catálogos ha sido utilizado desde 1975, año en el que se elaboraron las Normas 6.1-IC y 6.2-IC. La última revisión del catálogo español fue llevada a cabo en el año 2002. Paralelamente, algunas otras Administraciones han

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publicado catálogos de firmes, como por ejemplo la Diputación de Vizcaya (Normas técnicas para las carreteras de Vizcaya, 1986) o la Junta de Castilla y León (Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos, 1996 y actualización de 2001).

Foto 10.1

Portadas de diversas normas españolas para el diseño de firmes.

10.3 FACTORES DE DISEÑO Cualquier procedimiento de dimensionamiento requiere la definición de una serie de factores de entrada, como son: El período de proyecto, es decir, la vida útil para la que se diseña el firme. El tráfico de proyecto (intensidad y composición del tráfico, distribución de cargas por eje, etc.). La capacidad de soporte de la explanada. Las características de los materiales que componen las distintas capas del firme. Las condiciones climáticas que puedan afectar al comportamiento del firme (temperaturas, pluviometría, etc.) Aparte de los anteriores, existen otros factores que pueden condicionar el proyecto de un firme, como son la disponibilidad de materiales, las dimensiones de la obra, el plazo de ejecución, el equipamiento y experiencia de las empresas constructoras, los firmes adyacentes, consideraciones políticas o sociales (para promover el empleo o la competencia empresarial), o bien otros relacionados con el entorno o el medio ambiente (ruido, limpieza, estética, etc.).

10.3.1 El tráfico En general, el parámetro del tráfico que interesa conocer para el dimensionamiento del firme es el número de vehículos pesados que circularán por la carretera durante el periodo de proyecto que se considere. Los vehículos ligeros, en comparación con los pesados, prácticamente no deterioran el firme; por ello, no se suelen tener en cuenta, salvo en algunas ocasiones para la elección de la capa de rodadura.

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Por otro lado, el dimensionamiento se realiza siempre para el carril de la calzada por donde va a circular un mayor número de vehículos pesados, al cual se denomina carril de proyecto. Se parte generalmente de la estimación de la intensidad media diaria (IMDp) de vehículos pesados durante el año de puesta en servicio. Algunos métodos empíricos y todos los analíticos utilizan el denominado tráfico equivalente de proyecto (TEP), o lo que es lo mismo, el número de ejes tipo que solicitarán el firme durante el periodo de proyecto considerado. La intensidad media diaria (IMDP) de vehículos pesados de la carretera se obtiene generalmente a partir mapas o aforos de tráfico. A continuación, este valor se multiplica por el porcentaje de vehículos pesados que utilizan el carril de proyecto. A falta de otros datos se pueden adoptar las siguientes hipótesis: En carreteras de dos carriles y doble sentido de la circulación, sobre el carril de proyecto circulará la mitad del total de vehículos pesados en los dos sentidos, salvo que se trate de una carretera de anchura de calzada menor de 6 m. En este caso, si el ancho de la calzada está comprendido entre 5 y 6 m, sobre el carril de proyecto circularán las tres cuartas partes del total de vehículos pesados, y si es menor de 5 m, la totalidad de vehículos pesados. En carreteras de dos carriles por cada sentido de circulación, sobre el carril de proyecto circulará el total de vehículos pesados en el sentido considerado. En carreteras con tres o más carriles por sentido de circulación, sin contar los carriles adicionales (carriles lentos, de aceleración o deceleración, ramales, etc.), sobre el carril de proyecto circulará el 85% del total de vehículos pesados en el sentido considerado. Para calcular el tráfico equivalente de proyecto (TEP), se parte de la IMDP durante el año de la puesta en servicio y se estima el número acumulado de vehículos pesados que circularán por el carril de proyecto de la carretera a lo largo del periodo de diseño (en general, 20 años). Para ello es preciso considerar el incremento anual de este tipo de tráfico durante el periodo de proyecto definido. Se suele adoptar una tasa de crecimiento, r, constante, entre el 3 y el 4% anual. De acuerdo con dichas hipótesis, el número de vehículos pesados NVP que circularán por el carril de proyecto durante el periodo de proyecto, será: NVP = IMDP · 365 · F

siendo: IMDP F

Intensidad media diaria de vehículos pesados en el carril de proyecto en el año de puesta en servicio del tramo Factor de crecimiento. Este factor representa la acumulación del tráfico durante el periodo de proyecto, n. En el caso de una tasa de crecimiento anual del tráfico de vehículos pesados constante, r (en tanto por uno), el factor de crecimiento es igual a:

F=

(1 + r )n − 1 r

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En el dimensionamiento analítico es necesario adoptar una carga tipo de cálculo (Fig. 10.1). En España, se suele utilizar el eje simple con ruedas gemelas y una carga de 13 t. Por tanto, es necesario conocer la equivalencia entre un vehículo pesado y dicho eje tipo de 13 t. Este parámetro es el denominado coeficiente de equivalencia.

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13 t

P=0,8 MPa En teoría, se debería calcular un coeficiente de equivalencia para la silueta de vehículos pesados típica de cada carretera, a partir de la distribución de cargas por eje de los vehículos. Para ello, sería preciso conocer previamente, mediante campañas de R=11,35 cm d=37,5 cm pesaje en movimiento, el espectro de cargas de una muestra representativa del tráfico que circule por la carretera en Figura 10.1 Carga tipo adoptada en el cálculo analítico. cuestión en el caso de acondicionamientos o modificaciones de trazado, o en carreteras del mismo corredor en el caso de nuevos trazados. Además, el coeficiente de equivalencia depende de la configuración del eje (simple, doble, o triple), del tipo de firme (flexible, semirrígido, rígido), del tipo de deterioro considerado, de la suspensión utilizada por los vehículos, etc.

Foto 10.2

Equipo para la adquisición de datos de pesaje en movimiento: báscula dinámica y esteras capacitivas.

Normalmente no se suele disponer de estos datos, por lo que se utiliza un coeficiente de equivalencia medio, CE, que se calcula mediante técnicas estadísticas para una determinada zona o red de carreteras. Actualmente, para los firmes semirrígidos de la red de carreteras españolas se suele considerar una equivalencia media de 0,6 ejes tipo de 13 t por cada

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vehículo pesado (CE=0,6).

En consecuencia, el tráfico equivalente de proyecto, TEP, se obtendrá de la siguiente expresión:

TEP = Tp ·CE = IMDP · 365 · F ·CE En muchos métodos de dimensionamiento se definen categorías de tráfico, generalmente en función de la IMD de vehículos pesados en el carril de proyecto en el año de puesta en servicio del tramo (IMDP), aunque también en función del tráfico equivalente o incluso de ambos parámetros. Por ejemplo, en la Tabla 10.1 se muestra la clasificación del tráfico, en función de la IMDP que figura en la Norma 6.1 - IC “Secciones de firme” del Ministerio de Fomento (2002). Tabla 10. 1

Clasificación del tráfico pesado según la Norma 6.1 - IC (2002). CATEGORÍA DE TRÁFICO T00 T0 T1 T2 T31 T3 T32 T41 T4 T42

IMDP ≥ 4000 < 4000 y ≥ 2000 < 2000 y ≥ 800 < 800 y ≥ 200 < 200 y ≥ 100 < 100 y ≥ 50 < 50 y ≥ 25 < 25

10.3.2 La explanada Las características de la explanada tienen una influencia considerable en el dimensionamiento del firme. Para una misma carga las explanadas más débiles se deforman más y por tanto provocan mayores tensiones y deformaciones en el firme. El parámetro más importante para caracterizar la explanada es su capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo cargas del tráfico. En el proyecto, se fija una capacidad de soporte mínima en función de los suelos disponibles para la coronación y de las características del terreno subyacente, en desmontes, o del material previsto para el relleno, en terraplenes. No hay que olvidar, además, la posibilidad de estabilizar los materiales de coronación. Los ensayos de laboratorio permiten, a partir de la granulometría y la plasticidad de las muestras tomadas, asignar una capacidad de soporte al suelo. No obstante, es preciso complementar esta primera estimación bien mediante ensayos mecánicos de laboratorio, de los que el más extendido es el índice CBR, o bien mediante ensayos de campo en el caso de desmontes. En estos últimos, la caracterización del terreno se hace directamente mediante equipos tales como el penetrómetro, la placa de carga, el deflectómetro de impacto, etc. El procedimiento más utilizado en España es la determinación del índice CBR en laboratorio, complementada en ocasiones con ensayos de penetración en campo.

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Compactación de un suelo para la formación de la explanada.

En la mayoría de los métodos de dimensionamiento se suelen fijar unas categorías de explanada en función de su capacidad de soporte mínima. En general, se utiliza como parámetro de clasificación el índice CBR o el módulo equivalente del conjunto formado por los suelos de aportación y el terreno natural, o incluso únicamente de los utilizados en coronación (0,5 - 1 m ). Por ejemplo, tanto en la Norma 6.1 – IC (2002) como en las Recomendaciones de proyecto de Castilla y León (1996 y 2001) se definen tres categorías de explanadas: E1, E2 y E3. En la primera, en función del módulo de compresibilidad en el segundo ciclo, Ev2, del ensayo de carga con placa que se prevé para cada categoría, y en la segunda, en función del índice CBR exigido a los suelos de coronación (Tabla 10.2). Además, en ambos casos dentro de cada categoría se proponen diferentes combinaciones de suelos de aportación y estabilizaciones para la coronación de la explanada en función de la capacidad de soporte del macizo subyacente (fondo de desmonte o núcleo del terraplén). Tabla 10.2

Clasificación de explanadas según la Norma 6.1 – IC (2002) del Mº de Fomento y las Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos (1996 y 2001) de la Junta de Castilla y León. CATEGORÍA DE EXPLANADA E1 E2 E3

Norma 6.1- IC Ev2 ≥ 60 Ev2 ≥ 120 Ev2 ≥ 300

Recomendaciones de Castilla y León CBR ≥ 5 CBR ≥ 10 CBR ≥ 20

10.3.3 El clima Aunque el clima se suele tener más en cuenta en la selección de los materiales y en otros elementos constructivos, como el drenaje, su influencia en el dimensionamiento de la estructura del firme puede ser también significativa, especialmente sobre el módulo de rigidez de las mezclas bituminosas que experimenta variaciones muy importantes con la temperatura.

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10.4 DIMENSIONAMIENTO MEDIANTE CATÁLOGOS Una vez determinados los factores de diseño, el dimensionamiento de firmes se puede realizar en la práctica mediante la utilización de nomogramas, ábacos, fórmulas de regresión, etc. No obstante, el sistema más habitual es el catálogo de secciones cuyo desarrollo se realiza mediante la utilización de métodos analíticos o empíricos, calibrados con el análisis del comportamiento de firmes en tramos de carretera con tráfico real, tramos experimentales o pistas de ensayo. Dichos catálogos presentan una gama de secciones estructurales de firmes, formadas por materiales de características normalizadas, definidas en función de la capacidad de soporte de la explanada y del tráfico de vehículos pesados que vaya a soportar la carretera, aunque pueden intervenir otros factores. Para cada combinación de categoría de tráfico y explanada se definen varias secciones posibles de firme. No obstante estas soluciones no son estrictamente equivalentes debido a factores tales como la distinta evolución bajo el tráfico o los diferentes costes de conservación y del usuario. Por consiguiente, la elección de las mismas se ha de hacer teniendo en cuenta consideraciones tanto técnicas como económicas. En las Tablas 10.3 y 10.4 se presentan ejemplos de secciones de firmes semirrígidos extraídas de los catálogos de la Norma 6.1-IC (firmes con suelocemento y gravacemento) y de las recomendaciones de firmes de Castilla y León (firmes con hormigón compactado). Tabla 10. 3

Secciones de firmes con base o subbase tratada con cemento incluidas en el catálogo de la Norma 6.1 – IC (2002).

TRÁFICO Y EXPLANADA

E1

SUELOCEMENTO E2

T00

-

T0

E3

E1

-

25 MB 30 SC(1)

-

-

-

20 MB 25 SC (1)

-

T1

-

20 MB 25 SC (1)

20 MB 20 SC (1)

-

T2

18 MB 30 SC (1)

18 MB 22 SC (1)

15 MB 20 SC (1)

-

15 MB 30 SC 12 MB 30 SC 8 MB 30 SC 5 MB 25 SC



T31 T32 T41 T42 (1)

GRAVACEMENTO E2 E3 20 MB 22 GC (1) 25 SC 18 MB 22 GC (1) 20 SC 15 MB 22 GC (1) 22 SC 15 MB 20 GC (1) 20 SC

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Estas capas se deberán prefisurar con espaciamientos de 3 a 4 m. MB: mezcla bituminosa; SC: suelocemento RC7>2,5 MPa; GC: gravacemento RC7>4,5 MPa. Los espesores son mínimos y están indicados en centímetros.

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Tabla 10.4

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Secciones de firmes con hormigón compactado incluidas en el catálogo de las Recomendaciones de firmes de la Junta de Castilla y León (1996 y 2001). TRÁFICO Y EXPLANADA T31 T32 T41 T42

E1

E2

8 MB 20 HC (1) 15 SC 8 MB 18 HC (1) 15 SC 5 MB 18 HC (1) 15 SC 5 MB (2) 16 HC (1) 20 ZN

8 MB 20 HC (1) 20 ZN 8 MB 18 HC (1) 20 ZN 5 MB 18 HC (1) 20 ZN

E3 8 MB 18 HC (1) 8 MB 18 HC (1) 5 MB 18 HC (1)

5 MB (2) 16 HC (1)

5 MB (2) 16 HC (1)

(1)

Estas capas se deberán prefisurar con espaciamientos de 3 a 4 m. Se puede sustituir por un doble tratamiento superficial si la IMD<100 vehículos/carril/día. MB: mezcla bituminosa; HC: hormigón compactado RTI28>3,3 MPa; SC: suelocemento RC7>2,5 MPa; ZN: zahorra natural. La definición de categorías de tráfico coincide con la de la Norma 6.1- IC. Los espesores son mínimos y están indicados en centímetros. (2)

El catálogo francés de secciones de firmes publicado en 1998 incluye distintas soluciones con materiales tratados con cemento. Considera dos categorías de red, estructurante y no estructurante, cuyos periodos de proyecto son de 30 y 20 años respectivamente. En la Tabla 10.5 se muestran algunas de las secciones propuestas para la red no estructurante (VNRS) con objeto poder compararlas con las incluidas en los catálogos españoles. Tabla 10.5 EXPLANADA TRÁFICO * (vp/s/d)

Catálogo francés de secciones de firme (1998). SUELOCEMENTO

GRAVACEMENTO

EV2 ≥ 50

EV2 ≥ 120

EV2 ≥ 200

EV2 ≥ 50

EV2 ≥ 120

EV2 ≥ 200

> 5.000

-

-

-

-

2.000-5.000

-

22 MBC 21 SC3

20 MBC 19 SC3

-

750-2.000

23 MBC 22 SC3

20 MBC 19 SC3

19 MBC 18 SC3

300-750

21 MBC 20 SC3

-

-

150-300

9 MBC 29 SC3

9 MBC 24 SC3

9 MBC 22 SC3

11 MBC 18 GC3+ 28 SC2 9 MBC 18 GC3 24 SC2 7 MBC 18 GC3 22 SC2

15 MBC 18 GC3+ 19 SC2 11 MBC 18 GC3+ 18 SC2 9 MBC 16 GC3 18 SC2 7 MBC 15 GC3 18 SC2

15 MBC 15 GC3+ 18 SC2 11 MBC 15 GC3+ 17 SC2 9 MBC 15 GC3 16 SC2 7 MBC 15 GC3 15 SC2

9 MBC 27 SC3 7 MBC 27 SC3



-

-

-

-

-

-

50-150 < 50

Período de Proyecto: 30 años SC2: Características mecánicas similares al suelocemento. SC3 y GC3: Características mecánicas similares a lagravacemento. * vp/s/d = vehículos pesados / sentido / día. + Prefisuración obligatoria, aunque se recomienda en todos los demás casos.

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Es necesario llamar la atención sobre el contenido de la Tabla 10.3, en la que es fácil observar la gran diferencia existente entre el espesor de las secciones semirrígidas propuestas para cada categoría de tráfico y explanada. Esto probablemente provocará que los firmes con gravacemento y suelocemento presenten una vida de servicio distinta de aquellos otros que únicamente tienen una capa de suelocemento. La principal ventaja de los catálogos radica en su sencillez y facilidad de uso, lo que minimiza posibles errores en el proceso de dimensionamiento. Por otro lado, al definir secciones concretas para los mismos factores de diseño se facilita la recogida de experiencia sobre su comportamiento. Sin embargo, no facilitan la inclusión de materiales distintos a los que figuran en el catálogo y no se pueden extrapolar a ámbitos distintos de aquellos para los que fueron desarrollados. Para no excluir la posibilidad de emplear otras soluciones adecuadamente justificadas, es importante que los catálogos vengan acompañados de documentos que indiquen los criterios que se han utilizado para la definición de las secciones, con el fin de poder desarrollar firmes alternativos en caso necesario.

10.5 DIMENSIONAMIENTO ANALÍTICO El dimensionamiento analítico se basa en la asimilación del firme a una estructura representando las distintas capas del mismo y la explanada, en la que se pueden calcular, mediante un modelo de respuesta, las tensiones, deformaciones y desplazamientos provocados por las cargas de tráfico, combinadas con los efectos climáticos. Los valores críticos obtenidos en el modelo de respuesta se comparan con los límites admisibles en cada caso, en función de los modelos de comportamiento o deterioro adoptados. Estos modelos de comportamiento son generalmente de tipo empírico o semiempírico.

10.5.1 Etapas del dimensionamiento analítico En general, el dimensionamiento analítico de un firme, semirrígido o de otro tipo, se realiza en varias etapas: Predimensionamiento Cálculo de la respuesta estructural del firme Comprobación de la vida del firme para las formas de deterioro consideradas. Análisis de sensibilidad del cálculo. Ajuste de los espesores calculados. Definición de la sección transversal del firme. En la etapa de predimensionamiento se eligen los espesores de las distintas capas, tomando como referencia otros casos similares que hayan tenido buen comportamiento y, en cualquier caso, teniendo en cuenta las recomendaciones sobre espesores mínimos de proyecto (véase el Apartado 10.6). Posteriormente, mediante el cálculo estructural del firme se determinan las tensiones, deformaciones y desplazamientos provocados por las cargas del tráfico en el modelo matemático adoptado para representar dicha estructura. A

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continuación, se estima el número de vehículos que pueden solicitar la sección en función de los distintos modelos de comportamiento adoptados (generalmente, fatiga de las capas del firme y deformación permanente de la explanada). Comparando este resultado con el tráfico estimado para el periodo de proyecto se valora si la sección calculada es correcta (Fig. 10.2).

Figura 10.2 Esquema general de las fases del dimensionamiento del firme.

Hay que destacar, a este respecto, que resulta muy conveniente realizar un análisis de sensibilidad del cálculo frente a variaciones en las hipótesis consideradas (Fig. 10.3), para tener en cuenta factores tales como: El riesgo de cálculo admitido (se puede permitir una mayor probabilidad de fallo en una carretera secundaria que en una autopista de mucho tráfico). Los efectos térmicos. Defectos localizados de espesor. Merma de la adherencia entre capas. Las discontinuidades en las capas (fisuras de retracción o juntas). Las dispersiones de espesores y resistencias de las capas. Las heterogeneidades en la explanada, con la posible presencia de puntos con una capacidad de soporte inferior a la prevista. Posteriormente, se realiza un ajuste de los espesores calculados, para tener en cuenta algunos factores que no se consideran en el cálculo. Por ejemplo, se suelen limitar los espesores de las capas para asegurar, según los casos, una compactación correcta, una adecuada regularidad superficial, o en el caso de bases de materiales tratados con cemento, una suficiente protección térmica de la capa para disminuir los gradientes térmicos y por tanto el riesgo de reflexión de fisuras en la superficie.

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Figura 10.3 Influencia del espesor de la base de gravacemento en la vida de útil del firme.

Tras las etapas anteriores se obtienen los espesores de las distintas capas del firme en el carril de proyecto. Hay que realizar entonces una definición de la sección transversal del firme para tener en cuenta posibles variaciones de dichos espesores en función de factores tales como: El tráfico en los distintos carriles. Las características geométricas del trazado. Las diferencias de pendientes transversales entre la explanada y la capa de rodadura. Los sobreanchos por motivos constructivos o para alejar las cargas de tráfico del borde de las capas.

10.5.2 Modelos de respuesta Se trata de modelos matemáticos que permiten obtener la respuesta estructural del firme (tensiones y deformaciones) sometido a una determinada carga. Actualmente existen modelos de respuesta con diversos grados de complejidad y que se pueden clasificar en dos categorías principales: los basados en la teoría elástica multicapa y los basados en técnicas de elementos finitos. La mayor parte de los métodos de dimensionamiento que se utilizan habitualmente para el cálculo analítico de firmes semirrígidos se basan en el modelo elástico multicapa desarrollado por Burmister. A efectos prácticos, este modelo proporciona resultados suficientemente satisfactorios en la mayoría de los casos.

Los modelos elásticos multicapa se basan en las siguientes hipótesis simplificadoras: El firme está formado por capas horizontales, paralelas entre sí, de espesor constante, indefinidas en su plano, y apoyadas en un espacio semiinfinito de Boussinesq. Cada capa y el semiespacio son un medio elástico lineal, homogéneo, isótropo y continuo. Se caracterizan mecánicamente por el módulo de elasticidad, E, y el coeficiente de Poisson, ν.

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Existe un apoyo continuo entre capas con adherencia total, parcial o nula. Las fuerzas de inercia y los efectos térmicos son despreciables. Las solicitaciones térmicas no se tienen en cuenta por sí mismas sino únicamente al fijar el módulo de elasticidad de los materiales tratados con ligantes bituminosos. Las deformaciones del sistema son pequeñas. Los esfuerzos cortantes son despreciables en el contacto ruedapavimento. El cálculo numérico se realiza con programas de ordenador basados en este modelo (por ejemplo, Alizé, Bisar, Circly, Elsym 5, etc.). Los archivos de salida de los mismos varían con el programa, pero como mínimo proporcionan las tensiones y deformaciones críticas en aquellos puntos en donde alcanzan su valor máximo, los cuales se suelen localizar generalmente en las interfaces. Los modelos basados en el método de elementos finitos pueden considerar, dependiendo del programa utilizado, distintas leyes constitutivas para los materiales: elástica, viscoelástica, viscoelastoplástica, y simular además diferentes condiciones de contorno, tales como las derivadas de la presencia de juntas o grietas. Sus principales inconvenientes son que suelen precisar en general bastante tiempo para preparar las entradas de datos simulando los distintos casos analizados, son complejos y más difíciles de utilizar que los métodos multicapa y, sobre todo, que los resultados dependen en gran medida del tipo de malla utilizada no existiendo un acuerdo sobre cuál es la más adecuada para cada caso. En consecuencia, hoy en día son todavía una herramienta de investigación, con una cierta aplicación únicamente en los firmes de hormigón.

10.5.3 Caracterización de los materiales Un firme semirrígido está constituido en esencia por unas capas superiores de mezcla bituminosa de cierto espesor, una base de suelocemento, gravacemento u hormigón compactado y en su caso por una subbase tratada con cemento (normalmente suelocemento o gravacemento). La subbase descansa a su vez sobre la explanada. Como ya se ha señalado, en los análisis multicapa todos estos materiales se suponen linealmente elásticos, homogéneos y, en general, isótropos. Los parámetros que intervienen en el análisis son el módulo de elasticidad, E, y el coeficiente de Poisson, ν. Estos valores se pueden medir en laboratorio, pero los ensayos son complejos, y en consecuencia de coste elevado, y no están disponibles en todos los laboratorios. Debido a ello, es usual en la fase de proyecto estimar unos valores a partir de las características mínimas de los materiales que se vayan a utilizar, como por ejemplo su resistencia, o en su defecto, de las fijadas en las prescripciones técnicas.

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Foto 10.4

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Medida del módulo dinámico de un material tratado con cemento.

10.5.3.1 Explanada En la mayoría de los métodos de dimensionamiento existentes la explanada se caracteriza como un macizo elástico semiindefinido de Boussinesq. Sin embargo, se suelen emplear dos métodos diferentes para modelizar el macizo de la explanada: Suponer que todo el macizo indefinido tiene las características mecánicas de los materiales utilizados en su coronación, normalmente en una profundidad mínima de 50 a 100 cm. Modelizar todos los suelos que se encuentren por debajo del firme hasta una profundidad en la que se considere que las tensiones y deformaciones no son significativas, a partir de la cual se supone indefinido. En ambos casos, para la caracterización de los suelos es habitual suponer la existencia de una relación entre su módulo de elasticidad y su índice CBR, empleándose habitualmente la siguiente:

E (MPa) = CBR · 10 Para el coeficiente de Poisson se suele adoptar un valor de 0,35 a 0,40. Si el terreno natural está constituido por un macizo rocoso, se le puede asignar un coeficiente de elasticidad igual a 10.000 MPa, y un coeficiente de Poisson igual a 0,25. En el caso de suelos estabilizados in situ para explanadas se suelen adoptar los valores del módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson mostrados en la Tabla 10.5. Tabla 10.5

Características mecánicas de suelos estabilizados in situ para explanadas (valores a un año de edad). MATERIALES Suelo estabilizado S-EST1 Suelo estabilizado S-EST2 Suelo estabilizado S-EST3

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E (MPa) 100 200 2.500

ν 0,35 0,35 0,25

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Cuando las explanadas se definían por su CBR (antigua Norma 6.1 y 2 – IC) se seguía usualmente el primer tipo de simulación y se les asignaba el módulo correspondiente al CBR de los suelos de coronación, con el que se clasificaba el tipo de explanada. Así se suponía que si un firme se apoyaba sobre una explanada E2, con índice CBR entre 10 y 20, el módulo del macizo semiindefinido, considerando el extremo inferior del intervalo, era de E = 10 x 10 = 100 MPa. Este procedimiento tiene el inconveniente de que puede llevar a infradimensionamientos ya que, por ejemplo, el módulo equivalente de una explanada formada por 50 cm de suelo con CBR 10 es muy inferior si se apoya sobre un suelo de CBR 1 que si lo hace sobre uno de CBR 5. Con la nueva Norma 6.1–IC se suele seguir también un procedimiento simplificado, suponiendo que el módulo de elasticidad del macizo seiindefinido es análogo al Ev2 mínimo que figura en la definición de explanadas. El segundo procedimiento de simulación se ha utilizado en el método de dimensionamiento de firmes de Andalucía, donde se incluyen en el modelo las capas de suelo de la explanada hasta un espesor del orden de 2 m y a partir de ese espesor se asimila esta última a un macizo semiindefinido. 10.5.3.2 Capas granulares En general, se suele considerar que el módulo de elasticidad de las capas granulares depende del de las capas sobre las que se apoyan, aumentando con el de éstas hasta alcanzar su valor máximo correspondiente a la capacidad de soporte propia del material.

Foto 10.5

Riego y compactación de una capa granular.

En consecuencia, el módulo de elasticidad de cálculo de cada capa de material granular adopta un valor función del módulo de la capa subyacente según la expresión:

Ei = c · Esub,i − 1 donde: Ei : Ei-1:

Módulo de la capa i. Módulo de la capa i-1, situada debajo de la anterior.

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c:


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Coeficiente de proporcionalidad, que suele tomar el valor 2,5 para zahorras naturales y 3 para zahorras artificiales.

El módulo de cada capa está acotado superiormente por la capacidad de soporte propia de su material constituyente, que se suele situar en torno a los 500 MPa en las zahorras naturales y a los 600 MPa en las artificiales. Por ejemplo, una capa de zahorra natural apoyada sobre un suelo de CBR = 30, tendría, aplicando la regla de la capa inferior, un módulo de 300 x 2,5 = 700 MPa, pero como este valor es superior al máximo considerado para estos materiales, se le asignaría únicamente 500 MPa. En las capas granulares se suele adoptar un coeficiente de Poisson similar al de los suelos, es decir, entre 0,35 y 0,40. 10.5.3.3 Materiales tratados con cemento Tanto la resistencia mecánica como el módulo de elasticidad de los materiales tratados con cemento aumentan con el tiempo, si bien a partir de un año de edad estos parámetros tienden a estabilizarse. Por tanto, para cálculos a largo plazo es recomendable utilizar los valores del módulo de elasticidad a un año. Sin embargo, si se desea evaluar el comportamiento estructural del firme a edades tempranas, por ejemplo para analizar el efecto del paso del tráfico de obra, se deben adoptar los valores correspondientes a la edad del material. En general, el condicionante principal de la vida útil de los firmes semirrígidos suele ser el agotamiento estructural de las capas tratadas con cemento, ya que debido a los elevados módulos de deformación de los materiales de las mismas, las mezclas bituminosas apenas sufren deformaciones por tracción. DEFORMACIÓN HORIZ. XX SEGÚN EJ E ZZ VARIAS SECCIONES 0,00 0,05 0,10

MB

MB

ZA

MB

GC ZA

SC

EXP

Figura 10.1

0,20 0,25 0,30 0,35 BAJ O CENTRO DE RUEDA(431) BAJ O BORDE INT. RUEDA (231) BAJ O BORDE INT. RUEDA (232) BAJ O EJ E RUEDA (233) BAJ O EJ E RUEDA (234)

0,40

SC EXP

0,15 Profundida d (m)

MB

EXP

EXP

0,45 0,50 250

200

150

100

50

0

-50

-100

-150

De forma ción XX e n e je de ca rga (Eje ZZ) e n microde forma cione s

Deformaciones de la mezcla bituminosa en distintos tipos de firmes.

El agotamiento de estas capas depende de la relación entre las tensiones de tracción a que estén sometidas y la resistencia a flexotracción del material. Para la misma carga, las tensiones aumentan cuando se incrementa el valor del módulo de elasticidad del material. En consecuencia, para evitar fallos prematuros es recomendable adoptar valores altos de los módulos de elasticidad dentro de los rangos habituales para estos materiales. A título indicativo, en la Tabla 10.6

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figuran los valores del módulo de elasticidad a un año de edad y del coeficiente de Poisson considerados normalmente para el cálculo analítico de firmes. Tabla 10.6

Características mecánicas de materiales tratados con conglomerantes hidráulicos para el dimensionamiento analítico (valores a un año de edad).

MATERIALES Suelocemento con suelos granulares Suelocemento con zahorras Gravacemento Gravacemento de alta resistencia Hormigón magro compactado Hormigón compactado

E (MPa) 5.000 – 8.000 8.000 – 18.000 18.000 – 22.000 22.000 – 28.000 28.000 – 32.000 32.000 – 35.000

E cálculo (MPa) 8.000 18.000 22.000 28.000 32.000 35.000

ν 0,25 0,25 0,25 0,25 0,20 0,20

10.5.3.4 Mezclas bituminosas Las capas bituminosas presentan un comportamiento mecánico de carácter viscoelástoplástico y dependiente de la temperatura, lo cual hace que en su módulo de rigidez influyan tanto esta última como, en menor medida, el tiempo de aplicación de la carga (Fig. 10.4).

Módulo dinámico (MPa)

20000 5Hz 15000

10Hz 20Hz

10000

5000

0 0

5

10

15

20

25

30

35

Temperatura (ºC)

Figura 10.4 Variación del módulo dinámico (NLT-349) de una mezcla bituminosa semidensa S en función de la temperatura y la frecuencia de carga.

Para el cálculo analítico de firmes es habitual adoptar los módulos correspondientes a los límites inferiores de las frecuencias de carga habituales producidas por los vehículos pesados. El rango inferior de velocidades de los vehículos pesados en condiciones normales de circulación se suele situar entre los 50 y los 70 km/h que se corresponde aproximadamente con un frecuencia de unos 10 Hz. Las temperaturas elevadas del verano reducen enormemente el módulo de rigidez de las mezclas bituminosas y provocan que su comportamiento sea aproximadamente viscoelástico. Por el contrario, a temperaturas bajas propias del invierno, la mezcla alcanza un módulo elevado y su comportamiento es prácticamente elástico. Este fenómeno se suele abordar de varias formas: Se puede adoptar un módulo de elasticidad medio para todo el año que sea representativo del conjunto de valores a lo largo del mismo. Página - 17 -

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O bien, se puede considerar la variación del módulo mediante la adopción de un valor diferente en función de la época del año. Si se elige el primer procedimiento, se recomienda que para las condiciones climáticas españolas se adopte el valor del módulo de las mezclas bituminosas a 20 ºC. En este sentido, en la Tabla 10.7 figuran los módulos a dicha temperatura para las mezclas bituminosas habitualmente utilizadas en España. Por otra parte, para simplificar los cálculos suele ser habitual caracterizar conjuntamente las diferentes mezclas bituminosas, en cuyo caso se recomienda adoptar un módulo de 6.000 MPa, siempre que no se incluyan entre las mismas mezclas de alto módulo. Tabla 10.7

Características mecánicas de mezclas bituminosas (a 20ºC y 10 Hz). TIPO DE MEZCLA Densas y semidensas Gruesas De alto módulo Drenantes Discontinuas en capa fina Abiertas en frío

E ( MPa ) 7.000 5.000 11.000 4.000 4.000 1.500

ν 0,33 0,33 0,30 0,35 0,35 0,35

En el segundo procedimiento, es habitual dividir el año en estaciones climáticas y tomar un módulo diferente para cada una: por ejemplo, uno en primavera – otoño, otro en verano y otro en invierno. A este respecto, se puede considerar en primavera y otoño el módulo a 20ºC, en invierno aumentarlo en un 50%, y en verano disminuirlo en la misma magnitud. En la Tabla 10.8 se puede apreciar la variación que experimentaría el módulo de una mezcla bituminosa convencional. Tabla 10.8

Valores del módulo de elasticidad de mezclas convencionales en función de la época climática. ESTACIÓN CLIMÁTICA Primavera – otoño Invierno Verano

E (MPa) 6.000 9.000 3.000

bituminosas

µ 0,33 0,30 0,35

10.5.4 Adherencia entre capas Uno de los parámetros que más influye en la respuesta tenso-deformacional de un firme frente a las solicitaciones del tráfico es la adherencia entre las capas del mismo. Así, por ejemplo, si en un firme semirrígido la capa bituminosa inferior se encuentra unida a la base tratada con cemento, generalmente trabaja en compresión. Si por el contrario la capa inferior bituminosa y la tratada con cemento se encuentran despegadas, se producen tensiones y deformaciones de tracción en la parte inferior de las mezclas bituminosas, las cuales suelen alcanzar en general valores importantes por el pequeño espesor de dichas capas. De igual modo, si entre una base tratada con cemento y una subbase tratada asimismo con cemento se consigue, mediante una puesta en obra adecuada, que se produzca un cierto grado de adherencia entre ambas capas, las tracciones en la parte inferior de la base se reducen de forma significativa con respecto a las que se originan cuando entre ambas capas no existe adherencia (Fig. 10.5).

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Figura 10.5 Ejemplo de variación de las tensiones de tracción en el firme según la condición de adherencia en la interfase gravacemento-suelocemento.

En cuanto a la adherencia entre capas, en general se plantean tres posibilidades: Adherencia completa: los desplazamientos en sentido horizontal en la interfaz entre dos capas son iguales en ambas, lo que da lugar a la aparición de esfuerzos rasantes en dicha interfaz. Deslizamiento completo: no existe ningún tipo de adherencia en sentido horizontal entre las dos capas. Los desplazamientos en sentido horizontal son diferentes en ambas, y no se producen esfuerzos rasantes. Las cargas de tráfico producen tracciones en el fondo de la capa superior. Adherencia parcial: existe una cierta transmisión de esfuerzos horizontales en la interfaz, de forma que, aunque los desplazamientos en las caras en contacto de ambas capas no son iguales, si se produce la aparición de esfuerzos rasantes. La mayoría de los modelos de respuesta elásticos multicapa presentan la posibilidad de considerar adherencia completa o deslizamiento completo en las interfaces, y en muchos casos permiten asimismo considerar adherencia parcial, generalmente introduciendo un factor de proporcionalidad entre los desplazamientos horizontales de las caras en contacto. En cualquier caso, la adherencia parcial se puede abordar considerando para las tensiones y deformaciones los valores medios de los obtenidos en las hipótesis de adherencia completa y deslizamiento completo. La hipótesis que se suele adoptar en el dimensionamiento de firmes semirrígidos es que la adherencia entre todas las capas del firme es completa, salvo entre dos capas tratadas con cemento, que es parcial.

10.5.5 Modelos de comportamiento Los modelos de comportamiento se utilizan para simular la evolución, en función del número y magnitud de las cargas de tráfico, de los distintos tipos de deterioros. Se expresan generalmente en forma de relaciones entre las deformaciones o tensiones críticas producidas por las cargas de tráfico y la vida Página - 19 -

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de fatiga del firme en relación con una forma concreta de deterioro. En la mayoría de los métodos de dimensionamiento se consideran habitualmente dos formas de deterioro: Exceso de deformación permanente acumulada en la superficie de las capas granulares o explanadas no estabilizadas, como consecuencia tanto del paso del tráfico como de las variaciones climáticas. Agotamiento estructural por fatiga de las capas con cohesión, ya sean de mezclas bituminosas o de materiales tratados con cemento. Por tanto, la vida de servicio se podría definir como la magnitud del tráfico expresado en número de ejes equivalentes que puede soportar el firme antes de que se deteriore en términos de fisuración, o de acumulación de deformaciones permanentes, en un cierto porcentaje de su longitud. Cabe reseñar que las mayores diferencias entre los métodos de dimensionamiento existentes se producen precisamente en las leyes de fatiga. Los modelos de comportamiento se pueden definir directamente de manera empírica, observando el comportamiento de los firmes y obteniendo una ley de comportamiento en función del número de ejes tipo que han solicitado la sección o, lo que es más frecuente, ensayando los materiales en laboratorio sometiéndoles a cargas repetidas y asociando un número de repeticiones de carga hasta el fallo a cada nivel de solicitación. Estas leyes de laboratorio se deben después calibrar mediante ensayos a escala real. A continuación se describen los modelos de comportamiento, asociados a las formas de deterioro antes mencionadas, habitualmente utilizados para el dimensionamiento de firmes a nivel de proyecto. 10.5.5.1 Modelos de fisuración por fatiga en capas bituminosas Estos modelos se basan en la hipótesis ampliamente aceptada de que el número de aplicaciones de carga que soporta una mezcla bituminosa está directamente relacionado con su deformación horizontal por tracción máxima, localizada generalmente en la fibra inferior de la capa. Como ya se ha mencionado, en general las leyes de fatiga se obtienen en laboratorio y se debe incorporar un factor de conversión para poder predecir el nivel de fisuración por fatiga de las mezclas colocadas en la carretera. Dichos factores de conversión difieren mucho entre los distintos modelos, dependiendo, entre otros factores, del nivel de fisuración que se vaya a tolerar en función del tráfico de proyecto, pero generalmente se hallan dentro del rango del 10 al 45%. Esta diferencia entre las vidas a fatiga de las mezclas en laboratorio y sometidas a tráfico real se puede atribuir a factores tales como las distintas condiciones de carga, incluido el tipo de vehículo y configuración del eje, los períodos de reposo entre cargas, las variaciones cíclicas de temperatura, el efecto de las tensiones residuales y el endurecimiento, la propagación de grietas y la distribución transversal de las cargas en la zona de rodada.

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Foto 10.6

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Detalle firme agotado por fatiga de la mezcla bituminosa.

En algunos métodos de dimensionamiento se relaciona el número de repeticiones de carga, además de con la deformación unitaria de tracción, con otras características de la mezcla tales como su contenido de ligante, los huecos en mezcla, los huecos rellenos de ligante o su módulo de rigidez a flexión. Sin embargo, en la mayoría de las ocasiones el efecto de la deformación es muy superior al del resto de parámetros, por lo que estos últimos se suelen despreciar. En este caso la ley de fatiga genérica adopta la forma siguiente:

ε t = f1 ⋅ Nf− f

2

donde εt es la deformación unitaria de tracción en la mezcla bituminosa, Nf es el número de aplicaciones de carga hasta que se produce el fallo, y f1 y f2 unos coeficientes que dependen del tipo de mezcla. Para las mezclas bituminosas utilizadas en España, se recomienda adoptar la ley de fatiga del CEDEX, que se basa fundamentalmente en los resultados obtenidos en su pista de ensayos. La ley está calibrada para mezclas gruesas empleadas en capas inferiores bituminosas y un 20% de fisuración superficial, y se expresa mediante la siguiente relación:

ε t = 6,443 ⋅ 10−3 ⋅ Nf−0,27243 Cuando la mezcla colocada en la capa bituminosa no sea del tipo grueso, se recomienda aplicar a la vida teórica de servicio calculada mediante la ley anterior, el correspondiente factor de corrección k1 indicado en la Tabla 10.9. Tabla 10.9

Factores de corrección de la ley de fatiga CEDEX para distintos tipos de mezclas. TIPO DE MEZCLA Gruesa

k1 1

ε t = 6,443 ⋅ 10 −3 ⋅ N f−0,27243

Semidensa o densa

1,3

ε t = 6,920 ⋅ 10 −3 ⋅ N f−0,27243

Con betún modificado en dotación > 5% s.p.a. De alto módulo

1,5 1,1

ε t = 7,195 ⋅ 10 −3 ⋅ N f−0,27243

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LEY DE FATIGA

ε t = 6,612 ⋅ 10 −3 ⋅ N f−0,27243

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La Norma 6.1-IC (2002) del Mº de Fomento permite excepcionalmente el dimensionamiento analítico de secciones de firme para lo cual se proponen para las mezclas bituminosas las leyes de fatiga mostradas en la Tabla 10.10, que son una simplificación de las del CEDEX. Tabla 10.10 Leyes de fatiga para mezclas bituminosas propuestas en la Norma 6.1IC (2002). TIPO DE MEZCLA Gruesa, semidensa o densa De alto módulo

LEY DE FATIGA ε t = 6,925 ⋅ 10 −3 ⋅ N f−0,27243 ε t = 6,617 ⋅ 10 −3 ⋅ N f−0,27243

10.5.5.2 Modelos de deformación permanente en la superficie de las capas granulares y explanadas no estabilizadas Los modelos de deformación permanente más extendidos utilizan relaciones entre el número de repeticiones de carga admisibles, Nd, y la deformación vertical unitaria, εd, en la superficie de la capa granular o explanada sin estabilizar, mediante la siguiente expresión de tipo general:

ε d = f4 ⋅ Nd− f

5

donde f4 y f5 son unos coeficientes que dependen del tipo de material. En el modelo de deformación de la capa granular o explanada se asume que, si ésta no alcanza un cierto valor, las deformaciones en la superficie del firme serán también admisibles. En España se recomienda utilizar el modelo siguiente:

ε d = 1,58 ⋅ 10−2 ⋅ Nd−0,25 No se consideran en principio las deformaciones permanentes de las mezclas bituminosas, las cuales se pueden evitar mediante una dosificación adecuada de las mismas y su comprobación mediante la pista de ensayo de laboratorio (NLT173).

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Foto 10.7

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Detalle de firme agotado por exceso de deformaciones superficiales permanentes causadas por las de los suelos de la explanada.

10.5.5.3 Modelos de agotamiento estructural por fatiga de capas tratadas con conglomerantes hidráulicos Estos modelos de deterioro se suelen presentar en forma de leyes de fatiga que relacionan el nivel máximo de tensiones de tracción en el material y el número de repeticiones de carga hasta su agotamiento estructural. Las tensiones calculadas se comparan habitualmente con la resistencia a flexotracción del material. Las expresiones generales presentan la siguiente forma:

σN RF , LP

= 1 + β ⋅ log(N )

en donde σN es la tensión de flexotracción que provoca la rotura del material después de un número N de aplicaciones carga, RF,LP la resistencia a flexotracción a largo plazo del material y β un coeficiente que depende del tipo de material. Al igual que con las mezclas bituminosas, el comportamiento a fatiga de los materiales tratados con cemento se determina en laboratorio. Para las gravascemento y hormigones compactados empleados en España, se recomienda adoptar el modelo del Instituto Eduardo Torroja (1979) que presenta la siguiente expresión:

σN RF ,LP

= 1 − 0,065 ⋅ log N

En los sueloscemento, se puede utilizar también la ley anterior, introduciendo la resistencia a flexotracción de éste material (criterio CEDEX), o bien la ley de fatiga

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definida en Francia (criterio Ministerio de Fomento) que adopta la siguiente expresión:

σN RF ,LP

= 1 − 0,080 ⋅ log N

No suele ser habitual contar con ensayos de resistencia a flexotracción, por lo que esta última se estima en general a partir de correlaciones existentes con la resistencia a compresión o a tracción indirecta (ver apartado 2.5.5). Además, tal y como se ha comentado anteriormente, debido a la limitada pendiente de la ley de fatiga de estos materiales, una pequeña variación en la relación entre la tensión de cálculo y la resistencia a flexotracción (cociente tensional) da como resultado una importante modificación en el número de aplicaciones de carga permisibles. Este hecho hace aconsejable elegir valores de la resistencia bastante conservadores.

Tensión de tracción (MPa)

0,65 CEDEX 0,67

0,55

FOMENTO 0,8

0,45

0,35

0,25 0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

Vida de fatiga (en millones de ejes equivalentes)

Figura 10.2 Leyes de fatiga para el suelocemento recomendadas por el Mº de Fomento (Fomento 0,8) y el CEDEX (CEDEX 0,67).

A efectos prácticos, para el dimensionamiento se han de considerar los valores mínimos de resistencia a compresión a largo plazo de los materiales (Tabla 2.3) y sus correlaciones con la resistencia a flexotracción (Tabla 2.5). No obstante, se recomienda minorar la resistencia de los materiales tratados con cemento al menos para los tráficos más altos (T2 en adelante) ya que los firmes semirrígidos son muy sensibles a pequeñas variaciones en factores tales como el espesor de las capas, las características mecánicas de los materiales, la capacidad de soporte de la explanada, etc. Se recomienda adoptar los valores mostrados en la Tabla 10.11.

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Tabla 10.11 Resistencias a flexotracción (MPa) a largo plazo de materiales tratados con cemento para su utilización en los modelos de comportamiento MATERIAL Suelocemento Gravacemento Gravacemento de alta resistencia Hormigón magro compactado Hormigón compactado (∗)

RC,LP 4 8 14 22 35

RF,LP 0,8 1,6 2,0 3,6 5,8

RF,LP minorada(∗) 0,67 1,33 1,66 3,0 4,8

Se ha considerado un coeficiente de minoración de la resistencia a flexotracción de γ=1,20 .

10.5.6 Dimensionamiento del firme en servicio Para dimensionar el firme, los resultados de los cálculos obtenidos con los modelos de respuesta (tensiones o deformaciones) en localizaciones críticas, se introducen en los modelos de comportamiento para evaluar el número de aplicaciones de la carga tipo que admitirá la sección hasta su deterioro. Si este valor es ligeramente superior al tráfico equivalente, es decir, al número de ejes tipo que se ha estimado que solicitarán la sección durante el periodo de proyecto, el dimensionamiento será correcto. En caso contrario, deberán modificarse los espesores de las capas y, en caso necesario, otras características de las mismas, como la resistencia a flexotracción, y repetir el proceso hasta que así sea. Como ya se ha mencionado, los parámetros críticos asociados a las formas de deterioro descritas en los apartados anteriores y que se deben calcular con los modelos de respuesta, son los siguientes: En las mezclas bituminosas, la máxima deformación horizontal de tracción (agotamiento estructural). En las capas tratadas con conglomerantes hidráulicos, la máxima tensión de tracción en la capa (agotamiento estructural). En las capas granulares y explanadas sin estabilizar, la máxima deformación vertical de compresión (acumulación de deformaciones permanentes).

M.Bituminosa

εr

Capa tratada con cemento

σr

Capa granular Explanada

εv

Figura 10.3 Parámetros críticos del modelo de respuesta asociados a los modos de deterioro de los diferentes materiales del firme.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, la capa más crítica es la base o subbase tratada con conglomerantes hidráulicos en contacto con las mezclas bituminosas, es decir, que el agotamiento de dicha capa se produce en general antes que el de las restantes capas. Ello es lógico si se tiene en cuenta que, por Página - 25 -

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una parte, las capas de mezcla bituminosa, en circunstancias normales, están adheridas a dicha capa tratada, por lo que no se producen tracciones en las mismas, y por otra, las deformaciones en la explanada son muy reducidas, por el reparto de tensiones a que da lugar el elevado módulo de deformación de los materiales tratados con cemento. Generalmente, en los firmes semirrígidos la vida útil de la sección viene determinada por el fallo de la capa tratada con cemento en contacto con las de mezcla bituminosa, por lo que suele bastar con evaluar dicha vida útil de acuerdo con las tensiones de tracción en el fondo de esta capa.

10.5.7 Otros posibles factores a considerar Además de las consideraciones anteriores, algunos métodos de dimensionamiento incluyen otras adicionales. Una de las más interesantes es el enfoque probabilístico recogido por el método francés. En este método, los resultados de los modelos multicapa se multiplican por una serie de coeficientes correctores estimados a partir de las variaciones estadísticas de las resistencias y espesores realmente obtenidos in situ, así como de la observación del comportamiento bajo tráfico de los firmes. No obstante, al no disponerse en España de datos suficientes, la extrapolación de los coeficientes adoptados en Francia es arriesgada, por las diferentes prácticas constructivas y especificaciones de materiales de ambos países. Otro planteamiento de interés es la consideración de que una vez que se produce la rotura por fatiga de la base tratada con cemento el firme todavía posee una capacidad estructural residual. Ésta es tanto mayor cuanto más elevado es el espesor de mezcla bituminosa, y puede llegar a ser importante si este último es igual o superior a la mitad del de la base tratada con cemento. Este es el caso, por ejemplo, de los firmes con base de gravacemento o bien con subbase de suelocemento bajo mezclas bituminosas de la Norma 6.1 - IC.

10.5.8 Análisis de sensibilidad a los parámetros de proyecto La ley de fatiga de los materiales tratados con cemento tiene una pendiente muy reducida, lo que significa que ligeras desviaciones en el valor del cociente entre la tensión de cálculo y la resistencia a flexotracción, σ/RF,LP, originan grandes variaciones en el número de aplicaciones de carga que producen el fallo de la capa. Esto puede apreciarse en la Fig. 10.6, en la que se ha representado la ley de fatiga propuesta para las gravascemento y hormigones compactados. Cuando el cociente tensional disminuye en 0,13, la vida a fatiga, es decir, el número de aplicaciones de carga hasta rotura, se multiplica por 100, y viceversa.

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Figura 10.6 Representación gráfica de la ley de fatiga de gravascemento propuesta por el Instituto Eduardo Torroja (1979).

Las desviaciones en el cociente tensional, y por tanto la variación de la vida útil de los firmes semirrígidos dependen, en mayor o menor medida, de parámetros tales como: El tipo de subbase (tratada con cemento o granular). Las propiedades mecánicas del material tratado con cemento. La adherencia entre capas. El espesor de las capas. La capacidad de soporte de la explanada. La presencia de ejes sobrecargados. Con la ayuda de los procedimientos de cálculo descritos se puede analizar de forma aproximada la influencia de los distintos parámetros y su orden de magnitud en la vida útil de un firme semirrígido. A modo de ejemplo se ha elegido una sección de referencia (Fig. 10.7), sometida a una carga de 6,5 t, en la que se le han ido variando los mismos.

Figura 10.7 Sección semirrígida de referencia con base de gravacemento y subbase de suelocemento apoyada sobre una explanada E2 (100 MPa).

En las Figuras 10.8 y 10.9 se han representado gráficamente algunos de los resultados del análisis realizado. En ellas se aprecia la influencia que tienen distintos parámetros en el aumento o la disminución de la vida útil del firme semirrígido (factor multiplicador o divisor de la vida útil con respecto a la del firme original). Así, por ejemplo, se puede ver que una merma de 2 ó 3 puntos

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porcentuales en la densidad final de la capa supone dividir por más de 70 la vida útil de la sección de referencia. Recíprocamente, un aumento de la misma produce también notables incrementos en la vida de servicio del firme.

Disminución categoría de explanada E2 a E1 Reducción del espesor del SC en 10% Reducción del espesor de la MB en 10% Reducción del espesor de la GC en 10% Despegue entre la MB y la GC Disminución de la densidad en 2 ó 3 puntos Disminución del 10% en la resistencia de la GC Apoyo sobre subbase de zahorra 1

10

100

1000

10000 100000

0,0

0,1

0,2

0,3

Figura 10.8 Influencia de distintos parámetros en la disminución de la vida de fatiga en número de ejes equivalentes (izquierda) y en el cociente tensional σ/RF,LP (derecha) con respecto a la sección original.

Aumento categoría de explanada E2 a E3 Aumento del espesor del SC en 10% Aumento del espesor de la MB en 10% Aumento del espesor de la GC en 10% Aumento de la densidad en 2 ó 3 puntos Aumento del 10% en la resistencia de la GC Apoyo sobre subbase de gravacemento 1

10

100

1000

0,0

-0,1

-0,2

Figura 10.9 Influencia de distintos parámetros en el aumento de la vida de fatiga en número de ejes equivalentes (izquierda) y en el cociente tensional σ/RF,LP (derecha) con respecto a la sección original.

A la vista de los resultados anteriores se pueden extraer las siguientes conclusiones o recomendaciones: 10.5.8.1 Rigidez del apoyo El resultado del análisis indica la conveniencia de utilizar subbases tratadas con cemento bajo bases tratadas con cemento, especialmente cuando presentan un módulo de deformación elevado (gravacemento u hormigón compactado). Ello se debe fundamentalmente a que una fuerte diferencia de rigidez entre los módulos de la base y la subbase aumenta notablemente el valor de la relación σ/RF,LP en la base y, por tanto, disminuye drásticamente la vida útil de la sección, pudiéndose incluso producir la rotura del material por el paso del propio tráfico de obra. A lo anterior hay que añadir el hecho de que, como se ha podido comprobar en muchos casos, la compactación que se obtiene en la parte inferior de la base

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tratada con cemento es tanto mejor cuanto mayor es el módulo de deformación de la capa sobre la que se apoya. Además, si se dispone una subbase granular se puede producir una falta de compactación en el fondo de la capa con una acusada caída de la resistencia en esta zona, que es precisamente la más solicitada. En principio, la solución que presenta un menor valor del cociente σ/RF,LP, y por tanto una mayor vida de fatiga, es la que tiene la subbase de gravacemento. Este tipo de firme, con base y subbase de gravacemento, no se ha utilizado en España aunque en Francia se tiene experiencia desde hace más de 20 años con resultados muy satisfactorios. Con carácter general, es conveniente disponer bajo capas tratadas con cemento otros materiales tratados también con cemento, especialmente cuando se proyectan capas de gravacemento u hormigón compactado. Asimismo, el comportamiento de los firmes con suelocemento es mejor si bajo ellos se disponen explanadas estabilizadas.

10.5.8.2 Resistencia del material tratado con cemento En la sección de referencia estudiada se aprecia que un descenso del 10% en la resistencia a compresión de la capa de base, para lo que puede bastar una disminución de 1 ó 2 puntos porcentuales en la densidad, divide por más de 6 la vida de fatiga que puede soportar el firme. Por el contrario, un incremento del 10%, normalmente como consecuencia de un aumento del contenido de cemento, la multiplica aproximadamente por 5. Un descenso en la resistencia de la base tratada, producido por ejemplo por un defecto de compactación o una disminución del contenido de cemento, se traduce en un importante acortamiento de la vida de servicio del firme. En consecuencia, se subraya la importancia de un control adecuado de la fabricación y puesta en obra de los materiales tratados con cemento, especialmente durante la fase de compactación.

10.5.8.3 Adherencia entre capas Una adherencia defectuosa entre una capa de mezcla bituminosa y una capa tratda con cemento no solamente provoca un aumento en las tensiones en esta última sino que, lo que suele ser más importante, se traduce en general en la aparición de tracciones en la primera. En muchos casos ésta pasa a ser entonces la capa crítica del firme, sobre todo cuando la base es de gravacemento o de hormigón compactado, dado el relativamente pequeño espesor de mezclas bituminosas que suele disponerse sobre estos materiales. La vida útil del firme se ve entonces sensiblemente acortada. Resulta imprescindible garantizar una adecuada unión entre la mezcla bituminosa y la base tratada con cemento, e intentar obtener el mayor rozamiento posible entre las capas tratadas con cemento. Para ello es recomendable seguir minuciosamente las prácticas constructivas descritas en el Capítulo 6.

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10.5.8.4 Influencia del espesor de las capas El espesor de las distintas capas es otro de los parámetros que más influencia tienen en la respuesta tenso-deformacional del firme, y por tanto en la vida útil del mismo. Así, una ligera disminución del espesor de las capas, fundamentalmente de la base tratada, con respecto al de proyecto, puede dar lugar a un importante acortamiento de la vida de servicio del firme. Por ejemplo, en el firme de referencia, una disminución del 10% en el espesor de la gravacemento supone reducir la vida a fatiga del orden de 4 veces. Esto justifica sobradamente la exigencia de que los espesores indicados en muchos catálogos deban ser considerados mínimos en cualquier punto del firme. Resulta fundamental respetar escrupulosamente los espesores mínimos de todas las capas del firme exigidos en el proyecto, ya que cualquier merma de los mismos, sobre todo del de la base tratada con cemento, se traduce en una sensible disminución de la vida del firme.

10.5.8.5 Capacidad de soporte de la explanada La capacidad de soporte de la explanada también tiene una influencia importante en la vida útil de un firme semirrígido. Como se puede ver en el ejemplo, disponer una explanada E3 en vez de una E2 puede suponer aumentar casi 8 veces el número de ejes equivalentes que es capaz de soportar el firme, mientras que si la explanada es de categoría E1, la vida útil se divide casi por 9. Por otro lado, no hay que olvidar la incidencia que puede tener la mayor o menor rigidez de la explanada en la densidad de la subbase y, por tanto, en su resistencia. Es importante asegurar la capacidad de soporte de la explanada en todos sus puntos, lo que se puede garantizar en la mayoría de los casos mediante su estabilización.

10.6 DEFINICIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL 10.6.1 Espesores mínimos de las capas tratadas El elevado módulo de deformación de los materiales tratados con cemento obliga a mantener unos espesores mínimos, por debajo de los cuales se multiplica el riesgo de rotura prematura del firme durante la vida de servicio o incluso durante la etapa de construcción. Se recomienda considerar como espesores mínimos los que figuran en la Tabla 10.12.

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Tabla 10.12 Espesores mínimos recomendados para capas de materiales tratados con cemento. CAPA Base Subbase

TRÁFICO PESADO 20 cm 18 cm

TRÁFICO LIGERO 18 cm 15 cm

10.6.2 Sección variable entre carriles En calzadas unidireccionales, como es el caso de autovías y autopistas, el tráfico de proyecto del carril de la derecha es muy superior al del carril o carriles interiores. En este caso, con el fin de optimizar la utilización de los materiales, se puede proyectar alguna capa del firme con espesor variable de manera que se disponga mayor espesor en el carril con más tráfico pesado. Lo habitual es variar linealmente el espesor de la capa tratada con cemento de mayor rigidez en todo el ancho a construir, de manera que el carril de proyecto tenga al menos el espesor mínimo que haya resultado del dimensionamiento y la máxima reducción de espesor en el carril adyacente sea de 2 cm. A modo de ejemplo, en la Fig. 10.10 se muestra la definición de la sección transversal de un firme semirrígido, con base de gravacemento y subbase de suelocemento, para una calzada unidireccional de 3 carriles por sentido.

Fig. 10.10 Ejemplo de variación transversal de espesor en un firme de una calzada de autovía con 3 carriles por sentido.

10.6.3 Sobreanchos Las capas de materiales tratados con cemento se deben construir con taludes laterales de 45º, y con un sobreancho mínimo de 5 cm a cada lado con respecto al de la capa superior, para lo que hay que tener en cuenta además los taludes de ejecución de esta última (Fig. 10.9).

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Fig. 10.9

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Esquema de sobreanchos para capas tratadas con cemento.

10.6.4 Arcenes ojo julio vaquero Las soluciones más habituales consisten en prolongar la capa de rodadura de la calzada, y disponer bajo la misma suelocemento o gravacemento, con un espesor mínimo de 18 a 20 cm para los tráficos más pesados y de 15 cm para los más ligeros, o bien zahorra artificial. Cuando la rodadura de la calzada es drenante también se suele continuar en el arcén, si bien bajo ésta se suele disponer una capa de mezcla bituminosa densa o semidensa de 5 cm de espesor. Las soluciones con gravacemento o suelocemento en arcenes tienen evidentemente un mayor coste de construcción, pero presentan la ventaja de una mayor capacidad estructural, lo que puede ser de interés para: Impedir una fatiga prematura del arcén cuando sea probable que los camiones invadan frecuentemente la parte adyacente a la calzada. Evitar una diferencia excesiva de rigidez entre la calzada y el arcén, con posibilidad de aparición de escalones laterales por una post-compactación de los materiales granulares. La ejecución de las capas del arcén se deberá coordinar con la de las de la calzada, a fin de evitar que se produzcan “tacones” de material tratado de poco espesor que se suelen romper rápidamente (Fig. 10.11), sobre todo en el caso ya mencionado de que los camiones invadan el arcén.

Figura 10.11 Esquema de solución de arcén con material tratado con cemento.

Otra solución recomendable es la de extender previamente los arcenes retirando el tacón sobrante y dejando una junta lo más vertical posible. De esta forma, al realizarse la compactación de los materiales del firme de forma confinada se alcanzan fácilmente altas densidades.

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10.6.5 Dispositivos de drenaje del firme En los firmes semirrígidos, tanto la impermeabilización proporcionada por las capas de mezcla bituminosa, como la adherencia, al menos parcial, entre la base de gravacemento y la subbase de suelocemento, son suficientes para impedir que se acumule agua en la interfase de las mismas, por lo que en general no se precisa disponer elementos de drenaje para eliminarla.

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1 Anejo

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23. MINISTERIO DE FOMENTO. 2002. Orden Circular 10/2002. Secciones de firme y capas estructurales de firmes / Dirección General de Carreteras. Madrid: Ministerio de Fomento, Centro de Publicaciones. 24. MORILLA ABAD, I. 1992. Plantas para la fabricación de hormigón y gravacemento. Madrid: Asociación Técnica de la Carretera. 25. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (Ed. 1992). Soil-cement Laboratory Handbook. Skokie, Illinois: PCA. 26. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (Ed. 1995). Soil-cement Construction Handbook. Skokie, Illinois: PCA. 27. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (Ed. 2001). Soil-cement Inspector’s Manual. Skokie, Illinois: PCA. 28. REGIS, C. 1985. Assises de chaussées. Cours de routes sous la direction de G. Jeuffroy et R. Sauterey. París: Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, D.L. 29. RILEM. 1989, 1993, 1997. Reflective cracking in pavements : state of the art and design recommendations. Proceedings of the first, second and third international RILEM Conferences / organized by the Belgian Research Centre for Plastic and Rubber Materials (CEP) and the Construction Materials Laboratory (LMC), Liege University, Belgium; edited by J.M. Rigo, R. Degeimbre and L.Francken. London: E & FN Spon. 30. RILEM. 1997. Prevention of reflective cracking in pavements / State-of-the-art report of RILEM Technical Committee 157 PCR, Systems to Prevent Reflective Cracking in Pavements ; edited by A. Vanelstraete and L. Francken. London: E & FN Spon. 31. RILEM. 2000. Reflective cracking in pavements : research in practice / 4th International RILEM Conference on Reflective cracking , Otawa, Ontario, Canada, 26-30 March 2000 ; organized by Carleton University [et al.] ; edited by A.O. Abd El Halim, D.A. Taylor and El H.H. Mohamed. Cachan : RILEM. 32. SANCHEZ, B. y RUIZ, A. 1993. Estado actual del problema de la reflexión de grietas de retracción en España. Revista Ingeniería Civil, 89, págs. 51-61. 33. SETRA; LCPC. 1994. Conception et dimensionnement des structures de chaussée : guide technique. Paris: LCPC ;Bagneux: SETRA. 34. SETRA; LCPC. 1998. Assises de chaussés en graves non traitées et materiaux traités aux liants hydrauliques et puzzolaniques : guide d'application des normes pour le reseau routier national. Bagneux: SETRA ;Paris : LCPC. 35. SHERWOOD, P.T. 1968. The properties of cement stabilized materials. Transport and Road Research Laboratories. Report LR 205. Crowthorne [Great Britain]: Road Research Laboratory. 36. SHERWOOD, P.T. (Ed. 1993). Soil stabilization with cement and lime. London: HMSO. 37. VIGUERAS GONZÁLEZ, J. F. 1984. Bases de carreteras. Tipos y comportamientos estructurales. En Jornadas nacionales sobre firmes flexibles. Barcelona, 3-5 de abril de 1984. Págs. 108-186. Madrid: Asociación Española de la Carretera.

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38. WILLIAMS, R.I.T. 1986. Cement-treated pavements: materials, design and construction, Materials, design and construction. London: Elsevier Applied Science Publishers.

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EJEMPLO DE DOSIFICACIÓN DE UN SUELOCEMENTO Se presenta un ejemplo de aplicación del procedimiento de dosificación para suelos tratados con cemento desarrollado en el Capítulo 4.

1.

DATOS DE PARTIDA Se desea dosificar un suelocemento para utilizarlo como base en un firme de una carretera cumpliendo las especificaciones técnicas del Artículo 513 del PG-3.

2.

DOSIFICACIÓN

2.1

Análisis granulométrico El primer paso de la dosificación es comprobar que la granulometría del suelo considerado está incluido en el huso SC40. Si se trata de una aplicación para tráficos T3 o T4 o para arcenes se considerará también el huso SC20. El primer huso es muy amplio, e incluye tamaños máximos de partículas entre 40 y 8 mm, pero excluye las arenas que sí son consideradas en el huso SC20. Si como resultado de este análisis el suelo no cumple los criterios granulométricos, puede, en algunos casos, existir la alternativa de combinarlo con otros suelos.

2.2

Propiedades del suelo A continuación se determinan las propiedades del suelo que figuran en las especificaciones y se comprueba si son adecuadas para la aplicación: plasticidad, materia orgánica, compuestos totales de azufre y sulfatos solubles en ácido, y reactividad con los álcalis del cemento. Una alternativa en caso de suelos cuya plasticidad exceda a la prescrita es la estabilización previa con cal.

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Determinación del contenido óptimo de agua El objetivo de esta fase de la dosificación es hallar el contenido óptimo de agua para la compactación de la mezcla del suelo tipo (granulometría media de las analizadas) con una dotación de cemento estimada aproximadamente para que cumpla las resistencias especificadas. Normalmente el estudio de la humedad se realiza con un único contenido de cemento ya que, en general a igualdad del resto de factores, una variación de unos pocos puntos porcentuales en el contenido de cemento tiene una influencia muy limitada en el valor de la humedad óptima1. Si no existe experiencia con el suelo considerado se recomienda partir de un contenido inicial de cemento del 6% sobre el peso del suelo seco. Para determinar el contenido óptimo de agua para la compactación de la mezcla se realizan ensayos de compactación en laboratorio siguiendo la norma NLT-310 con la energía del ensayo Proctor Modificado (UNE103501) utilizando moldes tipo CBR sin disco espaciador (compactación con maza de 4,5 kg en 7 tongadas y 60 golpes por tongada). Suele ser conveniente ensayar cinco contenidos de agua diferentes intentando que el contenido medio del intervalo coincida con el contenido esperado de humedad, que es generalmente del 5-10% en sueloscemento, aunque puede haber desviaciones respecto al intervalo señalado con algunos suelos. En este caso se han elegido 5 porcentajes de agua diferentes, entre el 6 y el 10%. Los resultados de los ensayos realizados se muestran en la Tabla 1. Tabla 1

Resultados de los ensayos de compactación en laboratorio (NLT-310) para un contenido de cemento del 6% sobre el peso del suelo seco. % HUMEDAD RETENIDA 6 7 8 9 10

DENSIDAD (Mg/m3) 1,902 1,960 2,005 2,036 2,022

Estos valores se representan en un gráfico densidad-humedad y se unen con una curva suave (Figura 1). El pico de la curva es el punto con la densidad seca máxima (aproximadamente 2,035 Mg/m3) y el contenido de agua que le corresponde (9,3%) es la humedad óptima de compactación.

Si para una mayor precisión se quiere determinar la humedad óptima con mayor exactitud se pueden obtener las curvas Proctor Modificado para una serie de contenidos de cemento (por ejemplo, 5, 6, 7 y 8%, con suelos arcillosos o 3, 4, 5 y 6% con zahorras ), y seleccionar un contenido óptimo de humedad para cada uno. Luego, tras los ensayos de resistencia, se precisa el óptimo de humedad por interpolación.

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Figura 1

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Resultado gráfico del ensayo de compactación en laboratorio de probetas de suelocemento con el 6% de cemento.

Dosificación del conglomerante Se fabrican series de probetas (3 a 5) para varias dotaciones de cemento (por ejemplo, 4, 5, 6 y 7%) para hallar su resistencia a compresión simple. Las probetas se compactan siguiendo el mismo procedimiento utilizado para la determinación de la humedad óptima (NLT-310) con el contenido óptimo de agua de compactación y la energía2 que proporcione el 98% de la densidad máxima Proctor Modificado (aproximadamente 1,99 Mg/m3). Posteriormente, se curan las probetas en cámara húmeda o cualquier otro procedimiento sancionado por la experiencia y tras 7 días se realizan los ensayos de rotura según la norma NLT-305 (Tabla 2). Tabla 2 Resultados de los ensayos de rotura a compresión simple a 7 días (NLT-305). % CEMENTO 4 5 6 7

RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE A 7 DÍAS (MPa) 1,32 1,48 1,45 1,67 1,72 1,78 2,22 2,19 2,36 3,25 3,17 3,30

RESISTENCIA MEDIA (MPa) 1,41 1,72 2,25 3,24

Dibujando una curva que relaciona la resistencia con el contenido de cemento (Figura 2), se puede obtener de forma sencilla el porcentaje de cemento para el que la resistencia a compresión simple supera la mínima especificada para el suelocemento (2,5 MPa).

Para la fabricación de probetas con una densidad seca previamente establecida se puede utilizar el procedimiento descrito en la norma NLT-310, o bien estimar mediante tanteos la energía (en número de golpes por capa) que se debe aplicar en el ensayo Proctor Modificado para obtener la densidad requerida. 2

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Figura 2

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Estimación del porcentaje de cemento necesario.

Lo más recomendable es escoger un contenido de cemento que proporcione una resistencia algo mayor de la especificada. Por tanto, en este caso se puede fijar un contenido de cemento del 6,5% que proporciona aproximadamente una resistencia de 2,7 MPa. En cualquier caso, el contenido de cemento elegido debe ser mayor del 3% y debe permitir cumplir las resistencias especificadas (mínimas y máximas) teniendo en cuenta las tolerancias admisibles (±0,3% del contenido de cemento). Se comprueba por tanto que para la tolerancia inferior (6,2% de cemento) no se rebasa el mínimo de 2,5 MPa, ni el máximo de 4,5 MPa para la superior (6,8%).

2.5

Ajuste final Aunque no suele ser necesario, se puede realizar un nuevo ensayo de compactación con el porcentaje de cemento elegido, 6,5% en este caso, para estimar los valores finales de la humedad óptima y la densidad seca máxima. Se pueden tomar contenidos de agua en el entorno del valor hallado en primera fase de la dosificación variando éstos de medio en medio punto porcentual (8; 8,5; 9; 9,5 y 10 %).

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Comprobación de la densidad máxima y la humedad óptima con el contenido de cemento seleccionado (6,5% s/s).

Haciendo esto resulta un contenido óptimo de agua del 9% y una densidad seca máxima de 2,036 g/cm3 para una mezcla con el 6,5% de cemento. Como se puede apreciar, las diferencias con la primera aproximación son mínimas en este caso. Para esta fórmula de trabajo se debe comprobar la sensibilidad de la resistencia a las variaciones de la dosificación, fundamentalmente de la humedad. Un exceso de humedad provoca la caída de la resistencia del material, por tanto se debe comprobar que con la humedad óptima más el valor de la tolerancia permitida en la fórmula de trabajo (normalmente +0,5%) se supera la resistencia mínima exigida. La comprobación se realiza compactando una serie nueva de probetas3 con la humedad óptima más la tolerancia (9,5%) y el 98% de la nueva densidad máxima hallada (1,995 Mg/m3). Se curan las probetas durante 7 días, y a continuación se ensayan a compresión simple (Figura 4). En este caso, tal y como se puede apreciar, la resistencia para una humedad del 9,5% es superior al valor mínimo especificado (2,5 MPa).

Algunos laboratorios suelen ensayar a rotura las mismas probetas fabricadas para el ensayo de compactación. Esta opción no es recomendable ya que la energía de compactación utilizada (100% de la Prcctor Modificado) es superior a la exigida en obra (98% de la Proctor Modificado). En cualquier caso, si se hiciera así, habría que comprobar posteriormente la sensibilidad de la dosificación a la variación de la densidad de la mezcla.

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Figura 4

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Sensibilidad de la resistencia de la mezcla (6,5% de cemento) frente a cambios en la humedad (humedad óptima más la tolencia).

Por último, se debe comprobar que el plazo de trabajabilidad es superior al tiempo especificado, en este caso de 3 horas (180 min). Para ello, se realiza un ensayo de compactación diferida (UNE 41240) a la temperatura especificada (normalmente, la temperatura que va a prevalecer en obra), para unos tiempos de t0=0 y tt=180 minutos, y se comprueba que la disminución de densidad no supera el 2%. La humedad de la mezcla influye decisivamente en el plazo de trabajabilidad. Este se reduce considerablemente cuando la humedad del material se encuentra por debajo de su valor óptimo de compactación. Por consiguiente, el ensayo de compactación diferida se debe realizar con el valor de la humedad dada por el óptimo menos la tolerancia permitida en la fórmula de trabajo (normalmente, -1%). Tras realizar el ensayo se han obtenido los siguientes resultados: para t0 una densidad de 2,036 y para t180 una densidad de 2,015 lo que supone una bajada de densidad de aproximadamente el 1%, luego el plazo de trabajabilidad es mayor de 3 horas. Si no se supera el valor del plazo de trabajabilidad establecido, resulta casi obligado el empleo de retardadores de fraguado. En ese caso, se deben realizar de nuevo ensayos de compactación diferida empleando distintos porcentajes de aditivo hasta obtener un plazo de trabajabilidad superior al mínimo. Generalmente, basta con pequeños porcentajes de retardador, alrededor del 1% sobre el peso del cemento. Una vez hallado el porcentaje de retardador necesario, se deben repetir los pasos descritos en este apartado. Es decir, volver a realizar otro ensayo de compactación y comprobar de nuevo las resistencias del material, ya que en algunos casos el aditivo puede influir en la evolución de las resistencias con el tiempo.

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PROCEDIMIENTO DE CONTROL DEL MATERIAL FABRICADO 1

INTRODUCCIÓN Una de las fases del control de producto terminado consiste en comprobar que las desviaciones de los constituyentes de la mezcla obtenida a la salida de la planta de fabricación no superan las tolerancias admitidas con respecto a la fórmula de trabajo. Por consiguiente, será necesario definir por una parte unas tolerancias aceptables para el material fabricado y por otra una frecuencia de ensayos para el control de las mismas. Resulta evidente que ni las tolerancias ni la frecuencia de los controles tendrán el mismo grado de exigencia en todos los casos, pues dependerán de la importancia de la obra, del material de que se trate o de la capa donde se vaya a utilizar este material. Por tanto, será también necesario definir unos niveles de control adecuados a las exigencias de calidad deseadas y asociar a cada nivel unas tolerancias aceptables y una frecuencia de ensayos adecuada. Por otro lado, en obras importantes en las que haya un gran volumen de producción y se haya comprobado el correcto funcionamiento de la central durante las primeras fases de la producción, es posible disminuir la frecuencia de ensayos en fases posteriores. Por el contrario, este procedimiento no resulta adecuado para pequeños volúmenes de producción, ya que puede que no haya volumen suficiente de material para determinar si la central tiene un funcionamiento correcto.

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TOLERANCIAS SOBRE LA FÓRMULA DE TRABAJO Para definir el nivel de exigencia de calidad para estos materiales, se proponen dos niveles de control (I y II), cuyas tolerancias asociadas se muestran en la Página - 1 -

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P R O C E D I M I E N T O F A B R I C A D O

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Tabla 1. Además, figuran dos sistemas de cálculo de tolerancias, uno basado en muestras individuales y otro en la media de cuatro muestras. Este último permite disminuir las desviaciones debidas a la propia toma de muestras. Cada nivel de control puede asociarse a un tipo de obra o material: 1. 2.

El nivel I es adecuado para obras importantes o materiales de calidad igual o superior a la gravacemento. El nivel II es más recomendable para obras de importancia media o baja o para suelocemento.

Tabla 1 Control de fabricación: tolerancias (en %) respecto a la fórmula de trabajo. Pasa % Tamaño máximo, D D/2 ó tamaño grueso característico 2 mm Tamaño fino característico 0,063 mm Agua Cemento

Muestras individuales Nivel I Nivel II

Media de cuatro muestras Nivel I Nivel II

-8 a +5

-9 a +5

±4

±5

±7

±9

±4

±4

±6

±7

±3

±3

±4

±5

+2

+2

±2 ±1 ±0,4

±3 ±1 ±0,6

±1 ±0,5 ±0,3

±2 ±0,5 ±0,3

Pueden fijarse otras tolerancias menos exigentes si las características del material (básicamente, el suelocemento) hicieran imposible cumplir las señaladas, pero en ese caso se deberá tener en cuenta dicha circunstancia al definir la fórmula de trabajo. Por el contrario, puede ser necesario reducir las tolerancias si en el estudio de laboratorio se detecta que el comportamiento del material es muy sensible a algún elemento de su composición. Además, puede ser conveniente introducir un nivel de aviso, previo al de no-conformidad.

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FRECUENCIA DE MUESTREO INICIAL La frecuencia con la que se deben realizar las medidas dependerá del tipo de obra, de la capa de que se trate y del funcionamiento de la central. Por ejemplo, en obras importantes con una gran producción horaria, conviene aumentar la frecuencia de muestreo para evitar el riesgo de rechazar grandes cantidades de material. Sin embargo, en capas de suelocemento, en las que las tolerancias suelen ser mayores que para otros materiales y la influencia de las desviaciones menor, se puede disminuir algo la frecuencia de muestreo. Se definen tres niveles de frecuencia de toma de muestras (X, Y y Z), entre los que se puede seleccionar el que se considere más adecuado para la obra o capa de que se trate en cada caso particular. El nivel Z, de menor frecuencia, puede ser adecuado para obras de pequeña o media entidad; el nivel Y, para grandes obras; y el nivel X, de mayor frecuencia, para obras específicas en las que se requiera un control muy estricto del material.

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En la Tabla 2 se definen las frecuencias de muestreo en función de las cantidades producidas en toneladas. Así, para un nivel de muestreo Z se tomarán muestras para ensayos cada 500 t de producción. También se puede utilizar un sistema definido por tiempos en lugar de por cantidades. Por ejemplo, en el caso de una central con una producción horaria de 120 t y un nivel de frecuencia de ensayos Z, serían necesarios unos dos muestreos por día de funcionamiento de la central (suponiendo 8 horas de funcionamiento diarias).

Tabla 2 Niveles de frecuencia de muestreo Nivel de frecuencia Cantidad (t) por muestreo* X 150 Y 250 Z 500 * Con un muestreo como mínimo cada cinco días de operación.

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REAJUSTE DE LA FRECUENCIA DE MUESTREO Como se ha comentado anteriormente, en obras con volúmenes importantes de producción puede definirse un sistema para reducir la frecuencia de ensayos una vez que se ha comprobado que el funcionamiento de la central es adecuado. Para tomar esta decisión es necesario definir unos niveles de funcionamiento de la central (A, B y C). El nivel de funcionamiento A es el más preciso y el nivel C es el menos preciso. El nivel de frecuencia de muestreo inicial supone que la central trabaja con un nivel de funcionamiento C. La definición del nivel de funcionamiento de la central es progresiva: 3. 4.

5. 6.

Inicialmente se toman muestras con el nivel de frecuencia de muestreo definido (X, Y o Z) Se analiza el número de no-conformidades después de 32 análisis (o de ocho grupos de cuatro muestras, si se ha optado por este procedimiento). En función del número de no-conformidades (véase Tabla 3), se define el nivel de funcionamiento de la central (NFC). Se ajusta la frecuencia de muestreo en función del nivel de funcionamiento de la central y se reinicia el proceso (véase Tabla 4)

Tabla 3 Nivel de funcionamiento de la central de fabricación. RESULTADOS INDIVIDUALES

MEDIA DE 4 RESULTADOS NIVEL DE (núm. de noFUNCIONAMIENTO DE (núm. de no-conformidades en conformidades en los LA CENTRAL (NFC) los últimos 32 ensayos) últimos 8 grupos) 0–2 0 A 3–6 1 B >6 >2 C Si la central acumula más de 8 no-conformidades en las 32 muestras debe revisarse el funcionamiento de la misma.

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Una vez definido el NFC, si éste es superior al nivel C se puede reajustar la frecuencia de ensayos definida inicialmente en la Tabla 2. Dentro del mismo nivel (X, Y ó Z) se reduce la frecuencia de los ensayos, de acuerdo con los valores indicados en la Tabla 4. Tabla 4 Frecuencia de ensayos (toneladas producidas) en función del NFC. Nivel de frecuencia de ensayos(*) X Y Z

Nivel de funcionamiento de la central (NFC) A B C

600 300 150 1000 500 250 2000 1000 500 (*) Con un muestreo como mínimo cada cinco días de operación

Por ejemplo, si se decide un nivel de frecuencia de ensayos Y, inicialmente se tomarán muestras cada 250 t producidas. Si después del análisis del muestreo se ha comprobado que el nivel de funcionamiento de la central es el B, a partir de entonces se puede reducir la frecuencia de ensayos (dentro del mismo nivel Y) a la mitad, esto es a un muestreo cada 500 t. Si en lugar de las cantidades producidas se utiliza el tiempo como parámetro de control, el procedimiento es similar. Para el nivel Z, en el caso de una central que produzca 125 t/h se deben tomar muestras 2 veces al día. Si se comprueba que el NFC es el B, se puede pasar a una frecuencia de muestreo de la mitad, es decir, una vez al día; mientras que si el NFC es el A, es posible recucirla a un ensayo cada dos días de funcionamiento. La no-conformidad se debe aplicar únicamente al volumen de material representado por la toma de muestras específica en que se haya producido, y no al volumen representado por las 32 muestras. Si el fabricante demuestra que el sistema de registro continuo de la central permite la determinación de componentes de forma satisfactoria se pueden tomar esos datos como base, con un contraste periódico con los obtenidos sobre muestras, si bien en este caso con una frecuencia mucho menor.

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Manual Completo

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