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Investigación para el desarrollo de un ecomaterial hibridado para infraestructuras rurales, ECOHIR (y II)

Continuamos con la segunda parte del artículo recogido en el número 416 de nuestra revista de Ingeniería Civil Cimbra. En este caso, seguimos con los resultados obtenidos en la puesta en práctica de este material, con base en las semillas del tomate y llevado a cabo a través de una investigación conjunta entre INTROMAC, CTAEX, Construcciones Sevilla Nevado, S.A. y Tomates del Guadiana, S.L.C.

• Diseño del ecomaterial para su uso en infraestructuras rurales (continuación)

Excepto para el artículo 510, en todos ellos el árido reciclado requerirá de su mezcla con algún tipo de aglomerante o ligante (papel que tomará la cutina), por lo que hay ensayos referidos a los áridos en sí y otros ensayos del material resultante de la mezcla  y que es el que se pone en obra. 

En esta fase del proyecto, con un alcance muy acotado y, debido fundamentalmente al volumen disponible de cutina y a que había que estudiar y probar con diferentes tecnologías del polímero (pasta con diferentes concentraciones, diferentes PH, etc.), se desarrolló un procedimiento de ensayo interno en INTROMAC, con la finalidad fundamental de verificar si había un aumento de resistencia a compresión del árido reciclado mejorado con cutina.

Para completar el estudio de todas las aplicaciones técnica que se estimaron de interés entre INTROMAC y Construcciones Sevilla, se llevaron a cabo ensayos con árido reciclado y estabilizado con cemento y con cal para poder evaluar la interacción de la cutina con estos conglomerantes hidráulicos, tradicionalmente empleados en la mejora de materiales compactados para la obra civil. Por tanto, esta tarea permitió la selección de la mezcla óptima para los objetivos que se persiguen, centrando los trabajos de las fases posteriores.

La cutina se aplicó en disolución acuosa con las siguientes concentraciones: 10%, 50% y 100%, sin conglomerante y con conglomerante hidráulico, cal y cemento. 

Por lo tanto, la mejor opción y que mejores resultados ofrece de resistencia a compresión y, por lo tanto, proporciona el óptimo de trabajo, es la mezcla árido-cutina sin conglomerantes hidráulicos, curado al aire durante siete días en los porcentajes de 50% y 100%. De hecho, se observa que la mejora de resistencia conseguida es directamente proporcional a la concentración de cutina utilizada, siempre que no haya un conglomerante hidráulico presente.

Las siguientes muestras recibidas de CTAEX fueron de cutina extraída mediante el nuevo proceso (en el cual se elimina el proceso de centrifugación de la mezcla) pero ya con la concentración óptima de cutina en formato líquido. A propuesta de CTAEX, se estudió igualmente cómo podía influir en el rendimiento dela cutina el hecho de filtrar después del proceso de extracción o no hacerlo, en la intención de simplificar y abaratar lo máximo posible la obtención de cutina.

Los resultados de esta fase se presentan a continuación:

• Aun siendo la cutina en pasta la forma en la que el polímero ofrece mejores resultados, se optó finalmente por trabajar con la cutina líquida filtrada debido, principalmente, a que permite una mayor facilidad de aplicación junto con el árido reciclado y, además, hace más eficiente el proceso de extracción de la cutina.
• Una vez obtenidos los porcentajes de ligante óptimos y las condiciones de trabajo idóneas para los materiales reciclados cutina y zahorra en el estudio previo a pequeña escala, se continuó realizando ensayos de caracterización normalizados relacionados con la capacidad portante, resistencia y durabilidad de la mezcla. 

Ensayo de capacidad  portante. Índice C.B.R.

Mediante este ensayo, se obtiene una idea de la mejora que se espera lograr mediante la cutina en el comportamiento geotécnico y mecánico de la capa de zahorra reciclada mejorada (ver tabla en el artículo completo de Cimbra). 

Ensayo de resistencia. Resistencia a Compresión Simple (RCS)

La resistencia a compresión se ha tomado como ensayo referente a la hora de comparar resultados de las probetas de cutina con respecto al caso patrón y así estudiar si el uso de cutina como ligante mejora las características del nuevo material. En el caso de la RCS de las probetas con cutina, se ensayó a diferentes tiempos de curado, manteniendo siempre la misma dosificación de ligante (ver resultados en el artículo completo de Cimbra).

A la vista de los resultados, los valores de mayor resistencia se consiguen a medida que aumenta el tiempo de curado. Se observa una ganancia de resistencia significativa a partir de siete días de curado, a semejanza con los suelos estabilizados con conglomerante hidráulico, cal o cemento.

Ensayos de durabilidad

Para caracterizar la durabilidad de las probetas de zahorra reciclada mixta con y sin ligante polimérico (cutina) se van a realizar los ensayos de absorción de agua por capilaridad  siguiendo el procedimiento descrito en la norma UNE-EN 772-11, además del ensayo de Erosión Acelerada Swinburne, utilizando la norma UNE 41410. 

Estos ensayos tienen como objetivo principal verificar la mejora de la impermeabilidad y la resistencia a la acción erosiva del agua que puede mejorar la presencia de cutina en la mezcla compactada.

Las probetas que están fabricadas con el biopolímero cutina absorben una cantidad de agua mucho menor a las probetas patrón, para un mismo periodo de exposición de la probetas al agua, 60 minutos. Los mejores resultados se obtienen en las probetas que han sido sometidas a un curado de siete días a temperatura ambiente (al aire).

Ensayos de erosión acelerada Swinburne

El ensayo de erosión acelerada se ha realizado simulando un comportamiento de las probetas fabricada con zahorra reciclada como si fuesen Bloques de Tierra Comprimida (BTC), por lo que el ensayo se ha realizado siguiendo la norma para este tipo de material (UNE 41410). 

Los resultados obtenidos son meramente comparativos entre las probetas sin ligante, mezcladas únicamente con agua, y las probetas que llevan cutina como ligante (ver resultados en el artículo completo de Cimbra).

Los resultados obtenidos son meramente comparativos y de los cuales se puede comprobar que, al utilizar la cutina como ligante, ésta le aporta una mayor resistencia a la erosión, llegando a rebajar la profundidad de la huella de agua a la mitad de las probetas que no llevan ningún tipo de ligante, únicamente agua.

Validación experimental del ecomaterial a nivel piloto

De acuerdo con los criterios fijados por INTROMAC y Construcciones Sevilla para la validación experimental de los resultados del proyecto, se ha optado finalmente por un camino privado aportado por la empresa Construcciones Sevilla en las instalaciones de Reciclado Cáceres Sur, donde es parte de la UTE que gestiona la planta de reciclaje.

La ubicación de dicho tramo ha sido seleccionada teniendo en cuenta el tipo de material y los resultados de los ensayos de capacidad portante y resistencia a compresión, además de los ensayos de durabilidad y el tipo de tráfico que va a soportar dicho tramo.

En cuanto a las dimensiones del tramo experimental, se ha definido un ancho del camino de 4 metros para permitir el paso de camiones y maquinaria y una longitud del mismo de 40 metros, diferenciado en tres tramos: un primer tramo de 10 metros, donde se ha extendido una capa de zahorra reciclada mezclada únicamente con agua, denominado tramo patrón; seguido a este tramo va el segundo, de longitud 20 metros. En él es donde se ha utilizado el nuevo material (árido y cutina) y el cual será objetivo de estudio. Finalmente, se ha añadido un tercer tramo patrón de 10 metros de longitud, al igual que el primero, con l finalidad de poder comparar el comportamiento de los tramos patrón y tramo con cutina como estabilizante material granular. El espesor de la capa de zahorra reciclada es de 0,15 metros en línea con lo que se suele utilizar para caminos rurales.

Los trabajos de ejecución comenzaron por el replanteo de las longitudes establecidas y el vertido de la zahorra reciclada cerámica procedente del acopio previamente caracterizado por INTROMAC, mediante camiones a lo largo de los 40 metros previstos. 

Con motoniveladora, se procedió al a extensión de este material. Para el riego, se dispuso de contenedores independientes de agua y biopolímero cutina, conectados a una bomba para poder realizar el riego manual. Previamente, se determinó in situ por INTROMAC la humedad que tenía el árido reciclado, arrojando un valor aproximado de 7,5%. Esto dio una orientación para el riego, puesto que la humedad óptima de referencia estaba en torno al 10%, por lo que no había demasiado margen para añadir cutina al árido reciclado. 

No obstante, se optó aprovechar en este caso toda la cutina disponible, aun quedando por el lado húmedo del próctor en la compactación y considerando que el efecto en cuanto a características mecánicas y durabilidad iban a ser mejores cuanta más cutina se añadiera, aun no llegando a conseguir una compactación ni compacidad máxima a priori. 

Como se ha explicado, el riego se realizó con manguera y en varias capas, que la motoniveladora fue mezclando y homogeneizando.

Tras el riego, se dejó pasar un tiempo razonable para mitigar la mayor absorción de agua del árido reciclado y dar tiempo a que se estabilizara y homogeneizara esa humedad antes de proceder a la compactación con un rodillo de tambor liso.

Tras el período de curado de siete días, que se contempló para el tramo experimental, donde estuvo cerrado al tráfico interno de la planta, se puso en uso y se realizaron ensayos de placa de carga por parte de INTROMAC para verificar cómo mejora la cutina la capacidad portante y estructural de la capa de zahorra reciclada compactada. Los resultados que se han obtenido se recogen en el artículo completo de Cimbra.

Conclusiones finales

Como se ha podido comprobar mediante los ensayos realizados en laboratorio, el nuevo material ecohibridado mejora prácticamente todas las propiedades ensayadas, en mayor o menor medida, sobre todo en las propiedades de resistencia y durabilidad. Por ello, el uso del árido reciclado con cutina en los porcentajes óptimos calculados cumple con los objetivos marcados en el proyecto y su utilización en caminos rurales es viable.

Se ha conseguido reutilizar dos residuos que se generan en gran cantidad en la Comunidad Autónoma de Extremadura, como son los residuos agrícolas y los residuos de construcción y demolición, revalorizando los productos y dándole una segunda vida en el uso de este nuevo material como firme de caminos rurales. 

Autores: Patricia Román (Construcciones Sevilla Nevado), Rosa de la Torre (CTAEX) y Antonio Romero (INTROMAC).

Artículo disponible en Cimbra, número 416.