CAMINOS II – AÑO 2011

ESTABILIZADOS GRANULOMETRICOS

TRABAJO PRÁCTICO Nº 6

Facultad de Ingeniería - UNLP (Apuntes de Consulta:

Estabilizado Granulométrico. Ing. Raúl A. Colombo Calibración de una Planta Estabilizadora. Ing. Guillermo Gigena

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CALIBRACION DE UNA PLANTA ESTABILIZADORA

Supongamos tener que ejecutar un estabilizado granular para base de un pavimento, en una obra vial ubicada en las inmediaciones de la ciudad de La Plata, con tres materiales componentes y los siguientes costos unitarios (puestos en obra), para cada uno de ellos:

1) Agregado pétreo triturado (origen comercial: Olavarría) 60 $/tn 2) Arena silícea (origen comercial: Buenos Aires) 45 $/tn 3) Suelo seleccionado (origen local) 15 $/tn

Según las especificaciones técnicas de la base proyectada tendremos exigencias a cumplir, por ejemplo, el Pliego de Especificaciones Técnicas Generales de La DNV Edición 1998 requiere lo siguiente para bases de materiales granulares: Granulometría

Tamices Límites Tolerancias 38 mm (1 ½”) 100 % +/- 7 %

25 mm (1”) 70-100 % +/- 7 % 19 mm (3/4”) 60-90 % +/- 7 % 9,5 mm (3/8”) 45-75 % +/- 7 % 4,8 mm (Nº 4) 30-60 % +/- 6 % 2 mm (Nº 10) 20-50 % +/- 6 % 420 μ (Nº 40) 10-30 % +/- 5 % 74 μ (Nº 200) 3-10 % +/- 3 %

LL < 25 IP < 4 Contenidos de sales totales < de 1,5 Contenido de sulfatos < de 0,5 Valor soporte > 80 % Para iniciar los pasos en la obtención de la fórmula de mezcla (también llamada “Fórmula de mezcla en obra”), es necesario conocer la curva granulométrica exigida en las especificaciones técnicas. También es necesario conocer las curvas granulométricas de cada uno de los materiales, preferentemente con los mismos tamices de control que los de la mezcla. Con estos datos se puede, por distintos métodos (gráficos ó analíticos), encontrar posibles mezclas de materiales que cumplan con las restricciones granulométricas especificadas. En todos los tanteos que se realicen, deberá tenerse muy en cuenta la cuestión económica, esta condición de máxima economía, se logrará en la medida que se puedan incorporar los mayores porcentajes posibles de los materiales más baratos. En nuestro ejemplo, el suelo seleccionado es el material más económico de todos y por lo tanto las mezclas que mayor cantidad de suelo tengan en su composición, también serán las más económicas. En contraposición, las mezclas que mayor cantidad de agregado pétreo contengan, serán las más costosas. Desde el punto de vista granulométrico, el porcentaje tolerado en el pasa tamiz Nº 200 es la primera restricción a la cantidad de suelo que se puede incorporar en las mezclas. En este caso, se puede ver que los límites para la mezcla están entre 3 y 10 % para el tamiz Nº 200, es decir que si el suelo tuviera un 100 % de pasante en ese tamiz, su proporción en la mezcla será muy baja.

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En cambio, si el suelo tuviera porcentajes retenidos altos en el tamiz Nº 200 esto favorecerá la cantidad que se pueda incorporar del mismo a la mezcla. Las primeras tentativas de proporciones estarán cumpliendo entonces, solamente: las exigencias granulométricas de la mezcla. Estas primeras dosificaciones obtenidas, deberán ser verificadas en cuanto a sus constantes físicas (LL e IP), sobre muestras de material obtenidas de lo que pasa el tamiz Nº 40 en las distintas mezclas. El principal responsable de estos índices en nuestro ejemplo será el suelo, por cuanto de los tres componentes es el que más cantidad aporta al pasa tamiz Nº 40. También se verificará el contendido de sales totales y sulfatos en aquellas mezclas que cumplen con las constantes físicas del pasa tamiz Nº 40. Es decir que si el suelo presenta valores de LL e IP que superan en mucho los exigidos para la mezcla granular, entonces esta será una nueva restricción a su porcentaje dentro de la fórmula. Si alguna de las dosificaciones que cumplían con la granulometría, no cumplen con los valores máximos exigidos para los límites de Atterberg y contendidos de sales, entonces serán desechadas. Luego de esta segunda selección de proporciones, se moldearán probetas para controlar el valor soporte y ensayos proctor para conocer el PUVS máximo y la humedad óptima de compactación en mezclas que están cumpliendo: granulometría, constantes físicas y contenido de sales. Finalmente, sobre todas las que cumplan con los mínimos exigidos de VS se realizará un estudio económico, para ver cuál es la mezcla que cumpliendo con todas las exigencias técnicas, resulta más económica para la obra. Supongamos ahora que la fórmula más económica y que cumple con todas las exigencias de las especificaciones técnicas, obtenida entre varias, sea la que sigue: DATOS: Fórmula de mezcla en obra

Agregado pétreo triturado grueso (19-38) 20% en peso Agregado pétreo triturado fino (6-19) 55% en peso Arena silícea 15% en peso Suelo seleccionado 10% en peso PUVS (Proctor) 2,250 Kg/dm3 PUVS suelto 2,000 Kg/dm3 Humedad óptima (Hop) 4,0 % Humedad de absorción del material grueso 0,5 % Densidad seca a exigir en el camino (Corregida por material retenido en tamiz ¾”) 2,323 Kg/dm3

Granulometría

Tamices Mezcla 38 mm (1 ½”) 100 % 25 mm (1”) 95 % 19 mm (3/4”) 80 % 9,5 mm (3/8”) 54 % 4,8 mm (Nº 4) 35 % 2 mm (Nº 10) 26 % 420 μ (Nº 40) 15 % 74 μ (Nº 200) 7 %

VS = 115 % LL = 17 % LP = 15 %

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IP = 2% Sales totales = 1 Sulfatos = 0 Cálculo del costo unitario de la mezcla Agregado pétreo triturado =75% x 2,323 t/m3 x 60 $/t = 104,53 $/m3 Arena silícea =15% x 2,323 t/m3 x 45 $/t = 15,68 $/m3 Suelo seleccionado =10% x 2,323 t/m3 x 15 $/t = 3,48 $/m3 Costo unitario de la mezcla = 123,69 $/m3 Descripción de la planta estabilizadora Una planta estabilizadora está compuesta básicamente por dos unidades principales: las tolvas dosificadoras y el mezclador. Las tolvas dosificadoras están montadas en un bastidor que tiene una cinta alimentadora a la salida de cada tolva y una cinta colectora en la parte inferior. El mezclador es generalmente del tipo pug mill, de doble eje horizontal con paletas de recorrido helicoidal unido a las tolvas dosificadoras por una cinta transportadora. Complementariamente tendrá tanques de agua, bomba, caudalímetro y un grupo electrógeno para alimentar todos los motores eléctricos. En general, se puede afirmar que tienen como elemento crítico de su producción, el mezclador, es decir, que el rendimiento de la planta estará dado por la capacidad y el ciclo de mezclado de este último elemento. Habitualmente las tolvas dosificadoras se cargan mediante cargadoras frontales sobre neumáticos, las cuales tendrán diferentes tamaños de balde, según la capacidad de producción de la planta y ancho de las tolvas. Calibración Para calibrar la planta necesitamos diferenciar los parámetros de compactación de la mezcla en camino (ó en cancha), de los obtenidos durante los ensayos de laboratorio. En efecto, al estar frente a materiales granulares se debe tener en cuenta que los ensayos de compactación se realizan sobre la fracción de la mezcla que pasa el tamiz ¾”, pero las mezclas pueden tener distintos porcentajes de material retenido en ese tamiz. Si llamamos Dsc al peso unitario seco máximo corregido del material total para un determinado trabajo unitario de compactación, este se puede expresar por: Dsc = Ps / Vs (1) Siendo: Ps = Peso seco fracción fina + Peso seco fracción gruesa = F + G Vs = Volumen fracción fina + Volumen fracción gruesa = Vf + Vg Vf = F / dsmáx Vg = G / Pe Donde: F: es la fracción fina ó peso del material que pasa el tamiz de corte G: es la fracción gruesa ó peso del material retenido en el tamiz de corte dsmáx: es la densidad seca máxima del material fino ó PUVS máximo del ensayo Proctor Pe: es el peso específico del material retenido en el tamiz de corte

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Reemplazando en (1): Dsc = (F + G) / ((G / Pe) + (F / dsmáx)) F + G = 100 Dsc = 100 / ((G/Pe) + (F/dsmáx)) (2) A los efectos de la determinación del contenido óptimo de humedad se utiliza la siguiente expresión: Hop corregida = (Hop x F + Hab x G) / 100 (3) Donde: Hop corregida: porcentaje de humedad óptima correspondiente al total del material Hop: porcentaje de humedad óptima correspondiente al ensayo proctor Hab: humedad de absorción del material retenido en el tamiz de corte Supongamos, para este ejemplo, que esa producción es de 100 t/h (toneladas por hora). Dependiendo del clima, las plantas tienen que entregar la mezcla con un poco más de humedad que la óptima para compensar las pérdidas por evaporación que se producen durante el transporte y la distribución del material en el camino. Vamos a establecer que la mezcla deberá salir de planta con un 5% de humedad, es decir 1% por encima de la óptima del ensayo proctor (esta cantidad se ajustará según las distintas épocas del año para cada obra). Debemos considerar que en el mezclador tendremos mezcla húmeda y para conocer la cantidad de material seco y agua, debemos hacer la siguiente conversión: Peso seco de la mezcla = Peso húmedo de la mezcla / (1+H %) Producción seca de mezcla = 100 / 1,05 = 95,238 ton/hora Agua de mezclado = 100 – 95,238 = 4,762 ton/hora Es decir, que ahora podemos conocer para cada fracción, las cantidades horarias que deberán entregar las tolvas dosificadoras. PASO 1: CALIBRACIÓN SECA 1) Agregado pétreo grueso (19-38) 20% x 95,238 ton/hora = 19,048 ton/hora 2) Agregado pétreo fino (6-19) 55% x 95,238 ton/hora = 52,381 ton/hora 3) Arena silícea 15% x 95,238 ton/hora = 14,286 ton/hora 4) Suelo seleccionado 10% x 95,238 ton/hora = 9,524 ton/hora En tanto, que la bomba de agua debería entregar la siguiente cantidad de agua en el mezclador: 5) Agua de mezclado 100 – 95,238 = 4,762 ton/hora = 4.762 litros/hora Con los 4 primeros valores, podemos calibrar los alimentadores de las tolvas para entregar en cada uno la proporción requerida. Aquí podemos usar dos modalidades:

• la primera sería calibrar cada tolva, con toda las instalaciones en marcha (cintas transportadoras y mezclador) y controlar los pesos con un camión que estaría debajo del

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mezclador, pero recibiendo sólo un material por vez y pesando el camión en la báscula de obra.

• La segunda opción, sería calibrar cada tolva y controlar los pesos a la salida del alimentador o de la cinta colectora con una balanza más pequeña (500 kg).

El segundo método es más rápido y para su control, conviene reducir las unidades (de peso a kilogramos y de tiempo a segundos): 1) Agregado pétreo grueso (19-38) 19,048 t/hora = 5,291 kg/segundo 2) Agregado pétreo fino (6-19) 52,381 t/hora = 14,550 kg/segundo 3) Arena silícea 14,286 t/hora = 3,968 kg/segundo 4) Suelo seleccionado 9,524 t/hora = 2,646 kg/segundo PASO 2: CALIBRACIÓN HÚMEDA Ahora, tendremos que corregir estas alimentaciones por la humedad que tiene cada uno de los materiales en el acopio. Supongamos que se han determinado los siguientes tenores de humedad en cada material acopiado y corregimos las alimentaciones: 1) Agregado pétreo grueso (19-38) 0,5 % = 5,291 kg/seg. x 1,005 = 5,317 kg/seg. 2) Agregado pétreo fino (6-19) 1,0 % = 14,550 kg/seg. x 1,010 = 14,695 kg/seg. 3) Arena silícea 2,5 % = 3,968 kg/seg. x 1,025 = 4,067 kg/seg. 4) Suelo seleccionado 4,0 % = 2,646 kg/seg. x 1,040 = 2,752 kg/seg. Vale aclarar que los porcentajes de humedad anteriores son los que exceden la condición de saturado y superficie seca, es decir, es la cantidad de agua que excede la absorbida por el material. Si fijáramos el intervalo de control de tiempo en 15 segundos, por ejemplo, entonces cada tolva debería entregar las siguientes cantidades ó pesos en ese intervalo de tiempo: 1) Agregado pétreo grueso (19-38) Tolva 1 = 79,755 kg 2) Agregado pétreo fino (6-19) Tolva 2 = 220,425 kg 3) Arena silícea Tolva 3 = 61,005 kg 4) Suelo seleccionado Tolva 4 = 41,280 kg PASO 3: CALIBRACIÓN DEL AGUA A INCORPORAR Finalmente, calculamos el suministro de agua a entregar en el mezclador: Agua total 4,762 ton/hora = 1,323 litros/segundo 1) Descuento humedad (APT grueso) 5,317 – 5,291 = 0,026 litros/segundo 2) Descuento humedad (APT fino) 14,695 – 14,550 = 0,145 litros/segundo 3) Descuento humedad (arena) 4,067 – 3,968 = 0,099 litros/segundo 4) Descuento humedad (suelo) 2,752 – 2,646 = 0,106 litros/segundo 5) Agua a incorporar con la bomba en el mezclador = 0,947 litros/segundo Es decir, que la bomba deberá entregar en este caso 3.409 litros/h, en lugar de los 4.762 litros/h calculados en la calibración seca. Los valores de la humedad de los áridos y del suelo deberán controlarse diariamente para poder corregir la cantidad de agua que deberá incorporar la bomba en el mezclador.

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PASO 4: CALIBRACIÓN DE LAS ABERTURAS DE COMPUERTAS Y VELOCIDAD DE LOS ALIMENTADORES En las tolvas dosificadoras, se nos pueden presentar las siguientes modalidades de operación, según los distintos modelos de plantas:

a) Silos con alimentadores de velocidad fija b) Silos con alimentadores de velocidad variable

En el primer caso, la única posibilidad de modificar la alimentación es abriendo o cerrando la compuerta de salida del material. En el segundo caso, se deja casi siempre fija la abertura y se varía la velocidad del alimentador eléctricamente. En ambos casos será conveniente hacer una gráfica donde se represente la cantidad de material entregado en función de la abertura o de la velocidad del alimentador. Según la fórmula de mezcla del ejemplo que venimos desarrollando, se puede observar que los silos Nº 1 y Nº 2 que alimentarán los agregados pétreos lo harán con mayores aberturas de compuertas que los silos Nº 3 y Nº 4 de la arena y del suelo. Si estamos frente a una planta que tiene silos con alimentadores de velocidad fija, puede ocurrir que en los silos Nº 3 y Nº 4 la abertura obtenida sea demasiado pequeña y esto dificulte la alimentación continua del material. En ese caso se puede cambiar el motor eléctrico por uno de menor velocidad ó bien colocar piñones y coronas para reducir la velocidad del alimentador. Las plantas más modernas que utilizan tolvas con motores de velocidad variable en los alimentadores, también pueden tener sensores de humedad que permiten hacer las correcciones de la dosificación desde el puesto de mando ó cabina de control.