Las capas de base de suelo estabilizadas con cemento se utilizan ampliamente en la construcción de bases de carreteras. En concreto, las capas de base de piedra triturada estabilizadas con cemento requieren una gran cantidad de piedra triturada como material de relleno. Por otra parte, los residuos mineros son similares a los áridos de piedra triturada mecánicamente; por lo que la piedra triturada de residuos de minería separada magnéticamente y la arena de residuos de minería pueden utilizarse para sustituir a la piedra triturada en la preparación de la mezcla de residuos de minería estabilizada con cemento. El uso de arena de residuos de minería para la base del pavimento puede, en cierta medida, reducir la contaminación medioambiental, aprovechar los recursos mineros, ahorrar recursos del suelo y reducir los costes de construcción.

6.1.1 Requisitos relativos a los materiales

Cuando se utilicen cal, cenizas volantes o cemento para estabilizar la arena de residuos mineros con vistas a la construcción de la base, la calidad de todos los materiales deberá cumplir los requisitos de la Especificaciones técnicas para la construcción de las capas de base del pavimento de carreteras. La cal viva deberá cumplir los requisitos técnicos correspondientes a la cal hidratada de clase III o superior, y su tiempo de almacenamiento deberá reducirse al mínimo. Si el almacenamiento se prolonga, deberá cubrirse y sellarse; es recomendable adquirirla y utilizarla según las necesidades.

(1) Cenizas volantes: El contenido total de SiO₂, Al₂O₃ y Fe₂O₃ en las cenizas volantes deberá ser superior a 70%; la pérdida por calcinación no deberá superar el 20%; la superficie específica de las cenizas volantes deberá ser, preferiblemente, superior a 2 500 m²/kg (o 90% que pase por un tamiz de 0,3 mm y 70% que pase por un tamiz de 0,075 mm).

(2) Cemento: El cemento deberá ser cemento Portland ordinario, cemento Portland con escoria de alto horno o cemento Portland con puzolana de grado de resistencia 32,5 y con un tiempo de fraguado inicial superior a 3 horas. No se utilizarán cementos de fraguado rápido, cementos de resistencia temprana ni cementos deteriorados o húmedos.

(3) Arena de residuos mineros: La arena de residuos utilizada en aplicaciones viarias deberá ser, por regla general, material de desecho procedente del enriquecimiento de roca dura, y deberá estar limpia y libre de impurezas. Cuando se utilice en la estabilización con cal y cenizas volantes, cemento y cenizas volantes o cal y cenizas volantes, el contenido de partículas de tamaño inferior a 0,075 mm no deberá superar el 7%; cuando se utilice en la estabilización con cemento, el contenido de partículas de tamaño inferior a 0,075 mm no deberá superar el 5%.

(4) Agua: Se deberá utilizar agua potable.

(5) Proporción de los componentes del material: Además de cumplir los requisitos de calificación especificados en el Especificaciones técnicas para la construcción de las capas de base del pavimento de carreteras, el cálculo de proporciones para la piedra triturada estabilizada con cemento y la arena de residuos mineros también puede basarse en el método de cálculo de la composición de los materiales del hormigón de cemento; es decir, la proporción de arena de residuos mineros se determina mediante el método de la relación de arena (o tomando como referencia el método de cálculo para el hormigón de cemento magro). En el caso de la piedra triturada y la arena de residuos estabilizadas con cal y cenizas volantes, la resistencia a la compresión no confinada a los 7 días para las capas de subbase y base deberá mantenerse por encima de 0,6 MPa, de acuerdo con las normas para carreteras secundarias. En el caso de la piedra triturada y la arena de residuos estabilizadas con cemento que se utilicen como base de la calzada, la resistencia a la compresión no confinada a los 7 días deberá mantenerse por encima de 3,0 MPa.

6.1.2 Proceso de construcción y control

6.1.2.1 Mezcla

La mezcla en la planta central se realizará con maquinaria específica para la mezcla de suelo estabilizado, equipada con dispositivos de dosificación electrónicos. Durante la mezcla se deberán cumplir los siguientes requisitos:

(1) Todos los materiales que se reciban deberán ajustarse a los materiales previstos en el diseño de las proporciones de la mezcla.
(2) Todos los dispositivos de medición del equipo de mezcla de la planta deberán estar calibrados y certificados mediante verificación metrológica antes de su uso.
(3) La mezcla de prueba y la calibración se llevarán a cabo de acuerdo con la proporción de la mezcla de obra, y el caudal de descarga de cada tolva de áridos se determinará mediante dosificación independiente.
(4) Se controlará estrictamente el contenido de agua, de modo que el contenido de agua de la mezcla, en el momento de su transporte hasta la obra y de su compactación, se aproxime al contenido óptimo de humedad.
(5) La mezcla deberá ser homogénea; se desechará el primer lote de mezcla.
(6) Durante las obras que se realicen en la temporada de lluvias, se tomarán medidas para proteger los áridos de la lluvia, y los camiones de transporte de la mezcla deberán ir debidamente cubiertos.
(7) En condiciones de tiempo ventoso, seco y caluroso, se deberá ajustar el contenido de humedad sin demora.
(8) El número de vehículos de transporte de la mezcla deberá ajustarse a la capacidad de producción del equipo de mezcla.

6.1.2.2 Extensión y laminado

Para extender la mezcla se utilizará una extendedora de suelo estabilizado. Antes de la extensión, se limpiará la capa subyacente y se trazarán las líneas de alineación. Para controlar eficazmente la anchura, se pueden construir primero unos terraplenes laterales a ambos lados de la capa base, en función del espesor suelto, con una anchura de 30 a 50 cm; las cotas se medirán a intervalos de 5 m y se fijarán cables de acero con estacas según el espesor suelto. La anchura de extendido por extendedora no deberá superar los 7 m; es preferible extender toda la anchura en una sola pasada utilizando dos extendedoras en formación escalonada. La velocidad de extendido se controlará, por lo general, entre 2 y 4 m/min, y se dispondrá de suficientes vehículos de transporte delante de la extendedora para garantizar un extendido uniforme e ininterrumpido. El apisonado se llevará a cabo preferiblemente con rodillos vibratorios de 18 t o más y rodillos con neumáticos de goma; el número de rodillos y de pasadas de apisonado se determinará mediante tramos de prueba, por lo general no menos de tres rodillos. El apisonado se realizará en tres fases: apisonado inicial, apisonado intermedio y apisonado final. Durante el apisonado inicial, se utilizará el apisonado estático, con el rodillo siguiendo a la extendedora en una trayectoria en forma de S para detenerse y dar marcha atrás, solapando la mitad del ancho del rodillo; se completará una pasada cuando se haya apisonado todo el ancho del pavimento. Por lo general, se requieren entre 6 y 8 pasadas de apisonado; los arcenes y la capa base se apisonarán simultáneamente. La velocidad de apisonado se mantendrá, por lo general, entre 1,5 y 2,5 km/h. Para el apisonado intermedio, se utilizarán rodillos con neumáticos de goma. Queda estrictamente prohibido que los rodillos den la vuelta en U o frenen bruscamente en tramos ya compactados o en proceso de compactación, y las zonas de compactación inicial, intermedia y final deberán controlarse rigurosamente. Queda estrictamente prohibido el apisonado vibratorio solapado en tramos que ya hayan adquirido su forma y hayan superado el tiempo de fraguado final.

6.1.2.3 Curado y control del tráfico

Una vez finalizado el apisonado de cada zona de compactación y comprobado que el grado de compactación cumple los requisitos, se iniciará inmediatamente el curado por humedad. Tras el apisonado y la inspección de la capa base de arena de residuos estabilizada con cal, cenizas volantes o cemento, se raspará la superficie con un cepillo de alambre u otras herramientas, y a continuación se iniciará el curado. Se recomienda el curado con arena húmeda; durante el periodo de curado, la capa de arena deberá mantenerse húmeda. Tras 7 días de curado, deberán retirarse por completo todos los materiales de recubrimiento. En el caso de la piedra triturada y la arena de residuos estabilizadas con cal, cenizas volantes o cemento, se podrán utilizar camiones cisterna para el curado con agua; durante el periodo de curado, la superficie de la capa base deberá mantenerse húmeda, y el curado por humedad deberá durar 7 días. Si la capa superficial es de hormigón asfáltico, antes del curado con agua, la superficie lisa de la capa de base deberá rugosizarse mediante cepillado para proporcionar una cierta rugosidad, lo que facilita la penetración del aceite de la capa de imprimación y la adhesión entre las capas de base y superficial, y evita la formación de surcos en el pavimento. Para garantizar la penetración del aceite de la capa de imprimación, es recomendable aplicar dicho aceite tras 3-4 días de curado y, a continuación, construir la capa superficial una vez finalizado el periodo de curado, con el fin de reducir las grietas por contracción por secado en la capa base causadas por la exposición prolongada a la luz solar. Durante el periodo de curado, salvo los camiones cisterna, queda estrictamente prohibido el tránsito de vehículos pesados sobre la capa base.

6.1.3 Efectos de la aplicación

En 2009, la Oficina de Transporte del condado de Longhua, en la ciudad de Chengde (provincia de Hebei), utilizó los residuos de mineral de hierro de la empresa minera Jingu, situada en el condado de Longhua, como materia prima principal para la piedra triturada de la capa base estabilizada con cemento durante la reconstrucción de la autopista de la línea Han-Guo. De este modo, se logró aprovechar con éxito los residuos en la construcción de la base de la autopista, lo que no solo permitió ahorrar en el consumo de cemento, sino que también garantizó la calidad de la obra.

La unidad de construcción llevó a cabo en primer lugar ensayos de análisis granulométrico y de resistencia a la compresión no confinada de los residuos mineros. Los resultados de los ensayos mostraron que el tamaño de las partículas de los residuos y la resistencia a la compresión no confinada de la piedra triturada estabilizada con cemento cumplían los requisitos de las normas vigentes de ingeniería de carreteras, y que el material de los residuos podía satisfacer los requisitos para materiales de estabilización de la capa base. Tras realizar más ensayos, se determinó que el contenido óptimo de humedad de la piedra triturada estabilizada con cemento era de 5,01 TP3T, y la densidad seca máxima, de 2,53 g/cm³. En el proyecto de reconstrucción de la línea Han-Guo, la proporción de la mezcla por tonelada de base de piedra triturada estabilizada con cemento fue de cemento : material de residuos mineros : agua = 45 : 905 : 50. Tras el periodo de curado de la base de la mezcla, se llevaron a cabo ensayos de campo y pruebas de muestreo de núcleos, y todos los resultados cumplieron con las especificaciones para la construcción de la base. Entre ellos, la resistencia media a los 7 días fue de 3152 MPa, la máxima de 5120 MPa y la mínima de 3143 MPa. Tras la apertura de la carretera al tráfico, no se produjeron daños en el pavimento y su rendimiento fue bueno; además, superó las inspecciones aleatorias realizadas por los departamentos provinciales y municipales de control de calidad y cumplió los requisitos de las especificaciones.

En este proyecto se utilizaron más de 32 000 toneladas de residuos mineros, lo que permitió ahorrar más de 400 000 yuanes en costes de materiales gracias a su aprovechamiento, generando así un valor económico considerable.

Entre 2004 y 2009, la Oficina de Transporte de la ciudad de Qian’an, provincia de Hebei, llevó a cabo una investigación sobre la aplicación de arena de residuos mineros en cinco proyectos de carreteras rurales en Qian’an, utilizando dicha arena para sustituir la gravilla en capas de base de piedra triturada estabilizadas con cal y cenizas volantes, con un total de 23 420 m / 268 364 m². Los resultados de los ensayos de la capa base mostraron que la resistencia cumplía los requisitos de diseño.

Xu Shuai, de la Escuela Profesional de Arquitectura de Liaoning, estudió la viabilidad de utilizar residuos de hierro para sustituir parte de la arena y la grava en los materiales de construcción de carreteras mediante el análisis de datos experimentales. Las materias primas seleccionadas para la prueba fueron residuos de hierro y arena de cal. La arena de residuos de hierro procedía de los residuos de hierro de Qidashan, de Anshan Ansteel; la cal hidratada procedía de la planta de cal de Rongfa, en Anshan (Liaoning), y era de grado calcáreo terciario. Teniendo en cuenta las características de los materiales, se diseñó la proporción de mezcla de residuos de hierro estabilizados con cal. Mediante proporciones de mezcla razonables, se realizaron ensayos de compactación, de resistencia a la compresión no confinada, de módulo de elasticidad y de resistencia a la tracción por hendidura sobre la mezcla. Los resultados de los ensayos mostraron que la proporción adecuada de materias primas para los residuos de hierro estabilizados con cal era cal : residuos de hierro = 30 : 100, con un contenido óptimo de humedad de 14,891 TP3T y una densidad compactada de 1,928 t/m³. Todos los índices de los ensayos cumplían los requisitos de la Especificaciones técnicas para la construcción de capas de base de pavimentos de carretera (JTJ 034—2000), cumplía los requisitos de diseño para las capas de base de los pavimentos y podía aplicarse a las capas de base de carreteras secundarias o de menor categoría.

6.2 Arena de residuos mineros para el relleno de terraplenes

La arena de residuos mineros puede utilizarse como material de relleno para terraplenes. La construcción se lleva a cabo mediante el método de bermas laterales y zanjas, es decir, se construyen terraplenes de tierra con una anchura de entre 1,5 y 2,0 m a ambos lados de la plataforma, con una altura que no supere los 30 cm y que sea igual a la altura de cada capa de relleno de arena de residuos; a lo largo de la dirección longitudinal de la subbase, se reserva un orificio de drenaje de 30 cm de ancho cada 20 m, que se rellena con material permeable, y el apisonado se lleva a cabo simultáneamente con la subbase de arena de residuos. La arena de residuos se vierte en la zanja de la subbase; la capa superficial del relleno de arena de residuos se altera ligeramente y puede aflojarse. Antes de rellenar cada capa, se rociará agua para humedecerla, y el relleno se llevará a cabo utilizando el método de construcción inversa. La arena de residuos se nivelará y compactará estáticamente mediante excavadoras, motoniveladoras o palas cargadoras, y posteriormente se compactará con rodillos vibratorios. Durante el apisonado, se controlará estrictamente el contenido de humedad, manteniéndolo generalmente entre 1 y 2 puntos porcentuales por encima del contenido óptimo de humedad; si el contenido de humedad es demasiado bajo, el rodillo no podrá desplazarse ni compactar eficazmente. Dado que la arena de residuos varía en cuanto a contenido de mineral y dureza, los métodos de compactación también difieren. En el caso de la arena de residuos con alto contenido en polvo y limo, puede compactarse directamente con rodillos; para la arena de residuos con bajo contenido en polvo y limo, puede utilizarse el método de sedimentación con agua, con la ayuda de rodillos para lograr el efecto de compactación requerido. Cuando el relleno de arena de residuos alcance los 15–20 cm por debajo de la superficie superior de la subbase, se utilizará un suelo cohesivo con alto contenido en arcilla para la compactación y el perfilado de la capa de recubrimiento. Por lo general, se retirará la arena de residuos suelta de la superficie para dejar al descubierto una superficie lisa y compacta, y el grado de compactación se medirá mediante el método del cono de arena o el método de la bolsa de agua.

Los residuos de hierro sustituyen a la arena de río en el pavimento de hormigón para cemento

El cemento y el hormigón son dos de los principales materiales para pavimentos que se utilizan ampliamente en China. Ofrecen ventajas como una elevada resistencia, buena estabilidad, durabilidad y condiciones favorables para la conducción nocturna, y su uso está muy extendido en el sur de China. El pavimento de hormigón de cemento consume grandes cantidades de arena de río. Si los residuos de hierro pudieran sustituir a la arena de río en el hormigón, esto supondría un gran avance en la aprovechamiento de los residuos industriales (materiales de desecho) en China.

En 2006, el Instituto de Diseño Minero del Grupo Ansteel y la Planta de Prefabricados de la empresa Ansteel Construction llevaron a cabo conjuntamente ensayos con bloques de hormigón de prueba en los que se utilizaron residuos de hierro en sustitución de la arena de río habitual. La materia prima de los residuos de hierro se extrajo del embalse de residuos de Fengshuigou, la piedra triturada procedía de una cantera local y el cemento era cemento Portland de escoria ordinario C32,5. La proporción en masa de cemento : piedra triturada : residuos de hierro : agua fue de 1 : 2,82 : 1,26 : 0,45. Tras la mezcla mecánica, se fabricaron dos grupos de bloques de ensayo de hormigón estándar C25 (100 mm × 100 mm × 100 mm, 3 bloques por grupo). Tras 28 días de curado estándar en laboratorio, se realizaron ensayos de resistencia a la compresión, y los resultados se muestran en la Tabla 6-1. Como se puede observar en la tabla, la resistencia del hormigón superó el C35.

Tabla 6-1: Resultados de los ensayos de resistencia a la compresión de bloques de hormigón en los que se han utilizado residuos de hierro en sustitución de la arena de río