CONSTRUCCIÓN DE LA CARRETERA TIQUINA – COPACABANA EN BOLIVIA CON EL USO DE EMULSIONES ASFÁLTICAS CONVENCIONALES Y MODIFICADAS CON POLÍMEROS

Ing. Ray Saucedo Gerente Regional América Latina Akzo Nobel Asphalt Applications

Resumen La construcción de está carretera de 40 Km. de longitud con un ancho de vía de 10.50 mts a una altitud de 4,200 mts sobre el nivel del mar en la región del Lago Titicaca Departamento de La Paz , se realizo y diseño un paquete estructural invertido utilizando únicamente emulsiones asfálticas catiónicas de rompimiento lento convencionales (CSS) como mejoradas de adhesión en estabilización de suelos nativos en la base como soporte estructural y como superficies de rodadura emulsiones de rompimiento rápido (CQS-1P) modificadas con polímeros tipo SBR, en mezcla a doble capa basados en especificaciones ISSA tipo ІІ y ІІІ aplicando por primera vez en Bolivia el sistema Micro-pavimentos (micro-surfacing). Una vez abierta la plataforma de la vía se procedió al aplicado de una sub-rasante mejorada hidráulicamente, como elemento de soporte se estabilizó la base con emulsión asfáltica utilizando maquinaria con tambor escarificador con un espesor de 15 cm. basados en tráfico diario y cargas por eje. Después del complemento curado de la base (2 semanas) se aplico el primer pase de micro-pavimento como capa nivelante, seguido de una segunda capa de superficie de rodamiento. El proyecto se termino en julio de 1996 y continua con excelentes servicios al público usuario en su mayoría turística además del transporte regular de productos de consumo regional. Introducción La realidad mundial en vías de comunicación en países como desarrollo Las autopistas, carreteras, caminos, calles, aeropuertos y en general toda la vía de comunicación son desde nuestro particular punto de vista, el principal indicador del desarrollo, que como parámetro de medición importante es tomando en cuenta, en los países en vías de desarrollo. Su importancia como medios de comunicación para el intercambio y transporte de servicios, productos y bienes de un país, desde ciudades hasta comunidades creando el desarrollo así como el bienestar social. Una vez entendido este concepto, podemos asegurar que esta es la única posibilidad hacia el desarrollo complemento de un país, su relación es directa ala red interna vial. Por lo tanto las vías de comunicación son viales para la generación de recursos y es aquí donde

relacionamos los medios y tecnologías empleadas para su construcción, lo cual generalmente resulta en altas investigaciones cuya rentabilidad debe de estar correlacionada a los beneficios que genere su utilización de acuerdo a las investigaciones durante su construcción. Diversas crisis en los últimos tiempos han provocado disminución de recursos en los presupuestos obligando a Autoridades Viales y de Transportación a desarrollar y perfeccionar modelos económicos de construcción de carreteras que permitan repartir los recursos disponibles en el mayor kilometraje posible, menor consumo de energía lo más importante al menor costo posible sin la reducción de sus especificaciones y rendimientos en su construcción. Tomando en cuenta lo anteriormente citado y el aún más obligatorio mantenimiento que deben de tener las vías existentes, debido en parte al servicio por lo cual fueron construidas, en parte al deterioro natural por elementos del clima y en gran parte por el incremento del tráfico como consecuencia del propio desarrollo de la vía genera, existen dos grandes factores que detienen los avances en esta área: • Economía y organización interna.

Desafortunadamente todavía es común el abandono por parte de autoridades de conservación, el permitir que vía se degrade totalmente para posteriormente basándose en ayuda externa, reconstruirla pudiendo con esto evitarse elevados presupuestos de construcción una y otra vez, dirigiéndolos a otras áreas para la implementación de vías alternas de desarrollo.

• Tecnología y cambio.

Nuevas tecnologías generalmente se encuentran disponibles principalmente para países en desarrollo, pero es difícil aceptar el cambio dentro de los sistemas convencionales hacia lo nuevo en tecnología, dando como resultado; incremento en la fuerza laboral, retraso en los avances de obra, alteración de tráfico y/o circulación, daños al parque automotor como consecuencia de los elementos artesanales no acordes con las necesidades actuales.

El desarrollo de nuevas tecnologías o tecnologías alternativas en pavimentación de carreteras de todo tipo de redes viales, así como el desarrollo de equipamiento para la construcción, constituyen ante todo la solución a estos problemas, resultado menor inversión y una mayor capacidad para la realización de proyectos como el que a continuación se presenta. El proyecto El proyecto, construcción y asfalto de la carretera Tiquina-Copacabana en la región del Lago Titicaca Departamento de La Paz en la Republica de Bolivia, marca el inicio de una

tecnología alterna para construcción de caminos y vías de comunicación en general de países en desarrollo. Es necesario que las nuevas tecnologías alternas en construcción, tengan dos características importantes para que tengan éxito: A.-Económicas B.-Cumplan con especificaciones La nueva tecnología llamada emulsión asfáltica y utilizada en este proyecto reunió estas características, debiendo entender previamente que las emulsiones asfálticas no son novedad en el mundo, su descubrimiento en 1929 nos indica su antigüedad, lo nuevo en su utilización en este tipo de desarrollos. Y aún más novedad es el uso en construcción de carreteras, el potencial es ilimitado y enorme, los ahorros serán considerables si son utilizadas con conocimientos a profundidad para poder cumplir con especificaciones. 1.- Agencias involucradas en el proyecto 1.1.- Comando de Ingeniería del Ejército Boliviano, a cargo de la ejecución de la obra

desde la apertura de la plataforma en montaña, obras de infraestructura, de conformación de terraplenes, formulación, producción de emulsiones asfálticas, estabilización de base, aplicación de micropavimento como sistema de pavimentación y la señalización respectiva.

1.2.- Servicio Departamental de Caminos, Prefectura de la Paz a cargo de la supervisión

del proyecto. 1.3.- Akzo Nobel Asphalt Applications, con base en Waco TX, USA a cargo de la

transferencia de tecnología otorgando entrenamiento en: diseños de emulsiones asfálticas, diseños de mezcla, evaluación de materiales, desarrollo de pruebas y ensayos en nuevos equipos de laboratorio, operación de planta productora de emulsiones asfálticas, asistencia y entretenimiento total en sistemas de estabilización de emulsiones asfálticas, modificación de emulsiones asfálticas con polímeros, calibración, y operación de maquinaría para aplicación de micropavientos.

2.- Materiales

Cemento asfáltico 85-100 pen. origen refinería Conchan de PETROPERU. Emulsificante Redicote ® E-4868 (CSS) de ruptura lenta Emulsificante Redicote ® C-471 (CQS) para mezclas de ruptura rápida Polímetro soluble en agua tipo SBR-NS ® 198 látex artificial Acido clorhídrico conc. 35% Cemento Portland Roca silicea triturada Suelo nativo (no seleccionado) Grava silicea de riveras del Lago Titicaca.

Base estabilizada con emulsión asfáltica E = 15cm

Sub-rasante mejorada – espesor mínimo E = 10cm

3.- Pruebas en Emulsiones Asfálticas

4.- Estabilización de Base con Emulsión Asfáltica Como definición de estabilización de suelos entendemos, a la mezcla asfáltica de suelo natural de granulometría similar a la sub-base, emulsión asfáltica y agua a través de medios mecánicos, conformando un producto homogéneo de alta estabilidad e impermeabilidad que se utiliza en capas de base para carreteras y caminos, con características superiores a la capa base convencional. Este tipo de estabilización tiene como objetivo: mejorar la capacidad y portante del suelo a través del incremento de cohesión en partículas y ofrecer características impermeables disminuyendo la absorción de agua por la presencia de ligante catiónico emulsificado. Por medio de esta técnica es posible sustituir materiales triturados en canteras específicas por materiales naturales tomados directamente del suelo producidos al efectuar el movimiento de tierras. Las ventajas de este sistema constructivo son mayores para lugares donde los materiales triturados para base resultan costosos, tal es el caso del Noroeste Boliviano. La estabilización de base con emulsión asfáltica se realizó a temperatura

ambiente, utilizando una maquina estabilizadora/recicladora con tambor inferior central equipado con 218 puntas escarificadoras recubiertas con carburo de tungsteno. La determinación del óptimo contenido de humedad así como el porcentaje de emulsión asfáltica se lograron basándose en pruebas Marshall Modificadas así como pruebas inmersión/compresión para la determinación de índices de plasticidad. 4.1.-CONSTRUCCIÓN DE LA BASE – GRANULOMETRÍA RECOMENDADA

Tamiz Pasante%

2” 100 11/2” 100

1” 80-100 #4 25-85

#200 3-15 Equivalente de arena 25 min.

Desgaste de los ángeles 45 máx.

4.2.- GRANULOMETRÍA DEL SUELO NATURAL DISPONIBLE

Tamiz Pasante%

1” 100 3/4" 94.2 1/2" 81.5 3/8” 72.7 # 4 52.9 #8 40.5

#30 30.8 #50 28.6 #100 25.9 #200 20.6

Equivalente de arena % 21.0 Como se observa el pasante tamiz #200 es muy alto y el equivalente de arena muy bajo, requisitos que no cumplían con las especificaciones, razón por la cual se adicionó un 40% de arena/grava proveniente del Lago Titicaca, lográndose controlar el pasante #200 al 10% y el equivalente de arena se mejoro al 30%.

5.- Pruebas Marshall Modificadas 5.1.- Resultados obtenidos a través del ensayo Marshall Modificado. Tipo de emulsión CSS-1h (asfalto residual 62%) 8.0% Densidad seca 2011.33kg./m3 Estabilidad seca 4445.00lbs Estabilidad saturada 3001.70lbs. Flujo (deformación) 17.00 Pérdida de estabilidad 20.55% Absorción 1.85% Vacíos totales 6.5% Granulometría Gruesa 35.56% Fina 53.46% Filler 10.98% Equivalente de arena 28.00% Peso Volumétrico seco suelto 1595.00kg. Humedad de mezclado 6% Humedad total de mezclado 9% Humedad de compactación 6% 6.- Pruebas efectuadas a Agregados 6.1- Prueba del Azul de Metileno ISSA TB 145

Este ensayo a través de los valores de reactividad de los finos de agregado nos determina valores de pH, las características del emulsificante químico a utilizar en el diseño de la emulsión asfáltica y porcentajes de aditivo retardador.

6.2.- Equivalente de arena ASTM D 2419 / AASHTO T 176

Esta prueba nos determina la calidad y pureza de los agregados respecto a contenido de arcilla o finos plásticos.

6.3-Gavedad específica ASTM C 128 / AASHTO T 84

Este ensayo nos determina el contenido teórico de asfalto o requerimientos de emulsión asfáltica en la mezcla.

6.4.- Abrasión de Los Angeles ASTM C131 / AASHTO T96

Esta prueba nos determina la dureza de agregados y resistencia a la abrasión bajo el tráfico.

6.5- Unidades de peso ASTM C29 / AASHTO T 19

Determinados a diferentes contenidos de humedad en orden de encontrar cambios en las unidades de medición de acuerdo al contenido al contenido de humedad en campo, necesario en la calibración de la maquina pavimentadota.

6.6.- Solidez o resonancia ASTM 88 / AASHTO T 104

Determinan Durabilidad y resistencia en agregados a la desintegración por instrucción de agua, así como resistencia a ciclos de congelamiento y deshielo.

6.7.- Análisis de finos minerales ASTM D 546 / AASHTO T 37

Determina la consistencia de los finos minerales que actúan como elementos de manejabilidad en la mezcla previniendo segregación de agregados.

7.-Pruebas en Emulsión Asfáltica 7.1.-Viscosidad ASTM D 244 / AASHTO T 50

Determina la manejabilidad de la emulsión entre 20-100 segundos Saybolt-Furol a 25ºC. 7.2.- Sedimentación ASTM D 244 / AASHTO T 59

Nos determina estabilizadores al almacenaje como máximo 1% en 24 horas. 7.3 Tamizado No. 20 ASTM D 244 / AASHTO T 59

Nos determina manejabilidad al bombeo y estabilidad de emulsiones con un máx. de 0.1%.

7.4.- Carga de partícula ASTM D 244 / AASHTO T 59

Nos determina la carga iónica de las emulsiones. 7.5 Porcentaje de asfalto residual ASTM D 244 / AASHTO T 50

Esta prueba nos determina la cantidad de cemento asfáltico o polímeros en la emulsión, basados en el requerimiento de diseño de la emulsión.

7.6.-Penetración del asfalto residual ASTM D 2397 / AASHTO T 49

Este ensayo nos indica la dureza del cemento asfáltico y su adaptabilidad a condiciones climatológicas.

7.7.- Punto de ablandamiento ASTM D 36 / AASHTO T 49

Esta Prueba nos determina valores de modificación del ligante a altas temperaturas.

8.- Emulsión Asfáltica modificada con Polímero tipo CQS-1P 8.1- Diseño de emulsión asfáltica modificada con polímero

Cemento asfáltico 85-100 pen de la Refinería Conchan de PETROPERU 62% Emulsificante Redicote C 471 tipo CQS 1.2% Acido clorhídrico @ 35% 1.1% Polímero SBR Butonal NS 195 3.5% Agua Balance al 100% En solución jabonosa pH final 1.8

8.2.- Granulometría de agregados ASTM C 136 AASHTO T 27

Tamiz Pasante % Pasante % ISSA Tipo II Tipo III 3/8” 100 100 #4 90-100 70-90 #8 65-90 45-70 #16 45-70 28-50 #30 30-50 19-34 #50 18-30 12-25 #100 10-21 7-18 #200 5-15 5-15

9.-Pruebas para determinación de Diseño de Mezcla de Micro-Pavimento 9.1.-Prueba de Cohesión (CT) ISSA TB 139 Este ensayo nos determina características de rompimiento de la mezcla y grado de cohesión entre el agregado y la emulsión, así como tiempos de apertura al tráfico dependiendo de condiciones de clima en el área de aplicación. El procedimiento se basa en la preparación de varios especimenes a diferente porcentaje de materiales vaciados en anillos metálicos de 60 mm de diámetro con espesores de 6 y 10 mm. Una vez producida la ruptura de la emulsión y retirado el anillo se someten los especimenes al ensayo de cohesión propiamente, se posiciona el espécimen bajo el brazo de un cilindro neumático cuyo vástago metálico tiene una pieza de neopreno e una pulgada de diámetro. Los especimenes son probados a 15, 30 y 60 minutos después de su preparación. Se aplica una presión de cilindro neumático de 25 PSI (200 KPA) al mismo tiempo que se gira un torquímetro y se mide el valor obtenido al giro; si el valor es cercano a 20 Km./cm2 la mezcla ofrecerá una apertura rápida al trafico además de tener buena

cohesión para resistir cargas sin daños a la mezcla. Los valores finales nos determinarán la calidad del sistema asfalto-agregado-emulsificante-finos minerales. 9.2.-Prueba de desgaste por abrasión bajo agua (WTAT) ASTM D 3910 / TB 100 Este ensayo determina el contenido mínimo de emulsión asfáltica y la resistencia a la abrasión en mezclas de morteros asfálticos y micro-pavimentos. El procedimiento se basa en la abrasión de especimenes bajo el agua, curados y en inmersión durante 1 y 6 días. La perdida por abrasión es medida con un peso máximo de 538 y 807gr/m2 respectivamente, debido a la severidad de 6 días, ésta es preferida para completar la evaluación completa del sistema.

9.3.- Prueba de rueda cargada (LWT) ISSA TB 109 Esta prueba de determina el contenido máximo de asfalto en mezclas para morteros asfálticos y micro- pavimentos por la medición de adhesión arena en especimenes sujetos a la simulación de cargas pesadas sobre una rueda, además de medir desplazamientos laterales por el mismo efecto. Los límites máximos son 538 gr/m2 de adhesión de arena.

9.4.- Prueba de compatibilidad de finos Schulze-Breuer-Ruck (SBR) ISSA TB 144 Este ensayo determina la compatibilidad de los finos pasantes tamices # 30 al # 200 y la emulsión modificada con polímetros. El procedimiento es el siguiente: los finos antes mencionados se mezclan con emulsión, una vez curada la mezcla se fabrican pequeños especimenes tipo píldoras de 40gr. Se sumergen en agua por 6 días y se cargas en cilindros con agua y se proceden a agitación por 3600 ciclos a 20 RPM. Posteriormente se someten a una prueba de ebullición en agua caliente por 30 minutos. Se observa y se mide integridades de los especimenes sobrantes. A cada prueba individual se le otorga una puntuación, el límite mínimo es 11 puntos. El resultado en esta prueba de los materiales utilizados en el proyecto Tiquina – Copacabana nos arrojo 12 puntos en total. Pruebas Schulze – Breuer - Ruck Resultado Pérdidas por abrasión en cilindros con agua 0.60 gr, (A) 5 puntos Integridad resultante de pérdida de abrasión 86.0% (B) 3 puntos Cobertura después de la prueba de ebullición 95.5% (C) 4 puntos

Total 12 puntos 10.- Micro-Pavimento (micro-surfacing) Se define como la mezcla asfáltica de alto regimiento para pavimentación, compuesta de agregados 100% triturados con granulometría bien definida, emulsión asfáltica modificada

con polímeros. Cemento Pórtland, agua y aditivos retardadores para controlar la ruptura en campo, la cual utilizada principalmente como superficie de rodamiento en carreteras, autopistas, aeropuertos y vías urbanas con la finalidad de aumentar la vida útil de pavimentos existentes incrementa propiedades anti-derrapantes mejorando superficies al desgaste por tráfico y condiciones en climatológicas. 10.1. - Diseño de Mezcla ISSA A-143 Agregados triturados tipo ІІІ ISSA 100% Emulsión asfáltica modificada con polímeros (CQS-1 P=CSS-1P) 12.5% Cemento Portland 1.5% Agua 9.0% Asfalto residual 8.2% 11.- Pavimentación utilizando sistema de micro-pavimentos La pavimentación sobre una base estabilizada con emulsión requiere generalmente doble aplicación para obtener una superficie de rodamiento normal: 1. La primera capa como transición o pre-nivelación, debido a los irregular del perfil

superficial como resultado de la estabilización de la base con emulsión además para la recuperación de ciertas deformaciones observadas debido principalmente a granulometrías mayores en la base y el conjunto tráfico soportando, se aplico micro-pavimento tipo ІІІ de acuerdo a especificaciones de la ISSA (International Surfacing Association).

2. La segunda capa o superficie de rodamiento se aplico utilizando micro-pavimento tipo ІІ

en ciertos casos del ІІІ según normas de la ISSA. Obteniéndose una superficie de alto índice antiderrapante obligatorio y necesario para el clima a estas alturas.

Para la aplicación del sistema de micro-pavimentos se utilizó unja maquina tipo recargable Akzo Nobel modelo HD-10 equipada con control hidráulico, así como una caja esparcidora diseñada para este fin, con adicción de una barra secundaria de acabados en la parte superior de la caja como elementos principales de termino (finisher). La apertura al tráfico de superficies pavimentadas se logro en aproximadamente en 90 minutos, es necesario hacer notar que las temperaturas máximas a lo largo del proyecto nunca fueron superiores a 14ºC así como las mínimas de 2ºC durante el día. El suministro de agua para la aplicación del micro-pavimento en un principio se hizo desde la Ciudad de la Paz, localizada a 130km. De distancia debido a que el agua del Titicaca contiene un alto porcentaje de sodio, posteriormente se localizó un nacimiento de agua potable en una vertiente cercana al proyecto.

Conclusiones La aplicación de emulsiones asfálticas en proyectos de esta naturaleza, demuestra la gran alternativa que ofrece para nuestros países en desarrollo, el comportamiento en este ambiente resulta conveniente para Autoridades Viales. Actualmente se encuentran más desarrollos en las Ciudades de Cochabamba y Oruro utilizado en este tipo sistemas de construcción. Respecto al proyecto Tiquina-Copacabana, la carretera se encuentra en óptimas condiciones después de tres años de su terminación y puesta en servicio de su totalidad. El uso de emulsiones asfálticas demás de resultar conveniente económicas y versátiles nos ayuda a mejorar en entorno ecológico ya que no contaminan, no desprenden vapores tóxicos a la atmósfera, no arrojan contaminantes a nuestros ríos y lagos y aún más importante el bajo consumo de energía utilizado en sus aplicaciones.