MATERIALES DE RELLENO NO CONVENCIONALES: AGREGADO DE VIDRIO ESPUMADO ULTRALIGERO

Las opciones para solucionar los suelos propensos al asentamiento o donde hay servicios subterráneos sensibles a carga son:

Estas opciones se evalúan durante el proceso de diseño y se seleccionan según el mérito técnico, la capacidad de construcción, la velocidad de construcción, el impacto ambiental, la sostenibilidad, la disponibilidad de productos y equipos y, por supuesto, el costo. Una solución nueva y liviana Hasta hace poco, los materiales de relleno livianos más populares y fácilmente disponibles en los EE. UU. incluían poliestireno expandido (EPS o "geofoam"), concreto celular y agregado liviano de arcilla o esquisto expandido (LWA). Un rango de valores de peso unitario para cada uno de estos materiales se debe a variaciones en los procesos de fabricación y materias primas, niveles de compactación y contenido de humedad. Los rangos típicos en peso unitario son:

El nuevo competidor en el cuadrilátero es el agregado de vidrio espumoso ultraligero (FGA), un material de relleno liviano hecho de vidrio de envase 100 por ciento reciclado con un peso de 8 a 25 pcf. FGA ha estado disponible en el mercado estadounidense desde principios de 2017.

Si bien FGA es relativamente nuevo en los EE. UU., este material se produce en Europa desde hace más de 25 años. El crecimiento de FGA comenzó en Escandinavia, donde las arcillas sensitivas y las preocupaciones por el levantamiento de las heladas han favorecido el uso de relleno aislante liviano en lugar de la mejora del suelo o la sobreexcavación y el reemplazo de suelos comprimibles. Luego, la tecnología se extendió a otras partes de Europa, donde el FGA se usa actualmente como material de relleno geotécnico liviano y como material aislante reciclado y sostenible debajo de las losas y alrededor de las paredes de los cimientos. FGA se ha utilizado en terraplenes de carreteras nacionales de más de 30 pies de altura. Hoy en día, más de 15 plantas activas de fabricación de agregados producen FGA en Europa.

El proceso de fabricación de FGA comienza con el abastecimiento de desperdicios de vidrio reciclado de colores mixtos, menos 3/8 de pulgada. En la mayoría de los municipios de los EE. UU., es probable que este tipo de desperdicio de vidrio se destine a un vertedero porque no se puede clasificar por color, un proceso que es necesario para utilizar vidrio reciclado en la producción de nuevos envases de vidrio. El vidrio de desecho debe limpiarse y secarse para eliminar las impurezas (papel, plástico, cerámica, metal) que son un subproducto de las prácticas de reciclaje de flujo único actualmente vigentes en la mayoría de las comunidades de los EE. polvo fino (< 4 mils).

El proceso de fabricación de FGA puede utilizar una variedad de agentes y métodos espumantes, pero el objetivo final es crear y atrapar burbujas de gas dentro de una matriz de vidrio para crear un material de peso unitario bajo. El uso de carburo de silicio (SiC) muy fino en un proceso de formación de espuma en seco ha sido una opción popular para fabricar FGA utilizado como relleno ligero en aplicaciones geotécnicas. El polvo de vidrio y el agente espumante se mezclan y se envían a través de un horno que se calienta a 1800 °F. Inmediatamente después de salir del horno (Figura 1), el vidrio espumado forma una “torta” sólida que cubre todo el ancho de la banda del horno.

A medida que el FGA se enfría a temperatura ambiente y exterior, el esfuerzo inducido térmicamente hace que la "torta" se rompa en fragmentos individuales de agregados angulares que generalmente miden entre 0,375 y 2,5 pulgadas (en dimensión promedio) (Figura 2). Como producto fabricado, las pruebas de control de calidad se realizan de forma rutinaria en FGA en la planta. Esta prueba generalmente incluye pruebas diarias de densidad aparente y resistencia a la compresión confinada. Las propiedades típicas y los resultados de las pruebas para los FGA fabricados en EE. UU. se muestran en la Tabla 1.

Debido a su peso unitario muy bajo, el FGA se puede enviar a granel en cargas de camiones de hasta 100 yardas cúbicas (cy) antes de que los remolques alcancen sus límites de carga útil. En comparación con los agregados convencionales y los suelos típicos, el uso de FGA puede reducir potencialmente la cantidad de entregas de camiones a un sitio de proyecto en un factor de hasta siete. Como alternativa, el FGA se puede enviar en bolsas a granel de 1,25 a 3 cy que se maniobran fácilmente en sitios de difícil acceso. De manera similar a otros materiales de relleno livianos, FGA requiere algunos procedimientos de instalación únicos.

El FGA se coloca y compacta utilizando equipos de construcción tradicionales con orugas con presiones sobre el suelo de entre 625 y 1025 libras por pie cuadrado, generalmente una excavadora o excavadora. La compactación se logra mediante las fuerzas estáticas y dinámicas impartidas por el equipo sobre orugas, lo que produce una ligera rotura de partículas con una mayor interconexión de partículas. El equipo hará de dos a cuatro pasadas sobre un espesor de elevación original de hasta 24 pulgadas para lograr un porcentaje de compactación especificado. Las relaciones de compresión recomendadas varían entre 1,1 y 1,3 según la aplicación y las condiciones de carga. Para aplicaciones en carreteras y otras aplicaciones de soporte de carga, es típica una compactación del 20 por ciento de la capa (una relación de compresión de 1,25). Si no se puede acceder a un área con equipo sobre orugas, se debe usar una placa compactadora de 110 a 220 libras en capas más delgadas de 12 pulgadas o menos.

Por lo general, la compactación de FGA se verifica midiendo los espesores de elevación antes y después de la compactación para establecer un criterio de compactación específico para el proyecto y el equipo. En comparación con los suelos naturales, una de las principales ventajas de FGA es que el proceso de instalación y compactación no es sensible a la intemperie porque el material no tiene un contenido de agua óptimo y se drena muy rápidamente. Se recomienda un geotextil como separador entre FGA y todos los suelos circundantes para minimizar la intrusión de finos en la capa de FGA. La figura 3 muestra una instalación de FGA en un proyecto de construcción de carreteras en la región del Atlántico medio de los EE. UU.

FGA puede proporcionar una solución en muchas aplicaciones dentro de la infraestructura, la construcción comercial y residencial. Estas aplicaciones incluyen la mitigación de asentamientos; reducción de carga sobre servicios sensibles; como relleno de drenaje libre y de alta fricción en sistemas de muros de contención para reducir las cargas laterales; aislamiento resistente a roedores e insectos y drenaje debajo de losas de concreto o alrededor de las paredes del sótano; y prevención de heladas. Además, FGA tiene más beneficios para los proyectos que utilizan sistemas de clasificación de construcción sostenible como LEED (U.S. Green Building Council) o EnvisionTM (Instituto de Infraestructura Sostenible).

Hay un rango relativamente pequeño de pesos de unidades de diseño asociados con FGA; por lo tanto, el valor de diseño para un proyecto en particular debe seleccionarse en función de la aplicación prevista y las condiciones del sitio. Las partículas individuales de FGA están compuestas por una matriz de vidrio que rodea las burbujas de aire atrapadas en una condición de celda cerrada, lo que hace que el material flote incluso en condiciones a largo plazo. Como tal, se debe tener cuidado durante el diseño y la construcción para proporcionar el lastre adecuado (peso de sobrecarga de suelos y concreto por encima del FGA) en caso de inundación.

El tamaño de partícula nominal para FGA es de 0,375 a 2,5 pulgadas, con hasta un 15 por ciento en peso más fino y más grueso que estos límites. Antes de la compactación, la FGA se clasifica como grava mal graduada (GP) según el Sistema de clasificación de suelos unificado. Si se siguen los procedimientos de instalación recomendados para lograr una relación de compresión de 1,25, se romperán algunas partículas durante el proceso de compactación, pero las pruebas indican que el material seguirá clasificándose como GP después de la compactación. Si es necesario para una aplicación en particular, es posible triturar y cribar FGA para crear distribuciones de tamaño de partículas personalizadas. Se ha demostrado que la porosidad del material sin compactar es de aproximadamente 0,5, pero incluso después de la compactación, la porosidad permanece lo suficientemente alta (> 0,35) para proporcionar una capa altamente permeable y de drenaje muy libre.

La superficie de alta fricción de FGA produce un ángulo de fricción interna muy alto (55°) con esfuerzos de confinamiento de 1200 psf e inferiores. Este ángulo disminuirá a aproximadamente 40° a esfuerzos normales más altas (3000 psf), que es igual o mayor que los materiales agregados naturales típicos. Una de las áreas de aplicación más populares para el relleno liviano ha sido su uso como material de relleno en estructuras de contención, incluidos todos los tipos de diseños de tierra mecánicamente estabilizados.

Se completó la prueba de extracción a gran escala según la norma ASTM D6706, Método de prueba estándar para medir la resistencia a la extracción de geosintéticos en el suelo, para evaluar la interacción con varios tipos de refuerzo. Hasta la fecha, se ha investigado FGA, en combinación con correas metálicas, sintéticas, geomallas uniaxiales y biaxiales.

El módulo elástico para FGA variará según las capas superpuestas, adyacentes y subyacentes, pero se estima que oscila entre 525 y 725 toneladas por pie cuadrado (tsf) a partir de pruebas de carga de placa o deflectómetro liviano (LWD). El módulo resiliente de FGA según AASHTO T 307 variará según las condiciones de esfuerzo de confinamiento. Se informan valores entre 775 y 1.550 tsf.

La fluencia de FGA es posible si las cargas estáticas y dinámicas no se consideran adecuadamente. En términos prácticos, los sistemas de pavimento flexible requerirán una cierta distancia entre la parte superior del pavimento y la parte superior de la capa FGA para mantenerse dentro del umbral de carga dinámica. Como resultado, FGA no es un reemplazo adecuado para la subbase de piedra natural en los sistemas de pavimento flexible. Se puede completar un análisis elástico lineal utilizando una sección transversal específica del proyecto, las condiciones de carga y las propiedades del material para las capas de asfalto y subrasante presentes. Estos análisis pueden dar como resultado un mayor espesor de la subbase de piedra, la inclusión de una capa de refuerzo de geomalla o geocelda, o una losa de distribución de carga de concreto sobre la capa FGA para minimizar las cargas dinámicas.

La resistencia de los agregados a la intemperie como resultado de los ciclos de humedecimiento/secado y congelación/descongelación se evalúa para agregados en diversas aplicaciones, incluida la subbase de carreteras y el relleno de muros de contención, y es especialmente crítica para climas moderados. Se ha probado la durabilidad del agregado de vidrio espumoso de celda cerrada mediante pruebas de sulfato de magnesio y sulfato de sodio (AASHTO T 104), y cumple con los requisitos de durabilidad para relleno MSE según las especificaciones estándar para puentes de carretera de AASHTO. Los primeros proyectos de infraestructura que utilizaron FGA se completaron en Escandinavia a mediados de la década de 1990 y, dado que no se informaron problemas de rendimiento conocidos, los datos de durabilidad del laboratorio se verificaron empíricamente.

El FGA se utiliza a menudo como aislante debajo de losas de cimentación y en sistemas de techos verdes, o para proteger contra las heladas en los terraplenes de las carreteras. En el diseño de estas aplicaciones, la conductividad térmica del FGA compactado puede usarse o convertirse a un valor R basado en un espesor compactado. La conductividad térmica está entre 0,058 y 0,081 Btu/(hr·ft·°F) para FGA seco y húmedo, respectivamente. En comparación con la conductividad térmica del EPS, estos valores son un factor de 2 a 4 veces mayor. Por lo tanto, el espesor de capa requerido para FGA sería de 2 a 4 veces mayor que el de EPS para lograr la misma eficacia aislante. Sin embargo, FGA también puede actuar como capa de drenaje y ruptura capilar en estas aplicaciones de aislamiento.

Los materiales de relleno ligeros se suelen ofertar por unidad de volumen en lugar de por unidad de peso. Un rango de precios para los materiales de relleno livianos entregados, que incluyen esquisto expandido, FGA y geoespuma, oscila entre aproximadamente $ 65 y $ 130 por yarda cúbica. A estos precios, el material de relleno liviano solo se utiliza cuando existe la necesidad de un peso unitario bajo y/o material aislante. El costo final de FGA depende de la ubicación de un proyecto determinado en la proximidad del sitio de fabricación de FGA, pero generalmente se encuentra en el medio inferior del rango mencionado anteriormente. El éxito de los fabricantes de FGA en Europa es un testimonio de la competitividad de costes del producto en el mercado.

El vidrio es un componente problemático de la mayoría de los programas municipales de reciclaje de flujo único. Debido a su abrasividad, a menudo se tritura y se elimina al principio del proceso de reciclaje. Incluso si un municipio tiene la suerte de estar cerca de una planta embotelladora, los requisitos de clasificación por color y limpieza son difíciles de cumplir para los programas de flujo único. Por lo tanto, la mayor parte del vidrio recolectado en los programas de reciclaje en los EE. UU. termina en vertederos cercanos como desecho o cobertura diaria alternativa.

El agregado de vidrio espumado ofrece a las partes interesadas una solución sostenible de circuito cerrado para el vidrio reciclado. Este vidrio es 100 por ciento vidrio de envase posconsumo que, de lo contrario, se desecharía en vertederos. FGA representa la transformación de este material de desecho en un producto de construcción utilizable que puede ser utilizado en las mismas comunidades donde se generaron originalmente estos desechos. Otro atributo positivo de FGA es que, a diferencia de otros materiales reciclados o reutilizados beneficiosamente, el proceso de fabricación produce un producto limpio e inerte que está libre de impurezas, incluidas las orgánicas.

A raíz de los fenómenos meteorológicos cada vez más intensos y frecuentes, la comunidad de ingenieros ha reconocido y defendido la adopción de prácticas de diseño e infraestructura resilientes. Estos proyectos a menudo implican elevar las elevaciones para que la nueva construcción se ubique por encima de las elevaciones de inundación recién establecidas. Los lugares que deben soportar estas elevaciones más altas a menudo están plagados de suelos problemáticos: los limos y arcillas comprimibles se encuentran con frecuencia cerca de las vías fluviales o de la costa. Esta situación es solo un tipo de proyecto en el que FGA puede ofrecer una alternativa técnica, económica y sostenible superior a los materiales más tradicionales en la caja de herramientas de un ingeniero geotécnico.

El FGA se ha utilizado en el diseño de varios proyectos de resiliencia en el Atlántico medio de los EE. UU. Una característica común de estos proyectos es la necesidad de elevar la elevación de una carretera existente, pero hay suelos blandos subyacentes o servicios públicos sensibles que impiden cualquier carga adicional de los materiales de terraplén adicionales. Como un ejemplo de diseño simple, se supone que una sección de pavimento existente se va a reemplazar de la misma manera, el peso unitario húmedo de los suelos de subrasante existentes es de 115 pcf, el peso unitario húmedo del FGA compactado es de 22 pcf y es necesario elevar la elevación de la calzada. 3 pies. Un diseño de recargo neto cero requiere sobreexcavar aproximadamente 0.7 pies de suelo de subrasante debajo de la sección de pavimento existente. Al hacerlo, una capa de FGA de 3.7 pies de espesor puede levantar el terraplén debajo de la nueva sección de pavimento sin sobrecarga neta en el suelo subyacente o los servicios públicos.

Los ingenieros, propietarios y el público en general han despertado gran interés en el agregado de vidrio espumado desde su introducción en el mercado estadounidense en 2017. Hasta la fecha, FGA ha sido aprobado y utilizado en varios proyectos comerciales y DOT estatales en todo el Atlántico medio.