https://doi.org/10.14482/inde.42.02.864.445
Desempeño de los RCD en vías urbanas
Performance of CD&W on urban roads
Ana-Sofía Figueroa Infante*
Humberto Ramírez Gómez**
Correspondencia: Ana Sofía Figueroa. Carrera 2 n.° 10-70. Piso 7. Bloque D. Universidad de La Salle. Bogotá, Colombia. afigueroa@unisalle.edu.co.
Resumen
En esta investigación se presenta un avance de la respuesta estructural de los Residuos de Construcción y Demolición (RCD), utilizados en una vía local de Bogotá, D.C. para tránsito medio. La mitad de esta construida con materiales vírgenes y la otra mitad con RCD. La construcción de la vía culminó en enero de 2020, y a partir de allí se ha venido realizando el monitoreo estructural y funcional de cada tramo para tener mayor certeza sobre el desempeño de los RCD. Entre los resultados obtenidos se destacan la alta susceptibilidad al daño por humedad de la Mezcla Densa en Frío, MDF 20, con 100 % Pavimento Asfáltico Reciclado (RAP). Entre los análisis realizados la auscultación visual con el método del Pavement Condition Índex (PCI) arrojó un valor de 85 (excelente) para el pavimento convencional y 74 (muy bueno) para el pavimento con RCD. El Índice de Rugosidad Internacional (IRI) fue 3,3 m/km para el tramo convencional y 3,7 m/km para el de RCD. Lo anterior indica que la serviciabilidad promedio a los 2,9 años, obtenida de la ecuación de Paterson y Gillespie, es de 2,66 para el pavimento convencional y 2,89 para el pavimento con RCD.
Palabras clave: IRI de RCD,MDF-20, pavimentos sostenibles, RCD.
Abstract
This research presents an advance of the structural response of the Construction and Demolition Waste (CD&W) used in a local road in Bogotá, D.C. for medium traffic, half of it was built with virgin materials and the other half with CD&W. The construction of the road was finished in January 2020, and since then, structural and functional monitoring of each section has been monitored in order to have greater certainty on the performance of the RCDs. Among the results obtained, the high susceptibility to moisture damage of the Cold Dense Mix, MDF 20, with 100 % Recycled Asphalt Pavement (RAP) stands out. Among the analyses performed, the visual auscultation with the Pavement Condition Index (PCI) method yielded a value of 85 (excellent) for the conventional pavement and 74 (very good) for the pavement with RCD. The International Roughness Index (IRI) was 3,3 m/km for the conventional section and 3,7 m/km for the RCD section. This indicates that the average serviceability at 2,9 years, obtained from the Paterson and Gillespie equation, is 2,66 for the conventional pavement and 2,89 for the RCD pavement.
Keywords: DCM-20, IRI of CD&W, Sustainable Pavements.
Fecha de recepción: 05 de julio de 2023
Fecha de aceptación: 08 de enero de 2024
INTRODUCCIÓN
Uno de los retos mundiales respecto a la infraestructura vial es la aplicación e implementación de procesos sostenibles que se extienden desde la obtención de agregados hasta la construcción y puesta en servicio de la vía. La sostenibilidad debe dar respuesta al equilibrio entre lo construido y el medio ambiente en un entorno de equidad y compromiso social. En este sentido, es necesario incorporar materiales con bajo consumo energético en su producción y aplicación, tales como materiales reciclados y renovables. Si bien en Colombia se regula y orienta a los sectores asociados a la producción minera para construcción de carreteras a través del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, aún falta un extenso trabajo que se asocie al estudio de los materiales reciclados y renovables para garantizar un ciclo de vida sostenible. De acuerdo con la Guía Técnica Ambiental para la Formulación del Plan de Gestión de RCD en Obra, emitido por la Secretaría Distrital del Ambiente 2015, en la Figura 1 se observa, los RCD que se generan en Bogotá, y en la Tabla 1 una propuesta de reutilización de estos.
Con esta investigación se presenta una alternativa de reutilización de los RCD en carreteras, colocados desde la subrasante para procesos de estabilización de suelos de baja capacidad portante hasta la superficie de rodadura, para estudiar su desempeño no solo a nivel de laboratorio sino también a escala natural, y así conocer su desempeño en el tiempo bajo los efectos ambientales y las solicitaciones a las que están expuestos durante el periodo de servicio.
ESTADO DEL CONOCIMIENTO
El pavimento es un conjunto de capas estructurales conformada por diferentes materiales que deben cumplir unas condiciones de calidad y responder a las solicitaciones impuestas por el tránsito. Sin embargo, uno de los retos a los que recientemente se ha tenido que enfrentar la ingeniería de carreteras es al uso de materiales reciclados, no sólo por la disminución de la huella de carbono, sino también por la reducción de costos de explotación, producción y transporte. En este sentido, es necesario estudiar la calidad y respuesta estructural de materiales como los Residuos de Construcción y demolición (RCD), para su utilización en vías, garantizando un buen desempeño del pavimento sin sacrificar su vida útil.
Existen diversos métodos no destructivos para medir la capacidad estructural y el desempeño de los pavimentos. Los más utilizados son el deflectómetro de impacto, la viga benkelman, el Índice de Rugosidad Internacional (iri), el coeficiente de resistencia al deslizamiento usando el péndulo británico, la cámara termográfica infrarroja y la macrotextura superficial con la técnica volumétrica, entre otros.
Una de las investigaciones de gran incidencia y referente mundial sobre el seguimiento al desempeño de los pavimentos es la realizada por [3], en la que se desarrolló un estudio llamado Long Term Pavement Performance (LTPP), para analizar el desempeño del pavimento en el largo término, 20 años, y estudiar las causas de su deterioro. La investigación se basó en dos secciones de pavimento rural localizadas en Lake Ontario State Parkway en New York State, en las que se estudiaron los efectos ambientales, de tránsito, esfuerzos, deflexiones, y procesos constructivos, y su incidencia en la durabilidad del pavimento. El proceso desarrolló pruebas no destructivas acompañadas de algunas pruebas de campo para correlacionar los resultados destructivos y no destructivos en las secciones estudiadas.
Otra de las investigaciones realizadas sobre la medición del desempeño de materiales reciclados en un pavimento es la presentada por [4], quienes estudiaron la vida útil de los materiales reciclados en capas de bases y subbases de un pavimento utilizando ensayos de deflectometría. Eligieron seis combinaciones de materiales de desechos de construcción con dieciséis secciones de prueba diferentes, cada una de 3,5 m de ancho y 50 m de largo, con diferentes espesores de capas de base, entre 150 y 250 mm; y subbase de 200, 300 y 400 mm con mezclas de residuos. Entre los residuos utilizados se tienen: 40 % escoria de cobre + 60 % cenizas volantes, (CCF); 70% escoria de cobre + 23 % cenizas volantes + 7 % cal (cfl) y 75 % escoria de acero + 19% cenizas volantes + 6 % cal (SFL) como capas base y cenizas volantes + 5 % cal (fl); 80% cenizas volantes + 20 % gbfs (fg) y 70 % escoria de cobre + 30 % cenizas volantes (CF) como capas de subbase. Con base en la evaluación estructural inicial, las seis mezclas mencionadas presentaron deflexiones más bajas y módulos elásticos más altos en comparación con el material convencional. En particular, la base SFL y la subbase FL presentaron el módulo elástico más alto, de 710 MPa y 450 MPa; los módulos elásticos de las bases y subbases granulares convencionales fueron 138 MPa y 110 MPa, respectivamente. Además, las secciones con mezclas de residuos en las capas base y subbase mostraron una mejor vida útil, con una efectividad de hasta el 17 % en comparación con la sección convencional.
En 2016, [5] presentaron la investigación para pavimentos sostenibles utilizando en la carpeta asfáltica un modificador proveniente del bioetanol producido de residuos orgánicos, en la base granular utilizaron cantidades importantes de RAP y agentes biofluidificantes provenientes de aceite vegetal para mejorar el desempeño y adhesión de los materiales granulares con RAP, en la capa de subbase y subrasante, utilizaron RCD. Para la mezcla asfáltica diseñada con RAP, se encontró que, para controlar la susceptibilidad al daño por humedad, no se le debe incorporar más del 15% de este RCD. Respecto a las bases y subbases, se recomendó el proceso de calidad, tamaño, forma y limpieza, siguiendo las normas europeas, en. El tránsito recomendado en la investigación para estos granulares es medio, con un TPD entre 5-800 vehículos.
Estas son sólo algunas de las investigaciones recientemente realizadas en el mundo, sobre los RCD y su utilización en carreteras.
MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Los materiales utilizados en este proyecto incluyen agregados vírgenes, provenientes de canteras a cielo abierto ubicadas en la sabana de Bogotá; material de concreto hidráulico reciclado sin acero, proveniente de demoliciones; Reclaimed Asphalt Pavement (RAP), proveniente de las vías reparadas a través del fresado, base y subbase granular tipo b (tránsito medio) según la especificación inv e-2013, y mezclas de base granular con material RAP.
El suelo de subrasante y los materiales utilizados fueron caracterizados y verificada su calidad para dar cumplimiento a los parámetros de diseño de pavimentos para vías locales de tránsito medio en Bogotá, D.C.
Métodos
Los análisis y seguimiento de la estructura del pavimento se basan fundamentalmente en las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras INV E-2022 y las normas para ensayos de carreteras INVE-2013 [n],[12],[14]. Salvo en ciertos análisis que se indicarán en la medida que se presenten, se consultaron normas o especificaciones diferentes. El segmento vial escogido para el proyecto fue seleccionado entre las diferentes vías locales de un sector central en la ciudad de Bogotá, D.C., aptas para rehabilitar, ubicado en la carrera 37 entre calles 25c y 25d. La vía tiene un ancho de calzada de 7,11m, es decir, cada carril mide 3,56 m y dos carriles en una dirección. El segmento estudiado se dividió en dos subtramos : uno construido con materiales vírgenes de 32,46m y otro construido con RCD y de 32,28 m de longitud para contrastar el desempeño del tramo con RCD respecto al convencional, dado que están sometidos a las mismas solicitaciones y condiciones ambientales. En el diseño y la construcción se tuvieron en cuenta el subdrenaje, dada la topografía y el nivel freático de la zona. Las fases del análisis en esta investigación se presentan en la Figura 2.
Detalles constructivos del tramo de análisis
El diseño del tramo de análisis se realizó con base en el estudio de tránsito y el número de repeticiones de carga en ejes equivalentes de 8,2t. El suelo natural requirió estabilización, sin embargo, el potencial expansivo fue bajo, razón por la cual la subrasante se estabilizó con pedraplén (rajón natural), con tamaño máximo de 15 cm para el tramo convencional, y retal de concreto, imitando la forma del rajón natural, para el tramo con RCD. Los materiales granulares escogidos para los dos tramos de pavimento son tipo B por tener tránsito medio según la INV E-2013 (coincidente con la INV E-2022). Para el tramo con RCD se realizó una mezcla de 70 % base granular tipo B más 30 % de RAP y la rodadura con una mezcla asfáltica densa en frío estabilizada con 2 % de cemento y tamaño máximo nominal de 20 mm (MDF 20). El pavimento convencional se recubrió con una mezcla densa en caliente con tamaño máximo nominal de 12 mm (MDC 12). El diseño del tramo de análisis se realizó con base en el estudio de tránsito y el número de repeticiones de carga en ejes equivalentes de 8,2t (ver Tabla 2).
Cada una de las capas del pavimento en sus dos tramos fue instrumentada para realizar el monitoreo y análisis de los materiales RCD respecto a los vírgenes. Se instalaron celdas de carga a nivel de subrasante, deformímetros de fondo en la base y subbase granular, humedómetros en la parte superior de la base granular y deformímetros en la fibra inferior de la carpeta asfáltica (ver Figura 3).
Auscultación visual
La auscultación de la vía se realizó a partir de la metodología de Clasificación del Pavement Condición Índex (PCI) ASTM D6433 - 20, [7]. En la Figura 4 se observan las fallas del tramo convencional y con RCD.
En el tramo convencional la falla predominante fue la peladura por intemperismo, con un 46 %, seguida de la exudación, con un 18 %. El tramo con RCD, cubierto previamente con un riego de arena de rap y emulsión catiónica de rompimiento lento tipo 1(CRL-1), debido a la susceptibilidad al daño por humedad que presentó una vez construido, evidenció principalmente daños de bloque en un 53 %, seguidos de peladura por intemperismo en un 14 % (ver Figura 5).
Cálculo del Índice de Rugosidad Internacional (IRI)
Este índice indica la rugosidad del pavimento como la sumatoria de las amplitudes medias en una distancia horizontal recorrida en el pavimento por un equipo o vehículo, a una velocidad constante y con un eje horizontal de referencia [8], de tal forma que su valoración está en unidades de longitud vertical (cotas), respecto a la longitud recorrida, siendo la expresión más común m/km, pulgadas/pie, entre otros. El IRI se midió en campo con el rugosímetro de Merlín [10], debido a la longitud de los tramos de estudio.
Cálculo de la fricción
La fricción permite hallar un coeficiente para valorar la adecuada adherencia entre la superficie y las llantas de los vehículos. Este valor es un indicativo de la seguridad por fricción en condición húmeda (la más crítica del pavimento), aplicada con esta metodología especialmente en pavimentos de bajo o medio volumen de tránsito. Cuanto mayor es el valor, tanto más alta y mejor es la fricción. El ensayo se realizó con base en la especificación INV E 791 - 13 (ver Tabla 3).
Cálculo de la textura
El cálculo de la micro- y macrotextura de la superficie del pavimento debe realizarse para determinar la resistencia al deslizamiento. La microtextura es la pequeña aspereza superficial, e incide entre el neumático y el pavimento, y varía de áspera a pulida. La macrotextura se define por la aspereza mayor y se mide con la variación relativa entre las partículas y el plano base del pavimento, y varía de rugosa a suave. Su determinación se llevó a cabo con la técnica volumétrica de arena (ver Figura 6).
Adicionalmente, la macrotextura o microtextura se controla en el diseño de la mezcla; aspecto que permite determinar la mejor combinación de granulometría, vacíos y contenido de ligante asfáltico, entre otros, para cumplir con la seguridad vial. En la Figura 7 se observan los ensayos de textura, fricción e IRI, respectivamente, y en la Tabla 4, los resultados obtenidos para la macrotextura.
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Pavement Condition Index (PCI)
El Pavement Condition Index (PCI) es un índice que indica la calidad superficial de un pavimento a partir de la cuantificación de los daños en el mismo. En este proyecto su cálculo se realizó con base en la norma ASTM D6433 - 20 [7]. Los valores obtenidos fueron: 85 para el pavimento convencional y 74 para el pavimento con RCD, clasificándose como "excelente" y "muy bueno", respectivamente.
Índice de Rugosidad Internacional (IRI)
Los datos obtenidos para el IRI fueron 3,7 para el tramo convencional y 3,3 para el tramo con RCD. Estos valores fueron obtenidos dos años después de la construcción de la construcción de la vía en estudio. En la Tabla 5, se presenta de manera comparativa el nivel de servicio según AASHTO 93 (PSI) [17] (ver ecuación 1).
Acá se indica la pérdida de serviciabilidad que el pavimento ha tenido en los casi tres años de servicio (ver Tabla 5).
Si se compara el valor del PSI según AASHTO 93 con el obtenido por la ecuación (2) y ecuación (3) de Paterson y Gillespie, respectivamente, se tiene que el valor de PSI es:
Reemplazando los valores de IRI obtenidos para el año 2022, se tiene para el tramo convencional un valor de IRI de 2,57 según Paterson y 2,66 según Gillespie. Para el tramo con RCD, el PSI según Paterson es 2,74, y según Gillespie 2,89.
Fricción
Los valores obtenidos fueron 72,63 y 69,88 para el pavimento convencional y el construido con RCD, respectivamente. De acuerdo con la Tabla 4, los coeficientes de resistencia al deslizamiento cumplieron ampliamente para los dos tipos de pavimento y el tránsito de diseño de la vía NT2, sin embargo, el pavimento con RCD tuvo un menor coeficiente, debido al riego de emulsión que se le añadió para impermeabilizar la capa superficial y proteger la estructura del ingreso de agua, ya que la mezcla colocada inicialmente con 100 % pavimento asfáltico reciclado (RAP) en una Mezcla Densa en Frío (MDF), era altamente porosa (ver Tabla 6).
Textura
Los valores de textura (H) obtenidos fueron 0,55 y 0,47 para el pavimento convencional y el de RCD, respectivamente. Con base en la clasificación obtenida, se tiene que para los dos tipos de pavimento la textura corresponde a tipo medio, según [15].
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Uno de los retos de este proyecto fue utilizar una MDF 20 con el propósito de utilizar un 100 % de material reciclado, disminuyendo en un 92 % el uso de materiales vírgenes y adicionando 2 % de cemento hidráulico para controlar la susceptibilidad al daño por humedad. Sin embargo, los humedometros instalados indicaron que en este pavimento la humedad retenida estaba en el 40 %, debido a su alta porosidad. Para mitigar este problema se colocó un riego de emulsión asfáltica CRR-1 con arena de RAP, el cual resultó efectivo.
Otro aspecto que vale la pena destacar es que a pesar de que la falla predominante en el tramo con RCD fue la de bloque con un 53 %, no hay deformaciones y estructuralmente el pavimento tiene una buena condición y desempeño.
El PCI del pavimento con RCD fue 74, con tres años de vida útil respecto a los 5 de diseño, lo cual indica que es un pavimento muy bueno. Comparativamente, el pavimento convencional tuvo un PCI de 85, es decir que la variación relativa a favor del pavimento convencional es del 12,9 %.
La variación del índice de servicio del pavimento con RCD a los tres años es del 5,26 %, lo cual indica una buena respuesta estructural en el tiempo. Vale la pena aclarar que esto es posible debido a la intervención de impermeabilización realizada tempranamente. Para el pavimento convencional esta variación fue del 5 %, presentando un mejor comportamiento que el pavimento con RCD.
Los coeficientes de resistencia al deslizamiento para los dos pavimentos se cumplieron ampliamente de acuerdo con el tránsito de diseño, lo cual es deseable para tener amplia maniobra de conducción en términos de la seguridad.
La profundidad media de la textura para el pavimento con RCD fue 0,47, valor que de acuerdo con lo recomendado en [16], donde se indica que para un valor de 0,80 mm existe una separación razonable entre la macrotextura rugosa y la suave, y para un valor menor a 0,20 la macrotextura es muy fina. En este sentido, los dos pavimentos clasifican en una textura media. Vale la pena resaltar que este valor fue menor para el pavimento con RCD debido al riego arena emulsión colocado.
Una de las recomendaciones que controlaría la baja textura del pavimento con RCD es el ajuste granulométrico de la MDF 20 con adición de arenas gruesas, medias, finas y material P200, adicionales al porcentaje de cemento aplicado. Esto controlaría la alta permeabilidad de esta mezcla y, por lo tanto, se evitaría la colocación de la emulsión.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Universidad de La Salle y a los estudiantes del Semillero Green Roads que en algún momento se vincularon al proyecto, especialmente a Fabio Bautista y Julián Ríos.
* Ingeniera civil. Ph.D. Directora del Grupo de Investigación en Desarrollo Tecnológico (indetec-INDETES), Facultad de Ingeniería, Universidad de La Salle. Bogotá, Colombia. Orcid ID: https://orcid.org/0000-0002-4185-362X. afigueroa@unisalle.edu.co.
** Ingeniero civil. Unidad Administrativa Especial de Rehabilitación y Mantenimiento Vial (UMV). Orcid ID: https://orcid.org/0009-0000-1035-9867. humberto.ramirez@umv.gov.co.
REFERENCIAS
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