martes, 16 de diciembre de 2014

Ejecución con mal tiempo. Bajas temperaturas

 

     La puesta en obra de las mezclas bituminosas en caliente debería hacerse siempre en condiciones climáticas favorables en cuanto a temperaturas, viento y lluvia, para que se favorezca o posibilite que su compactación se realice en el rango adecuado de temperatura, de modo que no solo se alcance la densidad exigida, sino que ésta se consigue en buena temperatura sin reducir prestaciones mecánicas ni cohesivas.
     Ya es sabido que no solo la densidad (volumen de huecos) es lo que define las prestaciones de la mezcla en la capa, sino que es el binomio densidad-temperatura de compactación, el que fija el nivel de su comportamiento mecánico y cohesivo. [Referencias 1 y 2]
     Sin embargo, hay muchas ocasiones en las que su ejecución se lleva a cabo en situación de bajas temperaturas, presencia de viento o de lluvia o con humedad en la superficie de apoyo que dificultan en gran manera la compactación de la mezcla y que ésta se realiza en un rango adecuado de temperaturas sin presencia de segregaciones térmicas, además de repercutir negativamente en otras propiedades de la capa como regularidad superficial, textura, etc
     El extendido de mezclas en caliente con bajas temperaturas ambiente es una operación delicada o desaconsejable, tanto más cuanto menos espesor tenga la capa o con superficie de apoyo mojada, dada la sensibilidad que el enfriamiento de la capa recién extendida tiene a la temperatura en el aire y en la superficie de apoyo.
     Como regla general, se puede señalar que será muy difícil compactar hasta alcanzar un nivel de densidad adecuado, y no debe plantearse el extendido, si el tiempo disponible para realizar la compactación en un rango adecuado de temperaturas, no va a superar los 10 minutos.
     En lo que sigue se analiza el tiempo disponible para la compactación de la mezcla en estas condiciones desfavorables y los diversos factores que lo determinan, así como algunas soluciones específicas de aplicación para estas situaciones.

Aspectos normativos

   Todas las normativas establecen limitaciones en forma de condiciones de tipo ambiental (temperatura, viento, lluvia, heladas,..) para poder proceder al extendido de mezclas asfálticas en caliente, a fin de prevenir una calidad inaceptable en la capa ejecutada. Estas limitaciones están definidas con mayor o menor precisión o alcance en unas normativas respecto a otras.
      En la normativa española más generalizada, la del PG-3, las limitaciones establecidas en los artículos 542 y 543 son las siguientes: 
    "Salvo autorización expresa del Director de las Obras, no se permitirá la puesta en obra de mezclas bituminosas en caliente:
·         Cuando la temperatura ambiente a la sombra sea inferior a cinco grados Celsius (5 ºC), salvo si el espesor de la capa a extender fuera inferior a cinco centímetros (5 cm), en cuyo caso el límite será de ocho grados Celsius (8 ºC). Con viento intenso, después de heladas, o en tableros de estructuras, el Director de las Obras podrá aumentar estos límites, a la vista de los resultados de compactación obtenidos.
·         Cuando se produzcan precipitaciones atmosféricas.”

Bajas temperaturas

    Las temperaturas mínimas que fijan las normativas son un límite a respetar, pero no es suficiente. Aún haciéndolo, ello no evita tener que adoptar precauciones específicas en el procedimiento de puesta en obra cuando las temperaturas están próximas a ese límite.
Figura-1
         En la Figura 1 se muestran las curvas de enfriamiento para las dos situaciones límite que el PG-3 recoge como admisibles en cuanto a temperaturas del aire, de 8ºC cuando la capa tiene un espesor inferior a 5 cms y de 5ºC en los demás casos. En su cálculo con el conocido MultiCool, se ha supuesto que la temperatura de la superficie de apoyo es la misma que la del aire y que la velocidad del viento es moderada, de 15 km/h. 
    Se puede apreciar que en estas circunstancias, “legales” o acordes a la normativa, es muy reducido el tiempo de que se dispone para compactar la mezcla, en especial para que el rodillo de cabeza pueda realizar su primera pasada en el rango óptimo de temperatura, ya que dispondría de menos de 4 minutos antes de la que la mezcla se enfríe a 120ºC. Es por ello que  el procedimiento de puesta en obra de condiciones normales, no resultaría adecuado y habrá que adaptarse a estas circunstancias.
    Pero, además, existen circunstancias aún más extremas de clima, con temperaturas por debajo de los límites aceptados en la normativa, en las que, a pesar de ello, es preciso proceder a la puesta en obra de mezclas en caliente en condiciones térmicas muy desfavorables.
   Es por ello aún más necesario tener muy  en cuenta todos los factores que inciden en el enfriamiento de la capa y en su compactación, para adecuar el procedimiento habitual de puesta en obra o para diseñar una metodología más específica para esas condiciones de clima,  de modo que se minimicen los riesgos de calidad en la capa terminada.

En lo que sigue se detallan algunos aspectos críticos a tener en cuenta en estas condiciones:

Segregaciones térmicas.- Con bajas temperaturas los riesgos de segregaciones térmicas se multiplican, por lo que deben minimizarse los tiempos de transporte, proteger adecuadamente la carga durante el mismo (lo mínimo son lonas en buen estado para cubrir totalmente la carga, pero pueden llegar a ser necesarios aislamientos adicionales en la propia caja) y minimizar los tiempos de entrada/salida del camión en la extendedora dado el peligro de enfriamiento de la mezcla expuesta en tolva y tras la regla en las paradas, siendo difícil evitar áreas con fuerte segregación térmica en la capa. Por ello, en estos casos, el empleo de Dispositivos de transferencia de material (DTM) rehomogeneizadores se vuelve crucial.    
    El tema de las segregaciones, de composición y térmicas, se trató en la entrada "Segregaciones en el firme. Como malgastar los recursos del contribuyente y usuariodel mes de marzo

Tiempo disponible para la compactación.- Con temperaturas bajas el enfriamiento de la mezcla extendida se acelera, reduciendo sustancialmente  el tiempo disponible para la compactación, aumentando los riesgos de compactar fuera del rango de temperaturas adecuado.
    Ello hace necesario  bajar la velocidad de avance de la extendedora para reducir el tiempo de exposición de la superficie sin compactar y el área de trabajo de los rodillos, acercando éstos a la extendedora. En muchas ocasiones  será preciso, además,  aumentar el número de compactadores.
    Entre los distintos factores influyentes en el tiempo disponible para la compactación, además de la temperatura ambiente y viento, son determinantes el espesor de capa y la temperatura de la capa subyacente, aspectos que condicionan sobremanera la viabilidad de extendido en tiempo frío

Espesor de capa- El factor más crítico en el enfriamiento de la capa extendida es el espesor de la capa. Con espesores gruesos se puede mantener más tiempo la temperatura, mucho más que una capa delgada, en la que el tiempo disponible para su compactación, puede ser notoriamente insuficiente.
Figura 2
   En la figura Fig 2 se muestran las curvas de enfriamiento, en condiciones de frío acusado (temperaturas de 0ºC en la superficie de apoyo y en el aire) de varias capas de distinto espesor,  una capa delgada de 3 cms, una de AC de 5 cms y otra de 8 cms de espesor. Hay una gran diferencia entre los tiempos disponibles para su compactación, hasta llegar al fin de la misma a 80ºC.
   Partiendo del empleo de reglas con sistema de alta compactación (SAC) y pudiendo bajar el umbral de la primera pasada de rodillo a un valor en el entorno de 115ºC,, los tiempos disponibles para dar las pasadas iniciales en capas de poco espesor, antes de que la mezcla se enfríe por debajo de esa temperatura, son escasísimos y nada viables en capas delgadas; así en las capas de 3 cms de espesor se dispondría de solamente de 3 minutos y el cese de compactación en la misma debería producirse antes de 9 minutos, mientras que en una capa de AC de 5 cms suben a 5 minutos para la primera pasada y 19 minutos para el fin de compactación. La conclusión es que en capas delgadas de 5 cms o menos, en condiciones extremas solo es razonablemente viable si con reglas con SAC se consiguen niveles de densificación muy próximos al final requerido.

    Resalta, en cambio, la gran ventaja de soluciones como la bicapa equivalente, la de 8 cms, al aumentar la inercia térmica de la capa conjunta, haciendo viable el extendido de capas delgadas y ultradelgadas en  buenas condiciones térmicas, ya que el tiempo disponible para esa primera pasada sube a 12 minutos y el de cese de compactación llega a 40 minutos.

Precompactación de regla y rodillo de cabeza. Con reglas convencionales, el rodillo de cabeza juega un papel fundamental en la compactación y se podría decir, para mezclas tipo AC habituales, que si la primera pasada se da por debajo de 130ºC, puede haber importantes dificultades para alcanzar la densidad requerida. En circunstancias de temperaturas bajas y capa subyacente fría, el tiempo disponible para dar esa primera e importante pasada por encima de esa temperatura es muy reducido o incluso hacer inviable el que se consiga.
Fig.3.Temperatura y densificación obtenida en cada pasada
    El gráfico de la Figura 3, es muy descriptivo de la  importancia de esa primera pasada del rodillo de cabeza en el rango alto de temperatura.
    Por ello cobra especial importancia maximizar la precompactación dada por la regla, sustituyendo parcialmente la función de esa primera pasada, para lo cual ha de bajarse velocidad de avance, aunque el modo más eficaz, que puede ser imprescindible, es el de emplear reglas con Sistemas de Alta Compactación (SAC).

Temperatura de capa de apoyo
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- Hay que tener en cuenta que el enfriamiento de la capa se produce, no sólo por la superficie expuesta al aire (en lo que influye la temperatura de éste y el viento) sino también, y en medida algo mayor, en su contacto con la capa de apoyo, contacto que favorece la transmisión de calor entre ambas hasta llegar a una temperatura de equilibrio. Si la superficie de apoyo está muy fría, absorbe gran parte del calor de la capa provocando un rápido enfriamiento de ésta.
    En casos delicados, de temperaturas muy bajas o aquellos en los que a las circunstancias anteriores se suma el extendido de capas sensibles como pueden ser las de poco espesor, se puede recurrir a precalentar la superficie de apoyo, con equipos de gas caliente o infrarrojos, del tipo de los habitualmente usados en reciclado en caliente in situ. Ello permite obviar cualquier pérdida de calor en el contacto íntimo de ambas capas y aumenta sensiblemente los tiempos útiles para compactar la capa.
Fig .4
 El gráfico de la figura 4 muestra el efecto del precalentamiento en una situación extrema, con temperatura de aire y de la superficie de 0ºC y el efecto de precalentar la capa de apoyo, en el extendido de una capa de mezcla tipo AC de 5 cms de espesor. Es una técnica de empleo relativamente frecuente en los países nórdicos, como se muestra en la figura 5
Fig 5
Temperatura de mezcla.- En situaciones de bajas temperaturas, no solo hay que superar la dificultad de fabricar la mezcla a la temperatura a adecuada, a pesar de que los áridos están más fríos y, frecuentemente, más húmedos, sino que es conveniente elevar esa  temperatura habitual hasta el límite superior del rango admisible para compensar la  mayor velocidad de enfriamiento en el transporte y extendido. Ello aumentará el consumo energético pero, en muchos casos, será necesario. además, reducir la producción de la planta; ambos aspectos inciden en incrementar el coste de la mezcla, contrapartida inevitable con climatología adversa.
En la fig. 6 se comparan las curvas de enfriamiento de dos mezclas de 5 cms. con temperaturas iniciales de 150ºC y de 135ºC,  en las condiciones límites aceptables según la normativa, ya citadas
Figura 6

   La creciente expansión de las mezclas de baja temperatura atempera algo el problema de enfriamiento, al reducir las temperaturas de puesta en obra y también su velocidad de enfriamiento. En el mismo caso, con temperatura ambiente y de superficie de 0ºC, una típica mezcla semicaliente (WMA), con una reducción de temperatura de 20ºC respecto a la AC equivalente, con temperatura inicial de 130ºC, tiene unos tiempos disponibles para compactar (rebajando el rango de temperaturas de compactación en 15ºC) similar al efecto de estas primera pasada sea de 105º, en vez de los 115

Soluciones no convencionales para casos extremos. Puede haber una necesidad ineludible de tener que realizar la puesta en obra de mezclas en caliente en situaciones extremadamente desfavorables, como ocurre con temperaturas muy bajas, heladas y viento, en las que un extendido convencional es absolutamente implanteable, porque los riesgos de calidad serían inasumibles. 
   Sin embargo, las técnicas disponibles hoy día permiten otros planteamientos de la metodología de extendido, cuya aplicación es capaz de realizar la puesta en obra de mezclas en caliente en modo que la calidad obtenida sea razonablemente buena. El procedimiento comprende aplicar un conjunto de medidas como las siguientes:

  •   Precalentamiento de la superficie helada 
  •  Empleo de DTM rehomogeneizadores, tipo silo móvil para reducir/eliminar paradas de extendido y con vertido protegido de la mezcla a la tolva especifica situada en la extendedora.
  •   Extendedora con regla de alta compactación, con velocidad reducida y  regulada para maximizar densidad inicial
  •  Número de rodillos aumentado para trabajar en menos número de pasadas y muy cerca de la extendedora en tramos de corta longitud, con disposición en paralelo, si el ancho de calle lo permite.
     Con este método, la caída de temperatura se produce sólo en la transferencia de material de DTM a la extendedora, de ahí el proteger la misma y en la pérdida de calor en su contacto con la capa subyacente. Por ello, si se alcanza un nivel de precompactación próximo al nivel final justo al salir de la regla, la fase de compactación convencional es menos crítica.   

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Referencias.

  1. Efecto de la temperatura de compactación sobre el módulo resiliente de las mezclas asfálticas. P.Limon et alt.  [REVISTA CARRETERAS Nº 163]
  2. Influencia de las segregaciones térmicas en el comportamiento mecánico de las mezclas bituminosas- Proyecto Fénix .Ramón Botella-García Santiago et alt. [Web Proyecto Fenix]


3 comentarios:

  1. Pues en Leon estamos ahora en plena operación asfalto...

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  2. Existe un desconocimiento manifiesto desde el vigilante hasta el director de obra de todos estos detalles que (estupendamente) explicas en el artículo. Voy a imprimirlo para que todos los compañeros que vigilan las obras en nuestra empresa tengan claro que no solo el resultado de laboratorio es el condicionante de la calidad de la mezcla.

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    1. Muchas gracias.
      Es muy gratificante ver su aplicación práctica, pues ese era el objetivo del post.

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