Estabilización de suelos con ligantes bituminosos

Figura 1. Estabilización de suelos con betún espumado. Fuente: https://www.i-q.net.au/main/research-to-expand-foamed-bitumen-applications

El uso de ligantes hidrocarbonados puede estabilizar suelos granulares con pocos finos y baja plasticidad. Consiste en la mezcla íntima y homogénea, compactada adecuadamente, de terreno, agua, ligante bituminoso y, en su caso, adiciones. El ligante bituminoso mejora las características resistentes del suelo, reduciendo su capacidad de absorción de agua e incrementando su cohesión.

Se trata de una técnica poco empleada por su elevado coste, pero que puede ser interesante, por ejemplo, con arenas de granulometría uniforme, como sería el caso de algunas regiones del norte de Francia, Países Bajos, la Pampa argentina o Arabia Saudí (Kraemer et al., 1999). También se emplea donde el coste de los betunes es asequible. Sería adecuado para suelos con menos del 20% del peso pasando por el tamiz 0,080 UNE, con un índice plástico IP<10, que puedan ser pulverizados económicamente y que estén exentos de cantidades perjudiciales de materia orgánica, arcillas de alta plasticidad o materiales micáceos (García Valcarce, 2003). La fracción cernida por el tamiz 0,40 de UNE cumplirá las condiciones siguientes: LL < 35 e IP < 15.

Dependiendo del tipo de suelo, método constructivo y condiciones meteorológicas, se emplean en este tipo de estabilización betunes fluidificados de viscosidad media, emulsiones bituminosas de rotura lenta y aceites pesados. El mezclado suele ejecutarse “in situ”, agregando agua al suelo para facilitar la mezcla de todos los componentes, aunque también se podría realizar en central. La mezcla debe realizarse de tal forma, y a la velocidad precisa para conseguir un material homogéneo y exento de concentraciones de ligante. Tras la colocación, debe compactarse la mezcla adecuadamente en el tajo.

Esta técnica de estabilización de suelos se encontraba en el artículo 511 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes hasta la entrada en vigor de la O.C. 297/88 que lo suprime. La justificación dada era la de una unidad de obra de escaso empleo, dejando su regulación a los pliegos de prescripciones técnicas particulares. La Orden FOM 891/2004 lo derogó definitivamente este artículo.

Resulta de interés el uso de la espuma de betún (“foamed bitumen”) en la estabilización de suelos. Se trata de una técnica también utilizada en el reciclado de pavimentos “in situ” o en la construcción de mezclas bituminosas en capas de base. El betún espumado se consigue inyectando una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2% del peso del asfalto) y aire comprimido a una masa de betún caliente (160º C – 180º C), dentro de una cámara de expansión, generando espuma (Thenoux y Jamet, 2002). Se trata de una técnica relativamente nueva en su uso que permite producir mezclas asfálticas de un modo muy diferente a los sistemas tradicionales.

A continuación os dejo una conferencia sobre estabilización de suelos con emulsiones asfálticas del grupo TDM.

Os dejo a continuación un vídeo de una estabilización usando betún y cemento.

 

También os dejo una conferencia sobre estabilización de asfalto espumado de Sergio Serment.

Referencias:

GARCÍA VALCARCE, A. (dir.) (2003). Manual de edificación: mecánica de los terrenos y cimientos. CIE Inversiones Editoriales Dossat-2000 S.L. Madrid, 716 pp.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

THENOUX, G.; JAMET, A. (2002). Tecnología del asfalto espumado. Revista Ingeniería de Construcción, 17(2):84.92.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

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Los ligantes hidrocarbonados

Betún. Wikipedia

Los ligantes hidrocarbonados son productos bituminosos viscosos, preparados a partir de hidrocarburos naturales que poseen propiedades aglomerantes. Son de un color oscuro (casi negro), carácter termoplástico (variación de la consistencia con la temperatura) y buena adhesividad con los áridos. Dentro de este grupo genérico, se pueden dividir dos subcategorías:

  • Ligantes básicos: betunes y alquitranes
  • Ligantes derivados: betunes fluidificados, betunes fluxados, emulsiones de betún, ligantes mixtos (compuestos y modificados) y ligantes fillerizados

El betún y el alquitrán son productos básicos. El betún es una mezcla de hidrocarburos naturales completamente solubles en sulfuro de carbono, mientras que el alquitrán se obtiene por destilación destructiva de materias orgánicas y no son solubles en sulfuro de carbono.  Sin embargo, el alquitrán presenta un mayor envejecimiento que el betún y se han eliminado en la regulación española como productos regulados por el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG-3) debido a que son productos cancerígenos.

Es importante señalar que los ligantes bituminosos requieren obligatoriamente del marcado CE para la libre circulación de productor por la Unión Europea, siendo responsabilidad del fabricante. En la figura que sigue podemos ver las normas que rigen los requisitos de estos ligantes.

Ligantes bituminosos
Normas que regulan los distintos ligantes bituminosos

Los betunes asfálticos o de destilación son ligantes obtenidos como producto final en las refinerías de crudo asfáltico o como residuo en todas las refinerías de petróleo. Son productos bituminosos sólidos o viscosos, naturales o preparados a partir de los hidrocarburos naturales por destilación, oxidación o cracking, que contienen un pequeño porcentaje de productos volátiles, poseen características aglomerantes y son esencialmente solubles en sulfuro de carbono. Se clasifican por su mayor o menor consistencia en el ensayo de penetración (por lo que reciben el nombre de betunes de penetración). Los asfaltos propiamente dichos serían una mezcla de betunes con impurezas insolubles en sulfuro de carbono (sílice, arena, arcilla), en una proporción superior al 5%, y por tanto, a diferencia de los betunes, no son solubles en su totalidad en tolueno. Los betunes asfálticos se caracterizan mediante el ensayo de penetración  y el de anillo y bola para medir el punto de reblandecimiento del betún en unas determinadas condiciones. El betún, con el tiempo, experimenta un envejecimiento, sin duda debido a una oxidación. Los rayos ultravioletas del sol también le atacan, así como el prolongado contacto con el agua estancada y sobre todo, la saturada de cal a 50ºC. Los betunes para pavimentación siguen la norma armonizada UNE-EN 12591 y el artículo 211 de la norma española PG-3.

Los betunes modificados con polímeros son ligantes hidrocarbonados cuyas propiedades reológicas han sido modificadas durante la fabricación por el empleo de uno o más polímeros orgánicos. Las fibras orgánicas no se consideran modificadores del betún. Se denominan en el artículo 212 del  PG-3 con las letras PMB seguidas de tres números; los dos primeros representativos de su penetración mínima y máxima, y el tercero representativo del punto de reblandecimiento. Las especificaciones de estos betunes siguen la norma UNE-EN 14023.

Los betunes fluidificados  o “cut-backs” son ligantes obtenidos por adición a un betún de fracciones más o menos volátiles, procedentes de la destilación del petróleo. Aparecieron para facilitar el empleo de betunes de penetración en situaciones cuando las temperaturas o el tipo de tratamiento exigen unas viscosidades de aplicación menores que las que se obtienen calentando fuertemente el material. El betún fluxado se obtienen de mezclar betún asfáltico con aceites derivados de la hulla. Su empleo produce el mismo efecto que el de los fluidificados (mejora de la viscosidad a temperaturas menores que las habituales), sólo que con la ventaja de que no tiene problemas de inflamabilidad. Ambos son ligantes de mucha menos consistencia a temperatura ambiente (incluso líquidos). Tras su aplicación, el aceite se evapora a una velocidad característica de cada producto: es el proceso de curado, que permite distinguir los betunes fluidificantes de curado rápido de los de curado medio. Los betunes fluxados solo se clasifican por su viscosidad a determinada temperatura. Para caracterizar tanto las emulsiones fluidificadas y fluxantes, como las bituminosas se realizan los ensayos de viscosidad relativa y de destilación para ver las proporciones en las que se encuentran los diferentes componentes. Sin embargo, estos betunes no aparecen en el PG-3.

Las emulsiones bituminosas son ligantes hidrocarbonados obtenidos de la adición de agua al betún asfáltico. Se emplean para facilitar la puesta en obra del betún disminuyendo su viscosidad y son ideales para aplicarlas en tiempo lluvioso, con áridos húmedos e incluso con temperaturas bajas sin los inconvenientes que presentan habitualmente los betunes fluidificados. Para que la dispersión del betún en el agua sea estable se añaden sustancias que dotan a la emulsión de carácter polar, habiendo así emulsiones aniónicas y catiónicas.  Según la polaridad de los áridos, puede ser necesario el uso de un polarizante para poder mejorar la adherencia de la emulsión con el árido. Para que el ligante cumpla el objetivo de aglomerante, debe producirse la separación del agua y el betún; este proceso se denomina rotura y dependiendo de su velocidad se habla de emulsiones de rotura rápida, media y lenta. Las emulsiones aniónicas presentan una buena adhesividad con áridos calizos, pero no aparecen en el PG-3. Las catiónicas presentan una buena adhesividad con áridos silíceos y con la mayoría de los calizos (más usadas).

A continuación os dejo un vídeo explicativo del profesor Miguel Ángel del Val, de la Universidad Politécnica de Madrid, sobre los ligantes modificados.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.