analisis comparativo de una mezcla densa...
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ANALISIS COMPARATIVO DE UNA MEZCLA DENSA EN CALIENTE MGC-1 Y
UNA MEZCLA ASFALTICA DENSA TIBIA BAJO TECNICA DE ESPUMADO
CON ADICION DE ZEOLITA SINTETICA
JOSE GIOVANNY CAMARGO PARGO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA TOPOGRÁFICA
BOGOTÁ D.C.
2016
ANALISIS COMPARATIVO DE UNA MEZCLA DENSA EN CALIENTE MGC-1 Y
UNA MEZCLA ASFALTICA DENSA TIBIA BAJO TECNICA DE ESPUMADO
CON ADICION DE ZEOLITA SINTETICA
JOSE GIOVANNY CAMARGO PARDO
20111032047
Este proyecto se presenta como requisito parcial para optar al
TÍTULO DE INGENIERO TOPOGRÁFICO
DIRECTOR INTERNO
HUGO ALEXANDER RONDÓN QUINTANA
DR. EN INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA TOPOGRÁFICA
BOGOTÁ D.C.
2016
Nota de aceptación
________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________
________________________________ Director del proyecto
________________________________
Firma jurado
________________________________
Firma jurado
Bogotá D.C. 2016
AGRADECIMIENTOS
A la UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS por darme la oportunidad de pertenecer a su selecto grupo de estudiantes y ser un profesional. A mi director de tesis, Dr. Hugo Alexander Rondón Quintana, quien con sus conocimientos, experiencia, motivación, dedicación y paciencia ha ayudado a terminar mis estudios con éxito También quiero agradecer a mis profesores quienes durante toda mi carrera profesional aportaron un granito de arena en mi formación, por medio de sus consejos, enseñanza y sobre todo por su amistad. A mi hija ISABELLA CAMARGO quien es mi nueva motivación para seguir con mis logros académicos y personales. Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional a las que agradezco su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía en los momentos más difíciles de mi vida. Algunas están aquí conmigo y otras en mis recuerdos y en mi corazón, sin importar en donde estén quiero darles las gracias por integrar parte de mí, por todo lo que me han brindado. Para ellos: Muchas gracias…….
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 12
OBJETIVOS ................................................................................................................................................. 14
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................................................... 14 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................................................... 14
1. MARCO DE REFERENCIA ......................................................................................................................... 15
1.1 CEMENTO ASFALTICO ........................................................................................................................... 15
1.1.1 ¿QUÉ ES UN ASFALTO? .............................................................................................................................. 15 1.1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA ............................................................................................................................. 15 1.1.3 CLASIFICACIÓN ......................................................................................................................................... 16 1.1.4 PROPIEDADES .......................................................................................................................................... 16 1.1.5 ENSAYOS AL CEMENTO ASFÁLTICO ................................................................................................................ 18 1.1.6 CLASIFICACIÓN Y TERMINOLOGÍA DE LOS LIGANTES ASFÁLTICOS. ......................................................................... 23 1.1.7 ELECCIÓN DE LIGANTE ASFALTICO ................................................................................................................. 24
1.2 AGREGADOS PÉTREOS .......................................................................................................................... 24
1.2.1 NATURALEZA PETROLÓGICA DE LOS AGREGADOS PÉTREOS. ................................................................................ 25 1.2.2 TIPOS DE AGREGADOS PÉTREOS. .................................................................................................................. 26 1.2.3 PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS PÉTREOS ................................................................................................... 27 1.2.4 CONSIDERACIONES ACERCA DEL EMPLEO DE LOS AGREGADOS PÉTREOS ................................................................ 28 1.2.5.1 AGREGADO GRUESO ............................................................................................................................... 31 1.2.5.2 AGREGADO FINO ................................................................................................................................... 33 1.2.5.3 LLENANTE MINERAL ................................................................................................................................ 34 1.2.5.4 AGREGADOS COMBINADOS ...................................................................................................................... 34 1.2.6 ENSAYOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS ........................................................................................................... 35
1.3 MEZCLAS ASFÁLTICAS ........................................................................................................................... 37
1.3.1 CARACTERÍSTICAS DE LA MEZCLA ASFÁLTICA .................................................................................................. 37 1.3.2 PROPIEDADES DE LA MEZCLA ASFÁLTICA ........................................................................................................ 38 1.3.3 CLASIFICACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS ................................................................................................... 39 1.3.4 ENSAYOS A LA MEZCLA ASFÁLTICA ................................................................................................................ 43 1.3.5 EMPLEO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS EN LA CONSTRUCCIÓN DE FIRMES ............................................................... 44 1.3.6 MODIFICACIÓN DE ASFALTOS ...................................................................................................................... 45 1.3.7 ADITIVOS QUÍMICOS .................................................................................................................................. 46 1.3.8 ADITIVO HUSIL ......................................................................................................................................... 47 1.4.1 COMPROBACIÓN DEL DISEÑO ...................................................................................................................... 48 1.4.2 MÉTODO MARSHALL DE DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS .................................................................................. 49 1.4.2.1 EQUIPO PARA EL ENSAYO MARSHALL ......................................................................................................... 50 1.4.2.2 ELABORACIÓN DE LAS PROBETAS ............................................................................................................... 50 1.4.2.3 ANÁLISIS VOLUMÉTRICO DE LAS MAC ......................................................................................................... 51 1.4.2.4 DENSIDAD DE VACÍOS ............................................................................................................................. 54 1.4.2.5 GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK Y DENSIDAD DE MEZCLAS ASFÁLTICAS ................................................................... 55 1.4.2.6 ESTABILIDAD – FLUJO ............................................................................................................................. 55
1.5 METODOLOGÍA .................................................................................................................................... 56
1.5.1.1 MUESTRA DE LOS AGREGADOS PÉTREOS ..................................................................................................... 56 1.5.1.2 CARACTERIZACIÓN DE CEMENTO ASFALTICO ................................................................................................ 59 1.5.1.3 CARACTERIZACIÓN DE CEMENTO ASFALTICO MODIFICADO .............................................................................. 60 1.5.2 DOSIFICACIÓN .......................................................................................................................................... 63 1.5.3 MEZCLADO DE LOS MATERIALES ................................................................................................................... 65 1.5.6 ENSAYO DE ESTABILIDAD Y FLUJO ................................................................................................................. 71
1.6 RESULTADOS Y ANALISIS ...................................................................................................................... 73
1.6.1 AGREGADOS PÉTREOS ............................................................................................................................... 73 1.6.2 CEMENTO ASFALTICO ................................................................................................................................ 74 1.6.3 ENSAYO MARSHALL PARA MEZCLA ASFÁLTICA CONVENCIONAL MGC-1 ............................................................... 78 1.6.4 CONTENIDO ÓPTIMO DE ASFALTO ................................................................................................................. 83 1.6.6 INCIDENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA MGC-1 CON CA MODIFICADO. .............................................................. 84 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................... 91
ANEXO 1 RESULTADOS DE LABORATORIO ENSAYOS DE CEMENTO ASFALTICO. .......................................... 95
ANEXO 2 RESULTADOS DE LABORATORIO ENSAYO MARSHALL MEZCLAS ASFALTICAS. .............................. 95
INDICE DE TABLAS
TABLA 1 ESPECIFICACIONES DEL CEMENTO ASFALTICO .................................................................................................... 17 TABLA 2 ESPECIFICACIONES DEL ASFALTO MODIFICADO CON POLIMEROS ............................................................................ 18 TABLA 3 CLASIFICACIÓN DE CA EN DECIMAS DE MM DE ACUERDO A PREPARACIÓN COMERCIAL .............................................. 19 TABLA 4 TIPO DE LIGANTE ASFÁLTICO POR EMPLEAR ...................................................................................................... 24 TABLA 5 DENOMINACIÓN DE LOS AGREGADOS MINERALES. ............................................................................................. 31 TABLA 6 REQUISITOS DEL AGREGADO GRUESO PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE REQUISITOS POR CATEGORÍA ................. 32 TABLA 7 REQUISITOS DEL AGREGADO FINO PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE. ........................................................... 33 TABLA 8 REQUISITOS DE LLENANTE MINERAL PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE .......................................................... 34 TABLA 9 GRANULOMETRÍA DE AGREGADOS COMBINADOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE ........................................ 35 TABLA 10 CLASIFICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS ....................................................................................................... 42 TABLA 11 CRITERIOS DE DISEÑO DE LA MEZCLA ............................................................................................................ 48 TABLA 12 CRITERIOS DE COMPROBACIÓN DEL DISEÑO VOLUMÉTRICO DE LA FÓRMULA DE TRABAJO ......................................... 48 TABLA 13 REQUISITOS DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA LA ELABORACIÓN DE MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE. ...................... 57 TABLA 14 REQUISITOS DE LLENANTE MINERAL PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE. ....................................................... 58 TABLA 15 ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFALTICOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS. ..................................................... 62 TABLA 16 DOSIFICACIÓN PARA PROBETAS DE MEZCLA ASFÁLTICA MGC-1 CONVENCIONAL .................................................... 64 TABLA 17 DOSIFICACIÓN PARA DETERMINAR CONTENIDO ÓPTIMO DE ASFALTO EN MGC-1 CONVENCIONAL. ............................ 64 TABLA 18.CARACTERIZACIÓN DE AGREGADOS PÉTREOS .................................................................................................. 74 TABLA 19 RESULTADOS Y ESPECIFICACIONES INVIAS. ................................................................................................... 75 TABLA 20 CARACTERIZACIÓN DEL CA 60-70 MODIFICADO CON HUSIL. ........................................................................... 76 TABLA 21 CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DEL ASFALTO CA 60-70. .................................................................................. 77 TABLA 22 CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DEL ASFALTO MODIFICADO (HUSIL/CA=1%). ...................................................... 78 TABLA 23 DATOS DE LABORATORIO, BRIQUETAS TOMADAS DE MEZCLA ASFÁLTICA MGC-1 CONVENCIONAL. ............................ 79 TABLA 24 PARÁMETROS DE DISEÑO ........................................................................................................................... 80 TABLA 25 RESUMEN DE CÁLCULO DE DENSIDAD BULK, VACÍOS PARA MEZCLA ASFÁLTICA MGC-1 CONVENCIONAL. ..................... 80 TABLA 26 RESUMEN DE LOS RESULTADOS DE ESTABILIDAD Y RELACIÓN E/F EN EL DISEÑO DE LA MGC-1 CONVENCIONAL. ........... 83 TABLA 27 VALORES PROMEDIO DE INCIDENCIA AL CAMBIO DE TEMPERATURA EN FABRICACIÓN EN BRIQUETAS CON CA DE 4.8%. . 84 TABLA 28 INCIDENCIA DE LA TEMPERATURA Y ADITIVO HUSIL EN MEZCLA CONVENCIONAL MGC-1. ...................................... 85
INDICE DE ILUSTRACIONES
ILUSTRACIÓN 1 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ASFALTO .................................................................................................... 15 ILUSTRACIÓN 2 MAQUINA CENTRIFUGA PARA EXTRACCIÓN DE ASFALTO. ............................................................................ 19 ILUSTRACIÓN 3 TOMA DE PUNTO DE ABLANDAMIENTO................................................................................................... 20 ILUSTRACIÓN 4 EQUIPO PARA ENSAYO DE PENETRACIÓN (PENETROMETRO) ........................................................................ 21 ILUSTRACIÓN 5 EXPLOTACIÓN DE AGREGADOS PÉTREOS ................................................................................................. 25 ILUSTRACIÓN 6 ESQUEMA DE COMPONENTES DE MEZCLA ASFÁLTICA Y REPRESENTACIÓN DE LOS VOLÚMENES PRESENTES ............ 39 ILUSTRACIÓN 7 EQUIPO PARA ENSAYO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN ............................................................................... 44 ILUSTRACIÓN 8 MODIFICADORES DE MEZCLAS ASFÁLTICAS. ............................................................................................. 46 ILUSTRACIÓN 9 ADITIVO SINTÉTICO HUSIL .................................................................................................................. 63 ILUSTRACIÓN 10 DOSIFICACIÓN DE MATERIALES. .......................................................................................................... 63 ILUSTRACIÓN 11 MEZCLA DE AGREGADOS PÉTREOS Y CEMENTO ASFALTICO ......................................................................... 66 ILUSTRACIÓN 12 MEZCLA ASFÁLTICA........................................................................................................................... 66 ILUSTRACIÓN 13 CONSERVACIÓN DE TEMPERATURA DE MEZCLA ASFÁLTICA ........................................................................ 67 ILUSTRACIÓN 14 RELLENO DE MOLDES DE COMPACTACIÓN. ............................................................................................ 68
ILUSTRACIÓN 15 MARTILLOS DE COMPACTACIÓN. ......................................................................................................... 68 ILUSTRACIÓN 16 BRIQUETAS FABRICADAS PARA FALLAR. ................................................................................................ 68 ILUSTRACIÓN 17. MEDIDA DE LA BRIQUETA ................................................................................................................. 69 ILUSTRACIÓN 18. BRIQUETA SUMERGIDA .................................................................................................................... 70 ILUSTRACIÓN 19. PESO DE LA BRIQUETA SUPERFICIALMENTE SECA .................................................................................... 70 ILUSTRACIÓN 20 MUESTRAS EN BAÑO MARÍA .............................................................................................................. 71 ILUSTRACIÓN 21 APLICACIÓN DE CARGA A LAS MUESTRAS MARSHALL ............................................................................... 71 ILUSTRACIÓN 22. ENSAYO EN LA PRENSA MARSHALL ..................................................................................................... 72 ILUSTRACIÓN 23. PROBETA FALLADA EN LA PRENSA MARSHALL ....................................................................................... 73 ILUSTRACIÓN 24 ASFALTO MODIFICADO CON HUSIL/CA=1%. ANTES Y DURANTE EL PROCESO DE ESPUMADO. ........................ 76
ECUACIÓN 1 GRAVEDAD ESPECIFICA BULK FUENTE: (INVIAS, 2007) ............................................................................... 52 ECUACIÓN 2 GRAVEDAD ESPECIFICA EFECTIVA. FUENTE: (INVIAS, 2007) ......................................................................... 52 ECUACIÓN 3 CONTENIDO ASFALTO ABSORBIDO. FUENTE: (INVIAS, 2007) ....................................................................... 52 ECUACIÓN 4CONTENIDO ASFALTO EFECTIVO. FUENTE: (INVIAS, 2007) ........................................................................... 53 ECUACIÓN 5 VACÍOS EN EL AGREGADO MINERAL. FUENTE: (INVIAS, 2007) ...................................................................... 53 ECUACIÓN 6 PORCENTAJE DE VACÍOS DE AIRE. FUENTE: (INVIAS, 2007) .......................................................................... 53 ECUACIÓN 7 VACIOS LLENOS DE LIGANTE ASFALTICO. FUENTE: (INVIAS, 2007) ................................................................. 53 ECUACIÓN 8 RELACIÓN ENTRE LLENANTE Y ASFALTO EFECTIVO. FUENTE: (INVIAS, 2007) .................................................... 54 ECUACIÓN 9 VACÍOS LLENOS DE LIGANTE ASFALTICO. FUENTE: (INVIAS, 2007) ................................................................. 54 ECUACIÓN 10 RELACIÓN ENTRE LLENANTE Y ASFALTO EFECTIVO. FUENTE: (INVIAS, 2007) .................................................. 54 ECUACIÓN 11 GRAVEDAD ESPECIFICA ......................................................................................................................... 55
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LISTA DE ABREVIACIONES
NCAT-National Center for Asphalt Technology FT-Fischer–Tropsch, prosses NAPA-National Asphalt Pavement Association FHWA-Federal Highway Administration TWG- Technical Working Group Meeting CTAA- Canadian Technical Asphalt Association LCCA- Life Cycle Cost Analysis TxPTS- Texas Pavement Type Selection WMRA- Warm Mix Recycled Asphalt VB- Virgin binder RAP- Recycled Asphalt Pavement LEA-Low Energy Asphalt WAM-Foam- NCHRP- National Cooperative Highway Research Program AASTHO- American Association of State Highway and Transportation Officials TSR- Tensile Strength Ratio PG- Performance Grade APA- The Asphalt Pavement Analyzer MEPDG- Mechanistic Empirical Pavement Design Guide HVS-Heavy Simulator Vehicle RPPW- Effects of recycled pyrolytic cross-linked polyethylene wax SBS- Styrene–butadiene–styrene SBSMA- Styrene–butadiene–styrene asphalt modificated CA- Cemento asfáltico
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RESUMEN
El procedimiento consiste en tomar un diseño de una mezcla gruesa en caliente MGC-1 y una mezcla asfáltica tibia fabricada a partir de la granulometría de la mezcla MGC-1 pero fabricada bajo técnica de espumado con adición de zeolita para este caso con la fabricación de probetas cilíndricas, preparadas como se describe en la norma invias 748-07, rompiéndolas posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y deformación. De igual forma, determinando los porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se fijaran previamente las gravedades específicas de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del ensayo de rotura, de acuerdo con las normas correspondientes. El procedimiento se inicia con la preparación de probetas de ensayo, para lo cual los materiales propuestos deben cumplir con las especificaciones de granulometría y demás, establecidas para el proyecto. Además, se deberá determinar previamente la gravedad específica bulk de los agregados, así como la gravedad específica del asfalto, y se deberá efectuar un análisis de Densidad Vacíos de las probetas compactadas. Para determinar el contenido óptimo de asfalto para una gradación de agregados dada o preparada, se deberá elaborar una serie de probetas con distintos porcentajes de asfalto, de tal manera que al graficar los diferentes valores obtenidos después de ser ensayadas, permitan determinar ese valor "óptimo" de contenido de asfalto y adición de husil. Palabras claves: Mezcla Gruesa en caliente, Vacíos, Granulometría.
ABSTRACT
The procedure involves taking a design of a hot mix thick MGC-1 and a warm asphalt mix made from the grain size of the mixture but MGC-1 manufactured under foaming technique with addition of zeolite for this case with manufacturing Cylindrical specimens, prepared as described in the standard INVIAS 748-07, Marshall then breaking them in the press and determining stability and deformation. Similarly, determining the percentages of empty and made of mixtures, the specific gravities of the materials used and the compacted specimens, previously adopted before bursting test, in accordance with the relevant standards. The procedure begins with the preparation of test specimens for which the proposed materials must comply with the specifications of grain and other, established for the project. Furthermore, it must first determine the bulk specific gravity of aggregates, as well as the specific gravity of asphalt, and should make an analysis of gaps density of the compacted specimens. To determine the optimum bitumen content for a gradation of aggregates given or prepared, it shall prepare a series of samples with different percentages of asphalt, so that by plotting different values obtained
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after being tested, to determine that value "optimal "content of asphalt and adding husil. Key Words: Mix Thick hot, Empty, Grit.
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INTRODUCCIÓN De acuerdo con ASOPAC (Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos de Colombia, 2004), la mayor parte de las estructuras que se diseñan y construyen en Colombia y el mundo son flexibles o cuentan con rodaduras o superficies construidas con capas asfálticas. Según ellos, más del 90% de las vías en el mundo están construidas en pavimento asfáltico. La mayor parte de las mezclas que se utilizan en el mundo para conformar capas asfálticas en este tipo de estructuras viales son las denominadas concreto asfáltico o mezclas del tipo denso y en caliente (MDC, MSC, MGC o MAM de acuerdo con las especificaciones del Instituto Nacional de Vías – INVIAS, 2007 o internacionalmente conocidas como HMA por sus siglas en inglés). Estas mezclas se caracterizan por presentar un bajo contenido de vacíos con aire (entre 3% a 9% por lo general), son premezcladas, y por lo general, bien diseñadas y fabricadas, son de alta resistencia mecánica, durabilidad y de buen comportamiento in situ. Adicionalmente pueden ser utilizadas para conformar cualquier subcapa dentro de la capa asfáltica (rodadura, base intermedia y/o base asfáltica). A pesar de lo anterior, este tipo de mezcla presenta como principal limitación que tienen que ser fabricadas (en las plantas de asfalto) y construidas (in situ) a muy alta temperatura (fabricación entre 150°C y 170°C y compactación in situ entre 120°C y 150°C), generando emisiones a la atmósfera de sus componentes volátiles y por ende contaminación al medio ambiente, la cual se incrementa adicionalmente, por la energía que se necesita para calentar los materiales necesarios para su fabricación (agregados pétreos y cemento asfáltico). A finales de la década de los 90’s aparece, principalmente en Alemania, una nueva alternativa y tecnología que intenta combinar las ventajas técnicas, económicas y ambientales que presentan las mezclas en caliente y en frío. Esta tecnología internacionalmente denominada como mezcla asfáltica tibia es conocida en el mundo como mezcla WMA (por sus siglas en inglés). Se denomina mezcla asfáltica tibia aquella que mediante el uso de diferentes técnicas, logra reducir las temperaturas de mezclado y compactación de una mezcla asfáltica caliente sin alterar demasiado la calidad de la mezcla asfáltica resultante. El principal objetivo de esta tecnología es desarrollar un tipo de mezcla asfáltica amigable con el medio ambiente que sea de alta resistencia y durabilidad. Para tal fin, diversos aditivos y procesos son utilizados para fabricarlas De acuerdo con lo anterior, el presente trabajo de grado busca contribuir con el avance investigativo mediante la comparación de la resistencia de una mezcla gruesa en caliente MGC-1 y una mezcla asfáltica tibia fabricada a partir de la granulometría de la mezcla MGC-1 pero fabricada bajo técnica de espumado con adición de zeolita (la cual se denomina como HUSIL). Las propiedades que se evaluaron para comparar ambas mezclas (MGC-1 en caliente y tibia) fueron la resistencia bajo carga monotónica y la composición volumétrica a través del ensayo Marshall. El cemento asfáltico base que se utilizó para fabricar ambas mezclas fue
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el CA 60-70 producido por la Empresa Colombiana de Petróleos - ECOPETROL en Barrancabermeja ya que es el más utilizado y empleado en la ciudad de Bogotá D.C. Como mezcla de referencia se empleó la MGC-1 (utilizada para conformar bases asfálticas en la superficie de pavimenfgvtos flexibles). Adicionalmente es importante mencionar, que el presente trabajo de grado forma parte del proyecto de investigación institucionalizado titulado “Desarrollo de una Mezcla Asfáltica Tibia bajo Criterios Técnicos y Medioambientales – Convocatoria del CIDC 014-2013 - Financiación de proyectos de investigación presentados por alianzas de grupos de investigación de una misma Facultad institucionalizados en el sistema de investigaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y reconocidos en el Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación - SCIENTI dentro de la convocatoria 2012”. En este proyecto de investigación institucionalizado la mezcla de referencia es la MDC-2 para capa de rodadura.
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OBJETIVOS
Objetivo General
Evaluar mediante la metodología de diseño Marshall, si la adición por vía
húmeda de HUSIL al asfalto permite obtener una mezcla asfáltica tibia
empleando la granulometría de una mezcla en caliente tipo MGC-1.
Objetivos específicos
Establecer la reducción de temperatura que puede generar la adición de
HUSIL al asfalto en las fases de fabricación (mezcla) y compactación en
laboratorio empleando como granulometría de referencia la de una mezcla
tipo MGC-1.
Establecer la cantidad optima de aditivo HUSIL que se debe emplear en el
diseño de la mezcla asfáltica modificada.
Comparar la resistencia bajo carga monotónica que experimenta la mezcla
asfáltica modificada que se diseña, con una MGC-1.
Comparar las propiedades de la mezcla asfáltica modificada a diversas
temperaturas (entre 110° C y 140° C) y reportar diferencias de resistencia
bajo caga monotónica y composición volumétrica entre la MGC-1 y la mezcla
asfáltica tibia modificada fabricada con el aditivo HUSIL.
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1. MARCO DE REFERENCIA
1.1 CEMENTO ASFALTICO
1.1.1 ¿Qué es un asfalto? El asfalto es un material que se puede encontrar en la naturaleza en yacimientos naturales o puede ser obtenido como subproducto de la destilación de determinados crudos de petróleo. Posee unas características muy específicas que lo hacen ideal para los trabajos de alimentación, principalmente la cohesión y la adhesión con materiales granulares. Tiene una consistencia sólida, al calentarlo se ablanda y se vuelve líquido, lo que le permite recubrir los agregados durante el proceso de fabricación de la mezcla asfáltica en caliente. El asfalto cambia su comportamiento dependiendo de la temperatura y el tiempo de aplicación de la carga. Es más duro a bajas temperaturas y más blando a altas, por esto, se debe seleccionar el tipo de asfalto más conveniente dependiendo del clima del sitio de colocación.
1.1.2 Composición química El asfalto está compuesto por asfaltenos, resinas, aromáticos y saturados. Los asfaltenos proporcionan la dureza del asfalto, las resinas son los que aglutinan los asfaltenos, brindando la capacidad de liga. Los aromáticos y saturados son aceites, que le dan la consistencia para que sean trabajables. 1
Ilustración 1 Composición química del asfalto
.
Fuente: Asociación de productores y pavimentadores asfalticos de Colombia ASOPAC, Cartilla del pavimento.
1 Asociación de productores y pavimentadores asfalticos de Colombia ASOPAC, Cartilla del pavimento
asfaltico, El cemento asfaltico.2004, Pág. 9.
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1.1.3 Clasificación Los asfaltos se agrupan en dos clases, principalmente: 2 Cementos asfalticos: son los más utilizados en pavimentación. Se pueden sub-clasificar bajo tres sistemas diferentes: viscosidad antes y después de envejecimiento y penetración. Se preparan comercialmente en grados o rangos de consistencia, con base en el ensayo de penetración, por ejemplo: AC 70-90, AC-60-80, AC 80-100. Los números indican la penetración en décimas de milímetro. El ensayo de penetración es uno de los ensayos de clasificación más comunes en la caracterización del asfalto. Asfaltos líquidos: Se producen diluyendo cemento asfáltico en algún solvente del petróleo. Se agrupan en 3 clases, dependiendo de la rapidez con que se produce la evaporación del solvente (curado del asfalto). SC: asfaltos rebajados de curado lento MC: asfaltos rebajados de curado medio RC: asfaltos rebajados de curado rápido. Esta denominación se suele acompañar de un número que indica el grado de viscosidad cinemática (en centiestokes). Por ejemplo: RC-250, MC-70. Los asfaltos más utilizados en el mundo hoy en día, son los derivados del petróleo, los cuales se obtienen por medio de un proceso de destilación industrial del crudo. Representan más del 90% de la producción total de asfaltos. La mayoría de los petróleos crudos contienen algo de asfalto y a veces en su totalidad, sin embargo existen algunos petróleos crudos, que no contienen asfalto. El petróleo crudo extraído de los pozos, es sometido a un proceso de destilación en el cual se separan las fracciones livianas como la nafta y keroseno de la base asfáltica mediante la vaporización, fraccionamiento y condensación de las mismas. En consecuencia, el asfalto es obtenido como un producto residual del proceso anterior. El asfalto es además un material bituminoso pues contiene betún, el cual es un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono.
1.1.4 Propiedades Las propiedades físicas más importantes del cemento asfáltico, que son tenidas en cuenta en el diseño, construcción y mantenimiento de carreteras, son:
Adhesión y cohesión: Adhesión es la capacidad del cemento asfáltico para adherirse al agregado en la mezcla de pavimentación. Cohesión es la capacidad del cemento asfáltico de mantener firmemente, en su puesto, las partículas de agregado en el pavimento terminado.
2 Idem
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Durabilidad: Indica qué tanto permanecen en un cemento asfáltico sus características cuando es expuesto a procesos normales de degradación y envejecimiento. Susceptibilidad al endurecimiento y al envejecimiento: El endurecimiento del asfalto es causado por la combinación con el oxígeno (oxidación) o por volatilización. La oxidación y el endurecimiento más severo ocurren durante el mezclado, pues el asfalto se encuentra a altas temperaturas y en películas delgadas. Susceptibilidad Térmica: Esta es una de las propiedades más importantes del asfalto. La susceptibilidad a la temperatura varía entre asfaltos de diferente origen, aún si los asfaltos tienen el mismo grado de consistencia. 3
Tabla 1 Especificaciones del cemento asfaltico
Fuente: Especificaciones generales construcción de carreteras INVIAS 2013, Art. 410
3 Idem
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Tabla 2 Especificaciones del asfalto modificado con polimeros
Fuente: Especificaciones generales construcción de carreteras INVIAS, 2013.
1.1.5 Ensayos al cemento asfáltico Ensayos para medir la consistencia del cemento asfáltico Para evaluar la calidad de un cemento asfáltico y caracterizarlo se han ideado diversos ensayos que tratan de reproducir el comportamiento a escala real del material. A continuación se presenta una breve descripción de cada una de ellos. La consistencia es el grado de fluidez que tiene el asfalto a una determinada temperatura. La viscosidad es la resistencia del material a fluir. No es una propiedad intrínseca del asfalto, es decir, depende de la temperatura y del tipo de ensayo que se realiza. En general, se puede medir la viscosidad cinemática o la dinámica. Las normas generalmente piden la viscosidad a dinámica a 60°C.
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Ilustración 2 Maquina centrifuga para extracción de asfalto.
Fuente: Asociación de productores y pavimentadores asfalticos de Colombia ASOPAC, Cartilla del pavimento asfaltico, El cemento asfaltico.2004
La penetración es una medida de la consistencia del asfalto a la temperatura media de servicio, 25°C. Sus valores son dados en décimas de milímetro. Los valores m s comunes de nuestro asfalto son los de penetraciones desde 60 dmm hasta 90 dmm. Índice de penetración Este valor proporciona un criterio de medida de la susceptibilidad del cemento asfáltico a los cambios de temperatura. El índice de penetración se mide indirectamente y más comúnmente como resultado de un cálculo especial que se hace con los resultados de la penetración y el punto de ablandamiento.
Tabla 3 clasificación de CA en decimas de mm de acuerdo a preparación comercial
Fuente: (Fonseca 2012)
Ensayo de punto de ablandamiento Como los cementos asfálticos no tienen un punto de fusión definido, por ser materiales termoplásticos, se ha definido un punto de ablandamiento convencional,
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determinado por la temperatura a la que alcanza un determinado estado de fluidez a la cual el asfalto no puede soportar una carga de una bola de acero dentro de un anillo, por lo que la prueba también se denomina “de anillo y bola”.
Ilustración 3 Toma de punto de ablandamiento
Fuente: Fonseca (2002).
Ensayo de ductilidad Este valor proporciona un criterio de medida de la susceptibilidad del cemento asfáltico a los cambios de temperatura. El índice de penetración se mide indirectamente y más comúnmente como resultado de un cálculo especial que se hace con los resultados de la penetración y el punto de ablandamiento. Como los cementos asfálticos no tienen un punto de fusión definido, por ser materiales termoplásticos, se ha definido un punto de ablandamiento convencional, determinado por la temperatura a la que alcanza un determinado estado de fluidez a la cual el asfalto no puede soportar una carga de una bola de acero dentro de un anillo, por lo que la prueba también se denomina “de anillo y bola”. La ductilidad es la capacidad para mantenerse cohesionado bajo las deformaciones inducidas por el tránsito. Se mide en un equipo denominado “ductilímetro”. El ensayo consiste en consiste en someter las muestras de asfalto a un ensayo de tracción, en condiciones determinadas de velocidad y temperatura, en un baño de agua de igual densidad, definiéndose la ductilidad como la distancia máxima en centímetros que se estira la probeta hasta el instante de rotura. 4
4 Idem
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Ilustración 4 Equipo para ensayo de penetración (penetrometro)
Fuente: Propia
Ensayos para determinar la durabilidad del asfalto La durabilidad de un cemento asfáltico está determinada por el envejecimiento que sufre el material. Este envejecimiento se debe principalmente a dos factores: el proceso de mezclado en caliente en una planta de mezclado y la acción del medio ambiente durante el servicio. El ensayo RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) muestra la calidad que tiene el asfalto después de fabricar la mezcla asfáltica en caliente. Al asfalto así envejecido se le realizan ensayos que buscan conocer el cambio cuando se fabrica la mezcla en caliente. Con esto, se conocen las propiedades y comportamiento del mismo en el momento en que empieza a desempeñarse como Pavimento. El ensayo PAV (Pressure Ageing Vessel) es un medio para envejecer el asfalto, simulando el paso de entre 5 y 10 años en servicio. A este asfalto se le realizan pruebas para determinar la calidad que tiene el asfalto después de este tiempo. El PG (performance grade o grado de desempeño) es un nuevo método de clasificación del cemento asfáltico. Se analizan los resultados de ensayos de laboratorio para determinar el rango climático de uso de ese asfalto. Por ejemplo, en un asfalto con PG 64-22, 64 es igual a la temperatura máxima de uso y -22 la temperatura mínima. Ensayos para conocer la pureza del asfalto El cemento asfáltico obtenido de refinería tiene un porcentaje muy pequeño de impurezas como sales, carbón libre, impurezas orgánicas. Estas se deben determinar mediante el para que las propiedades del asfalto no se vean deterioradas.
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Ensayos de seguridad El cemento asfáltico obtenido de refinería tiene un porcentaje muy pequeño de impurezas como sales, carbón libre, impurezas orgánicas. Estas se deben determinar mediante el para que las propiedades del asfalto no se vean deterioradas. Es muy importante determinar a qué temperatura puede calentarse el cemento asfáltico sin peligro de incendio, pues si se sobrepasa esta temperatura, podrían chispa se pueden incendiar. Ensayo de punto de inflamación El punto de inflamación corresponde a la temperatura a la que se puede calentar el cemento asfáltico con seguridad, sin peligro a que se inflame en presencia de llama. Sirve como prueba de seguridad en la operación de las plantas productoras de mezcla asfáltica en caliente. Otros ensayos Se han ideado otros ensayos para determinar propiedades específicas necesarias para conocer y entender algunos comportamientos del asfalto. Algunos de ellos son: Peso específico Este ensayo sirve para determinar las equivalencias de pesos a volúmenes a la temperatura de aplicación, así como para algunos cálculos necesarios en el diseño de mezclas asfálticas, pues cuando se requiere emplear una cantidad determinada del material caliente, es más fácil medir volúmenes que pesos. Fragilidad La fragilidad es la propiedad de romperse ante la aplicación de determinados esfuerzos. Depende fundamentalmente de la velocidad de deformación y de la temperatura. Ensayo de la mancha (o ensayo de Oliensis) Esta prueba se usa para detectar posibles alteraciones químicas del cemento asfáltico por efectos térmicos. Destilación Con este ensayo se separan el cemento asfáltico y el diluyente para determinar su cantidad e identificarlos.
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1.1.6 Clasificación y terminología de los ligantes asfálticos. Además de los ligantes asfálticos procedentes de la destilación del petróleo, existen otros materiales hidrocarbonatos que también tienen propiedades aglomerantes.
Ligante hidrocarbonado. Término genérico para materiales adhesivos conteniendo asfalto, alquitrán o una mezcla de ambos. 5
Ligante asfáltico. Término genérico aplicado a cualquier material adhesivo conteniendo asfalto.
Asfaltos fluidificados o “cut back”. Se obtienen por disolución de los mismos en un aceite o fluidificante, teniendo por lo tanto una viscosidad reducida, se desarrollaron para facilitar el empleo de los asfaltos cuando las temperaturas o el tipo de tratamiento exigen viscosidades de aplicación menores que la que aun calentando fuertemente, puedan tener los asfaltos normalmente. Su viscosidad ha sido reducida por la adición de un fluidificador volátil. El fluidificante por lo general, no es más que un aditivo, que se elimina posteriormente por evaporación y que sirve para facilitar la puesta en obra, quedando al último el asfalto puramente. En el proceso de eliminación del fluidificante o llamado también proceso de curado, se pierde un producto de alto valor. Lo que supone una fuente de contaminación atmosférica, así como riesgos de inflamación por el carácter de los fluidificantes empleados, que en ocasiones requieren de un cierto calentamiento. Actualmente los asfaltos fluidificados tienen un escaso empleo y un consumo muy limitado. 6
Asfaltos fluxados. Se han desarrollado para aplicaciones muy específicas, en los cuales el fluxante no es un derivado del petróleo sino que proviene del proceso de destilación de la hulla. Su viscosidad ha sido reducida por el empleo de un aceite fluidificante.
Asfaltos modificados. Es un asfalto al cual se le ha añadido de manera homogénea y estable, en un cierto porcentaje previamente analizado, algún tipo de aditivo, para mejorar sus propiedades reológicas. El asfalto es un material como se sabe, muy susceptible a
5 Idem 6 Idem
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los cambios de temperatura, sufre envejecimiento por intemperismo, es afectado por la oxidación y la fotodegradación. Sus propiedades mecánicas son muy pobres: es quebradizo a bajas temperaturas y fluye un poco arriba de la temperatura del medioambiente, además de tener una baja recuperación elástica, lo que limita ampliamente su rango de utilidad. 7 Por estas razones el material asfáltico en ocasiones tiene que ser modificado mediante la adición de un agente químico para mejorar sustancialmente sus propiedades reológicas, es decir, que mejoren su comportamiento para una amplia gama de condiciones de temperatura o de aplicación de las cargas.
1.1.7 Elección de ligante asfaltico El ligante asfáltico para elaborar la mezcla asfáltica en caliente deberá ser el establecido en los documentos técnicos del proyecto en función de las condiciones de operación de la vía, la composición de la estructura del pavimento y la posición de la capa asfáltica. En la Tabla 2 se presenta una guía para la selección del mismo; la calidad del ligante deberá satisfacer lo establecido en la Tabla 1 cuando se trate de cemento asfáltico y en la Tabla 202.1 de la Sección 202 cuando se emplee un cemento asfáltico modificado con polímeros.
Tabla 4 Tipo de ligante asfáltico por emplear
Fuente: invias 2013
1.2 AGREGADOS PÉTREOS Son materiales granulares sólidos inertes que se emplean en los firmes de las carreteras con o sin adición de elementos activos y con granulometrías adecuadas; se utilizan para la fabricación de productos artificiales resistentes, mediante su mezcla con materiales aglomerantes de activación hidráulica (cementos, cales, etc.) o con ligantes asfálticos. (Smith M. R. and L. Collins, 1994) 8
7 PDF, Alejandro Padilla Rodríguez; Asfalto, capitulo 2 8 PDF, Alejandro Padilla Rodríguez, Materiales Básicos, capitulo2
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El agregado constituye entre el 90 y 95% en peso y entre el 75 y 85% en volumen en la mayoría de las estructuras de pavimento. Esto hace que la calidad del agregado usado sea un factor determinante en el comportamiento del pavimento. La manera más comúnmente empleada para hacer uso del asfalto en la elaboración de carpetas para caminos, es mezclándolo con un agregado pétreo de características conocidas. Sin embargo, no cualquier tipo de agregado pétreo puede emplearse de la manera adecuada para formar carpetas, de ahí la necesidad de conocer sus características físicas para saber si es apto o no. 9 Los agregados pétreos empleados para la ejecución de la mezcla asfáltica en caliente deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una capa del material asfáltico por utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción combinada del agua y del tránsito. Sólo se podrá admitir el empleo de agregados con características hidrófilas, si se añade algún aditivo de comprobada eficacia para proporcionar una adhesividad satisfactoria con el asfalto, medida en los términos que se establecen en esta Sección
Ilustración 5 Explotación de agregados pétreos
Fuente: Propia, cantera la esmeralda Bogotá DC.
1.2.1 Naturaleza petrológica de los agregados pétreos. Agregados Calizos. La roca caliza es muy común, abundante y económica en los procesos de trituración, se emplea generalmente en todas las capas de los firmes, exceptuándose en algunas ocasiones como agregado grueso en las capas de rodadura, debido a la facilidad que tiene de pulimentarse en condiciones de servicio, su carácter es básico, presenta por lo regular menores problemas de adhesividad, es decir, de afinidad con los ligantes asfálticos. En mezclas asfálticas se utiliza para
9 especificaciones-idu-et-2005
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mejorar esta característica cuando se emplean además otro tipo de agregados, más duros pero también más ácidos (silíceos, pórfidos, entre otros). Agregados Silíceos. Los agregados silíceos procedentes de trituración de gravas naturales es otro material de amplia utilización en todas las capas de los firmes. Se extraen de yacimientos granulares, en los que las partículas de mayor tamaño se separan por cribado y a partir de ellas por machaqueos sucesivos, se obtienen fracciones de menor tamaño, con una angulosidad tanto mayor, cuantas más caras de fractura presenten. Pueden no aportar una suficiente adhesividad con los ligantes asfálticos, sin embargo, si el material obtenido tiene un elevado contenido de sílice y de caras de fractura, sus características mecánicas y su rozamiento interno proporcionan un esqueleto mineral bueno para utilizarlo incluso en mezclas asfálticas sometidas a la acción directa del tráfico.10 Agregados Ígneos y Metamórficos. Son materiales que por sus características resultan muy adecuados para utilizarlos como agregado grueso en las capas de rodadura. Pueden incluirse en este grupo los basaltos, gabros, pórfidos, granitos, cuarcitas, etc. Sus cualidades para resistir al pulimento los hacen idóneos para garantizar la textura superficial necesaria en un periodo de tiempo, incluso con tráficos muy intensos. En este grupo tan amplio, los agregados de naturaleza más ácida pueden presentar una deficiente adhesividad con los ligantes asfálticos, pero en la mayoría de los casos el problema se puede resolver con activantes que son sustancias que tienen la misión específica de mejorar la adhesividad con los ligantes, o también el problema se resuelve empleando emulsiones adecuadas y en el caso de mezclas asfálticas, con el empleo de finos de naturaleza básica y un polvo mineral adecuado.11
1.2.2 Tipos de agregados pétreos. El tipo de agregado pétreo se puede determinar, de acuerdo a la procedencia y a la técnica empleada para su aprovechamiento, se pueden clasificar en los siguientes tipos: Agregados Naturales:
Son aquellos que se utilizan solamente después de una modificación de su distribución de tamaño para adaptarse a las exigencias según su disposición final.
10 N-CMT-4-05-001/00 Materiales para Pavimentos, Calidad de Materiales Asfálticos, SCT 11 N-CMT-4-05-001/00 Materiales para Pavimentos, Calidad de Materiales Asfálticos, SCT
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Agregados de Trituración:
Son aquellos que se obtienen de la trituración de diferentes rocas de cantera o de las granulometrías de rechazo de los agregados naturales. Se incluyen todos los materiales de cantera cuyas propiedades físicas sean adecuadas. Agregados Artificiales:
Son los subproductos de procesos industriales, como ciertas escorias o materiales procedentes de demoliciones, utilizables y reciclables. Agregados Marginales:
Los agregados marginales engloban a todos los materiales que no cumplen alguna de las especificaciones vigentes.12
1.2.3 Propiedades de los agregados pétreos Las propiedades de los agregados se pueden conceptuar bajo dos puntos de vista: uno como elementos aislados, o individuales, y otro como conjunto.
Propiedades individuales: Los agregados como elementos aislados tienen propiedades físicas macroscópicas: dimensión, forma, redondez, densidad, propiedades de superficie, porosidad, permeabilidad, dureza superficial, módulo elástico, conductividad térmica, dilatación, etc. Asimismo presentan unas propiedades químicas macroscópicas: solubilidad, alterabilidad, hinchamiento, etc.
Gradación y tamaño máximo de partícula Se requiere que las partículas estén dentro de un cierto margen de tamaños y que cada tamaño esté presente en ciertas proporciones.
Limpieza
En los agregados existen materiales indeseables que le restan propiedades y afectan desfavorablemente el comportamiento del pavimento. Dentro de estos se tienen vegetación, arcilla esquistosa, partículas blandas, terrones de arcilla, materia orgánica, etc.
12 PDF, Alejandro Padilla Rodríguez, Materiales Básicos, capitulo2
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Dureza
Los agregados deben ser capaces de resistir la abrasión y degradación durante la producción, colocación y compactación de la mezcla y las exigencias durante la vida de servicio del pavimento.
Propiedades de conjunto: Las propiedades de conjunto de los agregados pétreos son sus características como un todo. La distribución de la redondez o desgaste de los agregados es una propiedad de gran interés, por cuanto va influir sobre el rozamiento entre los elementos del agregado.
Forma de la partícula La forma de la partícula afecta la trabajabilidad de la mezcla, la cantidad de fuerza necesaria para compactarla y la resistencia de la estructura del pavimento. Las partículas irregulares y angulares proporcionan las mejores características.
Textura de la superficie Es un factor que determina la trabajabilidad, la resistencia final de la mezcla y las características de resistencia al deslizamiento en la superficie del pavimento. Según la textura, los agregados pueden ser rugosos o lisos.
Capacidad de absorción La capacidad de un agregado de absorber agua o asfalto es un elemento importante de información, pues un agregado poroso requiere cantidades mayores cantidades de asfalto que las que requiere un agregado menos poroso.
1.2.4 Consideraciones acerca del empleo de los agregados pétreos Cuando se pretende hacer uso de los agregados pétreos para la construcción de pavimentos se deben considerar algunos aspectos fundamentales para su buen desempeño a la hora de formar parte en alguna de las capas del firme y principalmente en la elaboración de las mezclas asfálticas. Naturaleza e identificación: Evaluación de la naturaleza petrográfica de los agregados, grado de alteración de los componentes minerales, porosidad y propiedades químicas.
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Propiedades geométricas:
Principal y básicamente la forma y angulosidad de las partículas; con relación al conjunto del esqueleto mineral se estudia la distribución granulométrica. Propiedades mecánicas:
Engloban los parámetros básicos de resistencia al desgaste y al pulimento. Ausencia de impurezas:
Es fundamental que los agregados a emplear en la construcción de pavimentos estén libres de impurezas capaces de afectar el buen comportamiento de las capas. El empleo de agregados sucios en la construcción de un pavimento, puede ser una causa suficiente para provocar su degradación. Inalterabilidad:
Es imprescindible la evaluación de las posibles degradaciones que puedan sufrir los agregados pétreos que se van a utilizar en una obra; así, los materiales evolutivos han de ser empleados con especiales precauciones para evitar comportamientos anómalos que puedan afectar la vida útil de las capas. Adhesividad:
Los agregados pétreos han de ser afines con los ligantes asfálticos que vayan a ser empleados en la construcción del pavimento, y en caso de problemas de afinidad, será necesario el uso de activantes, para garantizar el buen comportamiento de las mezclas asfálticas. Resistencia al desgaste La resistencia mecánica del esqueleto mineral es un factor predominante en la evolución del comportamiento de una capa de firme después de su puesta en servicio. La evaluación de dicha resistencia se realiza mediante diversos ensayos de laboratorio; sin embargo, ninguno de ellos caracteriza el estado tensional del agregado en el conjunto del firme. Se realizan una serie de ensayos que tienden a reproducir en laboratorio de manera más sencilla el comportamiento que luego tendrán los agregados en servicio, para ello se preparan las muestras con granulometrías próximas a las que van a ser puestas en obra, sometiéndolas a un desgaste que, de forma indirecta, proporciona información de la resistencia mecánica del material. La prueba de Los Ángeles es un ejemplo de este tipo de ensayos.
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Resistencia al pulimento La resistencia al pulimento de las partículas del agregado, es la resistencia a perder aspereza en su textura superficial, tiene gran importancia desde el punto de vista de la resistencia al deslizamiento cuando dichas partículas van a ser empleadas en una capa de rodadura. Para su evaluación se han desarrollado los ensayos de pulimento acelerado. Adhesividad y resistencia al desplazamiento La adhesividad de los agregados pétreos con los ligantes asfálticos es de gran importancia, debido a que se pueden presentar fenómenos fisicoquímicos en la superficie de los agregados empleados en las capas de firme. En estos fenómenos complejos intervienen tanto factores físicos como la textura del agregado, la porosidad del mismo, viscosidad y tensión superficial del ligante, espesor de la película de ligante, etc. Y a su vez factores químicos relativos al ligante y al agregado. Si los agregados están absolutamente secos, se dejan mojar fácilmente por los ligantes asfálticos; sin embargo la situación es muy diferente con algo de humedad que siempre puede existir, ya que la superficie del agregado se polariza con un signo u otro dependiendo de su naturaleza. Atendiendo a ese criterio los agregados se clasifican en ácidos y básicos. Plasticidad y limpieza Para que un agregado pétreo se comporte adecuadamente dentro de cualquier capa de firme, debe estar completamente limpio, libre de partículas de naturaleza orgánica, polvo o arcillas. Se establece en las normativas, que todos los finos deben tener reducida su plasticidad e incluso que no sean plásticos en la mayoría de los casos. Las fracciones gruesas deben estar exentas de polvo, fijando los límites admisibles a través del denominado coeficiente de limpieza. Alterabilidad Existe la necesidad de evaluación de la alterabilidad de un agregado pétreo por el procedimiento que sea, y se pueden señalar a título indicativo, los siguientes caminos: análisis petrográficos, acción de soluciones salinas o de agua oxigenada, ciclos hielo–deshielo, inmersión en agua y ciclos de humedad–sequedad.
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1.2.5 Clasificación del agregado pétreo de acuerdo a su tamaño
Tabla 5 Denominación de los agregados minerales.
Fuente: Especificaciones generales construcción de carreteras INVIAS, Art. 400
1.2.5.1 Agregado grueso Para el objeto de la presente Sección, se denominará agregado grueso la porción del agregado retenida en el tamiz de 4.75 mm (No.4). Dicho agregado deberá proceder de la trituración de roca o de grava o por una combinación de ambas; sus fragmentos deberán ser limpios, resistentes y durables, sin exceso de partículas planas, alargadas, blandas o des integrables. Estará exento de polvo, tierra, terrones de arcilla u otras sustancias objetables que puedan impedir la adhesión completa del asfalto o afecten adversamente la durabilidad de la mezcla compactada. Sus requisitos básicos de calidad se presentan en la siguiente Tabla.
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Tabla 6 Requisitos del agregado grueso para mezclas asfálticas en caliente Requisitos por Categoría
Fuente: Especificaciones técnicas INVIAS 2013.
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1.2.5.2 Agregado fino Para el objeto de la presente Sección, se denominará agregado fino la porción comprendida entre los tamices de 4.75 mm (No 4) y 75 μm (No.200). El agregado fino deberá proceder en su totalidad de la trituración de piedra de cantera o de grava natural, o parcialmente de fuentes naturales de arena. La proporción de arena natural no podrá exceder los límites establecidos en la Tabla 3. Los granos del agregado fino deberán ser duros, limpios y de superficie rugosa y angular. El material deberá estar libre de cualquier sustancia que impida la adhesión del asfalto y deberá satisfacer los requisitos de calidad indicados en la Tabla, cualquiera sea la capa de mezcla asfáltica en caliente en la cual se utilice. Los requisitos de limpieza que se exigen en la Tabla 3 serán los del agregado fino finalmente obtenido mediante la combinación de las distintas fracciones (incluido el llenante mineral), según las proporciones obtenidas en la fórmula de trabajo establecida en el diseño de la mezcla y antes de pasar por el secador de la planta asfáltica. Los demás requisitos de la Tabla se refieren al agregado fino como conjunto, es decir, a la mezcla de agregados finos en las proporciones requeridas para conformar la fórmula de trabajo.
Tabla 7 Requisitos del agregado fino para mezclas asfálticas en caliente.
Fuente: Especificaciones-idu-et-2005
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1.2.5.3 Llenante mineral El llenante mineral es la porción del agregado que pasa el tamiz de 75 μm (No.200), la cual podrá provenir de los procesos de trituración y clasificación de los agregados pétreos o del colector de polvo de la planta mezcladora, o podrá ser un producto comercial, generalmente cal hidratada o cemento Pórtland, que cumpla con la norma ASTM D-242. El llenante mineral deberá satisfacer los requisitos de la Tabla. Como allí se indica, sólo una parte del llenante mineral puede proceder directamente de los agregados y llegar junto con ellos al tambor de mezcla; el resto del llenante mineral debe ser introducido al tambor de mezcla en forma separada de los agregados, aunque proceda de los agregados mismos.
Tabla 8 Requisitos de llenante mineral para mezclas asfálticas en caliente
Fuente: Especificaciones tecnicas-idu-et-2005
1.2.5.4 Agregados combinados Granulometría La mezcla de los agregados grueso y fino y la llenante mineral deberá ajustarse, en cuanto a su granulometría, a las exigencias que se presentan en la tabla 6 Las determinaciones se efectuarán de acuerdo con la norma de ensayo INV E213.
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Tabla 9 Granulometría de agregados combinados para mezclas asfálticas en caliente
Fuente: Especificaciones técnicas-INVIAS 2013.
Para prevenir segregaciones y garantizar los niveles de compactación y resistencia exigidos por la presente Sección, el material que produzca el Constructor deberá dar lugar a una curva granulométrica uniforme, sensiblemente paralela a los límites de la franja por utilizar, sin saltos bruscos de la parte superior de un tamiz a la inferior del tamiz adyacente y viceversa.
1.2.6 Ensayos a los agregados pétreos Al igual que el cemento asfáltico, los agregados pétreos deben pasar por una serie de ensayos que determinarán su calidad. Ensayos para determinar la limpieza del agregado Indicé de consistencia Indica la capacidad de la fracción de arenas finas y llenante para retener agua. Equivalente de arena . Es un método para determinar la proporción indeseable de polvo fino y arcilla en la fracción de agregado que pasa el tamiz No. 4.
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Azul de metileno Pretende determinar la presencia de elementos arcillosos indeseables dentro del material. El método se basa en las propiedades de adsorción de las arcillas y su consiguiente efecto decolorante sobre las soluciones acuosas de azul de metileno. Contenido de materia orgánica Proporciona una estimación de la cantidad de materia orgánica presente en el agregado. Ensayos para determinar la durabilidad del agregado Coeficiente de pulimento acelerado Este pulimento o susceptibilidad al pulimento de los agregados, conseguido mediante la acción de la llanta de la máquina y los abrasivos empleados, pretende reproducir, de manera acelerada, aquel que experimenta el agregado bajo la acción del tránsito real cuando forma parte de la capa de rodadura de una vía. Desgaste en la máquina de los ángeles El método se emplea para determinar la resistencia al desgaste de agregados naturales o triturados, empleando para ello la máquina de Los Ángeles con una carga abrasiva. Solidez Se usa para medir la resistencia de los agregados pétreos frente a la acción de sulfato de sodio o de magnesio, y representa la resistencia de los agregados pétreos frente a la acción de las condiciones ambientales. Ensayos para determinar la durabilidad del agregado Índice de aplanamiento y de alargamiento Los índices son una indicación de la cantidad de material (porcentaje de agregado) cuyas medidas proporcionan una forma demasiado alargada o son demasiado planas para ser utilizadas en una mezcla asfáltica. Porcentaje de caras fracturadas Se determina el porcentaje, en peso, del material que presenta una o más caras fracturadas de las muestras de agregados pétreos.
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1.3 MEZCLAS ASFÁLTICAS La mezcla asfáltica es una combinación de cemento asfaltico y agregados pétreos y en proporciones exactas y previamente especificadas. Las proporciones relativas de estos materiales determinan las propiedades y características de la mezcla. Las mezclas asfálticas se pueden fabricar en caliente o en frío, siendo más comunes las primeras. Existen distintos procedimientos para calcular las cantidades de cada material en la mezcla en caliente. Entre ellos tenemos el procedimiento Marshall y el procedimiento Hveem, que tienen una larga trayectoria de uso a nivel mundial. Adicionalmente, se ha desarrollado una nueva tecnología para el diseño de mezclas, denominado SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavement), que es todo un sistema de nuevos procedimientos en mezclas asfálticas, desarrollado en Estados Unidos por el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP). 1.3.1 Características de la mezcla asfáltica Las características más importantes de la mezcla asfáltica son: Estabilidad Es la capacidad para resistir la deformación bajo las cargas del tránsito. Un pavimento inestable presenta ahuellamientos, corrugaciones y otras señas que indican cambios en la mezcla. Durabilidad Es la capacidad para resistir la acción de los agentes climáticos y del tránsito, que se observa en desintegración del agregado, cambios en las propiedades del asfalto y separación de las películas de asfalto. Impermeabilidad Es la resistencia al paso de aire y agua hacia el interior del pavimento. Flexibilidad Es la capacidad del pavimento para acomodarse sin agrietamientos, a movimientos y asentamientos graduales de la sub-rasante.
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Resistencia a la fatiga Es la resistencia a la flexión repetida bajo las cargas de tránsito. Expresa la capacidad de la mezcla a deformarse repetidamente sin fracturarse. Resistencia al deslizamiento Capacidad de proveer suficiente fricción para minimizar el deslizamiento o resbalamiento de las ruedas de los vehículos, particularmente cuando la superficie está mojada.
1.3.2 Propiedades de la mezcla asfáltica La mezcla tiene cuatro características principales que determinan su comportamiento: Densidad de la mezcla Es el peso de un volumen específico de mezcla. La densidad obtenida en el laboratorio es la densidad patrón y la densidad obtenida in-situ se expresa como un porcentaje de la misma. Una densidad alta en el pavimento terminado se traduce en una mayor durabilidad. Vacíos Los vacíos en el agregado mineral pueden llenarse de aire o de asfalto. Es importante tener una pequeña cantidad de vacíos con aire por donde fluya el asfalto durante la compactación producida por el tránsito, pero no demasiados para evitar la filtración de agua que cause deterioro. Contenido de asfalto Es el componente más importante. Debe ser determinado en laboratorio y controlado en obra. Mientras más gruesa sea la película de asfalto que cubre las partículas de agregado, más durable será la mezcla.
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Ilustración 6 Esquema de componentes de mezcla asfáltica y representación de los volúmenes presentes
Fuente: Asociación de productores y pavimentadores asfalticos de Colombia ASOPAC, Cartilla del pavimento
1.3.3 Clasificación de las mezclas asfálticas Existen distintos tipos de mezcla asfáltica, dependiendo del tipo de asfalto, la proporción de agregados en la mezcla, la granulometría del agregado y el proceso de fabricación. Las mezclas se pueden fabricar en caliente en central de mezcla o en frío in-situ. Según su granulometría o gradación, se pueden usar como bases o como capas de rodadura Cada mezcla tiene un uso específico que vendrá determinado en el diseño mismo de la mezcla. Es así como tenemos varios ejemplos: En las especificaciones generales de construcción de carreteras del INVIAS (Instituto Nacional de Vías) encontramos, entre otras, las siguientes posibilidades: Mezcla densa en frío, mezcla abierta en frío, mezcla densa en caliente, mezcla abierta en caliente, mezcla discontinua en caliente para capa de rodadura y mezcla drenante. La aeronáutica civil, utiliza sus propias gradaciones que por el uso especial requieren características especiales, como mayor resistencia al desgaste. Su guía son las normas FAAC, dentro de las cuales se tiene la mezcla para pistas P-401. Existen varios parámetros de clasificación para establecer las diferencias entre las distintas mezclas y las clasificaciones pueden ser diversas: Por Fracciones de agregado pétreo empleado:
Masilla asfáltica: Polvo mineral más ligante.
Mortero asfáltico: Agregado fino más masilla.
Concreto asfáltico: Agregado grueso más mortero.
Macadam asfáltico: Agregado grueso más ligante asfáltico13
13 Análisis de la resistencia a las deformaciones plásticas de mezclas bituminosas densas de la normativa mexicana mediante el ensayo de pista, A. Padilla, Universidad de Catalunya
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Por la Temperatura de puesta en obra:
Mezclas asfálticas en Caliente: Constituye el tipo más generalizado de mezcla asfáltica y se define como mezcla asfáltica en caliente la combinación de un ligante hidrocarbonado, agregados incluyendo el polvo mineral y, eventualmente, aditivos, de manera que todas las partículas del agregado queden muy bien recubiertas por una película homogénea de ligante. Su proceso de fabricación implica calentar el ligante y los agregados (excepto, eventualmente, el polvo mineral de aportación) y su puesta en obra debe realizarse a una temperatura muy superior a la ambiente. Se emplean tanto en la construcción de carreteras, como de vías urbanas y aeropuertos, y se utilizan tanto para capas de rodadura como para capas inferiores de los firmes. Existen a su vez subtipos dentro de esta familia de mezclas con diferentes características. Se fabrican con asfaltos aunque en ocasiones se recurre al empleo de asfaltos modificados, las proporciones pueden variar desde el 3% al 6% de asfalto en volumen de agregados pétreos.14
Mezclas asfálticas en Frío: Son las mezclas fabricadas con emulsiones asfálticas, y su principal campo de aplicación es en la construcción y en la conservación de carreteras secundarias. Para retrasar el envejecimiento de las mezclas abiertas en frío se suele recomendar el sellado por medio de lechadas asfálticas. Se caracterizan por su trabajabilidad tras la fabricación incluso durante semanas, la cual se debe a que el ligante permanece un largo periodo de tiempo con una viscosidad baja debido a que se emplean emulsiones con asfalto fuidificado: el aumento de la viscosidad es muy lento en los acopios, haciendo viable el almacenamiento, pero después de la puesta en obra en una capa de espesor reducido, el endurecimiento es relativamente rápido en las capas ya extendidas debido a la evaporación del fluidificante. Existe un grupo de mezclas en frío, el cual se fabrica con una emulsión de rotura lenta, sin ningún tipo de fluidificante, pero es menos usual, y pueden compactarse después de haber roto la emulsión. El proceso de aumento paulatino de la resistencia se le suele llamar maduración, que consiste básicamente en la evaporación del agua procedente de la rotura de la emulsión con el consiguiente aumento de la cohesión de la mezcla.15
Por la proporción de Vacíos en la mezcla asfáltica: Este parámetro suele ser imprescindible para que no se produzcan deformaciones plásticas como consecuencia del paso de las cargas y de las variaciones térmicas.
Mezclas Cerradas o Densas: La proporción de vacíos no supera el 6 %.
14 Instituto politécnico Nacional, Carpetas Asfálticas, tesis, 2009 15 Instituto politécnico Nacional, Carpetas Asfálticas, tesis, 2009
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Mezclas Semi–cerradas o Semi–densas: La proporción de vacíos está entre el 6 % y el 10 %.
Mezclas Abiertas: La proporción de vacíos supera el 12 %.
Mezclas Porosas o Drenantes: La proporción de vacíos es superior al 20 %. Por el Tamaño máximo del agregado pétreo:
Mezclas Gruesas: Donde el tamaño máximo del agregado pétreo excede los 10mm.
Mezclas Finas: También llamadas microaglomerados, pueden denominarse también morteros asfálticos, pues se trata de mezclas formadas básicamente por un árido fino incluyendo el polvo mineral y un ligante asfáltico. El tamaño máximo del agregado pétreo determina el espesor mínimo con el que ha de extenderse una mezcla que vendría a ser del doble al triple del tamaño máximo.16
Por la Estructura del agregado pétreo:
Mezclas con Esqueleto mineral: Poseen un esqueleto mineral resistente, su componente de resistencia debida al rozamiento interno de los agregados es notable. Ejemplo, las mezclas abiertas y los que genéricamente se denominan concretos asfálticos, aunque también una parte de la resistencia de estos últimos, se debe a la masilla.
Mezclas sin Esqueleto mineral: No poseen un esqueleto mineral resistente, la resistencia es debida exclusivamente a la cohesión de la masilla. Ejemplo, los diferentes tipos de masillas asfálticas.
Por la Granulometría:
Mezclas Continuas: Una cantidad muy distribuida de diferentes tamaños de agregado pétreo en el huso granulométrico.
Mezclas Discontinuas: Una cantidad muy limitada de tamaños de agregado pétreo en el huso granulométrico.17
16 Ídem 17 Análisis de la resistencia a las deformaciones plásticas de mezclas bituminosas densas de la normativa mexicana mediante el ensayo de pista, A. Padilla, Universidad de Catalunya.
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Tabla 10 Clasificación de Mezclas Asfálticas
Fuente: A. Padilla, Mezclas Asfálticas, 2011
¿Qué es una mezcla asfáltica tibia (MAT)? A diferencia de las mezclas asfálticas calientes (MAC) en donde se utilizan elevadas temperaturas en el mezclado y compactación, las mezclas asfálticas tibias (MAT) buscan r e d u c i r e s t a s t e m p e r a t u r a s aproximadamente en un 20%, lo cual permite disminuir considerablemente las emisiones de gases y polvo al medio ambiente durante el proceso de producción y colocación, sin que esto perjudique las propiedades de desempeño de la mezcla asfáltica.18 El objetivo de estas tecnologías es bajar las temperaturas de trabajo, principalmente de compactación. Para ello existen diferentes técnicas que buscan reducir la viscosidad del ligante asfáltico y que pueden aplicarse tanto en mezclas continuas como discontinuas. Dichas técnicas se separan en cuatro categorías definidas como:
Reducción de la viscosidad utilizando aditivos orgánicos.
Asfaltos espumados.
Tecnologías con bases acuosas.
Uso de aditivos químicos (emulsiones).
Comparación entre MAT y MAC •Reducción de las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) en comparación con mezclas asfálticas calientes.
18 http://xa.yimg.com/kq/groups/13240622/175849789/name/boletin_pitra_15_mezclas_tibias.pdf.
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Reducción de las temperaturas de colocación y compactación en comparación con las temperaturas convencionales
Presenta una mayor resistencia al fisuramiento por temperatura que las
MAC.
Mayor flexibilidad en la colocación y compactación de la MAT.
Menores velocidades de enfriamiento, lo que permite distancias más largas de transporte.
Las MAT pueden colocarse en climas fríos o en las noches donde baja más la temperatura del ambiente.19
1.3.4 Ensayos a la mezcla asfáltica Es importante evaluar el comportamiento de la mezcla asfáltica, principalmente la susceptibilidad al agua y sus características mecánicas frente al tráfico vehicular. Algunos de los ensayos más importantes, destinados a verificar la calidad de la mezcla, se describen a continuación: Inmersión-compresión Este ensayo se realiza para determinar el efecto del agua sobre la cohesión de la mezcla asfáltica compactada. Se hace solamente a las mezclas densas, tanto en frío como en caliente. Stripping (cubrimiento de los agregados con materiales asfálticos en presencia del agua) Es utilizado para valorar, en forma empírica, el efecto de la acción del agua sobre la película asfáltica que recubre un agregado. Se realiza a la mezcla abierta en frío y en caliente. Determinación cuantitativa de cemento asfáltico Se hace una determinación cuantitativa del cemento asfáltico en mezclas asfálticas en caliente y en muestras de pavimentos.
19 Evaluación del efecto de la humedad en mezclas asfálticas tibias al utilizar los aditivos rediset y sasobit, Freddie Salado Martínez, ensayo.
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Ensayos dinámicos Estos ensayos evalúan las características dinámicas de las mezclas, su estabilidad remanente y su comportamiento a la tracción indirecta para tener una idea del comportamiento del sistema ante las cargas repetitivas. El desarrollo de las teorías racionales y completamente analíticas para el diseño de pavimentos, cuyo uso ya está empezando a darse en la normatividad más reciente, incluye los módulos dinámicos y las leyes de fatiga. Los módulos dinámicos se usan para establecer la rigidez de la mezcla asfáltica. Las leyes de fatiga permiten determinar su vida remanente. El módulo dinámico es un dato muy importante, que puede emplearse tanto para el diseño de la mezcla asfáltica para pavimento como para el diseño del espesor de la capa de pavimento asfáltico. Este módulo se puede determinar en un amplio intervalo tanto de temperatura como de frecuencia de carga. El equipo utilizado para determinar estos valores se llama NAT (Nottingham Asphalt Tester).
Ilustración 7 Equipo para ensayo de inmersión – compresión
Fuente: Propia, equipo Marshall.
1.3.5 Empleo de las mezclas asfálticas en la construcción de firmes Las mezclas asfálticas se emplean en la construcción de firmes, ya sea en capas de rodadura o en capas inferiores y su función es proporcionar una superficie de rodamiento cómoda, segura y económica a los usuarios de las vías de comunicación, facilitando la circulación de los vehículos, aparte de transmitir suficientemente las cargas debidas al tráfico a la explanada para que sean soportadas por ésta. Se tienen que considerar dos aspectos fundamentales en el diseño y proyecto de un firme:
La Función Resistente, que determina los materiales y los espesores de las capas que habremos de emplear en su construcción.
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La Finalidad, que determina las condiciones de textura y acabado que se deben exigir a las capas superiores del firme, para que resulten seguras y confortables. A estas capas superiores de le denomina pavimento.
Estas mezclas asfálticas pueden ser confeccionadas en plantas y con los equipos apropiados para esta labor. Según sus propiedades y espesores de capa, se considera que aportan capacidad estructural al pavimento.20
Las mezclas asfálticas sirven para soportar directamente las acciones de los neumáticos y transmitir las cargas a las capas inferiores, proporcionando unas condiciones adecuadas de rodadura, cuando se emplean en capas superficiales; y como material con resistencia simplemente estructural o mecánica en las demás capas de los firmes. El comportamiento de la mezcla depende de circunstancias externas a ellas mismas, tales como son el tiempo de aplicación de la carga y de la temperatura. Por esta causa su caracterización y propiedades tienen que estar vinculadas a estos factores, temperatura y duración de la carga, lo que implica la necesidad del conocimiento de la reología del material. •Mezclas asfálticas en frío (MAF): usualmente se mezclan a temperatura ambiente utilizando emulsiones o asfaltos espumados. •Mezclas asfálticas semi-tibias (MAST): producidas a temperaturas debajo de la temperatura de vaporización del agua (100°C). •Mezclas asfálticas tibias (MAT): producidas típicamente a temperaturas en un rango entre 120°C a 140°C. •Mezclas asfálticas en caliente (MAC): son producidas típicamente en un rango de 150°C a 180°C, de acuerdo al ligante asfáltico utilizado.
1.3.6 Modificación de asfaltos En los últimos años se ha venido presentado un cambio en las solicitudes que se le hacen al pavimento: un mayor número de carga por eje, una mayor presión de Inflado, mayores velocidades, que han hecho que el asfalto tradicionalmente usado deba ser modificado para mejorar sus características mecánicas. El asfalto es susceptible a la temperatura. Por ser visco elástico, presenta cambios continuos en sus características según el rango de temperaturas de operación: es rígido a bajas temperaturas y fluido a altas temperaturas. Existen distintas clases de modificadores: hay polímeros y no polímeros. Con estos, el diseñador puede intervenir en las características del asfalto.
20 PDF, Alejandro Padilla Rodríguez, Mezclas Asfálticas, capitulo3
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Ilustración 8 Modificadores de mezclas asfálticas.
Fuente: Asociación de productores y pavimentadores asfalticos de Colombia ASOPAC, Cartilla del pavimento 2004.
Los modificadores:
Aumentan la durabilidad del pavimento.
Aumentan la rigidez del asfalto a altas temperaturas de servicio, mejorando la resistencia de las mezclas a la deformación permanente.
Reducen la rigidez del asfalto expuesto a bajas temperaturas, previniendo la fisuración térmica. aumentan la resistencia a fatiga de las mezclas.
Mejoran la adhesión del asfalto con los agregados pétreos.
Mejoran la cohesión, brindando mejor retención de los agregados.
Reducen el endurecimiento, brindando una vida superior a la mezcla.
Disminuyen la susceptibilidad térmica de la mezcla.
Aumentan la viscosidad a bajas velocidades, Aumentan los espesores de recubrimiento del agregado en las
mezclas abiertas Reducen la exudación del asfalto.
1.3.7 Aditivos químicos Estos productos no dependen de ningún proceso de espumación o de reducción de la viscosidad para reducir las temperaturas de mezclado y compactación. En lugar de eso, estos productos generalmente incluyen una combinación de agente emulsificantes, surfactantes, polímeros y aditivos para mejorar la envuelta, la
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trabajabilidad de la mezcla, y la compactación, así como promotores de Adhesión (agentes cohesivos). La cantidad añadida y la reducción de temperatura conseguida por estas tecnologías dependen del producto específico utilizado. Los aditivos generalmente se mezclan con el ligante antes de que éste sea introducido en el tambor de mezclado. 21 En 2007 se introdujo un nuevo sistema de producción de mezclas semicalientes denominado Rediset en el intento de mitigar las deficiencias observadas en las tecnologías MAT existentes por aquel entonces. En particular, este sistema fue diseñando con objeto de solventar los problemas existentes con el agua en las mezclas semicalientes; la rigidez reducida comparada con las mezclas calientes; y la incerteza existente en las propiedades a bajas temperaturas.
1.3.8 Aditivo Husil Durante las últimas décadas, numerosos científicos y técnicos han dedicado especial atención a un grupo de aluminosilicatos cristalinos, conocidos por el nombre de zeolitas, llevando a cabo una labor investigadora muy amplia sobre su síntesis, estructura y propiedades. Como resultado, se han obtenido un gran número de patentes sobre la preparación de diferentes tipos de zeolitas y sobre catalizadores basados en ellas como la zeolita, así como toda una serie de aplicaciones industriales de gran interés, que van desde un simple proceso de secado a complicadas reacciones catalíticas (Chen, 1988).
De acuerdo con (PALACIO, 2011) el principio de uso de aditivos es ser adicionado al ligante asfaltico con el fin de mejorar las propiedades de adherencia al agregado a temperaturas inferiores a las que se utilizan en HMA, se vierten directamente para lograr una mezcla homogénea. Los sistemas más utilizados comercialmente son: Shell S-Grades, Sasobit ®, Licomont, Asphaltan, en estos aditivos se han encontrado resultados como temperaturas de mezcla de 130-140°C, mejor trabajabilidad en la mezcla y reducción de la temperatura limitada. 1.4 DISEÑO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS El diseño básico de las mezclas asfálticas en caliente se efectuará siguiendo el método Marshall (norma de ensayo INV E-748) y aplicando los criterios indicados en la Tabla 10. Para el análisis volumétrico de la muestra, se utilizarán los criterios y procedimientos de cálculo establecidos en el Manual MS-2 del Instituto del Asfalto de los Estados Unidos.22
21 Investigación de Nuevas Mezclas de Baja Energía para la Rehabilitación Superficial (INMBERS),
Laboratorio ingeniería de la construcción, 2012. 22 Especificaciones técnicas idu-et-2005, pag 10.
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Tabla 11 Criterios de diseño de la mezcla
FUENTE: Especificaciones tecnicas IDU-ET-2005.
1.4.1 Comprobación del Diseño El diseño de la fórmula de trabajo deberá ser comprobado con base en los criterios establecidos en la tabla 11.
Tabla 12 Criterios de comprobación del diseño volumétrico de la fórmula de trabajo
FUENTE: Especificaciones técnicas IDU-ET-2005.
El Índice de Película de Asfalto se determina de la siguiente manera (procedimiento de cálculo Austroads AGPT/T327):
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Los valores anteriores dé % que pasa pueden ser interpolados con base en la curva granulométrica del material obtenida mediante la serie de tamices.
1.4.2 Método marshall de diseño de mezclas asfálticas
El procedimiento para determinar la resistencia a la deformación de las muestras de mezclas asfálticas que se pretendan desarrollar en un ámbito investigativo deben cumplir con la normativa INV E-748-13, donde se encuentra las especificaciones y en general, los pasos para generar una muestra valida de calidad bajo el control del instituto nacional de vías. El ensayo solo aplica para muestras que utilicen agregados pétreos con una gradación igual o menor a 1” y como ligante asfaltico se utilice cemento asfaltico. Las probetas sometidas al ensayo son utilizadas para determinar las propiedades de estabilidad- flujo, densidad bulk y vacíos. Ya que son referencias importantes al evaluar la aplicación y compactación de una muestra sin optar por hacer ensayos en campo. La resistencia a la tensión indirecta, fatiga, creep y módulo resiliente son otros ensayos físicos que se pueden realizar en la muestra, Los procedimientos detallados del ensayo se pueden encontrar en la norma ASSHTO T245 o (ASTM d 1559).
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El propósito del método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente, y establece densidades y contenidos óptimos de vacío que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento.
1.4.2.1 Equipo para el ensayo Marshall
Dispositivo para moldear probetas.
Extractor de probetas.
Martillos de compactación
Pedestal de compactación
Sujetador para molde
Elementos de calefacción
Mezcladora
Mordazas
Máquina de compresión
Medidor de la estabilidad
Medidor de estabilidad
Baño de agua
Equipo misceláneo: bandejas metálicas, recipiente con tapa, herramientas para mezclar, termómetros blindados, balanza, tamices, guantes y crayolas.
1.4.2.2 Elaboración de las probetas Numero de probetas: La cantidad mínima de probetas que se preparan en cada contenido de asfalto son tres (3), dicho contenido de asfalto tendrá un incremento del 0,5% en masa entre cada uno de ellos, generalmente los valores de contenido se realizan con un decímetro de efectividad. Cantidad de material: Se calculara mediante el número de probetas a ensayar denominado (A), para cada probeta es necesario unos 1200 g de ingredientes además se necesita una cantidad adicional para de material para realizar análisis de gravedades especificas es decir ((A x 1200 g) + (1250 g muestra mínima según INV E-735-13).
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Preparación de las mezclas: Los agregados deberán ser sometidos a una condición de secado bajo una temperatura de 105°C - 110°C y fraccionarlos en tamaños diferentes. En el apartado 5 de la norma INV E-748-13 del INVIAS, se encuentran los pasos para generar las probetas. La primera preparación es reunir las muestras de cemento y agregado, que serán usados para la mezcla de pavimentación, ya que los datos extraídos del ensayo se harán sobre las muestras que serán usadas en campo, los procedimientos más importantes para preparar los agregados son secarlo, determinar su peso específico y efectuar un análisis granulométrico.
Secando el material: Una de las causas por las que se desvían los parámetros en los resultados son porque el agregado no se encuentra lo suficientemente seco, es necesario someter la muestra en un horno a 110 °C para retirar toda humedad presente.
Análisis granulométrico por vía húmeda: Es necesario lavar la muestra sobre un tamiz N° 200 para retirar la presencia de polvo y material no deseado, después se secan en un horno y se pesan registrando los datos, de esta manera al comparar los datos se obtendrá la medida del polvo mineral, el procedimiento se encuentra detallado en la norma AASHTO T11.
Determinación peso específico: Es la unidad de comparación entre la relación peso/volumen de la muestra frente a una muestra igual de peso/volumen de agua a la misma temperatura.
1.4.2.3 Análisis volumétrico de las mac El presente ensayo está contemplado en la normativa del INVIAS el cual se encuentra en el apartado INV E- 799-07, las mezclas asfálticas tanto en su fase de diseño como de compactación en campo necesitan de un mayor control para conocer su comportamiento a largo plazo, con este fin es necesario conocer su relación volumétrica bajo un comportamiento satisfactorio. Para uso y procedimiento del ensayo se debe tomar como referencia la norma (SHRP P-004)
Procedimiento
Se determina el porcentaje de ligante asfáltico y de agregado pétreo respecto al peso total de la mezcla (norma INV E – 731-13). Se reporta Pb y Sp.
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Se separa el agregado grueso (retenido en el tamiz de 4.75 mm) y del agregado fino se separa la fracción de llenante mineral (pasa tamiz de 75 μm). Se calcula el porcentaje de cada fracción respecto al peso total del agregado y se reporta como P1, P2 y P3.
Se determina la gravedad específica del ligante asfáltico (norma INV E –707-13); del agregado grueso (norma INV E – 223-13); del agregado fino (norma INV E – 222) y de la llenante mineral (norma INV E – 128-13). Se reporta como Gb, G1, G2 y G3.
Se calcula la gravedad especifica bulk, Gs b , del agregado combinado recuperado de la MAC, con la siguiente expresión:
Ecuación 1 Gravedad especifica Bulk Fuente: (INVIAS, 2007)
Se determina la gravedad específica máxima teórica de la MAC compactada, previa disgregación del espécimen (norma INV E – 735), y se reporta como Gmm.
Se determina la gravedad específica bulk del espécimen de MAC compactado (norma INV E – 733) y se reporta como Gmb
Se calcula la gravedad específica efectiva del agregado, Gse, con la siguiente expresión:
Ecuación 2 Gravedad especifica efectiva. Fuente: (INVIAS, 2007)
Se calcula el asfalto absorbido, Pb a, como porcentaje del peso de agregado, con la siguiente expresión:
Ecuación 3 contenido Asfalto absorbido. Fuente: (INVIAS, 2007)
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Se calcula el contenido de asfalto efectivo, P b e, como porcentaje del peso de la MAC, con la siguiente expresión:
Ecuación 4Contenido asfalto efectivo. Fuente: (INVIAS, 2007)
Se calcula el porcentaje de vacíos entre las partículas del agregado mineral (VAM), con la siguiente expresión:
Ecuación 5 vacíos en el agregado mineral. Fuente: (INVIAS, 2007)
Dónde: Ps = es el porcentaje de agregado respecto al peso total de la mezcla
Se calcula el porcentaje de vacíos de aire, Va, en la MAC compactada, con la siguiente expresión:
Ecuación 6 porcentaje de vacíos de aire. Fuente: (INVIAS, 2007)
Se calcula el porcentaje de vacíos llenos de ligante asfaltico (VFA) como una porción de los vacíos en el agregado mineral, con la siguiente expresión:
Ecuación 7 Vacios llenos de ligante asfaltico. Fuente: (INVIAS, 2007)
Se calcula la relación de polvo, relación entre el llenante y el asfalto efectivo, con la siguiente expresión:
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Ecuación 8 Relación entre llenante y asfalto efectivo. Fuente: (INVIAS, 2007)
Dónde: P0.075 = porcentaje del agregado que pasa el tamiz de 0.075 mm (No200).
Se calcula el porcentaje de vacíos llenos de ligante asfáltico (VFA) como una porción de los vacíos en el agregado mineral, con la siguiente expresión:
Ecuación 9 Vacíos llenos de ligante asfaltico. Fuente: (INVIAS, 2007)
Se calcula la relación de polvo, relación entre el llenante y el asfalto efectivo, con la siguiente expresión:
Ecuación 10 Relación entre llenante y asfalto efectivo. Fuente: (INVIAS, 2007)
Dónde: P0.075 = porcentaje del agregado que pasa el tamiz de 0.075 mm (No200).
1.4.2.4 Densidad de vacíos Son pequeños espacios que quedan recubiertos por asfalto dentro de la mezcla. Mediante el cálculo de pesos específicos de cada probeta compactada y los pesos específicos del asfalto y del agregado al inicio de la mezcla se calcula el porcentaje de vacíos. Es necesario tener en cuenta el margen de absorción del agregado con el asfalto de acuerdo a esta condición se somete a prueba la mezcla al ensayo (AASTHO T-209).
Análisis de Pesos unitarios (Pu): Para cada muestra el promedio de Pu se determina al multiplicar el peso específico total de la mezcla por 100 Kg/m³ (62,4lb/ft³).
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Análisis de Vacíos en el Agregado Mineral (VMA): Se definen por el espacio intergranular de vacíos que se encuentran entre las partículas del agregado de la mezcla compactada, adicionalmente se incluyen los vacíos de aire y el contenido efectivo de asfalto, expresándose como un porcentaje efectivo de volumen total de la mezcla. Por lo tanto el VMA puede ser calculado al restar el volumen del agregado (Previamente determinado por el peso específico de la muestra del agregado) del volumen total de la mezcla compactada.
Análisis Vacíos Llenos de Asfalto: Se considera como el porcentaje de vacíos intergranular entre las partículas del agregado (VMA), Dicho porcentaje se calcula teniendo en cuenta el VMA ya que este contiene aire y contenido de asfalto se procede a restar los vacíos de aire y se divide el producto por VMA.
1.4.2.5 Gravedad específica bulk y densidad de mezclas asfálticas Para hallar la gravedad especifica bulk es necesario seguir la norma INV E- 733-13
del INVIAS, como parte de los ensayos necesarios para elaborar una MA. Las
masas que se logran determinar son en base a la relación entre la masa/volumen
de una muestra y la masa de un volumen/agua destilada a la misma temperatura.
La muestra es sumergida en un baño de agua a una temperatura de 25°C midiendo
y anotando su masa, posteriormente se seca la probeta y se pesa al aire, la
diferencia de masas se emplea para determinar la masa de un volumen/agua en las
mismas condiciones.
Es necesario para llevar a cabo el ensayo una balanza, baño de agua para
inmersión y calcular mediante la siguiente expresión la gravedad especifica:
Ecuación 11 Gravedad especifica
Dónde: A: masa de la muestra seco en aire, g. B - C: masa del volumen de agua correspondiente al volumen de la muestra. B: masa en el aire de la muestra saturada y superficialmente seca, g. C: masa de la muestra sumergida en agua, g.
1.4.2.6 Estabilidad – flujo Este ensayo se deberá llevar a cabo dentro de las 24 horas siguientes a la compactación de las probetas, colocando las probetas en un baño de agua durante 30 – 40 minutos manteniendo el baño a 60 °C, se retira la probeta del baño y al
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secar se somete a una carga a una rata de 55mm/min hasta que haya falla. Se anota el valor total en Newtons fuerza (Kgf) hasta que se produce la falla y se registra como estabilidad. El flujo será la máxima carga expresada en (mm). (INVIAS, 2013).
1.5 METODOLOGÍA Durante el desarrollo de este trabajo de grado fue necesario tener en cuenta las etapas que se requieren para llevar a cabo el análisis comparativo de las propiedades de resistencia bajo carga monotónica implementando el método Marshall, de una mezcla asfáltica densa gruesa en caliente MGC-1 y una mezcla asfáltica densa gruesa en caliente modificada con HUSIL. Donde Inicialmente se revisaron las investigaciones que se han ejecutado acerca de mezclas asfálticas modificadas. Teniendo en cuenta artículos publicados en revista científicas, libros sobre asfaltos modificados, memorias de seminarios, congresos y algunos trabajos de grado similares, etc. Continuando con la identificación y clasificación de materiales necesarios para la elaboración de cada una de las mezclas asfálticas. Teniendo en cuenta que los agregados pétreos provienen del Río Coello en el departamento de Tolima, Colombia. De igual forma, el Cemento Asfaltico utilizado CA 60-70, procede de la refinería de la empresa colombiana de petróleos (ECOPETROL) ubicada en Barrancabermeja (Santander) el cual cumple con los requisitos mínimos de calidad exigido por INVIAS (2007), ya que es el más utilizado y empleado en la ciudad de Bogotá D.C. Adicionalmente se ejecutaron las fases de laboratorio donde se verifico la calidad de los materiales, se comprobó la dosificación necesaria y se garantizó que la calidad cumpliera con los parámetros establecidos por la normatividad vigente para Colombia. Posteriormente se puso en práctica el método Marshall y se cotejaron los resultados obtenidos de los ensayos realizados a cada una de las mezclas asfálticas en estudio concluyendo acerca de los mismos. 1.5.1 Ingredientes
1.5.1.1 Muestra de los agregados pétreos Los agregados pétreos utilizados para la elaboración de las mezclas asfálticas MGC-1 y MGC-1 con adición de HUSIL que fueron puestas a prueba bajo el ensayo Marshall fue suministrado por concretos asfalticos de Colombia S.A (CONCRESCOL) S.A) procedentes del rio Coello, Ibagué. Colombia. Los cuales fueron sometidos a los ensayos requeridos presentados en la tabla 13 por la norma
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invias (2013). Se debe tener en cuenta que los agregados pétreos empleados para la ejecución de la mezcla asfáltica en caliente deberán poseer una naturaleza tal, que, al aplicársele una capa de material asfáltico a utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción combinada del agua y del tránsito. Los requisitos que se exigen son para garantizar la calidad de los materiales son un conjunto de propiedades que buscan asegurar un buen desempeño con el tiempo de las estructuras construidas. La evaluación de los materiales no se centrará en un único parámetro sino se debe mirar como el conjunto de los mismos. Tabla 13 Requisitos de los agregados pétreos para la elaboración de mezcla asfáltica en caliente.
Fuente: Especificaciones generales para construcción de carreteras invias (2012) artículo
400.
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Adicionalmente se debe verificar el llenante mineral teniendo en cuenta los aspectos mostrados en la tabla 14.
Tabla 14 Requisitos de llenante mineral para mezclas asfálticas en caliente.
Fuente: Especificaciones generales para construcción de carreteras invias (2013) artículo
400.
Secado del agregado El método Marshall requiere que los agregados ensayados estén libres de humedad, tan práctico como sea posible. Esto evita que la humedad afecte los resultados de los ensayos. Una muestra de cada agregado a ser ensayado se coloca en una bandeja, por separado y se calienta en un horno a temperatura de 110° C. Después de cierto tiempo la muestra caliente se pesa y se registra su valor. La muestra se calienta por segunda vez y se vuelve a pesar sucesivamente hasta que la muestra permanezca constante en su peso lo cual indica que la mayor cantidad de humedad se ha evaporado de la muestra. Análisis granulométrico por vía húmeda El análisis granulométrico por vía húmeda es un procedimiento usado para identificar las porciones de partículas de tamaño diferente en las muestras del agregado. Esta información es importante porque las especificaciones de la mezcla deben estipular las porciones necesarias de partículas de agregado de tamaño diferente, para producir una mezcla en caliente final con las características deseadas.
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Determinación del peso específico de los agregados Con este ensayo se determina el peso específico aparente y nominal del material grueso del tamaño igual o mayor al tamiz No. 4. Se define el peso específico aparente como la relación entre el peso al aire del sólido y el peso de agua correspondiente a su volumen aparente, y el peso específico nominal a la relación entre el peso al aire del sólido y el peso de agua correspondiente a su volumen nominal. (INV E-223-07) Secar la muestra en un horno a 110 ± 5ºC hasta masa constante, enfría al aire a la temperatura ambiente durante 1 a 3 horas para muestras de tamaño máximo nominal de 37.5 mm (1 ½”); o un lapso mayor para muestras con tamaños mayores, hasta que el agregado sea manipulable (aproximadamente a 50ºC). Posteriormente se sumerge en agua, también a temperatura ambiente, durante un período de 15 a 19 horas. Después del período de inmersión, se saca la muestra del agua y se secan las partículas rodándolas sobre un paño absorbente de gran tamaño, hasta que se elimine el agua superficial visible, secando individualmente los fragmentos mayores. Se tomarán las precauciones necesarias para evitar cualquier evaporación del agua de los poros durante la operación de secado de la superficie de las partículas. A continuación, se determina la masa de la muestra en el estado de saturada con superficie seca (sss.). Estas y todas las pesadas subsiguientes se realizarán con una aproximación de 0.5 g o de 0.05% de la masa de la muestra, la que sea mayor.
1.5.1.2 Caracterización de cemento asfaltico El cemento asfáltico utilizado en el proyecto es de tipo CA 60-70 y procede de la planta de la Empresa Colombiana de Petróleos (ECOPETROL) situada en Barrancabermeja, en el municipio de Apiay, en Colombia. Los valores exigidos para la caracterización del CA por la especificación INVIAS (2013) que se presentan en la Tabla 16.
El cemento asfáltico es un producto bituminoso semi – sólido a temperatura ambiente, preparado a partir de hidrocarburos naturales mediante un proceso de destilación, el cual contiene una proporción muy baja de productos volátiles, posee propiedades aglomerantes y es esencialmente soluble en tricloroetileno.
Para el caso de mezclas asfálticas mediante la técnica de asfalto espumado, las características deben ser las que indique la especificación particular respectiva en la tabla 15.
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Tabla 15 Especificaciones del cemento asfaltico
Fuente: Requisitos mínimos de calidad del CA (invias 2013, articulo 400).
Gravedad especifica del asfalto El picnómetro lleno es colocado en un baño a temperatura y se le determina su masa. La densidad de la muestra se calcula considerando la masa de la muestra y la masa del agua desalojada por la muestra en el picnómetro lleno. (Instituto Nacional de Vías E 707 – 2)
1.5.1.3 Caracterización de cemento asfaltico modificado En estos casos el ligante debe responder a un estudio que certifique su desempeño en el largo plazo y debe responder a una especificación particular que se ciña a las normas internacionales validadas cumpliendo con los parámetros establecidos en la tabla 15. La mayor parte de las investigaciones realizadas en el área de los asfaltos modificados utilizan como agentes modificadores polímeros del tipo elastómero.
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Estados del conocimiento sobre el tema pueden ser consultados en Yildirim (2007), Abtahi et al. (2010) y, para el caso colombiano en Rondón y Reyes (2015). Este tipo de aditivos, al ser agregados al asfalto, mejoran principalmente el comportamiento resiliente (recuperación elástica) de las mezclas cuando son solicitadas a ciclos de carga y descarga. Estos materiales (elastómeros) experimentan bajo carga una recuperación importante en la deformación. Algunos tipos de elastómeros utilizados para modificar CA son el grano de caucho reciclado de llanta de neumático (GCR), látex natural, estireno-butadieno-estireno (SBS por sus siglas en inglés) y el estireno-butadieno-caucho (SBR por sus siglas en inglés).
Los requisitos mínimos de calidad que deben cumplir los CA modificados en Colombia y Bogotá D.C. se presentan en la tabla 15 (INVIAS, 2013, artículo 414; IDU, 2011, artículo 202). El CA modificado tipo I utiliza como modificadores polímeros del tipo etileno vinil acetato (EVA) o polietileno y se recomienda su utilización para la fabricación de mezclas drenantes. Los tipos II, III y IV utilizan copolímeros del tipo estirénico como modificadores tales como el SBS. El tipo II se recomienda para la fabricación de mezclas drenantes, discontinuas y de concreto asfáltico. El tipo III se recomienda para la fabricación de mezclas discontinuas y de concreto asfáltico en zonas de alta exigencia, y el tipo IV para la fabricación de mezclas antirreflectivas como las del tipo arena-asfalto o riegos en caliente para membranas de absorción de esfuerzos. El tipo V es un CA modificado para la elaboración de mezclas de alto módulo. Todos los asfaltos modificados mencionados anteriormente deben presentar como mínimo un grado de funcionamiento PG 64-22. Adicional a los ensayos ya descritos en el apartado 2.1 para caracterizar el cemento asfáltico, sobre asfaltos modificados se deben ejecutar los siguientes ensayos:
Recuperación elástica por torsión a 25 °C (INV. E-727-13, NLT 329/91). Ensayo utilizado para evaluar la respuesta elástica del asfalto modificado cuando es sometido a un esfuerzo de torsión y la temperatura de la muestra es de 25 °C.
Estabilidad al almacenamiento (INV. E-726-13, NLT-328/91). Cuando un cemento asfáltico modificado es almacenado a alta temperatura, el polímero modificador puede ubicarse en la zona superior (cremación) o inferior (sedimentación) del ligante dentro del tanque almacenador, generando un asfalto con propiedades no homogéneas. Esto puede suceder por una incorrecta o baja dispersión del polímero en el ligante o por incompatibilidad entre ambos.
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Tabla 15 Especificaciones de cementos asfalticos modificados con polímeros.
Fuente: Requisitos mínimos de calidad del CA modificado (INVIAS, 2013). 1.5.1.4 Aditivo HUSIL La incorporación a la mezcla de zeolitas sintéticas (silicatos de sodio y aluminio cristalizados hidro - térmicamente), que ofrece similares posibilidades gracias a la capacidad de estos materiales de absorber importantes proporciones de agua (por encima de un 20%) sin afectar su estructura molecular. Por calentamiento, las zeolitas liberan el agua que contienen produciendo una expansión del ligante, facilitando la envuelta por medio de espumado y mejorando la trabajabilidad de la mezcla bituminosa a bajas temperaturas. 23 , por lo cual se manejara, ya que son útiles para reducir la temperatura de fabricación demandar consumos de combustibles más bajos y producir menos emisiones.
23 HURLEY, G y PROWELL, B (2005): Evaluation of aspa-min for use in warm mix asphalt national center for asphalt tecnology. NCAT Report 05-04 june 2005.
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Ilustración 9 Aditivo sintético HUSIL
Fuente: Propia. Adición de sintético a cemento asfaltico.
1.5.2 Dosificación
La dosificación de cada material se hace a partir de las especificaciones de la norma 450.2.1.4 del INVIAS (2013), la cual indica la dosificación de la granulometría de cada material. Teniendo en cuenta lo establecido en la norma invias INV-748-07 donde informa que las dimensiones de cada probeta deben ser de 101.6 mm de diámetro y de 63.5 mm de alto para aplicar el método marshall, de donde resulta un peso aproximado de 1200 gramos (g) y se puede resumir en el caso de la MGC-1 convencional en la tabla 16.
Ilustración 10 Dosificación de materiales.
Fuente: Propia. Dosificación de materiales.
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Tabla 16 Dosificación para probetas de mezcla asfáltica MGC-1 convencional
MEZCLA TAMIZ " TAMIZ (mm) PESO
g PESO
%
MG
C-1
1 25
3/4 19,00 171,4 14%
1/2 12,5 228,5 19%
3/8 9,50 171,4 14%
4 4,75 148,5 12%
10 2 142,8 12%
40 0,425 146,7 12%
80 0,18 51,4 4%
200 0,075 81,7 7%
CA 57,6 5%
TOTAL 1200 100%
Fuente: Elaboración propia.
Por otra parte, en la tabla 16 se evidencia que la mezcla asfáltica mencionada tiene materiales pétreos con tamaños máximos menor o igual a 25.4 mm o 1” y cemento asfaltico cumpliendo con la normatividad. Continuando así con el cálculo de materiales pétreos y cemento asfaltico necesarios para determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla convencional MGC-1 obteniendo los valores presentados y una vez cotejados se determina un contenido óptimo de asfalto del 4.8% en la tabla 17.
Tabla 17 Dosificación para determinar contenido óptimo de asfalto en MGC-1 convencional.
Fuente: Elaboración Propia.
TAMIZ Tamiz [mm] % PASA % RETENIDO 54 g de CA 60 g de CA 66 g de CA 72 g de CA4,8%
DE CA
1" 25,00 100,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0
3/4" 19,00 85,0 15,0 171,9 171,0 170,1 169,2 171,4
1/2" 12,50 65,0 20,0 229,2 228,0 226,8 225,6 228,5
3/8" 9,50 50,0 15,0 171,9 171,0 170,1 169,2 171,4
4 4,75 37,0 13,0 149,0 148,2 147,4 146,6 148,5
10 2,00 24,5 12,5 143,3 142,5 141,8 141,0 142,8
40 0,43 12,0 12,5 143,3 142,5 141,8 141,0 142,8
80 0,18 7,5 4,5 51,6 51,3 51,0 50,8 51,4
200 0,075 4,0 3,5 40,1 39,9 39,7 39,5 40,0
FONDO 0,0 4,0 45,8 45,6 45,4 45,1 45,7
CA 54,0 60,0 66,0 72,0 57,6
100 1200 1200 1200 1200 1200,0
MEZCLA TIPO MGC-1
65
Si se quiere hacer el cotejo verificando en la norma invias 2012 se debe tomar la mezcla asfáltica MGC-25.
Granulometría de mezclas de concreto asfáltico.
Fuente Articulo 400 Especificaciones técnicas Invias 2012.
1.5.3 Mezclado de los materiales En recipientes individuales se separan y se pesan las cantidades necesarias de cada porción del agregado, calculada previamente de acuerdo a la gradación necesaria para cada probeta como se muestra en la tabla 17. Los agregados pétreos se calientan a una temperatura mayor de 130°C previendo a que no exceda el límite establecido por la norma que es de 28 ° centígrados por encima de este valor aproximadamente durante 30 minutos, al mismo tiempo el cemento asfaltico se calienta en otro recipiente a una temperatura de 150°C. Posteriormente y con el fin de obtener una mezcla homogénea se mantiene mayor control en la temperatura tanto del agregado pétreo como del cemento asfaltico, se procede a trasferir el agregado pétreo al recipiente de mezclado durante unos 6 segundos, a continuación se forma un orificio en el centro, donde se vierte la cantidad calculada de cemento asfaltico como se evidencia en la ilustración 10. Es importante que tanto el agregado pétreo como el cemento asfaltico se encuentre en la temperatura establecida para la mezcla asfáltica que como se mencionó antes es de 150°C.
66
Ilustración 11 mezcla de agregados pétreos y cemento asfaltico
Fuente: Elaboración propia.
Continuando con la mezcla de los agregados pétreos y el cemento asfaltico garantizando una mezcla homogénea como se ve en la ilustración 11.
Ilustración 12 mezcla asfáltica
Fuente: Elaboración propia.
Una vez lista la mezcla se colocan los recipientes en hornos ventilados a una temperatura por encima de la temperatura establecida para la compactación que en nuestro caso oscila entre 135°-140° C que ayude a conservar la temperatura mientras se elaboran todos los moldes ver ilustración 13.
67
Ilustración 13 Conservación de temperatura de mezcla asfáltica
Fuente: elaboración Propia.
1.5.4 Elaboración de briquetas y determinación de contenido óptimo de asfalto. Una vez verificada la calidad de los materiales con las especificaciones de granulometría y demás fijadas, Se elaboró primero la mezcla asfáltica densa en caliente MGC-1 convencional la cual se tuvo en cuenta como referencia. El procedimiento se inició con la preparación de 20 probetas de ensayo total, de mezcla asfáltica tipo MGC-1 empleando porcentajes de 4.5%, 5.0%, 5.5% y 6.0% 5 briquetas por cada uno, con el fin evaluar las propiedades Marshall (resistencia bajo carga monotónica y composición volumétrica) para determinar el contenido óptimo de asfalto para una gradación de agregados de MGC-1 de tal manera que al graficar los diferentes valores obtenidos después de ser ensayadas, permitan determinar ese valor "óptimo". Cada muestra se compacto a 75 golpes por cada cara, es decir para categoría de transito tipo NT2 y NT3 según los criterios de diseño de (INVIAS 2013). Con una temperatura entre los 135°-140° centígrados. Para realizar la fabricación de las briquetas se vierte dentro de moldes (ver ilustración 14) que son precalentados con anterioridad, empleando el martillo de compactación
68
Ilustración 14 Relleno de moldes de compactación.
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 15 Martillos de compactación.
Fuente: Elaboración propia. Ilustración 16 Briquetas fabricadas para fallar.
Fuente: Elaboración propia.
69
1.5.5 Gravedad especifica de las probetas compactadas. Después de la compactación, se retira la base y se deja enfriar la muestra al aire libre, Se saca cuidadosamente la probeta del molde, se le pone un identificador, y se ubica sobre una superficie plana, lisa, donde se deja en reposo durante una noche. El día de la fabricación de la probeta no se le puede hacer ningún ensayo se deben dejar reposar entre 18 y 24 horas. La gravedad específica teórica máxima y la densidad de mezclas asfálticas para pavimentos son propiedades fundamentales, cuyos valores están afectados por la composición de la mezcla en términos del tipo y cantidad de agregados y de los materiales asfálticos. Estos valores son usados para calcular el porcentaje de vacíos con aire en una mezcla de pavimento asfáltico en caliente compactada. Estos son esenciales para calcular la cantidad de asfalto absorbido por los poros internos del agregado en una mezcla asfáltica en caliente. Dan valores importantes para el proceso de compactación de mezclas asfálticas para pavimentos. Determinación del peso específico total (AASHTO T166) El proceso que sigue es medir cada briqueta para saber su espesor y diámetro y realizar las pruebas de masa en agua, este ensayo se practica con un recipiente al cual se le conoce su peso previamente. Si el espesor de la probeta es diferente de 63.5 mm, el valor registrado de Estabilidad Marshall deberá ser corregido, multiplicándolo por el factor que corresponda.
Ilustración 17. Medida de la briqueta
Fuente: Elaboración propia.
El espécimen se sumerge en un baño de agua a 25°C y se anota su masa bajo el agua. Se seca rápidamente con un trapo húmedo y se pesa al aire. La diferencia entre las dos masas se emplea para medir la masa de un volumen igual de agua a
70
25°C. Factores de corrección son proporcionados para convertir la masa del agua a la temperatura de referencia a 25°C se encuentran en la norma invias E-733.
Ilustración 18. Briqueta sumergida
Fuente: Elaboración propia.
Posteriormente se saca y se seca superficialmente con un trapo o paño y se vuelve a pesar.
Ilustración 19. Peso de la briqueta superficialmente seca
Fuente: Elaboración propia.
Los datos tomados mediante este proceso son utilizados en el cálculo de la densidad Bulk, descrita como “la masa de un volumen unitario total de un agregado, el cual incluye el volumen de las partículas individuales y el volumen de los vacíos entre las partículas. Se expresa en kg/m3 (Lb/pie3)” (INVIAS, 2007). Continuando así con las respectivas dosificaciones que se tendrán en cuenta en el desarrollo del proyecto con el fin de preparar todas las muestras que son necesarias para el ensayo contemplando cada una de las diferentes dosificaciones y modificaciones que se hacen al cemento asfaltico con la adición de zeolita sintética.
71
1.5.6 Ensayo de estabilidad y flujo Este ensayo se realiza 24 horas después de la compactación de las probetas, posterior a esto se sumerge cada muestra en baño maría (ver ilustración 20) a
Ilustración 20 Muestras en baño maría
Fuente: Elaboración propia.
Una temperatura no mayor de 60 °C por un tiempo de 130 minutos. Posteriormente se coloca el medidor de flujo y se lleva su aguja del manómetro a cero. Se aplica carga a la probeta a una velocidad de 45.1 mm / min (ver ilustración 21) hasta que ocurra la falla.
El punto de falla se define como la máxima lectura de carga, la carga correspondiente al flujo será denominada estabilidad, .Mientras se está aplicando carga, se mantiene el medidor de flujo firmemente en posición sobre la barra-guía y se retira cuando ocurra la carga máxima. La lectura en el dial en este instante se denomina flujo y se expresa en mm o en 1/100 pulgada.
Ilustración 21 Aplicación de carga a las muestras Marshall
Fuente: Elaboración propia.
72
1.5.7 Análisis de densidad de vacíos de las probetas. Rompiéndolas posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y deformación, obteniendo el porcentaje de CA y de la gradación del agregado pétreo. Ensayo de estabilidad y flujo (Marshall) Resistencia de mezclas asfálticas en caliente empleando el aparato Marshall. Para la realización de este ensayo estas probetas fueron colocadas al baño maría durante 30 minutos a una temperatura promedio de 60° C, que es la temperatura más alta a la que normalmente están sometidas las mezclas asfálticas en su uso habitual. Con el equipo de prueba listo se remueve el espécimen colocado en baño María y Cuidadosamente se seca la superficie. Ubicando y centrando el espécimen en la Mordaza inferior, se coloca la mordaza superior y se centra completamente en el Aparato de carga. Posteriormente, se aplica la carga de prueba al espécimen a una deformación Constante de 51 mm (5”) por minuto, hasta la falla. El punto de falla se define por la lectura de carga máxima obtenida. El número total de Newtons (lb) requeridos para que se produzca la falla del espécimen deberá registrarse como el valor de estabilidad Marshall.
Ilustración 22. Ensayo en la prensa Marshall
Fuente: Elaboración propia.
Se debe anotar el valor máximo de carga que arroja la prensa de ensayo, o la lectura de deformación del indicador, la cual se convierte en carga multiplicándola por la constante del anillo. También encima se ubica el medidor de flujo, con el cual se debe tomar nota de la lectura dada en el instante de arrojar la máxima carga, este será el valor de flujo para esa probeta.
73
Es importante tener en cuenta que el procedimiento completo desde el retiro de la probeta del baño maría hasta hacerla fallar en la prensa Marshall no debe ser mayor a los 30 segundos
Ilustración 23. Probeta fallada en la prensa Marshall
Fuente: Elaboración propia.
1.6 RESULTADOS Y ANALISIS Con el fin de realizar el análisis comparativo de las dos mezclas asfálticas mencionadas se fabricó 120 briquetas, de las cuales se determinó previamente las gravedades específicas de los materiales empleados y de las probetas compactadas antes del ensayo de rotura, de acuerdo con las normas correspondientes.
1.6.1 Agregados Pétreos Los materiales con los cuales fueron realizados los ensayos de laboratorio para la fabricación de las briquetas deben cumplir con los requerimientos estándares de calidad normalizados por el instituto nacional de vías (INVIAS), se presentan los resultados obtenidos de los diferentes ensayos realizados a los materiales de origen pétreo y los ensayos practicados al cemento asfaltico. También se puede apreciar que de acuerdo a los estándares ya mencionados anteriormente, los materiales utilizados para la fabricación de las briquetas de ensayos con mezclas tipo MGC-1, cumplen con los requisitos mínimos exigidos por (INVIAS 2007). Se presenta tabla de resultados de la caracterización de agregados:
74
Tabla 18.Caracterización de agregados pétreos
Fuente Elaboración propia
1.6.2 Cemento Asfaltico El cemento asfáltico CA 60-70 utilizado es producido en Barrancabermeja por la Empresa Colombiana de Petróleos - ECOPETROL. Este CA fue escogido debido a que es el más utilizado en la fabricación de mezclas asfálticas en Colombia. Al CA 60-70 se le realizaron los ensayos típicos que exige la especificación (INVIAS, 2013) para caracterizarlo y los resultados se presentan en la tabla 3.2. Al igual que el agregado pétreo, el CA 60-70 cumple los requisitos mínimos de calidad (tabla 2.2) exigidos por las especificaciones (INVIAS, 2013) para fabricar mezclas de concreto asfáltico. (Ver tabla 19).
75
Tabla 19 Resultados y especificaciones INVIAS.
Fuente Elaboración propia
1.6.2.1 Aditivo HUSIL
El aditivo químico líquido empleado actúa como una zeolita sintética y en el presente documento técnico se denomina HUSIL. Este aditivo es un material inorgánico que no inflama, y no es considerado peligroso o material contaminante por el ―Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals‖ (United Nations Economic Commissions for Europe - UNECE, 2013). Adicionalmente es un material que presenta valores de pH entre 10 y 12, y no es considerado cancerígeno o teratogénico. El nombre real del aditivo no se reporta, ya que se prevé un posible desarrollo tecnológico a futuro o secreto industrial. El aditivo inicialmente se agregó al asfalto en proporciones de 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10.0% con respecto a su masa (HUSIL/CA=0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10.0%). La mezcla entre el asfalto y el aditivo se realizó a una temperatura de 80 °C durante 1 minuto (ver figura 3.1). Esta temperatura y tiempo de mezcla fueron escogidos teniendo en cuenta que el aditivo espuma el asfalto aproximadamente a 80 °C y no se quería perder el efecto del espumado sometiendo ambos componentes a tiempos de mezcla elevados. En la tabla 3.3 se presentan los resultados de los ensayos de caracterización típicos realizados sobre el CA 60-70 modificado con el aditivo HUSIL.
76
Ilustración 24 Asfalto modificado con HUSIL/CA=1%. Antes y durante el proceso de espumado.
Fuente Elaboración propia
Tabla 20 Caracterización del CA 60-70 modificado con HUSIL.
Fuente Elaboración propia
En la tabla 3.3 se observa que: i) el aditivo incrementa la gravedad específica de la mezcla asfalto-aditivo a medida que incrementa el contenido de HUSIL. Lo anterior es debido principalmente a que el aditivo presenta una mayor gravedad específica (1.32 g/cm3) que el asfalto CA 60-70 sin modificar (1.012 g/cm3); ii) el asfalto modificado con el aditivo incrementa su resistencia a inflamar a altas temperaturas; iii) el aditivo tiende a rigidizar notablemente el asfalto, y las mayores rigideces se presentan cuando el aditivo se agrega en proporciones de HUSIL/CA= 0.75% y
77
1.0% (incrementa el punto de ablandamiento y disminuye la penetración, la ductilidad disminuye de manera lógica ya que el aditivo se rigidiza cuando ocurre el enfriamiento del asfalto modificado luego de que éste ha espumado. Los resultados de penetración y punto de ablandamiento del asfalto modificado con el aditivo son coherentes con los obtenidos en los ensayos de caracterización reológica a temperaturas altas de servicio empleando un reómetro dinámico de corte (AASHTO T 315-05). Las tablas 21 y 22 muestran los resultados de caracterización reológica del asfalto de referencia (sin aditivo, HUSIL/CA=0%) y modificado con HUSIL/CA=1%, respectivamente. El grado de desempeño a altas e intermedias temperaturas de servicio del asfalto de referencia CA 60-70 (sin aditivo, HUSIL/CA=0%) es 58° C (|G*|/sin >1.0 kPa para asfalto sin envejecer y |G*|/sin >2.2 kPa para asfalto envejecido en RTFOT) y 22° C (|G*|sin <5000 kPa para asfalto envejecido en RTFOT + PAV), respectivamente. G*, , RTFOT y PAV se refieren a módulo de corte complejo, ángulo de fase, envejecimiento a corto plazo en horno de película delgada rotatorio y envejecimiento a largo plazo en vasijas sometidas a presión, respectivamente. Cuando se modificó el asfalto CA 60-70 con HUSIL/CA=1% el grado de desempeño a altas temperaturas de servició aumentó a 70 °C, lo cual es indicador de un ligante más resistente a fenómenos como el ahuellamiento en climas de alta temperatura. Adicionalmente, a temperaturas intermedias, el grado de desempeño mejoró (disminuyó de 22 a 19° C), debido tal vez a que el aditivo aumenta la resistencia del asfalto al envejecimiento. No se ejecutaron ensayos de caracterización reológica a bajas temperaturas de servicio porque el objeto de estudio fue para países tropicales como Colombia.
Tabla 21 Caracterización reológica del asfalto CA 60-70.
Fuente Elaboración propia
78
Tabla 22 Caracterización reológica del asfalto modificado (HUSIL/CA=1%).
Fuente Elaboración propia
1.6.3 Ensayo Marshall para mezcla asfáltica convencional MGC-1 Se presenta el resultado arrojado por el ensayo Marshall norma (INV E-748) a las briquetas elaboradas con cemento asfaltico convencional de 1200 g de peso. Para este proceso se requiere tomar los datos correspondientes de cada briqueta los cuales son altura de la briqueta, peso en aire seca, peso en estado superficialmente seco (SSS), peso en agua, lectura de carga y flujo o deformación que arroja la prensa Marshall al ser fallada cada briqueta. En la tabla 20 se observan los valores de las briquetas fabricadas con CA convencional con el propósito de identificar el contenido de asfalto óptimo.
79
Tabla 23 Datos de laboratorio, briquetas tomadas de mezcla asfáltica MGC-1 convencional.
Fuente Elaboración propia
Con base en los resultados de laboratorio se calcularon los diferentes valores necesarios, como densidad bulk (Gmb), gravedad específica máxima (Gmm), volúmenes de CA y agregados pétreos, y porcentaje de vacíos. Además con la lectura de carga leída en la prensa Marshall y el flujo, se puede calcular la rigidez Marshall relación E/F. En la tabla 21 y 22 se relacionan los promedios de los datos obtenidos en los ensayos Marshall para una mezcla asfáltica convencional con contenido de asfalto desde el 4,5 a 6% para determinar el contenido “optimo” de CA. Donde se verifica los valores obtenidos con la especificación técnica invias 2012 después de hacer la conversión a las unidades sean los correspondientes teniendo en cuenta el número de golpes con el que se realizaron las briquetas para hacer el respectivo ensayo Marshall que para este caso fue de 75.
BRIQUETA TIPO DE MEZCLA%
ASFALTO
ALTURA
BRIQUETA
PESO
BRIQUETA
EN AIRE
SECA
PESO
BRIQUETA EN
AIRE SSS
PESO BRIQUETA
EN AGUALECTURA
DE CARGA (0,001")
FLUJO(1/1000")
TEMPERATURA
DE
COMPACTACION
CEMENTO
ASFALTICO
Gs A.
petreos
Gs
asfalto
N° GOLPES
POR CARA
1 MGC-1 CONVENCIONAL 4,5% 6,5 1175 1180 44 130 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
2 MGC-1 CONVENCIONAL 4,5% 6,6 1177 1183 41 115 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
3 MGC-1 CONVENCIONAL 4,5% 6,6 1178 1182 43 130 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
4 MGC-1 CONVENCIONAL 4,5% 6,6 1180 1184 45 125 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
5 MGC-1 CONVENCIONAL 4,5% 6,6 1182 1186 45 125 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
6 MGC-1 CONVENCIONAL 5% 6,5 1182 1185 49 140 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
7 MGC-1 CONVENCIONAL 5% 6,5 1179 1184 50 150 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
8 MGC-1 CONVENCIONAL 5% 6,5 1175 1180 51 140 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
9 MGC-1 CONVENCIONAL 5% 6,5 1180 1183 50 150 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
10 MGC-1 CONVENCIONAL 5% 6,5 1180 1184 52 140 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
11 MGC-1 CONVENCIONAL 5,5% 6,5 1177 1180 52 160 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
12 MGC-1 CONVENCIONAL 5,5% 6,5 1180 1181 53 170 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
13 MGC-1 CONVENCIONAL 5,5% 6,5 1176 1178 51 150 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
14 MGC-1 CONVENCIONAL 5,5% 6,5 1179 1183 52 150 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
15 MGC-1 CONVENCIONAL 5,5% 6,5 1181 1185 52 150 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
16 MGC-1 CONVENCIONAL 6% 6,5 1180 1182 54 150 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
17 MGC-1 CONVENCIONAL 6% 6,6 1200 1204 79 145 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
18 MGC-1 CONVENCIONAL 6% 6,4 1178 1180 57 160 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
19 MGC-1 CONVENCIONAL 6% 6,4 1181 1184 56 170 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
20 MGC-1 CONVENCIONAL 6% 6,5 1177 1180 56 160 135°-140° 60-70 2,64 1,012 75
ENSAYO MARSHALL MEZCLA ASFALTICA
80
Tabla 24 Parámetros de diseño
Fuente Articulo 400 Especificaciones técnicas invias 2013.
Haciendo la respectiva validación de los datos obtenidos hasta que se cumpla con los parámetros establecidos y se determine el contenido óptimo de asfalto. Tabla 25 Resumen de cálculo de densidad bulk, vacíos para mezcla asfáltica MGC-1 convencional.
Fuente Elaboración propia
Estos valores se pueden usar para determinar el grado relativo de compactación. En una mezcla compactada es igual a la gravedad específica bulk multiplicada por la densidad del agua a la temperatura a la que se determinó la gravedad específica bulk, generalmente 25º C. Donde se evidencia y como es lógico que a medida que
CA [%]Densidad bulk
[g/cm3]Vacíos [%]
Vacios en
AP [%]
4,5 2,273 7,66 17,77
5,0 2,305 5,67 17,06
5,5 2,307 4,87 17,41
6,0 2,317 3,78 17,51
MGC-1
81
aumente el contenido se disminuye el porcentaje de vacíos por ende aumenta la densidad.
Grafica 1 Grafica de comportamiento densidad bulk / (%) CA.
Fuente Elaboración propia.
Se evidencia que el porcentaje de vacíos disminuye a medida que aumenta el contenido de asfalto ya que existe mayor llenante. Se debe buscar bajo % de vacíos que den buena resistencia a la fatiga. Donde se comprueba que entre más alto es el valor de la densidad menor es el contenido de vacíos.
Grafica 2 Grafica de comportamiento (%) Vacíos / (%) CA.
Fuente Elaboración propia.
CA [%]
Dens
idad b
ulk [g
/cm3]
2,250
2,260
2,270
2,280
2,290
2,300
2,310
2,320
2,330
2,340
2,350
4,5 5,0 5,5 6,0
CA [%]
Vac
íos
[%]
0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,505,005,506,006,507,007,508,008,50
4,5 5,0 5,5 6,0
82
La fluencia se comporta de acuerdo a lo esperado y se observa que los valores de fluencia aumentan con los incrementos en el contenido de asfalto como se evidencia en la gráfica 3.
Grafica 3 Grafica de comportamiento flujo / (%) CA.
Fuente Elaboración propia
La estabilidad de un asfalto es su capacidad para resistir desplazamiento y deformación bajo las cargas repetitivas, están no deben ser tan altas ya que se pueden convertir en un pavimento demasiado rígido como se evidencia en la gráfica 4.
Grafica 4 Grafica de comportamiento Estabilidad / CA (%).
Fuente Elaboración propia
CA [%]
Fluj
o [m
m]
3,003,103,203,303,403,503,603,703,803,904,004,104,204,304,404,50
4,5 5,0 5,5 6,0
CA [%]
Esta
bili
dad [
kg]
800,00820,00840,00860,00880,00900,00920,00940,00960,00980,00
1000,001020,001040,001060,001080,001100,001120,001140,001160,001180,001200,001220,00
4,5 5,0 5,5 6,0
83
Grafica 5 Grafica de comportamiento Estabilidad / Flujo / CA (%).
Fuente Elaboración propia.
Tabla 26 Resumen de los resultados de estabilidad y relación E/F en el diseño de la MGC-1 convencional.
Fuente Elaboración propia
En la gráfica 5. Se puede determinar que el comportamiento entre la relación de flujo y estabilidad con porcentaje de CA, tiende a comportarse de forma uniforme-ascendente hasta un contenido de 5% CA, este valor decrece y posteriormente decrece y continua hasta alcanzar su valor máximo de 303,24 (kg/mm) en un contenido de 6% de ligante donde obtendría su punto máximo de rigidez y menor porcentaje de vacíos.
1.6.4 Contenido óptimo de asfalto Para llegar a establecer el porcentaje óptimo de cemento asfaltico fue necesario llevar a cabo pruebas en briquetas con muestras de contenido asfaltico de 4,5% a 6% aumentando en 0,5% el contenido. Se realizaron las pruebas a una temperatura entre 135°C – 140°C. 4,8% fue el resultado que cumple satisfactoriamente los requisitos de la mezcla después de evaluar características del ligante como vacíos, estabilidad, flujo y la relación Estabilidad/flujo.
E/F
[kg/
mm
]
CA [%]
250,00
260,00
270,00
280,00
290,00
300,00
310,00
320,00
330,00
340,00
350,00
4,5 5,0 5,5 6,0
Corregido
CA [%] Estabilidad [kg] E/F [kg/mm] Estabilidad [kg] E/F [kg/mm] Flujo [mm]
4,5 893,91 281,83 852,79 268,86 3,18
5,0 1033,32 282,90 989,92 271,02 3,66
5,5 1066,13 269,62 1042,67 263,68 3,96
6,0 1238,35 313,27 1198,72 303,24 3,99
84
Fuente Elaboración propia.
1.6.5 Incidencia de la temperatura en la MGC-1 con CA óptimo sin modificar. La temperatura es un factor determinante a la hora de fabricar la mezcla asfáltica, para determinar a qué temperatura las propiedades de la MA tienen mejor comportamiento se realizaron varias muestras a diferentes cambios de temperatura entre 110° a 150°C. Se generaron 25 briquetas con el porcentaje óptimo de asfalto 4,8%. (Ver tabla 24) donde se evidencia mejor comportamiento entre 120° y 140° según resultados de laboratorio.
Tabla 27 Valores promedio de Incidencia al cambio de temperatura en fabricación en briquetas con CA de
4.8%.
Fuente oración propia.
1.6.6 Incidencia de la temperatura en la MGC-1 con CA modificado. Continuando con los estudios se realizan comparaciones teniendo en cuenta las variables de temperatura entre (110°C – 140|C) y porcentaje de aditivo HUSIL agregado a la muestra convencional en su CA entre (0% - 3%).
EstabilidadEstabilidad
[kg]
Flujo
[inch/100]
Flujo
[mm]
E/F
[kg/mm]
Densidad
bulk
[g/cm3]
Vol. Agreg.
[%]Gmm Vacíos [%] Vol. CA [%]
Vacios en
AP [%]
51,40 1053,83 142,00 3,61 292,34 2,30 84,24 2,42 4,85 10,91 15,76
CA 60-70 (4.8%) - 140°C
T [°C]Estabilidad
[kg]
Flujo
[mm]
E/F
[kg/mm]
Estabilidad
[kg]
E/F
[kg/mm]
Densidad
bulk
[g/cm3]
Vacíos
[%]
Vacios en
AP [%]
110 930,81 3,20 290,97 885,20 276,71 2,26 6,56 17,27
120 967,72 3,28 295,63 931,91 284,69 2,25 6,90 17,57
130 992,32 3,56 279,16 955,60 268,83 2,25 7,07 17,73
140 1053,83 3,61 292,34 1014,83 281,52 2,30 4,85 15,76
150 1041,52 3,86 269,86 1002,99 259,87 2,29 5,16 16,04
MGC-1 convencional CA 60-70 (4.8%)
85
Tabla 28 Incidencia de la temperatura y aditivo HUSIL en mezcla convencional MGC-1.
Fuente Elaboración propia.
Analizando los resultados obtenidos puede decirse que el comportamiento de las mezclas asfálticas con aditivo mejora. Al parecer al hacer la adición de aditivo HUSIL no se presentan cambios considerables en la densidad bulk aunque la mejora, aumenta la rigidez y disminuye el porcentaje de vacíos que contienen las muestras con respecto a la convencional. Donde se evidencia que la adición de HUSIL mejora la densidad de la mezcla con contenidos entre el 1% - 2% que por ende disminuirá el contenido de vacíos y no permite incremento exagerado en su rigidez ver grafica 6.
T [°C]%
CA 60-70
%
ADITIVO
HUSIL
Estabilidad
[kg]
Flujo
[mm]
E/F
[kg/mm]
Corregido
Estabilidad
[kg]
Corregido
E/F
[kg/mm]
Densidad
bulk
[g/cm3]
Vacíos
[%]
Vacios en
AP [%]
110 4,8 0 930,81 3,20 290,97 885,20 276,71 2,26 6,56 17,27
120 4,8 0 967,72 3,28 295,63 931,91 284,69 2,25 6,90 17,57
130 4,8 0 992,32 3,56 279,16 955,60 268,83 2,25 7,07 17,73
140 4,8 0 1053,83 3,61 292,34 1014,83 281,52 2,30 4,85 15,76
150 4,8 0 1041,52 3,86 269,86 1002,99 259,87 2,29 5,16 16,04
110 4,8 1 1070,23 3,02 355,21 1030,63 342,07 2,29 5,54 16,21
120 4,8 1 1144,04 3,02 379,39 1095,99 363,45 2,30 5,11 15,82
130 4,8 1 1152,24 2,92 395,06 1091,17 374,12 2,30 5,08 15,80
140 4,8 1 1480,28 3,35 441,58 1432,91 427,45 2,34 3,54 14,43
150 4,8 1 1422,87 3,35 424,56 1377,34 410,98 2,32 4,24 15,05
110 4,8 2 1057,93 3,05 347,39 1018,78 334,53 2,28 5,78 16,41
120 4,8 2 1098,93 3,12 351,77 1058,27 338,76 2,29 5,56 16,21
130 4,8 2 1098,93 3,12 351,82 1058,27 338,81 2,29 5,56 16,22
140 4,8 2 1258,85 3,33 378,34 1218,57 366,23 2,31 4,51 15,29
150 4,8 2 1250,65 3,40 368,02 1204,38 354,41 2,32 4,44 15,23
110 4,8 3 1057,93 2,84 372,07 990,22 348,26 2,27 6,33 16,88
120 4,8 3 1086,63 3,00 363,17 1046,43 349,73 2,26 6,57 17,10
130 4,8 3 1127,64 3,00 376,39 1063,36 354,94 2,25 7,13 17,60
140 4,8 3 1185,04 2,95 403,07 1141,20 388,15 2,29 5,64 16,28
150 4,8 3 1476,18 3,05 484,66 1421,56 466,72 2,29 5,36 16,03
MGC-1 MODIFICADA
86
Grafica 6 Evolución de la densidad con respecto a la temperatura y % adición de HUSIL.
Fuente Elaboración propia.
Los vacíos son las pequeñas bolsas de aire que se encuentran entre las partículas de agregado revestidas de asfalto. El porcentaje de vacíos se calcula a partir del peso específico total de cada probeta compactada y del peso específico teórico de la mezcla de pavimentación (sin vacíos). Este último puede ser calculado a partir de los pesos específicos del asfalto y el agregado de la mezcla, con un margen apropiado para tener en cuenta la cantidad de asfalto absorbido por el agregado Con este ensayo se pretende evaluar la compactación de las muestras según el tipo de mezcla, donde se evidencia que al adicionar el aditivo disminuye el porcentaje de vacíos el cual puede estar relacionado con el aumento de la temperatura que permite tener resistencias mayores a compresión y flexión.
Grafica 7 Disminución del porcentaje de vacíos con respecto a la temperatura y % adición de HUSIL.
Fuente Elaboración propia.
Den
sida
d bu
lk [g
/cm
3]
T [°C]
2,220
2,240
2,260
2,280
2,300
2,320
2,340
2,360
110,0 120,0 130,0 140,0 150,0
0% 1% 2% 3%
Vac
íos
[%]
T [°C]
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
5,50
6,00
6,50
7,00
7,50
110 120 130 140 150
0%
1%
2%
3%
87
Se elaboró el ensayo de estabilidad y flujo, en el cual se puede ver la carga y deformación máxima para que ocurra la falla.
La estabilidad de un asfalto es su capacidad de resistir desplazamientos y deformación bajo las cargas del tránsito. Un pavimento estable es capaz de mantener su forma y lisura bajo cargas repetidas, un pavimento inestable desarrolla ahuellamientos (canales), ondulaciones (corrugación) y otras señas que indican cambios en la mezcla. Donde vemos que con todos los porcentajes de aditivo y temperaturas se mejora la estabilidad en la mezcla asfáltica ver grafica 8.
Grafica 8 Evolución de la estabilidad con respecto a la temperatura y % adición de HUSIL.
Fuente Elaboración propia.
Se evidencian en los resultados de laboratorio valores bajos de fluencia y valores altos de estabilidad lo que hace que sean consideradas demasiado frajiles y rigidas para un pavimento de servicio. Por otra parte las mezclas asfálticas con altos valores de fluencia son consideradas demasiado plásticas y tienen tendencia a deformarse fácilmente balo las cargas del tránsito.
Grafica 9 Evolución del flujo con respecto a la temperatura y % adición de HUSIL.
Fuente Elaboración propia.
Esta
bilid
ad [k
g]
T [°C]
800,00
900,00
1000,00
1100,00
1200,00
1300,00
1400,00
1500,00
110 120 130 140 150
0%
1%
2%
3%
T [°C]
Flujo
[mm
]
2,50
3,00
3,50
4,00
110 120 130 140 150
0% 1% 2% 3%
88
Grafica 10 Evolución de la rigidez o relación estabilidad / flujo con respecto a la temperatura y % adición de
HUSIL.
Fuente Elaboración propia.
Cuando se modifica la mezcla asfáltica con HUSIL la resistencia bajo carga
monotónica incrementa notablemente. De la misma forma los mayores incrementos
en rigidez bajo carga cíclica se obtienen cuando la temperatura del ensayo aumenta
La rigidez y la resistencia a la deformación permanente de la mezcla modificada son
mayores que la convencional.
T [°C]
E/F
[kg/
mm
]
250,00
300,00
350,00
400,00
450,00
500,00
110 120 130 140 150
0%
1%
2%
3%
89
CONCLUSIONES
Una vez verificada la información existente acerca de experiencias académicas o
investigaciones hechas a la fecha se evidencia importante material bibliográfico de
consulta con excelentes aportes, pero que no se pone en práctica en los proyectos
desarrollados en el país. Por otra parte, de acuerdo a los resultados de los ensayos
de laboratorio obtenidos, podemos afirmar que la mezcla asfáltica modificada con
HUSIL por vía humedad, ofrece una solución que minimice el impacto
medioambiental que genera la emisión de gases durante los procesos de fabricación
debido a la combustión y calentamiento de materiales, teniendo en cuenta que al
poder disminuir su temperatura de 150°C a 110°C mejora o mantiene sus
propiedades dentro de los rangos establecidos por el INVIAS empleando la
granulometría de una MGC-1 convencional, cumpliendo con el objetivo general al
fabricar una mezcla tibia. De igual forma, se puede relacionar directamente con la
cantidad de combustible requerido que reduce los costos manteniendo la relación
beneficio - costo y la posibilidad de tener plantas más cerca de las ciudades.
Adicionalmente una disminución en la temperatura garantiza una disminución del
envejecimiento del ligante en el proceso de fabricación lo cual mejora el
comportamiento a la fatiga del material.
La cantidad óptima de aditivo HUSIL que permita mejorar las características iniciales
de la mezcla asfáltica debe ser de 2% para un contenido óptimo de CA de 4,8% y
granulometría de MGC-1 convencional teniendo en cuenta que mejora las
características de rigidez al igual que el contenido de vacíos que disminuye el
potencial de ahuellamiento. Por otra parte mantiene el valor de la densidad bulk
hasta temperaturas de 130 °C.
Lo anterior permite prever que el aditivo HUSIL como modificador de asfaltos puede
ser un agregado que permite mejorar las características del CA que ayuda a optimar
la rigidez obteniendo un incremento en la resistencia mecánica del asfalto con
respecto a la MGC-1 convencional, que proporcione resistencia a las
deformaciones permanentes de mezclas asfálticas. Pero que a bajas temperaturas
de servicio estas mezclas modificadas pueden tener un comportamiento frágil,
llevando a pensar que obtendrían un mejor desempeño en climas cálidos. Por otra
parte, el aumento en la rigidez se convierte en un factor crucial relativo en el
fenómeno de agrietamiento (piel de cocodrilo) ya sea en la aparición o propagación
del mismo.
90
Se evidencia la importancia de continuar los estudios en el laboratorio que permitan
realizar comparaciones en las propiedades de la mezcla modificada con respecto a
la mezcla convencional, tales como módulo dinámico elástico que mida la
resistencia a las deformaciones, tensión indirecta, resistencia a la perdida por
desgaste que nos ayude a prever información clara del comportamiento de la
mezcla en servicio y durante su vida útil.
91
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densas de la normativa mexicana mediante el ensayo de pista, A. Padilla,
Universidad de Catalunya.
Instituto politécnico Nacional, Carpetas Asfálticas, México, tesis, 2009
95
ANEXO 1 RESULTADOS DE LABORATORIO ENSAYOS DE CEMENTO ASFALTICO.
ANEXO 2 RESULTADOS DE LABORATORIO ENSAYO MARSHALL MEZCLAS ASFALTICAS.