Bases teóricas

20 evalúa el costo-beneficio que brinda cada propuesta de estabilización. Para lograr los objetivos planteados, se realizó un tajo abierto para obtener el espesor de los estratos a estudiar, y se realizaron pruebas de laboratorio para analizar y experimentar la combinación propuesta, y luego se aplicó el porcentaje de cada estabilizador. La mezcla se hizo con cal y se usó 3%, 5% y 7%, de la misma manera que tratamos con la sal. Para la implementación de la geocelda, se realizó un levantamiento de campo a pequeña escala utilizando geosintéticos en el sitio de investigación, y luego se verificó la resistencia como material estable. Presenta algunas sugerencias y sugerencias para mejorar el comportamiento de los materiales inflables y se puede utilizar en la construcción en general.

21 plástica y aumenta el porcentaje de la deformación elástica bajo cargas repetitivas.

(Sanat Pokharel, 2010)

Geoceldas SA tecnología de confinamiento celular

El cuerpo de ingenieros del ejército de Los Estados Unidos de América desarrolló el primer sistema de confinamiento celular a finales de 1970 como un medio para la construcción de caminos, pistas de aterrizaje, etc., sobre suelos blandos y proveer un sistema que podría no verse afectado por las condiciones de climas húmedos. Ellos determinaron que la colocación de celdas conformadas por paredes delgadas adyacentes llenas de arena sobre una superficie conformada por una subrasante de suelo suelto podía proveer significativamente una mayor capacidad de carga y de apoyo que solamente capas de suelo compactado. (SA, 2014)

De la gran variedad de materiales probados, el Polietileno de alta densidad (PEAD/HDPE) fue el material óptimo para la ejecutar este producto, debido a la combinación de resistencia, vida útil y economía. El sistema de confinamiento celular GEOCELDA se ha producido desde 1990. El primer cliente fue el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América, adquiriendo 6.4 millones de pies cuadrados (600,000 metros cuadrados) de GEOCELDA para su uso en varias aplicaciones militares durante la operación “Desert Storm” o Tormenta del Desierto.

Geo Products fue autorizado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de América, el titular de la patente (US Pat#4, 797,026), para producir el material de geoceldas hasta 2006 cuando la patente expiro. El número de la Licencia fue 9807–E-P291. El material GEOCELDA fue también aprobado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América. (SA, 2014)

22 Las celdas GEOCELDA tienen un peso muy ligero, son sistemas de confinamiento expansibles que crea una barrera contra la erosión de los suelos o una cimentación estructural, de manera muy económica. (SA, 2014)

Las aplicaciones principales son estabilización de suelos, control de erosión en taludes, canales y muros mecánicamente estabilizados. La planta de fabricación de Geo Products se ubica en Houston Texas, Estados Unidos de América y está acreditada por las certificaciones ISO 9001:2008 y por el Certificado de la Unión Europea CE. También esa certificada por el Ministerio de transporte de la Federación Rusa, así como El Ministerio de Obras Públicas de Panamá (MOP). Adicionalmente, GEOCELDA es un material aprobado para múltiples Departamentos de Transporte dentro de los Estados Unidos de América. Geo Products vende sus productos a través de una red de distribuidores globales en los 7 continentes y cuenta con presencia en 50 países.(SA, 2014)

Estudio del comportamiento de un material de subrasante con un sistema de geoceldas ante la aplicación de ciclos de carga y descarga.

A continuación, describiremos algunas aplicaciones e implementaciones realizadas en la Ciudad de Bogotá con el fin de dar cuerpo y soporte técnico que permita a las entidades responsables de los mantenimientos viales en la ciudad de Bogotá apoyarse para que este tipo de tecnologías sean de uso convencional.

(Javeriana, 2011)

Como hemos explicado notablemente las geoceldas son estructuras tridimensionales dispuestas en forma de panal, utilizadas para mejorar las propiedades de los suelos de fundación de un pavimento, estas se colocan en la interfase subrasante-base para mejorar el comportamiento de este ante la aplicación

23 de cargas. Se han realizado análisis de los esfuerzos y asentamientos de un suelo típico de Bogotá ante la aplicación de cargas (monotónicas, ciclos de carga y descarga) mediante pruebas de laboratorio. En esos estudios se realizaron modelos, los cuales consistían en una subrasante sin ningún tipo de mejoramiento, una estabilizada con un sistema convencional y una estabilizada con un sistema de geoceldas. En donde a partir de estos modelos se evaluó la efectividad que puede traer utilizar un sistema de geoceldas como alternativa de refuerzo, obteniendo como resultado una reducción significativa de los asentamientos y esfuerzos verticales.

Adicionalmente se realizan ensayos de laboratorio a segmentos de prueba que concluyen lo siguiente:

Es necesario usar un sistema de estabilización para suelos con características desfavorables (CBR< 2,5). Los resultados obtenidos en el trabajo de investigación muestran que utilizar un sistema de geoceldas y un sistema convencional reduce los esfuerzos y asentamientos en una subrasante. Aunque los dos sean un sistema de estabilización que mejora el comportamiento de la subrasante, el sistema de geoceldas con material de relleno reduce estos parámetros en mayor medida.

(Javeriana, 2011)

Los asentamientos presentaron una reducción del 34% al utilizar un sistema de geoceldas respecto a un sistema de estabilización convencional. Por otra parte, los esfuerzos se reducen en un 53% al utilizar un sistema de geoceldas como alternativa de estabilización, respecto a un sistema de estabilización convencional.

(Javeriana, 2011)

Ante la aplicación de ciclos de carga y descarga se evidencia que las deformaciones plásticas son más grandes en un sistema estabilizado de manera convencional y en un sistema sin estabilizar, obteniendo una deformación plástica de

24 11,7% en un sistema estabilizado con geoceldas, esto es de gran beneficio para el pavimento ya que el suelo tendrá mayor resistencia frente a la aplicación de carga y descarga. (Javeriana, 2011)

Los ciclos de carga y descarga muestran que en un sistema estabilizado con geoceldas, se necesitan más de 5 ciclos de carga dinámica, para llegar a la misma deformación de una subrasante sin estabilizar, cargada estáticamente. (Javeriana, 2011)

Se debe tomar en consideración que el equipo para la aplicación de carga repetida no permite hacer repeticiones continuas, siendo esto un limitante en el desarrollo del proyecto, por otra parte, la caja al no ser una pieza monolítica no tiene la rigidez suficiente para evitar desplazamientos adicionales a los del suelo.

(Javeriana, 2011)

Sistema de geoceldas

Una geocelda es un sistema de confinamiento celular que mejora los módulos de las capas de un pavimento, mediante la inclusión de material granular dentro de sus celdas, reduciendo los espesores de materiales granulares. Esto se da gracias a que se produce un efecto de viga semirrígida distribuyendo las cargas en un área más grande, disminuyendo así los esfuerzos sobre la subbase y la subrasante. (Cuartas, 2015)

En la Figura 1 se ilustra una geocelda individual y en la Figura 2 se observa la forma en la que se dispone un conjunto de geoceldas en una vía, para ser llenadas posteriormente con el material granular que corresponda. (Cuartas, 2015)

25 Figura 1 Vista de Geocelda convencional

Fuente: Pavco. (2011). Infraestructura vial, concesión vial Devinorte Figura 2 Geoceldas en concesión vial Devinorte

Fuente: Pavco. (2011). Infraestructura vial, concesión vial Devinorte

La investigación y el desarrollo de las geoceldas se iniciaron con el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EEUU en el año 1970 mediante el uso de polietileno de alta densidad (HDPE), con el fin de probar la viabilidad de la construcción de los caminos de acceso táctico a los puentes sobre el suelo blando. Este nuevo sistema

26 de confinamiento celular fue utilizado posteriormente, a partir del año 1980, en obras civiles para aplicaciones de soporte de cargas temporales o bajas, control de erosión de taludes y revestimiento de canales en los Estados Unidos y Canadá. (Cuartas, 2015)

Posteriormente, alrededor del año 2004 se efectuaron nuevas investigaciones en tecnología de confinamiento celular y se comenzó a fabricar geoceldas con el propósito de usarlas en la construcción de carreteras modernas. Lo anterior requería de una geocelda con la flexibilidad de HDPE, pero con estabilidad dimensional y resistencia a la fluencia del poliéster. Como resultado se obtuvo una nueva generación de geoceldas basadas en una aleación llamada Neoloy. (Cuartas, 2015)

En la Figura 3 se observa una curva de temperatura versus el módulo elástico para el polietileno de alta densidad (HDPE) y el neoloy. (Cuartas, 2015)

Figura 3 Temperatura vs. Módulo elástico

Fuente: PRS. (2010). Neoweb whit neoloy

El neoloy, creado a partir de tiras multicapa de capas de alta durabilidad alrededor de un núcleo de alta resistencia, se ha diseñado específicamente para el refuerzo estructural en aplicaciones exigentes como los de ingeniería de carreteras, muros de retención alta y caminos de servicio pesado, ferrocarriles y puertos El beneficio del uso de las geoceldas en un proyecto vial se fundamenta en la reducción

27 de las capas granulares del pavimento, debido a que al llenar las celdas con un material de tipo granular, se provee altos módulos elásticos y plásticos, generando un incremento en la relación esfuerzo deformación. (Cuartas, 2015)

A continuación, en la Figura 4, se ilustra una gráfica de esfuerzo – deformación donde se observa el aporte del material granular reforzado con las geoceldas que distribuye actualmente la empresa Pavco. Dichas geoceldas basadas en neoloy se conocen en el mercado como Neoweb. (Cuartas, 2015)

Figura 4 Esfuerzo vs. Deformación

Fuente: Pavco. Manual de diseño con geosintéticos

Un estudio sobre bases granulares reforzadas con geoceldas ha sido llevado a cabo en la Universidad de Kansas, en donde se reportaron los óptimos resultados de las pruebas efectuadas en estos elementos llenos con diferentes materiales de relleno (agregado bien gradado, residuos de cantera y pavimento asfáltico reciclado (RAP)) apoyados sobre subrasantes débiles. (Cuartas, 2015)

Características de La Geocelda

A continuación, se describen los criterios generales del material que conforma las geoceldas. Dichos criterios deberán verificarse en la ficha técnica del producto,

28 teniendo en cuenta que en caso de no cumplir con los requisitos mínimos exigidos se perdería la validez de la modificación de los diseños con su uso. (Cuartas, 2015)

Comportamiento al esfuerzo y deformación a largo plazo: Se debe realizar un ensayo mediante un ciclo de deformación a largo plazo a través de la inclusión de calor en el material para simular el comportamiento en el tiempo. Lo anterior de acuerdo con la norma ASTM D6652. (Cuartas, 2015)

 Coeficiente de expansión térmica: Se debe efectuar un ensayo de análisis termo mecánico de acuerdo con la norma ASTM E831, considerando como valor límite para las geoceldas 70 a 100 ppm/ºC.

 Comportamiento a temperaturas elevadas: Se deberá efectuar un análisis Dinámico Mecánico (DMA) y se revisó el comportamiento viscoelástico de los polímeros de acuerdo con la norma ASTM E2254, determinando el módulo de elasticidad remanente para diferentes temperaturas de acuerdo con la Tabla.

Tabla 2 Valores mínimos ensayo DMA temperatura

(°C) módulo remanente

(Mpa)

30 750

45 650

60 550

75 300

Fuente: Manual de diseño con geosintéticos. PAVCO

Resistencia a la oxidación: La resistencia a la oxidación se determina mediante el ensayo de Calorimetría Diferencial (DSC) de acuerdo con la norma ASTM D3895 en donde se determina el tiempo de inducción a la oxidación (OIT) que para el polímero que conforma las celdas deberá ser mínimo de 95 minutos. (Cuartas, 2015)

29 Resistencia a la degradación UV: El comportamiento a los efectos de la radiación UV se mide mediante el ensayo de la norma ASTM 5885, en donde el tiempo hasta que se alcanza un umbral de degradación para un sistema de confinamiento celular es de mínimo 250 minutos. (Cuartas, 2015)

Método de Diseño del Pavimento

La metodología empleada para el diseño de un pavimento con geoceldas se basa en teorías de tipo mecanicista, analizando la estructura en función de los esfuerzos y deformaciones, en donde el beneficio de la geocelda se encuentra definido por el aumento de los módulos de elasticidad. Con este método de diseño se busca definir el máximo valor de deformaciones admisibles para la aplicación de la carga correspondiente a un eje de carga. A nivel de la capa asfáltica, en su fibra inferior, se revisa la deformación a tracción (criterio de deflexión) y a nivel de la subrasante se revisa la deformación vertical (criterio de ahuellamiento). En el diseño, los materiales de las capas del pavimento se consideran homogéneos, isotrópicos y horizontalmente infinitos. Se debe anotar que el diseño con geoceldas se fundamenta en que para el llenado de éstas se debe emplear únicamente material granular como arena, gravas, subbase granular, base granular, RAP, entre otros. (Cuartas, 2015)

Tal como se ha mencionado anteriormente, las geoceldas poseen la capacidad de aumentar el módulo de elasticidad de los materiales, dado el confinamiento de los materiales granulares. La relación entre el módulo de un material granular confinado con las geoceldas y el material no confinado se conoce como MIF (Modulus Improvement Factor) definido con la ecuación. (Cuartas, 2015)

30 A continuación, se ilustra en la Tabla 1 los valores típicos de MIF, obtenidos en diversos ensayos efectuados a través de diferentes investigaciones en los últimos años para materiales granulares con diferentes módulos, observando que entre menor sea el módulo del material de lleno mayor es el MIF y entre mayor sea el módulo del material de soporte mayor es el MIF. (Cuartas, 2015)

Tabla 3 Valores típicos de MIF capas de

soporte E(Mpa)

MODULO DEL MATERIAL DE LLENO = E(Mpa)

80 110 150 200 300

50 4 3.6 3 2.5 1.8

100 4.2 3.8 3.2 2.8 2

150 4.5 4 3.4 2.9 2.1

200 4.8 4.2 3.6 3.1 2.2

300 5 4.4 3.8 3.3 2.3

Fuente: Manual de diseño con geosintéticos. PAVCO

De acuerdo con el Manual de Diseño con Geosintéticos de PAVCO, se tiene que las diferentes investigaciones llevadas a cabo permitieron establecer tres zonas de distribución del confinamiento, en donde la zona central tiene un efecto total de confinamiento y en las partes superior e inferior de la geocelda se genera una zona de transición donde el confinamiento es parcial (Cuartas, 2015).

No obstante, para efectos de diseño, la zona parcialmente confinada no se tiene en cuenta y el MIF solo se hace efectivo para la zona totalmente confinada que corresponde a la altura de la geocelda (100 a 150mm) con 2cm adicionales tanto arriba como debajo de ésta como se ilustra en la Figura 5, en donde se observa la distribución del confinamiento en la zona reforzada para la geocelda que distribuye Pavco (Neoweb).

(Cuartas, 2015)

31 Figura 5 Distribución del confinamiento en la zona reforzada

Fuente: Manual de diseño con geosintéticos. PAVCO

De acuerdo con todo lo anterior se tiene que a la hora de diseñar un pavimento con geoceldas se deben seguir los mismos lineamientos de un diseño por método mecanicista, pero incluyendo los módulos mejorados. (Cuartas, 2015)

A continuación, se ilustra la ecuación para calcular el módulo modificado para el caso en que el espesor de la zona totalmente confinada sea inferior al espesor total de la capa. (Cuartas, 2015)

Donde,

H1 = Espesor zona totalmente confinada H2 = Espesor de la zona no confinada H = Espesor total de la capa

E = Módulo de elasticidad del material de llenado de la geocelda

Reciclado de llantas

32 Se estima que en américa latina hay más de 1500 millones de neumáticos desechados; 400 millones de ellos se tiran al año en cementerios o basureros clandestinos, y sólo un 12% forma parte del reciclaje de llantas. Con los correctos procesos, se estima que más de 500 millones de unidades podrían ser reutilizadas, dentro de las cuales se encuentran las llantas Firestone. (Llantrac, 2022)

Uno de los grandes problemas del desecho de llantas, es la quema de las mismas. Los gases producidos en este proceso, son tóxicos y pueden resultar cancerígenos y dañinos para la salud. (Llantrac, 2022)

Figura 6 Descarga de neumáticos para su transformación.

Fuente: SIGNUS

El problema de los neumáticos que se acumulan en vertederos o se queman podría acabarse, un académico de la facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Juventino García Alejandre, ha descubierto un método innovador para el reciclaje de neumáticos usados. La fabricación de neumáticos y las dificultades para hacerlos desaparecer una vez usados, constituye uno de los más graves problemas medioambientales de los últimos años en todo el mundo. Aunque existen maneras de desechar los neumáticos como la quema de estos o la

33 acumulación en vertederos controlados (quemándolos o almacenándolos), estas no son ni de lejos una solución al problema ambiental que estos producen. La quema para la obtención de energía supone un problema medioambiental enorme, de las 300.000 toneladas de neumáticos usados que se generan en España en un año, el 45% se deposita en vertederos controlados sin tratar, el 15% se deposita después de ser triturado y, el 40% no está controlado. La quema de los neumáticos para la obtención de energía producen impactos muy negativos en el medio ambiente, estos van desde la producción de gases potencialmente nocivos para las personas (dioxinas y furanos), que producen problemas respiratorios y en algunas ocasiones cáncer por la acumulación de estos en los tejidos grasos de las personas, hasta la producción de gases de efecto invernadero, aunque las emisiones de CO2 en la combustión de los neumáticos representa un porcentaje bajo en relación al aportado por la quema de materias primas, como los combustibles fósiles. (Fundación vida sostenible, 2022)

Aunque la reutilización de neumáticos es hasta ahora una de las soluciones más favorables a los problemas causados por estos, no es suficiente para paliar de manera eficaz el problema medioambiental al que nos enfrentamos, de ahí que el nuevo método de reciclaje de neumáticos del investigador Juventino García Alejandre sea uno de los mayores avances hasta la fecha en la lucha contra este grave problema. Por fin los miles de millones de neumáticos que se emplean y se desechan a nivel mundial pueden reciclarse, no solo reutilizarse, esto no solo contribuirá de forma positiva a los vertederos, sino que creará una nueva industria para la fabricación de neumáticos a partir de los reciclados. (Fundación vida sostenible, 2022)

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