SELLO DEL CABO (CAPE SEAL) EMULSIONES ASFALTICAS - ALTERNATIVA EN CONSERVACION DE PAVIMENTOS

AMAAC – Octavo Congreso Mexicano del Asfalto Agosto, 28 - 30, 2013

Cancún QR, Mexico

RESUMEN: El Sello de Cabo o "Cape Seal' por su significado en Ingles, fue desarrollado en Ciudad del Cabo en Sudáfrica en los años 50's, la cual es una aplicación bi-capa como superficie de rodamiento en carreteras o vías de terrestres de comunicación. Para este evento ofreceré la alternativa de utilización de las emulsiones como construcción y rehabilitación de la superficie de rodamiento en pavimentaciones. Con esta presentación intento ofrecer un antiguo pero altamente sustentable sistema de pavimentación y ahora re-definido como conservación de pavimentos con lo mejor de la tecnología utilizando Emulsiones Asfálticas Catiónicas Convencionales y Modificadas con Polímeros. Esta metodología de pavimentación está conformada en dos fases:

1. Primeramente la aplicación de un riego de gravilla (chip seal) que se aplica sobre una carpeta asfáltica con severos daños superficiales o también sobre una base granular convencional o estabilizada.

2. Seguida de una aplicación de Mortero Asfaltico (Slurry Seal) o Micro Pavimento (Micro Surfacing) como superficie de rodamiento.

Ofreceré las ventajas que esta aplicación asfáltica bi-capa nos brinda además por su efectividad en costos al tratarse de una aplicación asfáltica en frio. Determinare en esta presentación los detalles técnicos de diseño, especificaciones, recomendaciones y guías de la ISSA (International Slurry Surfacing Association) así como archivos fotográficos y video clips de proyectos ya desarrollados en otros países con el fin de abrir nuevas rutas en la comunicación de nuestra Tecnología para el desarrollo vial de América Latina. ANTECEDENTES El proceso de Sello del Cabo fue desarrollado en la Republica de Sudáfrica en la Provincia del Cabo (Cape Province) específicamente en Ciudad del Cabo (Cape town). Inicialmente aplicaban polvo de roca premezclado con asfalto en caliente sobre un sello con roca de 19 mm. Durante estos inicios el proceso se especifico en 1950 como CAPSA 1979. Esto fue el resultado de múltiples esfuerzos para mejorar la durabilidad de aquellos caminos que no excedían 300 v/d. Aunque mezclas en caliente fueron usadas como pavimento, en caminos de mayor tráfico. Posteriormente mejoraron sus desarrollos – en 1957 – nació el proceso como Cape Seal, que consistía en la aplicación de una tratamiento superficial con roca de 19 mm cubierto con dos pases de mortero asfaltico (Slurry Seal) y como segunda opción una tratamiento superficial con roca de 13 mm cubierto con solo un pase de mortero asfaltico. La pavimentación de vías con el sistema Sello del Cabo tiene ya más de 60 años de existencia, desde su creación muchos países a nivel mundial han desarrollado este sistema inicialmente como pavimentación, principalmente en vías donde se considera imposible que una carpeta asfáltica o de hormigón sea aplicada por la diversidad de razones económicas principalmente en nuestros países. Ahora este sistema nos ofrece una forma económica pero eficiente de dar a nuestros ciudadanos, vías con recubrimientos asfalticos de buen rendimiento. Hasta esta fecha he conocido países como Estados Unidos, Argentina, Brasil y Chile aparte de su país de creación Sudáfrica como los países que más aplicaciones han efectuado con esta técnica de pavimentación. Podemos considerar ecológica a esta técnica de pavimentación, ya que se utilizan emulsiones asfálticas catiónicas las cuales son amigables al medio ambiente, son aplicadas en frio, son combinadas con agua, utilizan materiales húmedos, no arrojan contaminantes a flujos pluviales, no arrojan contaminantes sólidos o vapores dañinos a la atmosfera, tienen una máxima resistencia a la intrusión de agua así como al desprendimiento por ella, comparadas con las técnicas asfálticas de pavimentación en caliente y en su aplicación no es necesaria energía calorífica. El curado de ellas se logra cuando al agua es evaporada a la atmosfera. En general esta técnica e pavimentación ofrecerá una alternativa económica y técnicamente sustentable, en pavimentaciones con una verdadera efectividad en costos.

INTRODUCCION El sistema Sell del Cabo (Cape Seal - por su significado en Ingles) es una metodología que se define como la pavimentación alternativa en frio para vías secundarias cuando se aplica sobre bases granulares convencionales o para vías principales sobre pavimentos (flexibles y rígidos) en malas condiciones superficiales. El Sello del Cabo originalmente desarrollado, combina dos tratamientos a nivel superficial:

A. FASE 1 – Aplicación de un tratamiento superficial simple (Chip Seal) Riegos B. FASE 2 – Aplicación de un mortero asfaltico convencional (Slurry Seal) Mezcla

La segunda capa como mezcla rica en ligante elimina el problema de desprendimientos de agregados, retiene firmemente el agregado del tratamiento y reduce en gran cantidad el ruido del tráfico Estas dos técnicas de aplicación asfáltica deberán independientemente desarrollar bajo las respectivas normativas locales o Internacionales un Diseño de Mezcla formal.

FASE 1 – APLICACIÓN DEL RIEGO DE GRAVILLA DEFINICION.- El riego de gravilla es la aplicación de un riego de asfalto emulsionado, seguido inmediatamente de un riego de gravilla con granulometría definida, la compactación de la gravilla y finalmente el barrido de ellas lo cual puede ser aplicado sobre superficies ya sea granulares o pavimentadas. Esta aplicación tiene como finalidad la conservación, restauración de propiedades superficiales de rodamiento y el sellado de la vía. Existen en el mundo varios tipos de tratamientos superficiales que por su aplicación y granulometría se definen como: simples, dobles, triples o múltiples. En este caso solamente se presentara el tratamiento superficial simple, ya que la normativa original del Sello del Cabo es en base a este tipo de aplicación. Los tratamientos superficiales sellan grietas de mínima apertura, penetrando con ligante liquido hasta sellarlo y en grietas mayores ejerciendo con la gravilla el relleno de su volumen de acuerdo a la granulometría. Rellenan desniveles de bajo perfil superficial, proveen una excelente superficie resistente al deslizamiento, ofrecen una matriz pétrea de bajo espesor exponiendo la roca al tráfico y al clima, proveen una barrera impermeable que detiene la intrusión de agua a estructura inferior, ofrecen una buena superficie o capa temporal para esperar una carpeta convencional, asimismo puede demarcar las banquinas ejerciendo una buena diferencia con la carpeta. Los tratamientos superficiales aportan mínima resistencia estructural por lo que nos son tomados en cuenta para determinar capacidad portante de pavimentos. Los tratamientos superficiales no corrigen un pavimento estructuralmente deficiente, por lo que deberá aplicarse sobre bases y/o pavimentos aun estables. Desafortunadamente los tratamientos superficiales tienen un alto desprendimiento de gravilla. MATERIALES Con el fin lograr aplicaciones de alto rendimiento la emulsión asfáltica y los agregados como materiales que componen los tratamientos superficiales, deben de cumplir estrictas normas de calidad y si es posible superar las establecidas con el fin de alcanzar un buen tiempo de vida de servicio. Para zonas donde por consideraciones del tráfico o bien al aplicarse en zonas a mayor altura sobre el nivel del mar, las emulsiones asfálticas bien pueden ser modificadas con polímeros catiónicos tipo SBR lo cual coadyuva a reducir la susceptibilidad térmica y/o intemperismo en la vía, así como para a darle la resistencia al intemperismo y reducir la variación térmica en relación al rendimiento del ligante. EMULSION ASFALTICA Las emulsiones asfálticas en los tratamientos superficiales, ofrecen principalmente ventajas en contra de los asfaltos diluidos, ya que tienen una definida compatibilidad electrostática a ser combinadas con los materiales pétreos cuya propiedad es electronegativa, con la inmersión (en la imprimación) dentro de la masa asfáltica emulsionada cargada con iones electropositivos o cationes su adhesión inicial y su cohesión final será permanente no pudiendo ser alterada esta atracción electrostática resistiendo la acción devastadora por intrusión de agua la cual es uno de los mayores daños superficiales en las vías. La emulsión asfáltica catiónica por su característica de ligante asfaltico debe de entrar en contacto con materiales húmedos, lo cual es beneficioso en este sistema, ya que la humedad se fractura la tensión

superficial en la cara de los agregados y se promueve de mejor manera una adhesión inmediata. Con ello podemos decir que la humedad en los agregados es beneficiosa cuando se utilizan emulsiones asfálticas. Las emulsiones se aplican a temperatura ambiente, aunque a cierta altitud sobre el nivel del mar se requiere aumentar su temperatura para mejorar su manejo provocado una reacción térmica promoviéndose su adhesión, ruptura y cohesión al recibir el riego de la gravilla. Por lo que al entrar en contacto con la gravilla esta rompe de inmediato y retiene la roca en su lugar. Es necesario asegurar que las emulsiones no contaminan y su olor al aplicarlas es una confiable vaporización de combinación de resinas vegetales desprendiendo solo agua a la atmosfera. Las emulsiones asfálticas deberán de adaptarse a los requerimientos químico-físicos de los agregados y no se podrán utilizar emulsiones asfálticas que se encuentren en depósitos ya disponibles. De esto depende el buen rendimiento en su aplicación, he sido testigo en proyectos donde utilizando emulsiones supuestamente apropiadas han fallado en aéreas donde las características reológicas de los materiales aparentemente aprobaron buena compatibilidad. Las emulsiones asfálticas deberán de tener la viscosidad apropiada para mantener la capa de imprimación aun en zonas de difícil geometría longitudinal y donde el diseño transversal hasta con 4° de pendiente, sin que ella rompa por escurrimiento su capa de imprimación, si esto no se cumple la imprimación no tendrá el rendimiento como ligante catiónico, mientras que por un lado se efectúa la deposición sobre la superficie de la vía por otro lado se preparará a recibir un agregado con carga electronegativa. Es decir – debe de existir un equilibrio en la viscosidad para que sea distribuida apropiadamente y asimismo mantener la capa en posición, pero aún más rendimiento en su adherencia con la roca por entrar en contacto. Aunque he encontrado en varios países la utilización de emulsiones catiónicas de ruptura lenta, la aplicación resulta contraria en su rendimiento, por un lado este tipo de emulsiones son formuladas y producidas con contenidos hasta de 12 Kg de emulsificante por cada tonelada de emulsión producida, lo cual además de encarecer el producto final la convierte en una aplicación con curado excesivamente lento, ya que las emulsiones de ruptura rápida solo tienen máximo 2.5 Kg de emulsificante por cada tonelada de emulsión producida. Las emulsiones apropiadas para los tratamientos superficiales son denominadas de ruptura rápida para riegos, conforme este tipo son: CRS–1 y CRS –2

Prueba o Ensayo CRS Norma Viscosidad SF 50°C seg. 80 – 400 ASTM D 244

Prueba de la malla 20 # (125 µ) 24 hr % < 0.1 ASTM D 6933

Estabilidad al almacenamiento % < 0.1 ASTM D 6930

Asfalto residual % > 67 ASTM D 6997

Demulsibilidad 35 ml 0.8 % Dioctyl Sodium Sulfosuccinate %

40 ASTM D 6936

Penetración residuo, 25°C, 100 g, 5s 70-120 ASTM D 5

Solubilidad en Tricloroetileno , % 97 ASTM D 2042

AGREGADOS El material pétreo a ser utilizado en un tratamiento superficial deberá de cumplir normas y ensayos particulares para este fin, se localizará la fuente del material y se someterá a trituración hasta alcanzar la curva granulométrica determinada para la aplicación y una vez cumplidas estas normas, se deberá de enviar muestras al proveedor de la emulsión asfáltica para formular y diseñar conforme a las características físico-químicas del material pétreo. No es posible formular una emulsión CRS sin tener el material pétreo disponible. Así como no puede ser posible el aplicar un tratamiento superficial con una emulsión sin esta haber sido formulada para el tipo de roca usada. De ello dependerá el buen rendimiento, tiempo de vida de servicio, el no tener desprendimientos mayores, exudaciones, delaminaciones, credibilidad y responsabilidad profesional en la aplicación. GRANULOMETRIAS Las granulométricas son variadas dependiendo principalmente del tráfico y de las condiciones del sitio de aplicación. Aunque en muchos países se utiliza solo una malla, en otros es común el uso de una curva granulométrica combinada. Como generalidad estas son las granulometrías usadas en tratamientos:

Malla numero Pasante %

3/4 “ - 19 mm 100

1/2 “ - 12 mm 100

3/8 “ - 9 mm 90 – 100

No. 4 - 6 mm 5 – 30

No. 8 - 3 mm 0 – 10

No. 16 - 1.5 mm 0 – 5

No. 30 0

No. 100 0

No. 200 0

Las pruebas y ensayos que deberán ser cumplidas son aquellas para determinar las características físicas de los agregados, pero asimismo deberán de cumplir con pruebas de caracterización química, con la finalidad de encontrar la apropiada formulación de la emulsión asfáltica.

Prueba o ensayo Descripción

ASTM C 127-04 Density, Relative Density (Specific Gravity) and Absorption of

Coarse Aggregates

ASTM C131-06 Resistance to Degradation of Small Size Coarse by Abrasion and

Impact in Los Angeles Machine

ASTM C136-06 Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates

ASTM D 4791-05 Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregates

ASTM D 6928-06 Resistance of Coarse Aggregates to Degradation by Abrasion in

the Micro-Deval Apparatus

ASTM D 7000-04 Sweep Test of Bituminous Emulsion Surface Treatments Samples

Los contenidos de emulsión asfáltica catiónica y agregado por área en la aplicaciones de tratamientos superficiales, se pueden dar en la siguiente tabla:

Cantidad ligante/agregado en tratamientos superficiales simples Tamaño nominal del

agregado Tamaño

Cant. agregado Kg/m²

Cantidades de ligante Lt/m²

Tipo de Emulsión

19.00-9.50 mm =3/4”- 3/8 “ 6 22-27 1.8 – 2.3 CRS – 2

12.50-4.75 mm =1/2 “ - # 4 7 14-16 1.4-2.0 CRS-1 & CRS-2

9.50-2.36 mm = 3/8 “- # 8 8 11-14 0.9-1.6 CRS-1 & CRS-2

4.75-1.18 mm = # 4 - #16 9 8-11 0.7-0.9 CRS-1

Arena AASHTO M-6 5-8 0.5-0.7 CRS-1

Tratamientos superficiales modificados con polímeros CRS-1p & CRS-2p

APLICACIÓN DEL RIEGO DE IMPRIMACION El riego de liga se ejecuta con un distribuidor de asfalto convencional, equipado con sistemas de control de riego para el ajuste de los porcentajes de aplicación por área arriba indicados, deberá de contar son sistemas de ajuste lateral para alcanzar coberturas completas.

Posicionamiento de las boquillas aspersoras Altura de la barra de aspersión

APLICACIÓN DEL RIEGO DE AGREGADO (GRAVILLA) La aplicación del la roca se ejecuta con un distribuidor de gravilla o bien, con sistemas adaptados a tolvas de camiones de volteo. Por otro lado

Sistema convencional de aplicación Sistema de riego sincronizado EQUIPO DE COMPACTACION Deberá de contarse con equipo de compactación de neumáticos con un peso bruto de 5-8 TON con una presión ajustable de 14 – 17 kg/cm² (200 – 250 PSI) en los neumáticos. La velocidad de los compactadores deberá ser menor de 15 km/hr. La compactación de los agregados permite que la granulometría se incruste dentro del ligante asfaltico, forzando la penetración de la roca en la masa asfáltica de imprimación, resultando en un mejor acomodamiento de las partículas. BARREDORAS Se recomienda ejecutar el barrido con barredoras aspiradoras (vacuum sweepers) con presión negativa de aire (succión) para levantar el exceso de agregado posterior a la compactación. En América Latina son comúnmente aceptadas barredoras mecánicas.

FASE 2 – APLICACIÓN DEL MORTERO ASFALTICO NOTA.- La aplicación del mortero asfaltico eliminara completamente el desprendimiento de gravilla del tratamiento superficial y formando una micro-estructura que resistirá por varios años al tráfico y al clima. DEFINICION.- Se define como mortero asfaltico (Slurry Seal) a la mezcla asfáltica densa compuesta por agregados triturados, emulsión asfáltica, finos minerales, agua y aditivos que proporcionalmente mezclados por una maquina especialmente diseñada con este fin, los produce, los aplica y los esparce sobre una superficie limpia como recuperación superficial que provee propiedades antideslizantes y el sellado de la superficie de rodamiento. La interacción del mortero sobre el tratamiento superficial nos ofrecerá una micro carpeta de alta densidad que resiste al tráfico y al clima por varios años de servicio.

Aplicación de un Mortero Asfaltico convencional duran te la fase 2 del Sello del Cabo

Interacción de la mezcla densa del mortero asfaltico sobre el tratamiento superficial – Corte transversal

MATERIALES Por tratarse de una mezcla asfáltica densa se evaluaran agregados triturados y emulsión asfáltica catiónica a usarse en el Diseño de Mezcla para esta aplicación. AGREGADOS El material pétreo a ser utilizado deberá de ser evaluado para conocer sus características físico-químicas, con el fin de formular y producir la emulsión con las características y compatibilidad para el tipo de agregado del sitio o de la fuente seleccionada. El agregado mineral a usarse deberá ser del tipo y grado especificado para usarse en el mortero asfaltico. Deberá de ser producido de roca triturada de alta dureza y calidad solo o en combinación con otro, Se deberá asegurar que le material es totalmente triturado al 100 %. Pruebas de abrasión deberán ser ejecutadas antes de ser triturado. El agregado deberá de pasar valores de abrasión previamente aprobados. Una vez localizada la cantera o la fuente donde se proveerá el agregado, se procederá a la obtención de las curvas granulométricas, como a continuación se describe

TAMAÑO MALLA TIPO I

% PASANTE TIPO II

% PASANTE TIPO III

% PASANTE

3/8 “ 9.5 mm 100 100 100

# 4 4.75 mm 100 90-100 70-90

# 8 2.36 mm 90-100 65-90 45-70

# 16 1.18 mm 65-90 45-70 28-50

# 30 600 µ 40-65 30-50 19-34

# 50 300 µ 25-42 18-30 12-25

# 100 150 µ 15-30 10-21 7-18

# 200 75 µ 10-20 5-15 5-15 Granulometrías especificadas bajo normas ISSA (International Slurry Surfacing Association)

PRUEBAS DE CALIDAD EN LOS AGREGADOS Una vez localizados los agregados, estos deberán de cumplir los siguientes requerimientos:

Descripción de la prueba ASTM AASHTO Especificación

Equivalente de arena D 2419 T176 45 min

Durabilidad C 88 T104 15 % max Nₐ2SO4 - 25 % max MgSO

Resistencia abrasion C 131 T 96 35 % min

EMULSION ASFALTICA La emulsión asfáltica deberá de cumplir normas especificadas para los diferentes tipos: CSS-1, CSS-1h, CQS-1h incluso CQS-1p conforme normativas en ASTM D-3910 y el boletín de Directrices y Recomendaciones de Rendimiento para el Mortero Asfaltico Emulsificado ISSA A-105. Cada carga de emulsión asfáltica en sitio deberá de estar acompañada con un Certificado de Análisis para asegurar que es la misma usada en el Diseño de Mezcla.

Material ASTM AASHTO Característica Especificación

Pruebas en emulsión D 244 T 59 Contenido residual 60 % min

Pruebas en el residuo D 2397 T 49 Penetración a 25°C 40-90* * deberán de considerarse las condiciones climatológicas en el sitio de aplicación

TAMAÑO Y DISTRIBUCION DE PARTICULA En los Estados Unidos, es común el exigir al proveedor de emulsión el tamaño y distribución de partículas para comprobar el rendimiento de la emulsión en campo así como asegurar el comportamiento de ello durante la trasportación al sitio de aplicación. Existen en el mercado equipos electrónicos para determinar con exactitud esto valores de aseguramiento en el control de calidad.

Grafica del tamaño y distribución de partícula Micro-fotografía de una emulsión asfáltica

DISEÑO DE MEZCLA La aplicación del mortero asfaltico debe obligatoriamente estar apoyada por un Diseño de Mezcla, certificado por un Laboratorio Especializado para este fin o en el caso más común apoyado por el por el laboratorio del proveedor de la emulsión asfáltica. Deberá de desarrollarse el Diseño donde se muestren pruebas de compatibilidad del agregado, emulsión, finos minerales, agua y si el caso lo requiere el uso de otros aditivos. El Diseño de Mezcla deberá de estar desarrollado con la misma granulometría del agregado previamente seleccionado por el responsable del proyecto de aplicación. Pruebas recomendadas con sus valores que deberán ser cumplidos:

PRUEBA ISSA NO. DESCRIPCION ESPECIFICACION

ISSA TB 106 Consistencia de la mezcla 3-4

ISSA TB-139 Cohesión en húmedo 30 minutos (ruptura) Cohesión en húmedo 60 minutos

12 kg/cm - min 20 kg/cm - min

ISSA TB-109 Exceso de asfalto por LWT adhesión de arena 538 gr/m² - máx.

ISSA TB-114 Cubrimiento en humedo 90 % - min

ISSA TB-100 Perdida por abrasión en WTAT, 1 hora 807 gr/m² - max

ISSA TB-113 Tiempo de mezclado* Bajo control a180 seg

* ejecutado a la máxima temperatura durante la aplicación

CMT- Cohesion Meter Test – ISSA TB-139

Pruebas de Cohesión en Húmedo.- Desarrolladas para comprobar compatibilidad e materiales, ruptura, curado de la mezcla y apertura al tráfico en el área de aplicación.

WTAT- Wet Track Abrasion Test

Pruebas de Abrasión en Húmedo (bajo agua).- Para determinación del contenido mínimo de asfalto en la mezcla.

Grafica después del desarrollo de pruebas WTAT

LWT- Loaded Wheel Test

Prueba de la rueda Cargada.- Para determinar el contenido máximo de asfalto en la mezcla

750

580

400 350

260 200

0

100

200

300

400

500

600

700

800

10% 11% 12% 13% 14% 15%

WTAT

WTAT

Grafica después del desarrollo de pruebas LWT

DETERMINACION DEL CONTENIDO ÓPTIMO DE EMULSION EN LA MEZCLA Las dos grafica arriba mostradas se combinan en una sola matriz, la intersección de las dos graficas resultantes de en las pruebas, nos arrojara el contenido óptimo de emulsión asfáltica. Asimismo aun con contando con este punto grafico, se deberá de tomar en consideración las variantes del clima, altura sobre el nivel del mar, contenido de finos en la granulometría del agregado, calidad de la emulsión asfáltica en referencia al tamaño y distribución de partículas,

El laboratorio deberá reportar los efectos cuantitativos del contenido de humedad en unidades de peso del agregado (bulking effect). El reporte deberá claramente mostrar las proporciones del agregado, emulsión asfáltica, finos minerales (min & máx.) agua (min & máx.) aditivo (cantidad de uso) basados en el peso seco del agregado.

150

230

300

450

600

800

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

10% 11% 12% 13% 14% 15%

LWT

LWT

Fotografías del proceso constructivo

Aplicaciones del mortero asfaltico como parte de la segunda fase en Sello del cabo

Fotografía para observar en detalle durante la aplicación del Sello del Cabo

Fotografía (Rancagua Chile - 2010) de aplicación de Sello del Cabo después de 6 años de su aplicación.

Aplicación de Sello del Cabo en Overland Park área en Kansas City MO - USA

Bibliografía.- -Asphalt Institute Manual MS-11 – Asphalt Emulsions -Recommended Performance Guidelines for Emulsified Asphalt Slurry Seal – ISSA A-105 May 2003 -Recommended Performance Guidelines for Micro Surfacing – ISSA A-143 May 2003 -State of Practice and Design, Construction and Performance of Micro Surfacing-Publication FHWA SA-94-051June 1994

-Ballou Construction Inc. Salina KS USA. -Vance Brothers Inc. Oklahoma City USA. -Etnyre Equipment Technical Presentation – Chip Seal -Evaluation of Cape Seals as a Pavement Rehabilitation Alternative – Thomas W. Kennedy & Mansour Solaimanian – T Texas Department of Transportation / US Department of Transportation / Federal Highway Administration – Oct 1998