miércoles, 14 de octubre de 2015

Ejecución con mal tiempo. Bajas temperaturas. 2ª parte: La protección de la carga durante el transporte


      En la primera parte de este post se trataron aspectos del enfriamiento de la mezcla bituminosa en caliente recién extendida y la influencia de condiciones ambientales adversas en el tiempo disponible para compactarla.
      Sin embargo, la temperatura a que llega la mezcla al lugar de empleo y su homogeneidad, está muy condicionada por la operación previa de su transporte, tanto de su duración como por la protección de la carga frente al enfriamiento.
La mezcla, una vez fabricada, debe llevarse hasta el lugar de empleo de modo que llegue con una temperatura adecuada para poder efectuar su extendido y compactación en un rango apropiado de la misma, dado que la calidad y durabilidad de la capa están muy influenciadas por esa temperatura. Por tanto, ha de limitarse su enfriamiento, tanto por la pérdida de calor en la superficie de la carga expuesta al aire como a través de las paredes de la propia caja con las que está en contacto:
  • La fuga de calor a través de las paredes, compuerta, fondo y frontal  de la caja metálica con las que la mezcla caliente está en contacto, contribuye de modo significativo al enfriamiento generalizado de la carga transportada, siendo función, principalmente, de la duración del transporte y de las características térmicas de dichas paredes.
  • El enfriamiento paulatino del exterior de la carga produce una costra de mezcla fría, cuya temperatura puede llegar a ser muy baja, en especial en la superficie libre. La formación de esa costra y su magnitud, puede llegar a tener consecuencias muy negativas en la calidad final obtenida en la capa pues, aunque la temperatura global media  de la carga no llegue a sufrir una reducción significativa, aumenta el riesgo de aparición de áreas con fuerte segregación térmica en la superficie extendida.
      La pérdida de temperatura depende del tiempo de exposición, de las condiciones ambientales (temperatura ambiente, lluvia), de la velocidad durante el recorrido, del aislamiento térmico de la carga y de la magnitud de la masa transportada.
      Por ello, frente a acciones de enfriamiento debidas a la exposición al aire, a inclemencias como lluvia o a pérdidas de calor a través de la propia caja, es imprescindible proteger la mezcla bituminosa durante el tiempo de su transporte, tanto más cuanto más largo sea éste y más baja sea la temperatura ambiente. Esta protección abarca dos aspectos, que se tratan a continuación:
  • El aislamiento térmico de la caja metálica del camión 
  • Una cubierta movible para aislar y proteger la carga frente a viento y lluvia. 

1.-Aislamiento térmico de la carga  

    Si bien las normas inciden en la exigencia de cubrir la carga, la mayoría de ellas nada dicen respecto a requisitos de la propia caja frente a pérdidas de calor. Por ejemplo, en el PG-3 recientemente actualizado, sólo se indica "Dichos camiones deberán estar siempre provistos de una lona o cobertor adecuado para proteger la mezcla bituminosa durante su transporte.".
      Sin embargo, las cajas basculantes que son metálicas, de aluminio o acero, y de unos pocos mm. de espesor, tienen una alta conductividad térmica, por lo que no aíslan la carga transportada sino que, por el contrario, permiten una radiación continua del calor de la mezcla en contacto con ella hacia el exterior, a través de las paredes laterales y la frontal, de  su fondo y de la compuerta, como se aprecia en las termografías de la Figura 2. Las temperaturas en el exterior de la caja superan los 70ºC, lo que supone un gradiente importante respecto a la del aire circundante.


Fig 2 Imágenes térmicas mostrando el calentamiento de caja y fuga de calor en las zonas de contacto mezcla/caja en lateral y fondo
      Cuanto más baja sea la temperatura ambiental, mayor será su gradiente térmico con  la superficie radiante de la caja, lo que incrementa el flujo de calor perdido hacia el exterior. Asimismo, el desplazamiento del camión durante su recorrido con una cierta velocidad, hace que se renueve continuamente el aire en contacto con el exterior de la caja, maximizando ese gradiente y la magnitud del enfriamiento.
      Esta pérdida de calor va enfriando progresivamente la carga de mezcla asfáltica, y puede llegar a ser muy significativa, en especial con transportes de larga duración y temperaturas ambiente bajas, lo que obligaría a unas temperaturas de fabricación más elevadas.
     Por otra parte, en modo similar a lo que ocurre con la superficie expuesta al aire, también se generan unas “costras” de enfriamiento en el contorno de la carga en contacto con la caja, que son más acusadas en las esquinas, en especial en las dos frontales (donde confluyen fondo, lateral y frente), ya que se crean tres superficies de emisión de calor. Ello genera masas de mezcla más frías o segregadas térmicamente.
      Por ello, en casos como los de muy baja temperatura ambiente, gran duración del transporte o mezclas especialmente sensibles a enfriamientos, no sólo hay que evitar la formación de costras muy frías en el contorno expuesto al aire (problema que, como se verá, se puede solventar con el empleo de equipos de transferencia rehomogeneizadores), sino que también hay que limitar el enfriamiento general de la mezcla, por el calor irradiado a través de la propia caja metálica del camión durante el tiempo transcurrido desde su fabricación hasta su descarga.
      Para contrarrestar este enfriamiento es necesario dotar a la caja de una protección térmica eficiente, mediante paneles de aislamiento térmico en todo el contorno exterior de la caja, incluyendo la compuerta y el fondo, incluso cuidando los posible puentes térmicos en los perfiles de la estructura.
      En las dos termografías de la Fig 3 (del estudio sobre la termodinámica del transporte del proyecto PAST [Referencia 1]), se aprecia nítidamente la eliminación de la emisión de calor en las cajas con aislamiento térmico; en la caja convencional las superficies radiantes tienen una temperatura de 50/70ºC, mientras que en la dotada de aislamiento está por debajo de los 30ºC.
Caja convencional
Caja con aislamiento térmico

Fig 3 Comparación termográfica de radiación de calor por el contorno de la caja [RF 1]

     En los revestimientos de protección se suelen usar paneles con un núcleo de espuma de poliuretano o fibras, protegida con láminas galvanizadas en sus caras externas. Asimismo, en las lonas de cubierta se usan materiales con mayor capacidad de aislamiento, compuestos, por ejemplo, por una estructura resistente al calor basada en fibra de vidrio y recubrimientos de silicona.
      Por otra parte, otro aspecto a considerar es el de la sección de la caja. Así las cajas con sección más o menos semicircular,  en vez de la convencional rectangular reducen la superficie del contorno de la carga y la pérdida de temperatura por radiación al exterior, además de centrar mejor el flujo de carga en la tolva de la extendedora, reduciendo el volumen de mezcla que se desplaza y se sitúa en las alas laterales, dónde se enfría. Esta masa de mezcla que no fluye o permanece relativamente estática en las alas, da lugar a una importante segregación térmica de "fin de camión", si la duración de la descarga es alta, como es el caso de capas delgadas y extendidos de poca anchura, típicos en rehabilitaciones. (tema que se tratará en un futuro post)
      Una solución combinada de caja curva, aislamiento térmico y cierre mecanizado de la cubierta es de empleo común en los países nórdicos, Figura 4,  derivada de la  instauración de un control muy exhaustivo de las segregaciones térmicas en la capa extendida. (Ver post al respecto 2ª Parte ¿Se ha quedado obsoleto el control de calidad de puesta en obra de mezclas asfálticas en caliente?. Nuevas tendencias).
Fig 4 . Caja con aislamiento térmico (países escandinavos)
      En Alemania, una reciente modificación normativa del Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (Ministerio Federal de Transportes, Obras Públicas y Desarrollo Urbano), ha hecho obligatorio el empleo de cajas con aislamiento térmico para transporte de mezclas en caliente, desde 2015 para extendidos mayores de 18.000 m2 y para todo tipo a partir de 2019. Asimismo, a partir de 2016 se exige la disposición de un sistema con cinco puntos de medición de temperatura en las paredes y fondo de caja de control para monitorizar y documentar las temperaturas durante el transporte.
      El objetivo perseguido por esa regulación del ministerio germano es doble: 
  • Al contrarrestar ese enfriamiento mediante un aislamiento térmico adecuado, la  entrega de la mezcla se hará con una mejor temperatura, lo que redunda en una mejor calidad en la puesta en obra y mayor durabilidad de la capa, con menores costes de conservación y afecciones a los usuarios.
  • Permitir, para una temperatura de extendido dada, reducir la temperatura de fabricación, al no tener que compensar las pérdidas en el trayecto, con las consiguientes repercusiones en menores costes de energía y reducción de emisiones.
      La industria del transporte en Alemania ha dado una rápida respuesta, con una nueva gama de modelos certificados para esos requerimientos o soluciones para actualizar los antiguos.


Fig 5 . Esquema de aplicación de las disposiciones normativas alemanas


2.- Cubierta o lonas

      Es el modo habitual, en general el único que se aplica (con las excepciones indicadas antes), para proteger la carga frente a viento y lluvia y el que exigen la mayoría de las normas.
      En un futuro post se examinarán los requisitos de las mismas, la gama de cubiertas disponibles y los problemas relacionados con su empleo

Referencia 1- Asphalt paving temperature – A decisive factor in road construction quality- Alfred Ulrich,  Gunnar Verges und Dr. Hans-Joachim Raida


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