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ANÁLISIS COMPARATIVO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO TIPO 2 (MDC-19) CON ADICIÓN DE POLIMEROS.

DUWAN HARLEY CONEJO POVEDA, CODIGO: 503953 SANTIAGO ALONSO VARGAS CAMACHO, CODIGO: 504103

UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL

TRABAJO DE GRADO BOGOTA, D.C.

2017

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ANALISIS COMPARATIVO DEL COMPORTAMIENTO MECANICO DE MEZCLAS DE CONCRETO ASFALTICO TIPO 2 (MDC-19) CON ADICION DE POLIMEROS.

DUWAN HARLEY CONEJO POVEDA, CODIGO: 503953 SANTIAGO ALONSO VARGAS CAMACHO, CODIGO: 504103

DOCENTE ASESOR Ing. JHOBANY ORDUZ DUARTE

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE GRADO BOGOTÁ, D.C.

2017

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DEDICADO A:

Dios por bendecirme en cada momento

Mis padres y mis hermanos por su apoyo

incondicional.

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AGRADECIMIENTOS

Mis más sinceros agradecimientos a:

El ingeniero Jhobany Orduz por su gran apoyo y orientación En la presente investigación,

Así mismo al Laboratorista Hugo Rondón por su asesoría En el desarrollo de cada laboratorio.

La Universidad Católica de Colombia,

Por su colaboración poniendo a servicio de nosotros Los laboratorios de Ingeniería a civil.

A toda mi familia, especialmente a mi padre y madre,

Y tíos por su colaboración y apoyo incondicional Durante el transcurso de mis estudios.

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CONTENIDO

RESUMEN 13

INTRODUCCION 14

OBJETIVOS 15

1. MATERIALES ASFÁLTICOS 16

1.1. ASFALTO 16

1.1.1. Terminología del Asfalto 16

1.1.2. Funciones del asfalto. 17

1.2. EMULSIONES ASFÁLTICAS 18

1.2.1. Betún asfáltico. 18

1.2.2. Agentes Emulsificantes. 18

1.3. CARACTERISTICAS Y COMPORTAMIENTOS DE MATERIALES ASFALTICOS 19

1.3.1. Durabilidad. 19

1.3.2. Estabilidad. 19

1.3.3. Impermeabilidad. 19

2. MATERIAL GRANULAR. 20

2.1. CARACTERIZACION DE LOS AGREGADOS 20

2.2. CAPAS GRANULARES 21

2.2.1. Base granular. 21

2.2.2. Subbase granular. 22

2.2.3. Subrasante. 23

2.3. ENSAYOS DE LABORATORIO 23

2.3.1. Resistencia al desgaste en la máquina de Los Ángeles (INV. E.218-13, 219-13). 23

2.3.2. 10% de finos (INV. E-224-13). 24

2.3.3. Sulfatos de sodio o de magnesio (INV. E-220-23). 24

2.3.4. Contenido de impurezas (INV. E-237-13). 24

2.3.5. Valor de azul de metileno (INV. E-235-13). 25

2.3.6. Equivalente de arena (INV. E-133-13). 25

2.3.7. Geometría de partículas. 25

2.3.8. Adherencia. 25

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3. MEZCLAS ASFALTICAS 26

3.1. MEZCLA DENSA EN CALIENTE O CONCRETO ASFALTICO 26

3.2. DISEÑO MARSHALL. 27

3.2.1. Procedimiento Ensayo Marshall. 30

3.2.2. Ensayo de estabilidad y flujo 31

3.3. ENSAYO DE CANTABRO (INV. E-760-07) 32

3.3.1. Procedimiento. 32

4. POLIMEROS 33

4.1. ESTRUCTURA DE LOS POLIMEROS. 33

4.1.1. Estructura química. 33

4.1.2. Estructura Física. 34

4.2. USOS Y APLICACIONES 35

4.3. POLÍMEROS UTILIZADOS EN LA MODIFICACIÓN DE ASFALTOS. 35

4.4. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS POLÍMEROS 37

4.4.1. Resistencia. 37

4.4.2. Elongación 38

4.4.3. Modulo. 38

4.4.4. Tenacidad. 39

4.5. FIBRAS DE POLIMEROS 40

4.5.1. Influencia de las fibras de polipropileno. 41

4.5.2. Influencia de la longitud de la fibra. 42

5. ASFALTOS MODIFICADOS 44

5.1. ASFALTOS MODIFICADOS CON CAUCHO (GCR) 44

5.1.1.1. Procesos de incorporación del grano de caucho (GCR). 45

5.1.2. Ventajas de la utilización del asfalto-caucho (GCR) 45

6. ASFALTO MODIFICADO (MDC-19) CON POLÍMEROS EN FIBRAS DE 15 CM.47

6.1. FASE EXPERIMENTAL – PROCEDIMIENTO 47

6.2. GRANULOMETRIA 51

6.2.1. Granulometría diseño convencional 51

6.2.2. Granulometría con adición de tiras de polisombra de 15 cm 54

CAPÍTULO 7 58

7. ANALISIS DE RESULTADOS. 58

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7.1. ENSAYO DE CANTABRO (MAQUINA DE LOS ANGELES) 64

CAPÍTULO 8 66

8. CONCLUSIONES 66

9. RECOMENDACIONES. 67

10. BIBLIOGRAFÍA 68

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LISTA DE FIGURAS

Figura No.1 Máquina de los ángeles. 23 Figura No.2 Aparato Marshall. 29 Figura No.3 Ensayo de estabilidad de flujo. 30 Figura No.4 Configuración Sp para los átomos de carbono de la cadena Principal de la molécula de polietileno. 33 Figura No.5 Estructura física de los polímeros. 32 Figura No.6 Tensión Vs Elongación 37 Figura No.7 Tensión Vs Elongación 38 Figura No.8 Tenacidad 38 Figura No.9 Comportamiento mecánico de varios tipos de polímeros 40 Figura No.10 Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción. 42 Figura No.11 Proceso de fabricación asfalto-caucho (Vía Húmeda) 44 Figura No.12 Tiras de polisombra de 15 cm 46 Figura No.13 Granulometría 47 Figura No.14 Adición de polisombra a la mezcla asfáltica 48 Figura No.15 Briquetas en prensa hidráulica. 49 Figura No.14 Estabilidad vs % Asfalto convencional. 55 Figura No.15 Flujo vs % Asfalto convencional. 56 Figura No.16 Rigidez Marshall vs % Asfalto convencional. 57 Figura No.17 Estabilidad vs % de polisombra en la mezcla asfáltica de 15 cm. 58 Figura No.18 Flujo vs % de polisombra en la mezcla asfáltica de 15 cm. 59 Figura No.19 Rigidez Marshall vs % de polisombra en la mezcla asfáltica de 15 cm. 59

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Composición de emulsiones asfálticas 18 Tabla 2. Requisitos mínimos de calidad de agregados pétreos gruesos para bases granulares acordes con Invías, 2013. 21 Tabla 3. Granulometría de mezclas en concreto asfáltico 26 Tabla 4. Criterios para diseño de concreto asfaltico (Ensayo Marshall) 28 Tabla No.5 Propiedades técnicas de las fibras de polipropileno 45 Tabla No.6 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto Convencional - %Asfalto 4.5 50 Tabla No.7 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto Convencional - %Asfalto 5.0. 50 Tabla No.8 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto Convencional - %Asfalto 5.5. 51 Tabla No.9 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto Convencional - %Asfalto 5.5. 51 Tabla No.10 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm – % de polisombra 0,5. 52 Tabla No.11 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm – % de polisombra 1,0. 53 Tabla No.12 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm – % de polisombra 1,5. 53 Tabla No.13 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm – % de polisombra 2,0. 54 Tabla No.14 Verificación de cumplimiento de los parámetros exigidos por norma INVIAS (2013) para el contenido de asfalto optimo mezcla convencional. 57 Tabla No.15 Comparación asfalto óptimo vs Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm. 60 Tabla No.16 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto convencional. 60 Tabla No.17 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto modificado con 0,5% de adición polisombra de 15cm. 61 Tabla No.18 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto modificado con 1,5% de adición polisombra de 15cm. 61 Tabla No.19 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto modificado con 2,0% de adición de polisombra de 15cm. 61

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GLOSARIO AGREGADO: Antiguamente se decía que los agregados eran elementos inertes dentro del concreto ya que no intervenían directamente dentro de las reacciones químicas, la tecnología moderna se establece que siendo este material el que mayor % de participación tendrá dentro de la unidad cúbica de concreto sus propiedades y características diversas influyen en todas las propiedades del concreto. AGREGADO PETREO: 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 ASFALTO: Es un material viscoso, pegajoso y de color plomo (gris oscuro). Se utiliza mezclado con arena o gravilla para pavimentar caminos y como revestimiento impermeabilizante de muros y tejados. En las mezclas asfálticas es usado como aglomerante para la construcción de carreteras, autovías o autopistas. Está presente en el petróleo crudo y compuesto casi por completo de betún bitumen. El asfalto es una sustancia que constituye la fracción más pesada del petróleo crudo. BETÚN O BITUMEN: es una mezcla de sustancias orgánicas altamente viscosa, negra, de alta densidad completamente soluble en disulfuro de carbono y compuesta principalmente por hidrocarburos aromáticos policíclicos. Es un nombre genérico de varias sustancias, compuestas principalmente de carbono e hidrógeno, que se encuentran en la naturaleza y arden con llama, humo espeso y olor peculiar. La mayoría de los betunes contienen azufre y varios metales pesados como níquel, vanadio, plomo, cromo, mercurio y también arsénico, selenio y otros elementos tóxicos. MEZCLA: es la agregación de varias sustancias o cuerpos que no se combinan químicamente entre sí. A cada una de las sustancias que conforman una mezcla se le llama componente, los cuales al estar juntos o separados conservan sus propiedades características, e intervienen en proporciones variables. MEZCLA ASFALTICA: Se define como mezcla asfáltica (o bituminosa) en caliente a la combinación de áridos (incluido el polvo mineral) con un ligante. Las cantidades relativas de ligante y áridos determinan las propiedades físicas de la mezcla. PAVIMENTO: Es la base horizontal de una determinada construcción (o las diferentes bases de cada nivel de un edificio) que sirve de apoyo a las personas, animales o cualquier pieza de mobiliario. Un pavimento puede tener diversos tipos de revestimiento (madera, cerámica, etc.). También se denomina pavimento a los conectores de vías de comunicación con asfaltos combinados naturales.

http://www.monografias.com/trabajos55/agregados/agregados.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/histoconcreto/histoconcreto.shtml

http://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtml

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POLIMEROS: Son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión mediante enlaces covalentes de una o más unidades simples llamadas monómeros. Estos forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas. Los polímeros tienen elevadas masas moleculares.

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RESUMEN

Los asfaltos modificados son el producto de la disolución o incorporación de un aditivo modificador (polímero o no polímero), que son sustancias estables en el tiempo y a cambios de temperatura que se le añaden al material asfáltico para modificar sus propiedades como: la temperatura, plasticidad, cohesión, resistencia y al desgaste. Los modificadores aumentan la resistencia de las mezclas asfálticas a la deformación, a los esfuerzos de tensión y reducen el agrietamiento. El trabajo “análisis comparativo del comportamiento mecánico de mezclas de concreto asfáltico tipo 2 (mdc-19) con adición de polímeros.” se basa en analizar el comportamiento de la mezcla asfáltica (MDC-19) con adición de tiras de polímeros de 15 cm de largo o llamada comercialmente “polisombra”, utilizada para cerramientos en construcciones las cuales son desechadas y no tienen un proceso de reciclaje viable. La cual será adicionada en forma de tiras. Este proyecto se divide en 2 principales componentes los cuales son: La información documental, y la parte experimental, donde se realizaron 45 briquetas (20 para la mezcla convencional, 20 para mezcla modificada con tiras de polisombra de 15 cm con los siguientes porcentajes de adición. 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0% finalmente se realizaron 5 briquetas para realizar el ensayo de cántabro). Teniendo resultados positivos a la hora de comparar el asfalto modificado vs el asfalto tradicional; el porcentaje con mejor comportamiento y mejores resultados arrojados fue el de 1,0% de adición de tiras de polisombra de 15cm. Teniendo en cuenta los resultados se pudo concluir que los asfaltos modificados con adición de tiras de polisombra de 15 cm presentan un mejor comportamiento en los ensayos de rigidez, flujo y estabilidad mediante el diseño Marshall. Palabras claves: Asfaltos Modificados, Material Pétreo, Mezcla Densas en Caliente, Pavimento, Polímeros.

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INTRODUCCION

El Asfalto es un material viscoso y de color negro, que contiene propiedades y características para una gran variedad de usos, por su fácil manejo es utilizado en diferentes campos de la construcción de pavimentos con funciones aglomerantes impermeabilizantes y estabilizadoras; su consistencia es variable, está constituido mayoritariamente por una mezcla de hidrocarburos pesados, se encuentra en yacimientos naturales o se obtiene por refinación del petróleo y es usado como aglomerante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras o autopistas (entendiéndose como aglomerante aquellos materiales capaces de generar fuerzas para unir fragmentos de una o varias sustancias o materiales y dar cohesión al conjunto por diferentes métodos). El uso de cemento asfáltico modificado es una técnica usada en varios países con el fin de aprovechar los asfaltos en la pavimentación de vías. Éste consiste en la adición de polímeros y otros materiales a los asfaltos convencionales con el fin de mejorar sus características; es decir, su resistencia a las deformaciones por condiciones de servicio; además, incrementan la adherencia en la interface entre el material pétreo y el material asfáltico, conservándola aún en presencia del agua. Estas mezclas aumentan la resistencia a la deformación, a los esfuerzos de tensión repetida y, por lo tanto, a la fatiga, reducen el agrietamiento, así como la susceptibilidad de las capas asfálticas a las variaciones de temperatura. (UMSS, 2010) El documento contiene el desarrollo documental de los antecedentes y el desarrollo de un proceso práctico de verificación de la información que se encuentra dividido en 9 capítulos; en la primera parte se presenta una descripción de los materiales asfalticos, características y comportamientos de los materiales asfalticos. En el segundo capítulo se muestra la información documental sobre los materiales granulares, su caracterización en las capas granulares y los ensayos de laboratorio que se realizan para estos materiales granulares. En la tercera parte se presenta el capítulo de mezclas asfálticas, enfatizando en las mezclas densas en caliente MDC-19, continuando con el capítulo cuarto se muestra la información documental sobre los polímeros, sus usos y aplicaciones en la modificación de asfaltos. En el quinto capítulo se encuentra la descripción sobre los asfaltos modificados y sus diferentes aplicaciones. En los dos últimos capítulos se muestran los resultados de los ensayos de laboratorio realizados y el análisis de resultados para así concluir con la investigación presentada.

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OBJETIVOS

General

Comparar el comportamiento mecánico de la mezcla de concreto asfaltico tipo

2 (mdc-19) con adiciones de polímeros adicionadas al 0,5%, 1%, 1,5% y 2%.

Específicos

Elaborar muestras de mezclas asfálticas con adición de polisombra y analizar

el porcentaje óptimo de tiras de 15 cm que se debe adicionar a la mezcla.

Analizar los resultados obtenidos e identificar el comportamiento mecánico del

asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm.

Determinar el porcentaje de asfalto que se debe adicionar a la mezcla, mediante

el ensayo Marshall y determinar las ventajas y desventajas que puede tener el

asfalto con tiras de polisombra de 15 cm de acuerdo con las diferentes briquetas

sometidas al ensayo.

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1. MATERIALES ASFÁLTICOS

1.1. ASFALTO

El asfalto es una sustancia densa y pegajosa derivada del petróleo crudo, de color negro y muy impermeable que es mezclada con arena o grava, se usa para cubrir superficies, especialmente carreteras (UMSS, 2010). Es un material de particular interés para el ingeniero porque es un aglomerante resistente, adhesivo, altamente impermeable y duradero. Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con las que se combina usualmente. Además, es altamente resistente a la mayor parte de los ácidos, alcalinos y sales. Aunque es una sustancia sólida o semisólida a temperaturas atmosféricas ordinarias, puede licuarse fácilmente por aplicación de calor, por la acción de disolventes de volatilidad variable o por emulsificación. (UMSS, 2010) Los asfaltos son considerados como un material termoplástico, constituido en su estructura química por complejas cadenas de hidrocarburos, en las cuales se pueden diferenciar dos fracciones: una fracción pesada denominada asfáltenos, que corresponde a los enlaces Carbono e Hidrógeno en cadenas muy juntas lo que los hace material sólido, que corresponde al material que genera la resistencia para la mezcla y una ligera denominada máltenos, correspondiente al material que permite la manejabilidad de la mezcla. Esta fracción malténica a su vez se puede subdividir en tres fracciones principales: parafinas, resinas y aceites aromáticos.

1.1.1. Terminología del Asfalto

a. Asfalto de petróleo: Es un asfalto obtenido de la destilación del crudo del

petróleo, este consiste en calentar el crudo en hornos tubulares hasta aproximadamente 375ºC. Los componentes livianos (nafta, keroseno, gas oíl), hierven hasta esta temperatura y se transforman en vapor. La mezcla de vapores y líquido caliente pasa a una columna fraccionada. El líquido o residuo de destilación primaria se junta todo en el fondo de la columna y de ahí se bombea a otras unidades de la refinería. (UMSS, 2010)

b. Asfalto fillerizado: Asfaltos elaborados a partir de un cemento asfáltico,

al cual luego de un proceso de oxidación y logrado un alto punto de ablandamiento, se le incorpora una carga mineral inerte. (UMSS, 2010)

c. Asfalto líquido: Material asfáltico cuya consistencia blanda o fluida hace que esté fuera del campo de aplicación del ensayo de penetración, cuyo límite máximo es 300. Generalmente, se obtienen fluidificando el betún asfáltico con disolventes de petróleo, al exponer estos productos a los agentes atmosféricos los disolventes se evaporan, dejando solamente el

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betún asfáltico en condiciones de cumplir su función. El asfalto liquido se divide en:

i. Asfalto de curado Rápido (RC): Asfalto líquido compuesto de

betún asfáltico y un disolvente tipo nafta o gasolina, muy volátil. ii. Asfalto de curado medio (MC): Asfalto líquido compuesto de

betún asfáltico y un disolvente tipo querosene de volatilidad media.

iii. Asfalto de curado lento (SC): Asfalto líquido compuesto de betún asfáltico y aceites relativamente poco volátiles.

iv. Asfalto emulsificado: Emulsión de betún asfáltico en agua, que contiene pequeñas cantidades de agentes modificadores, es un sistema heterogéneo formado por dos fases normalmente inmiscibles (asfalto y agua), en el que el agua constituye la fase continua de la emulsión y la fase discontinua está formada por pequeños glóbulos de asfalto. Los asfaltos emulsificados pueden ser de dos tipos aniónico o catiónico, según el tipo de agente modificador empleado. (UMSS, 2010)

1.1.2. Funciones del asfalto.

El asfalto es un material altamente impermeable, adherente y cohesivo, capaz de resistir grandes esfuerzos instantáneos y fluir bajo la acción de cargas permanentes. Sus principales funciones son:

Impermeabilizar la estructura del pavimento, haciendo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de la precipitación.

Proporcionar una íntima unión y cohesión entre agregados, capaz de resistir la acción mecánica y disgregación producida por las cargas de los vehículos Igualmente mejora la capacidad portante de la estructura y, por ende, permite disminuir el espesor (UMSS, 2010)

El asfalto tiene propiedades tales como consistencia, adhesividad, impermeabilidad y durabilidad. Estas propiedades lo hacen adecuado para la construcción de pavimentos flexibles, bases estabilizadas, emulsiones asfálticas, entre otras posibles aplicaciones o desarrollos en la construcción y la ingeniería. En su mayoría, los asfaltos se comportan como sólidos o semisólidos a una temperatura ambiente y su comportamiento varía dependiendo a la temperatura a la que se lo someta.

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1.2. EMULSIONES ASFÁLTICAS

Una emulsión desde el punto de vista físico-químico, es una dispersión fina estabilizada de un líquido en otro, no miscibles entre sí, es decir, que son materiales que entran en contacto, pero no se mezclan completamente. La emulsión asfáltica es un producto conseguido por la dispersión de una fase asfáltica en una base acuosa, donde las partículas quedan electrizadas, por lo tanto los líquidos que la forman constituyen dos partes que se denominan: Fase dispersa o discontinua y Fase dispersante o continua. (UMSS, 2010) La composición de la emulsión asfáltica se basa en tres ingredientes básicos: Asfalto, agua y un agente modificador. En algunas ocasiones el agente puede contener un estabilizador. El agua y el asfalto no se mezclan, por ende, el propósito es conseguir una dispersión de betún asfaltico en agua, suficientemente estable para el bombeo, almacenamiento prolongado y mezclado. Del mismo modo, la emulsión deberá romper rápidamente al entrar en contacto con el agregado en el mezclador o después de ser esparcida sobre la superficie de la vía. Una vez curado, el asfalto conserva todas las propiedades de adhesividad, durabilidad y resistencia al agua del betún asfáltico usado para producirla. (UMSS, 2010)

1.2.1. Betún asfáltico.

El betún asfaltico tiene la característica de ser el ingrediente básico de una emulsión, de la cual no existe correlación exacta entre las propiedades del betún asfáltico y la facilidad con la cual el asfalto puede emulsificarse. A veces, las condiciones climáticas pueden determinar el uso de un asfalto más blando o más duro. En cualquier caso, es esencial la compatibilidad del agente modificador con el betún asfáltico para producir una emulsión estable. (UMSS, 2010)

1.2.2. Agentes Emulsificantes.

Las propiedades de una emulsión dependen notablemente del producto químico usado como emulsificante. Dicho químico es un agente con actividad de superficie, comúnmente llamado “surfactante”, que determina si la emulsión se clasificará como aniónica, catiónica o no iónica. El emulsificante, también mantiene los glóbulos de asfalto en suspensión estable y permite su rotura oportuna. (UMSS, 2010) Los Emulsificantes aniónicos más frecuentemente usados son los ácidos grasos derivados de la producción maderera, tales como aceites de tallos, resinas y ligninas. Los emulsificantes aniónicos son saponificados (vueltos jabón) por reacción con hidróxidos de sodio o potasio y los emulsificantes catiónicos son aminas grasas (diaminas, imidazolinas y amidoaminas). Las aminas son convertidas en jabón por reacción con un ácido, generalmente clorhídrico. Otro tipo

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de agente emulsificante es la sal cuaternaria de amonio, que se usa para producir emulsiones catiónicas. A continuación, se muestra una relación porcentual del contenido aproximado de los distintos ingredientes que componen la emulsión asfáltica. Tabla No.1 Composición de emulsiones asfálticas

Elemento Emulsión normal

Betún Asfaltico 40 - 70

Emulsificante 0,2 – 1,5

Agua 40 - 60

Fuente: Manual del asfalto En tabla No.1 observamos los rangos específicos para la composición de las emulsiones asfálticas para que estas cumplan según las especificaciones dadas por la norma.

1.3. CARACTERISTICAS Y COMPORTAMIENTOS DE MATERIALES

ASFALTICOS

1.3.1. Durabilidad.

Es la capacidad que tiene la estructura de pavimento para resistir la acción de los factores climáticos y del tránsito, que se observa en los cambios en las propiedades del asfalto y separación de las películas de asfalto. (UMSS, 2010)

1.3.2. Estabilidad.

Es la capacidad para resistir la deformación bajo las cargas del tráfico. Una estructura del pavimento presenta varios tipos de fallas como ahuellamientos, fisuraciones y fatiga. (UMSS, 2010)

1.3.3. Impermeabilidad.

Es la resistencia que posee la estructura al paso del agua y aire hacia el interior del pavimento.

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2. MATERIAL GRANULAR.

Antiguamente se decía que los agregados eran elementos inertes dentro del concreto ya que no intervenían directamente dentro de las reacciones químicas, la tecnología moderna se establece que siendo este material el que mayor % de participación tendrá dentro de la unidad cúbica de concreto sus propiedades y características diversas influyen en todas las propiedades del concreto. La influencia de este material en las propiedades del concreto tiene efectos importante no sólo en el acabado y calidad final del concreto sino también sobre la maleabilidad y consistencia al estado plástico, así como sobre la durabilidad, resistencia, propiedades elásticas y térmicas, cambios volumétricos y peso unitario del concreto endurecido. (Reyes, 2015)

2.1. CARACTERIZACION DE LOS AGREGADOS

La caracterización de los agregados se hace con el fin de cumplir con los parámetros exigidos por la normatividad INVIAS, sin embargo, hay características que definen el tipo de mezcla asfáltica, como lo es el caso de la gradación. (Reyes, 2015) Es de gran importancia realizar esta caracterización ya que nos permite controlar la relación de porosidad de la muestra, además prevenir la segregación en la mezcla y garantizar los niveles de compactación y buen comportamiento del concreto asfáltico ante condiciones de servicio y temperatura. (Reyes, 2015) Agregado Grueso: El agregado grueso es la fracción de material comprendido entre el material que pasa el tamiz de 1 ½ pulgada siendo este el tamaño máximo para uno de los tipos de mezclas asfálticas y el retenido en el tamiz N° 4, es decir partículas comprendidas entre los 37.5 mm y los 4.75 mm. (Reyes, 2015) Agregado Fino: El agregado fino es la fracción de material comprendido entre el material que pasa el tamiz N° 4 y el retenido en el tamiz N° 200, es decir partículas menores de 4.75 mm y mayores o iguales a 0.075 mm. (Reyes, 2015) Caracterización de los agregados para las bases granulares: Las propiedades químicas de los agregados son importantes cuando se van a emplear los pavimentos y en pavimentos asfalticos, la química de los agregados puede determinar la adherencia entre ellos y el asfalto. En pavimentos rígidos, los agregados contienen formas reactivas de sílice pueden presentar reacciones expansivas con los álcalis contenidas en la pasta del cemento. Las propiedades generales de los materiales granulares para bases y subbases se basa principalmente en la densidad y estabilidad. La masa de los materiales granulares para capas de subbase y base deberá poseer una adecuada estabilidad

http://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/conge/conge.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/plasti/plasti.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

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por trabazón mecánica, de manera que soporte adecuadamente los esfuerzos impuestos por las cargas de construcción y del tránsito automotor. Así mismo, la estabilidad de un material granular depende de la distribución de los tamaños de las partículas (granulometría), de las formas de las partículas, de la densidad relativa, de la fricción interna y de la cohesión. (Reyes, 2015)

2.2. CAPAS GRANULARES

2.2.1. Base granular.

La base granular es la capa de la estructura de pavimento que por lo general subyace la carpeta asfáltica en un pavimento flexible, a la losa de concreto en uno de tipo rígido y a la capa estabilizada con cementante hidráulico en un semirrígido, esta capa está compuesta por materiales granulares no tratados colocados sobre la subbase. En algunas ocasiones esta capa puede ser construida directamente sobre la subrasante cuando esta presenta buen comportamiento mecánico suficiente para las cargas que le van a ser impuestas por efecto del peso de la estructura y las cargas de tráfico durante el periodo de diseño. La función principal de esta capa en pavimentos flexibles en transmitir las cargas impuestas por el transito con una adecuada distribución de los esfuerzos a las capas subyacentes (Reyes, 2015) En un pavimento flexible el espesor compactado de la capa de base oscila entre 10 y 30 cm, y en uno rígido entre 10 y 25 cm. En Colombia el Invías clasifica las bases granulares (BG) como BG-25, BG-27, BG-38, BG-40. El número indica el tamaño máximo de partícula del agregado pétreo en mm. Los requisitos mínimos de calidad que deben cumplir los agregados pétreos que conformaran la capa de BG se presenta en la tabla No. 2. (Reyes, 2015)

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Tabla No.2 Requisitos mínimos de calidad de agregados pétreos gruesos para bases granulares acordes con Invías, 2013.

Fuente: Invías (2013) En la tabla No.2 se observan los requisitos mínimos que se deben cumplir en cada uno de los ensayos que se le realiza al material granular para que este cumpla con los requerimientos mínimos y máximos según Norma INVIAS.

2.2.2. Subbase granular.

La subbase granular es la capa de la estructura del pavimento que soporta a la base granular está compuesta por materiales granulares no tratados colocados generalmente sobre la subrasante cuando esta cuenta con las capacidades para tal fin, la subrasante mejorada cuando esta cuando es un material blando o inestable, el afirmado cuando los cortes para vía obligan a mejorar el material y confirmar parte de la vía de manera que los costos sean menores que llenar completamente con material de subbase o terraplenes cuando se deben realizar rellenos para configurar la banca de las vías. Al igual que la capa de base, la subbase presenta como función principal, en pavimentos flexibles, transmitir a la subrasante los esfuerzos que el transito impone distribuyendo adecuadamente los esfuerzos aplicados de manera que los mismos sean tolerables por el material del suelo. También contribuye al drenaje y facilita los procesos constructivos. En algunas ocasiones sirve para contrarrestar los cambios volumétricos producidos por subrasante de material

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expansivo. Por estar conformada por agregados pétreos de menor costo que aquellos utilizados para base granular. (Reyes, 2015)

2.2.3. Subrasante.

Es la capa sobre la cual se soporta o cimenta la estructura del pavimento. Debe soportar en última instancia las cargas producidas por el tránsito, presentar un comportamiento adecuado ante la acción del medio ambiente y suministrar apoyo uniforme a la estructura del pavimento. De la calidad de esta capa depende, en gran parte, el espesor que tendrá cada una de las capas de un pavimento. Adicionalmente, debe poseer propiedades físicas y químicas que no cambien en el tiempo. Algunas cualidades deseables en una subrasante son:

Alta resistencia mecánica. Resistencia durante la vida útil del pavimento. Alta densidad o grado de compacidad. Baja susceptibilidad a cambios volumétricos y al agua. (Reyes, 2015)

2.3. ENSAYOS DE LABORATORIO

Para el desarrollo de las mezclas asfálticas, los agregados son sometidos a una serie de pruebas de laboratorio en la que se evalúan las características mecánicas y de durabilidad de los mismos, de tal manera que se garantice que el material granular cuenta con las condiciones necesarias para soportar tanto el proceso como las cargas durante su vida útil; las pruebas más significativas que la normatividad obliga se describen a continuación.

2.3.1. Resistencia al desgaste en la máquina de Los Ángeles (INV. E.218-13,

219-13).

Ensayo utilizado en teoría para medir la resistencia a la abrasión o desgaste por fricción entre partículas. Sin embargo, la realidad es que el ensayo solo representa una resistencia a la fractura entre partículas por impacto ya que, durante la prueba, agregados pétreos gruesos de hasta 37.5 mm son impactados dentro de un cilindro metálico por esferas de acero de diámetro aproximado 46.8 mm y una masa comprendida entre 290 y 445 g. (Reyes, 2015)

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Figura 1. Máquina de los ángeles.

Fuente: (Aconstructoras, 2017)

2.3.2. 10% de finos (INV. E-224-13).

Ensayo ejecutado para evaluar la resistencia al fracturamiento de las partículas del agregado grueso que componen la mezcla asfáltica. En este ensayo se mide la carga monotónica de compresión necesaria que se debe aplicar a las partículas del agregado pétreo grueso para que este se fracture de tal forma que produzca un 10% de material fino que pase el tamiz No. 8 de un ensayo de granulometría por cribado.

2.3.3. Sulfatos de sodio o de magnesio (INV. E-220-23).

Ensayo que busca evaluar la resistencia del agregado pétreo a desintegrarse cuando, dentro de sus poros, el agua se expande por congelamiento. En teoría, es un ensayo que busca evaluar la resistencia del agregado pétreo al intemperismo. En el ensayo, una muestra el agregado pétreo se sumerge en sulfato de sodio o magnesio para luego ser secada en horno. (Reyes, 2015)

2.3.4. Contenido de impurezas (INV. E-237-13).

El ensayo permite determinar el contenido de partículas de diámetro inferior a 0,5 mm que se encuentran mezcladas o adheridas a la superficie de agregados pétreos gruesos. El ensayo busca eliminar del agregado grueso aquellas partículas indeseables en los pétreos como son arcilla, plástico, madera, polvo, materia orgánica.

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2.3.5. Valor de azul de metileno (INV. E-235-13).

A través de este ensayo se determina la cantidad de material indeseable como es el caso de las arcillas o de material orgánico presente en la fracción fina del agregado pétreo. (Reyes, 2015)

2.3.6. Equivalente de arena (INV. E-133-13).

Este ensayo es utilizado para evaluar el contenido de las partículas de tamaño de arcilla adheridas a una muestra de agregado fino. El exceso de partículas de tamaño de arcilla en una mezcla asfáltica es indeseable porque esta fracción empieza a reemplazar las partículas gruesas del agregado pétreo.

2.3.7. Geometría de partículas.

Lo ideal en una mezcla asfáltica es que el agregado pétreo presente forma redondeada con caras fracturadas. Las partículas con esta forma generan un esqueleto granular más compacto, menos deformable bajo carga y con mayor rigidez entre contactos. Para evaluar la forma de las partículas del agregado pétreo grueso dentro de la mezcla asfáltica, los principales ensayos que se ejecutan son:

Caras fracturadas a una y dos caras (INV. E-227-13) Índice de aplanamiento y alargamiento (INV. E-230-13) Partículas planas y alargadas (INV. E-240-13) Angularidad (INV. E-239-13)

2.3.8. Adherencia.

Algunos ensayos para evaluar la adherencia entre el agregado pétreo y el ligante asfaltico son:

Adhesividad Riedel Weber (INV. E-774-13) Adhesividad en bandeja (INV. E-740-13) Strippping (INV. E-737-13)

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3. MEZCLAS ASFALTICAS

Las mezclas asfálticas son la combinación de agregados pétreos y un ligante asfaltico. Se elaboran normalmente en plantas mezcladoras, pero en algunos casos pueden fabricarse in situ. Algunas mezclas asfálticas son: (UMSS, 2010)

Mezclas abiertas en frio: Combinación de un agregado que predominantemente es grueso y de granulometría uniforme más un ligante bituminoso constituyendo un producto que pueda manejarse, extenderse y compactarse a la temperatura ambiente. (Reyes, 2015)

Mezclas abiertas en caliente: Mezclas asfálticas cuya proporción de vacíos supera el 12%, estas mezclas normalmente son utilizadas como base ya que por su constitución abierta con muchos vacíos ejercen una función de resistencia generada por el rozamiento interno de su esqueleto mineral. (UMSS, 2010)

Mezclas densas en frio: Es la combinación de un ligante bituminoso con agregados minerales bien gradados granulométricamente, con un elevado porcentaje de finos y que es posible fabricar, extender y compactar a temperatura ambiente.

Concreto asfaltico o mezcla densa en caliente. Lechadas: Son un sistema de revestimiento de pavimentos de aplicación en

frio compuesto por una mezcla de emulsión, agregados seleccionados, agua y rellenos minerales tipo cemento o cal., distribuidas uniformemente sobre la superficie de un pavimento existente en espesores de 3 a 10mm.

Mezclas asfálticas drenantes: Aquellas que tienen un contenido de vacíos mínimo del 20%, esta mezcla se coloca en la parte superior del pavimento tipo mezcla densa tradicional, lo que permite que a través de ella se filtre el agua de lluvia con rapidez y pueda ser evacuada hacia cunetas u otros elementos de drenaje. (UMSS, 2010)

3.1. MEZCLA DENSA EN CALIENTE O CONCRETO ASFALTICO

En Colombia estas mezclas son conocidas como MDC (Mezclas densas en caliente), MSC (Mezclas semidensas en caliente), MGC (Mezcla gruesa en caliente) y MAM (Mezcla de alto modulo). Internacionalmente, son conocidas como mezclas HMA. (Reyes, 2015) Las mezclas densas en caliente o concreto asfaltico presentan agregados pétreos con granulometría bien gradada y con tamaño de partículas solidad diferentes (gravas, arenas, finos, llenamente mineral), mezcladas con cemento asfaltico. Estas mezclas deben fabricarse, extenderse y compactarse a alta temperatura (La fabricación debe estar entre 140 y 180°C aproximadamente, dependiendo de la viscosidad del asfalto, esto se da puesto que el proceso de transporte, colocación y compactación hacen que la mezcla va perdiendo temperatura y si la colocación se

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realiza por debajo de las temperaturas permisibles, la durabilidad del concreto en obra se afecta negativamente. Las mezclas en caliente se caracterizan por presentar un bajo contenido de vacíos con aire en volumen (entre 3% a 9% en general). Son mezclas de alta calidad, las cuales pueden ser utilizadas para conformar cualquier subcapa dentro de la capa asfáltica (Rodadura, base intermedia y/o base asfáltica). El agregado pétreo utilizado para la elaboración de mezclas de concreto asfaltico debe satisfacer los requisitos de granulometría y calidad del agregado grueso presentado en la tabla 3. (hormigon, 2000)

Tabla No.3 Granulometría de mezclas en concreto asfáltico

INVIAS - 2013

TAMIZ Porcentaje que pasa

Normal Alterno MDC-25 MDC-19 MDC-10

37.5 mm 1 1/2" - - -

25.0 mm 1" 100 - -

19.0 mm 3/4" 80-95 100 -

12.5 mm 1/2" 67-85 80-95 -

9.5 mm 3/8" 70-88 70-88 100

4.75 mm No. 4 49-65 49-65 65-87

2.00 mm No. 10 29-45 29-45 43-61

425 µm No. 40 14-25 14-25 16-29

180 µm No. 80 8-17 8-17 9-19

75 µm No. 200 4-8 4-8 5-10

Fuente: Invias (2013) En la tabla No.3 se observa la guía de granulometría para las mezclas asfálticas, teniendo en cuenta que el diseño de mezcla que se aplica para esta investigación es MDC-19.

3.2. DISEÑO MARSHALL.

El diseño de las mezclas en concreto asfaltico, cuando el tamaño máximo de partícula del agregado pétreo es inferior a 1”, se realiza por medio del ensayo Marshall (INV E-748-13), teniendo en cuenta los criterios que se presentan en la tabla No. 5. En este ensayo se mide la composición volumétrica y la resistencia de la mezcla asfáltica bajo carga monotónica a través de la relación entre la estabilidad (E) y el flujo (F), con el fin de determinar el porcentaje óptimo de asfalto que debe

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presentar la mezcla para desarrollar en teoría su mejor comportamiento. (E) puede ser entendida como la máxima carga monotonica que es capaz de resistir una briqueta de 1200 g de masa y dimensiones de 4” de diámetro y 2.5” de altura a altas temperaturas de servicio (60°C, considerando un pavimento en zonas cálidas cerca del mediodía en las que las temperaturas de las carpetas son elevadas) en el aparato Marshall (Ver figura No.2), mientras que (F) es el desplazamiento que experimenta en el momento de la falla. (hormigon, 2000)

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Tabla No.4 Criterios para diseño de concreto asfaltico (Ensayo Marshall)

Fuente: Invías, 2013

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Figura No.2. Aparato Marshall

Fuente: (sistemas, 2017)

3.2.1. Procedimiento Ensayo Marshall.

En el ensayo Marshall (INV. E-748-12,07) se fabrican al menos tres briquetas (Compactadas a 25, 50 o 75 golpes por cara dependiendo del nivel de trafico al que va ser sometida la vía), empleando la granulometría solicitada, para cada porcentaje de asfalto de 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%, 6.5% y 7.0%, con el fin de realizar el diseño de la mezcla. La temperatura de la mezcla y compactación de las briquetas se escoge con base en el ensayo de viscosidad realizado a los cementos asfalticos cumpliendo con el rango especificado para mezclas del tipo denso. El calentamiento de los agregados pétreos debe ser suficiente para que este no presente humedad ni pueda verse comprometida la adherencia con el cemento asfaltico, y para evitar la oxidación prematura de este último. (Aurelio, 1998)

Para calentar los agregados, el material asfaltico, el conjunto de compactación y la muestra, se empleara un horno o placa de calefacción, provisto de control termostático, capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de (Aurelio, 1998)2.8 C. La temperatura a la cual se debe calentar el cemento asfaltico para las mezclas será la querida para producir una viscosidad de 170 +20 centiStokes. (Aurelio, 1998)

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3.2.2. Ensayo de estabilidad y flujo

Se colocan las probetas en un baño de agua durante 30 o 40 minutos o en el horno durante 2 horas, manteniendo el baño o el horno a 60° ± 1° C (140° ± 1.8° F). Se limpian perfectamente las barras guías y las superficies interiores de las mordazas de ensayo antes de la ejecución de éste, y se lubrican las barras guías de tal manera que la mordaza superior se deslice libremente. La temperatura de las mordazas se deberá mantener entre 21.1° C y 37.8° C (70° F a 100° F), empleando un baño de agua cuando sea necesario. (Aurelio, 1998) Se retira una probeta del baño de agua u horno y se coloca centrada en la mordaza inferior; se monta la mordaza superior con el medidor de deformación y el conjunto se sitúa centrado en la prensa. Se coloca el medidor de flujo en posición, se ajusta a cero, y se mantiene su vástago firmemente contra la mordaza superior mientras se aplica la carga de ensayo. La carga sobre la probeta con la prensa a una rata de deformación constante de 50.8 mm (2") por minuto, hasta que ocurra la falla, es decir cuando se alcanza la máxima carga y luego disminuye, según se lea en el dial respectivo. Se anota el valor máximo de carga registrado en la máquina de ensayo o, si es el caso, la lectura de deformación del dial indicador, la cual se convierte a carga, multiplicándola por la constante del anillo. El valor total en Newtons (kgf) que se necesite para producir la falla de la muestra se registrará como su valor de Estabilidad Marshall. (hormigon, 2000)

Figura No.3 Ensayo de estabilidad de flujo

Fuente: (sistemas, 2017)

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3.3. ENSAYO DE CANTABRO (INV. E-760-07)

El ensayo de cántabro determina del valor de la pérdida por desgaste de las mezclas asfálticas empleando la máquina de Los Ángeles. El procedimiento se puede emplear tanto en el proyecto de mezclas de laboratorio. Como para el control de obra de las mismas. (INVIAS, 2013)

3.3.1. Procedimiento.

La temperatura de ensayo estará comprendida entre 15º y 30º C, con una tolerancia máxima de ± 1º C. (INV. E-760-3) Se determina la masa de cada probeta con aproximación de 0.1 g y se anota este valor como P1. Antes de ensayarlas, las probetas se mantienen a la temperatura de ensayo un mínimo de seis (6) horas. Se introduce a continuación una probeta en el bombo de la máquina de Los Ángeles y, sin la carga abrasiva de las bolas, se hace girar el tambor a la misma velocidad normalizada en las normas (INV E–218 e INV E–219) de 3.1 a 3.5 rad/s (30 a 33 rpm), durante 300 vueltas. Al final del ensayo, se saca la probeta y se determina de nuevo su masa con la misma aproximación de 0.1 g, anotando este valor como P2. El ensayo se repite de forma idéntica con cada una de las probetas análogas preparadas.

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4. POLIMEROS

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión repetida de una o varias moléculas unidad por enlaces covalentes. El termino macromolécula significa molécula muy grande. “Polímero” y “Macromolécula” son términos que suelen utilizarse indistintamente, aunque estrictamente hablando no son equivalentes ya que las macromoléculas, en principio, no requieren estar formadas por unidades de repetición. (Brindis, 2002) Dependiendo de su origen, los polímeros pueden ser naturales o sintéticos. Los sintéticos contienen normalmente entre uno y tres tipos diferentes de unidades que se repiten, mientras que los naturales o biopolímeros como la celulosa, el ADN o las proteínas presentan estructuras mucho más complejas. Los polímeros sintéticos tienen, hoy por hoy, mayor interés en el punto de vista comercial, por lo que en general siempre se refieren a ellos (Brindis, 2002) Los monómeros son compuestos de bajo peso molecular que puede unirse a otras moléculas pequeñas para formar macromoléculas de cadenas largas comúnmente conocidas como polímeros. Los polímeros son mezclas de macromoléculas de distintos pesos moleculares, por lo tanto, no son especies químicas puras y tampoco tienen un punto de fusión definido. Cada una de las especies forman a un polímero si tiene un peso molecular determinado (Mi) y por lo tanto, para caracterizar una muestra de polímero se busca caracterizar la distribución de pesos moleculares de las moléculas de las especies que lo conforman. (Brindis, 2002)

4.1. ESTRUCTURA DE LOS POLIMEROS.

La estructura de los polímeros se suele considerar en dos niveles, estructura química y estructura física. La estructura química se refiere a la construcción de la molécula individual y la estructura física al ordenamiento de unas moléculas respecto a otras.

4.1.1. Estructura química.

En los polímeros la unión entre monómeros se realiza siempre mediante enlace covalentes. La figura No.4 muestra un trozo de la cadena de polietileno. Los átomos de carbono que constituyen la cadena principal presentan una configuración. Por tanto sus orbitales se dispondrán formando un tetraedro en torno al átomo de carbono y el angulo de enlace de dos carbonos consecutivos será de aproximadamente 109°. (Brindis, 2002)

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Figura No.4 Configuración Sp para los átomos de carbono de la cadena principal de la molécula de polietileno.

Fuente: Introducción a la química de los polímeros”, 1995.

4.1.2. Estructura Física.

Los términos cristalino y amorfo se utilizan normalmente para indicar las regiones ordenadas y desordenadas de los polímeros, respectivamente. La figura No.5 muestra un esquema de un sistema amorfo, uno semicristalino y otro cristalino. En estado sólido algunos polímeros son completamente amorfos, otros son semicristalinos y, dependiendo de las condiciones de cristalización, un polímero con capacidad de cristalizar puede ser amorfo o semicristalino. (Brindis, 2002)

Figura No.5 Estructura física de los polímeros.

Fuente: “Introducción a la química de los polímeros” 1995

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4.2. USOS Y APLICACIONES

Las aplicaciones del poliestireno son principalmente las relacionadas con el aislamiento térmico y la resistencia mecánica. Sus usos se manejan principalmente en la industria de la construcción, el empaque de alimentos y el embalaje. Debido a sus características higiénicas e inertes es de gran utilidad en el empaque de alimentos ya que no genera un medio propicio para la formación de bacterias. (Brindis, 2002) Gracias a sus características mecánicas (gran resistencia) y su bajo peso, se convierte en un elemento de gran utilidad en la industria de los embalajes, ya que por su bajo peso reduce los costos de envió y su capacidad de absorber la energía producida por golpes y vibraciones ayuda a la protección del objeto a enviar. También sus propiedades de aislamiento térmico y acústico le permiten ser un elemento de gran utilidad en la construcción, ya que puede generar ahorro energético a la hora de construir en países de clima templado o tropical. Además, su bajo peso también resulta tentativo en la construcción para su utilización como aligerante de losas de edificios y aligerante para concretos. (Brindis, 2002) En Colombia actualmente se generan 10 millones de toneladas de basura por año, de estos 10 millones el 65% corresponde a residuos orgánicos (abono), el 35% restante puede ser reutilizado (reciclado), dentro este 35% se encuentran residuos como polímeros (14%), Caucho (1%), papel (5%), metal (1%) entre otros. De estos polímeros se reutilizan solo el 6,44%, el resto es arrojado a rellenos sanitarios, botaderos a cielo abierto o incinerado, causando un grave daño ambiental. A demás de su disposición que causa un grave daño ambiental, al producir polímeros se aprovecha el petróleo, que es un recurso natural no renovable, utilizando cerca del 4% del total del petróleo mundial. (Brindis, 2002) El 6,44% que se recicla, se realiza de dos formas, por medio del reciclaje mecánico o el reciclaje químico, aunque algunas empresas realizan incineración para usarlos como recurso energético, esta forma de reciclaje no es amigable con el ambiente ya que esta incineración genera gases muy tóxicos como CO, CO2, acetaldehído, benzoato de vinilo y ácido benzoic. (Brindis, 2002)

4.3. POLÍMEROS UTILIZADOS EN LA MODIFICACIÓN DE ASFALTOS.

Los polímeros se clasifican en dos grandes grupos: termoendurecibles y termoplásticos. Los primeros no se utilizan para modificar asfaltos porque son materiales que a altas temperaturas se descomponen o degradan sus propiedades. Los termoplásticos a su vez se subdividen en dos clasificaciones:

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Elastómeros Plastómeros

Los tipos de elastómeros más utilizados para modificar asfaltos son los cauchos naturales como el estireno-butadieno-estireno (SBS), cauchos sintéticos derivados del petróleo y el grano de llanta reciclado y triturado (GCR). (Brindis, 2002) Dentro de la gama de los Plastomeros se encuentran, entre otros: el polietileno de alta y baja densidad (PEAD, PEBD), polipropileno (PP), poliestireno (PS) y policluro de vinilo (PVC). La mayor parte de las investigaciones realizadas en el área de los asfaltos modificados utilizan como agentes modificadores polímeros de tipo elastómero, 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, especialmente a altas temperaturas de servicio (Ver tabla No. 5.)

Tabla No.5 Polímeros utilizados con asfalto

Tipo de modificador Ejemplo

Elastómeros Natural

SBS

SBR

EPDM

PBD

Plastómeros EVA

EMA

PE

PP

Poliestireno

Fuente: Obtención y caracterización de un material polimérico a partir de la mezcla de polietileno de baja densidad. 2009

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4.4. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS POLÍMEROS

4.4.1. Resistencia.

Cuando se habla de resistencia en polímeros, este tiene varios tipos:

Resistencia a la tracción: La resistencia a la tracción o tenacidad es el máximo esfuerzo que un material puede resistir antes de su rotura por estiramiento desde ambos extremos con temperatura, humedad y velocidad

especificadas. El ensayo de tracción de un material consiste en someter a

una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.

Resistencia a la compresión: La resistencia a la compresión es el máximo esfuerzo que un material rígido puede resistir bajo compresión longitudinal. No es necesario el esfuerzo en el punto de rotura, pero es de significación en materiales que quebrantan bajo una cierta carga. La unidad es fuerza

por unidad de área de sección transversal inicial, expresada como Pa. El ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier

material. Se suele usar en materiales frágiles. La resistencia a compresión

de todos los materiales siempre es mayor que a tracción. Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en un dispositivo para ensayo de compresión o una máquina universal de ensayos. (Brindis, 2002)

Resistencia a la flexión: La resistencia a la flexión estática, también conocida como módulo de rotura, representa el máximo esfuerzo desarrollado en la superficie de la probeta en forma de barra, soportada cerca del extremo y cargada en el centro hasta que ocurra la falla. La unidad es fuerza por unidad de área, en Pa. El ensayo es aplicable solamente a materiales rígidos.

Resistencia al impacto (Tenacidad): La resistencia al impacto representa la resistencia o tenacidad de un material rígido a la repentina aplicación de una carga mecánica. Es convencionalmente determinado por medición de la energía requerida para fracturar una probeta bajo condiciones

normalizadas. La energía absorbida en la fractura de la probeta estándar se

expresa en Joule/m. El impacto es convenientemente obtenido por la caída de un péndulo. (Brindis, 2002)

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4.4.2. Elongación

La resistencia indica cuánta tensión se necesita para romper algo, sin embargo, ahí es donde corresponde estudiar el comportamiento de elongación de la muestra polimérica. La elongación es un tipo de deformación, que simplemente expresa el cambio en la forma que experimenta cualquier material bajo tensión. Cuando se habla de tensión, la muestra se deforma por alargamiento. Esto precisamente es la elongación. Por lo general, se habla de porcentaje de elongación, que es el largo de la muestra después del alargamiento (L), dividido por el largo original (L0), y multiplicado por 100. (Brindis, 2002)

L/ L0 x 100 % = Elongación.

4.4.3. Modulo.

Si se quiere conocer cuánto un material resiste la deformación, se mide algo llamado módulo. Para medir el módulo de tracción, se hace lo mismo que para medir la resistencia y la elongación; esta vez se mide la resistencia ejercida sobre el material, tal como se procede con la resistencia a la tracción, incrementándose lentamente la tensión y midiendo la elongación que experimenta la muestra en cada nivel de tensión, hasta que finalmente se rompe. Luego, se grafica la tensión versus elongación, de este modo: (ver Figura No.6).

Figura No.6 Tensión Vs Elongación

Fuente. Propiedades básicas de los polímeros 2002.

Cuando el resultado de la gráfica Tensión Vs Elongación (Ver Figura No.6) no es una recta, se obtiene otro tipo de curva que especialmente se observa con polímeros como lo son los plásticos flexibles (Ver Figura No.7)

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Figura No.7 Tensión Vs Elongación

Fuente: Propiedades básicas de los polímeros. 2002.

4.4.4. Tenacidad.

La tenacidad es en realidad, una medida de la energía que una muestra puede absorber antes de que se rompa. Si la altura del triángulo del gráfico (Ver Figura No.8) es la resistencia y la base de ese triángulo es el alargamiento, entonces el área es proporcional a resistencia por alargamiento. Dado que la resistencia es proporcional a la fuerza necesaria para romper la muestra y el alargamiento es 40 medido en unidades de distancia (la distancia a que la muestra es alargada), entonces la resistencia a la tracción es proporcional a la fuerza por la distancia y según la Física: fuerza por distancia es energía. (Brindis, 2002) Resistencia x Deformación ≈ Fuerza x Distancia = Energía.

Figura No.8. Tenacidad

Fuente: Propiedades básicas de los polímeros. 2002. El comportamiento mecánico de varios tipos de polímeros se puede ver resumido en una gráfica (Ver Figura 9.)

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Figura No.9 Comportamiento mecánico de varios tipos de polímeros

Fuente: Propiedades básicas de los polímeros. 2002.

4.5. FIBRAS DE POLIMEROS

Una fibra polimérica es un polímero cuyas cadenas están extendidas en línea recta una al lado de la otra a lo largo de un mismo eje. Algunos de los polímeros que pueden ser empleados como fibras son el polipropileno, polietileno y los poliuretanos entre otros. (Quiroga, 2014) El polipropileno es un polímero de hidrocarburo sintético cuya fibra está hecha usando procesos de extrusión por medio de estiramiento en caliente del material a través de un troquel; son hidrófobas, y por lo tanto tienen como desventaja el tener pobres características de adherencia con la matriz del cemento, un bajo punto de fusión, alta combustibilidad y un módulo de elasticidad relativamente bajo. Las fibras de polipropileno son tenaces, pero tienen baja resistencia a la tensión y bajo módulo de elasticidad. (Quiroga, 2014) Las fibras de Polipropileno primero fueron usadas para hormigón reforzado en los años sesentas. El polipropileno es un polímero de hidrocarburo sintético cuya fibra está hecha usando procesos de extrusión por medio de estiramiento en caliente del material a través de un troque. (Quiroga, 2014) Este tipo de fibras tienen ciertas propiedades, que las hacen más favorables para su mezclado en el hormigón. No tienen reacción química y son muy estables, presentan una superficie impermeable por lo cual no quita agua de mezclado, son livianas y pueden alcanzar medianas resistencias a la tensión, sin embargo, son tenaces. Pueden ser fabricadas en diversas formas y con costos más bajos que otros tipos de fibra. (Quiroga, 2014)

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Al ser hidrófobas tienen como desventajas el tener pobres características de adherencia con la matriz del cemento, un bajo punto de fusión, alta combustibilidad y un módulo de elasticidad relativamente bajo. Las largas Fibras de Polipropileno pueden resultar difíciles de mezclar debido a su flexibilidad y a la tendencia a enrollarse alrededor de las orillas extremas de las hojas de la mezcladora (Quiroga, 2014) Una detallada información sobre las propiedades más importantes de las fibras de polipropileno se muestra a continuación (Ver Tabla No.5.)

Tabla No.5 Propiedades técnicas de las fibras de polipropileno

Fuente: Propiedades básicas de los polímeros. 2002

4.5.1. Influencia de las fibras de polipropileno.

El desempeño de las fibras de polipropileno es controlado principalmente por la dosis y/o cantidad, la longitud de la fibra. Además, se agrega el efecto de una fibra en la matriz. La orientación de una fibra relativa al plano de rotura, o fisura. Asumiendo que las variaciones de las propiedades descritas a continuación, se logran independientemente así:

Dosis de la fibra: Una alta dosis de fibras otorga una mayor resistencia postfisuración y menor dimensión de fisuras, desde que las fibras puedan absorber las cargas adicionales ocasionadas por la fisura. (Nielsen, 1998)

Módulo de elasticidad de la fibra: Un alto valor de módulo de elasticidad causaría un efecto similar a la dosis de fibra, pero, en la práctica, cuanto mayor sea el módulo, mayor será la probabilidad de que haya un arrancamiento de las fibras. (Nielsen, 1998)

Adherencia entre la fibra y la matriz: Las características de resistencia, deformación y patrones de rotura de una gran variedad de compuestos cimentados reforzados con fibras dependen fundamentalmente de la adherencia fibra-matriz. Una alta adherencia entre la fibra y la matriz reduce el tamaño de las fisuras y amplía su distribución por el compuesto. (Nielsen, 1998)

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Resistencia de la fibra: Aumentando la resistencia de las fibras, aumenta también la ductilidad del compuesto, desde que no ocurra la rotura en las ligaciones de adherencia. La resistencia de la fibra dependerá, en la práctica, de las características post-fisuración deseadas, así como la dosis de fibra y de las propiedades de adherencia fibra-matriz.

Deformidad de la fibra: La ductilidad se puede aumentar con la utilización de fibras que presenten alta deformación a la rotura. Esto se debe al hecho de que compuestos con fibras de alto grado de deformidad consuman energía bajo la forma de estiramiento de la fibra.

Compatibilidad entre fibra y matriz: La compatibilidad química y física entre las fibras y la matriz es muy importante. A corto plazo, las fibras que absorben agua pueden ocasionar una excesiva pérdida de trabajabilidad de las mezclas asfálticas. Además, las fibras que absorben agua sufren una variación de volumen y, la adherencia fibra-matriz queda comprometida. (Nielsen, 1998)

Longitud de la fibra: cuanto menor sea la longitud de la fibra, mayor será la probabilidad de que sean arrancadas. Para una tensión dada de cizalladura (corte) superficial aplicada a la fibra, ésta será mejor utilizada si su comportamiento es lo suficientemente capaz de permitir que la tensión cortante desarrolle una tensión de tracción igual a su resistencia a tracción. En verdad no basta tan solo con razonar sobre la longitud de la fibra. Hay que tener en cuenta su diámetro. Pues depende de él la capacidad de que la fibra desarrolle las resistencias al corte y a la tracción. (Nielsen, 1998)

4.5.2. Influencia de la longitud de la fibra.

El contenido de las fibras de refuerzo se expresa como fracción del volumen o del peso. Para un determinado grado de condiciones en la interfase, el contenido del refuerzo determina el grado según el cual se desplazan las propiedades del compuesto. (Nielsen, 1998) De este planteamiento se llega al concepto de la mínima longitud que debe tener una fibra para que pueda aceptar que la carga en la fibra sea igual a la carga de rotura por tracción. (Nielsen, 1998) Una fibra “infinita” presenta una superficie “Infinita” de anclaje con la matriz, en estas condiciones, difícilmente matriz y fibra se romperán antes de alcanzar la carga máxima de rotura de la fibra. Si la fibra no es “infinita”, se la denomina “corta”, la superficie de anclaje que ofrece es menor en esta situación, como la fibra soporta

43

mayor carga que la matriz, casi siempre la matriz empieza a acusar los efectos de la carga antes de la fibra. En este caso, primero se agrietará la matriz e, inmediatamente después, romperá la fibra. (Nielsen, 1998) La mínima longitud que siempre está relacionada con su propio diámetro se la conoce con el nombre de longitud crítica, y se la considera como la mínima longitud que debe tener la fibra para poder transmitir la carga desde la matriz. Si las fibras no pueden “anclarse de forma eficaz” a la matriz, ante las cargas se deslizarán y serán arrancadas de la matriz al romperse la pieza (Nielsen, 1998) Las fibras con una longitud L mayor a la crítica Lc (normalmente L > 15Lc) se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de longitud significativamente menor que Lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra de modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de la fibra es insignificante. (Ver Figura No.10.) Figura No.10 Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción.

Fuente: Comportamiento Mecánico del Hormigón Reforzado con Fibra de Vidrio: Influencia del porcentaje de Fibra Adicionado” 2003

44

5. ASFALTOS MODIFICADOS

La modificación de asfaltos surge en la década de los 60’s en Francia, Italia, Alemania y Estados Unidos, donde se iniciaron investigaciones para mejorar las propiedades mecánicas del asfalto y su duración, debido a esto en Francia se construyeron más de 1000 km de carreteras modificadas con polímeros en base seca o látex. (Reyes, 2015) Para garantizar una adecuada realización de la modificación se debe presentar una buena compatibilidad del asfalto con el modificador, es decir, este debe ser miscible para obtener una mezcla monofásica. Un polímero es compatible con el asfalto cuando la heterogeneidad de la mezcla no se puede apreciar visualmente. Los asfaltos ricos en fracciones aromáticas y resinas son los más compatibles con los polímeros ya que son estas fracciones las que permiten la disolución del polímero. Los asfaltos ricos en asfáltenos y saturados son los menos compatibles, estas propiedades dependen de la fuente y la refinación del asfalto a utilizar. (Reyes, 2015)

5.1. ASFALTOS MODIFICADOS CON CAUCHO (GCR)

La llanta proveniente de neumáticos usados es tal vez uno de los elementos que más se desechan en el mundo. Se reporta que el 2% de los residuos sólidos totales provienen del desecho de neumáticos en deshuso. Aproximadamente 300 millones de llantas de neumático son desechadas anualmente en los estados unidos. Estos desechos generan un alto impacto ambiental (Negativo) al ambiente ya que por lo general son almacenados, incinerados al aire libre o utilizados como fuente alterna de energía en hornos artesanales que no cuentan con la tecnología y los sistemas de filtrado apropiados para disminuir los gases y compuestos que contaminan al aire de la atmosfera. Múltiples estudios e investigaciones se han desarrollado en el mundo con el fin de evaluar la forma como pueden ser reutilizados estos materiales una vez han sido usados y desechados. Algunos de los usos que reportan son los siguientes. (Reyes, 2015)

Aprovechamiento energético. Arrecifes artificiales. Para control de erosión. Plantación de árboles. Señalizaciones. Protección de equipos. Muros de contención. Modificador de asfaltos y/o mezclas asfálticas Modificador de concretos hidráulicos

45

5.1.1.1. Procesos de incorporación del grano de caucho (GCR).

La incorporación del grano de caucho en mezclas asfálticas se puede realizar de

dos maneras diferentes:

- Proceso por vía húmeda - Proceso por vía seca

Figura No.11. Proceso de fabricación asfalto-caucho (Vía Húmeda)

Fuente: Pavimentos, materiales, construcción y diseño. Autor: Hugo Alexander Rondón Quintana y Fredy Alberto Reyes Lizcano

5.1.2. Ventajas de la utilización del asfalto-caucho (GCR)

Mezclas más resistentes a los fenómenos de fatiga y de ahilamiento Aumenta la Resistencia al envejecimiento y oxidación del ligante

asfaltico. Aumenta la resistencia de la mezcla del agrietamiento por bajas

temperaturas. La mezcla asfalto-caucho es más flexible a bajas temperaturas, y a altas

temperaturas es menos plástica, es decir, es menos susceptible a los cambios de temperatura.

Aumenta la resistencia a la Humedad. Aumenta la elasticidad del ligante. Mayor resistencia al desgaste por abrasión, medida principalmente

sobre mezclas porosas, abiertas y/o drenantes. Disminuye el ruido de rodadura.

46

Mezclas más durables y por lo tanto con menor necesidad de mantenimiento.

Menor espesor de capa asfáltica. Ayuda a disminuir el impacto ambiental negativo que producen las

llantas usadas.

47

6. ASFALTO MODIFICADO (MDC-19) CON POLÍMEROS EN FIBRAS DE 15 CM.

6.1. FASE EXPERIMENTAL – PROCEDIMIENTO

Teniendo en cuenta que esta es la primera fase, definimos que el tipo de cemento asfaltico es de penetración 60-70 (INV E-706-07) y se realizó una caracterización de sus propiedades teniendo en cuenta los ensayos bajo la norma Invias. Se muestra el diseño Marshall realizado para el siguiente proyecto, de los cuales se elaboraron 20 briquetas, con una temperatura de mezcla de 150ºC, una temperatura de compactación de 135ºC a 140ªC y 75 golpes por capa. Estas briquetas fueron elaboradas bajo especificaciones establecidas por el Invias para mezclas densas en caliente tipo (MDC-19) por el método Marshall. El procedimiento del corte de las tiras de polisombra se realizó de forma manual, con polisombra reciclada de una obra de construcción.

Figura No. 12 Tiras de polisombra de 15 cm

Fuente: Autores

48

Teniendo las tiras de polisombra ya cortadas, se procede a la elaboración de las briquetas con la dosificación estipulada según norma INVIAS, se realizó el respectivo tamizado y la clasificación de los agregados.

Figura No.13 Granulometría

Fuente: Autores Para realizar el asfalto modificado con tiras de polisombra de 15 cm, se realizó el ensayo Marshall y se elaboraron 5 briquetas con el 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0% de tiras de polisombra de 15 cm. El método utilizado para adicionar las tiras de polisombra consiste en que la mezcla llegue a una temperatura de 150°c y posteriormente se agregan el porcentaje indicado de tiras de polisombra. Se procede a realizar las briquetas con su respectiva compactación según norma INVIAS-2013 y durante 24 horas permanecen a temperatura ambiente.

49

Figura No. 14 Adición de polisombra a la mezcla asfáltica

Fuente: Autores Después de tener las 20 briquetas se realizan los ensayos para determinar densidad, flujo, estabilidad y altura. Posterior a estos ensayos se procede a fallar cada una de las briquetas en la prensa hidráulica que se encuentra en el laboratorio de la Universidad Católica de Colombia.

50

Figura No. 15 Briquetas en prensa hidráulica.

Fuente: Autores Se realizaron 45 briquetas las cuales se dividieron así: 20 briquetas de asfalto convencional, 20 briquetas con adición de tiras de polisombra de 15 cm y 5 briquetas para el ensayo de cántabro (Maquina de los ángeles). A continuación, se muestra la dosificación del diseño Marshall para el asfalto convencional y es asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm.

51

6.2. GRANULOMETRIA

6.2.1. Granulometría diseño convencional

Tabla No.6 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto Convencional - %Asfalto 4.5

DISEÑO CONVENCIONAL

Peso de la muestra 1189

% de asfalto 4,5

Tamiz Tamiz [mm] % Pasa % Retenido Peso en gr

3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 141,9

3/8" 9,50 79,0 8,5 96,5

4 4,75 57,0 22,0 249,8

10 2,00 37,0 20,0 227,1

40 0,43 19,5 17,5 198,7

80 0,18 12,5 7,0 79,5

200 0,075 6,0 6,5 73,8

FONDO 0,0 6,0 68,1

Peso del material granular 100,0 1135,5

Peso de asfalto 53,5

Peso total 1189

Fuente: Autores

52

Tabla No.7 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto Convencional - %Asfalto 5.0.



% de asfalto 5


3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 141,9

3/8" 9,50 79,0 8,5 96,5

4 4,75 57,0 22,0 249,8

10 2,00 37,0 20,0 227,1

40 0,43 19,5 17,5 198,7

80 0,18 12,5 7,0 79,5

200 0,075 6,0 6,5 73,8

FONDO 0,0 6,0 68,1



Peso total 1195

Fuente: Autores




% de asfalto 5,5


3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 140,5

3/8" 9,50 79,0 8,5 95,5

4 4,75 57,0 22,0 247,2

10 2,00 37,0 20,0 224,7

40 0,43 19,5 17,5 196,6

80 0,18 12,5 7,0 78,7

200 0,075 6,0 6,5 73,0

FONDO 0,0 6,0 67,4



Peso total 1189

Fuente: Autores

53




% de asfalto 6


3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 139,7

3/8" 9,50 79,0 8,5 95,0

4 4,75 57,0 22,0 245,9

10 2,00 37,0 20,0 223,5

40 0,43 19,5 17,5 195,6

80 0,18 12,5 7,0 78,2

200 0,075 6,0 6,5 72,6

FONDO 0,0 6,0 67,1



Peso total 1189

Fuente: Autores

54

6.2.2. Granulometría con adición de tiras de polisombra de 15 cm

Tabla No.10 Dosificación Diseño Marshall – Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm – % de polisombra 0,5.

DISEÑO CON ADICION DE POLISOMBRA (15 CM)

Peso de la muestra 1195 % de polisombra 0,5

% de asfalto 5 60 g de CA

TAMIZ Tamiz [mm] % PASA % RETENIDO Peso en gr

3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 141,16

3/8" 9,50 79,0 8,5 95,99

4 4,75 57,0 22,0 248,44

10 2,00 37,0 20,0 225,86

40 0,43 19,5 17,5 197,62

80 0,18 12,5 7,0 79,05

200 0,075 6,0 6,5 73,40

FONDO 0,0 6,0 67,76



Peso de polisombra 6,0

Peso total 1195,0

Fuente: Autores

55



Peso de la muestra 1195 % de

polisombra 1


TAMIZ Tamiz [mm] % PASA % RETENIDO Peso en gr

3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 140,41

3/8" 9,50 79,0 8,5 95,48

4 4,75 57,0 22,0 247,13

10 2,00 37,0 20,0 224,66

40 0,43 19,5 17,5 196,58

80 0,18 12,5 7,0 78,63

200 0,075 6,0 6,5 73,01

FONDO 0,0 6,0 67,40




Peso total 1195,0

Fuente: Autores

56



Peso de la muestra 1195 % de polisombra 1,5


TAMIZ Tamiz [mm] %

PASA % RETENIDO Peso en gr

3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 139,67

3/8" 9,50 79,0 8,5 94,97

4 4,75 57,0 22,0 245,81

10 2,00 37,0 20,0 223,47

40 0,43 19,5 17,5 195,53

80 0,18 12,5 7,0 78,21

200 0,075 6,0 6,5 72,63

FONDO 0,0 6,0 67,04




Peso total 1195,0

Fuente: Autores

57



Peso de la muestra 1195 % de

polisombra 2


TAMIZ Tamiz [mm]

% PASA % RETENIDO

Peso en gr

3/4" 19,00 100,0 0,0 0,0

1/2" 12,50 87,5 12,5 138,92

3/8" 9,50 79,0 8,5 94,46

4 4,75 57,0 22,0 244,50

10 2,00 37,0 20,0 222,27

40 0,43 19,5 17,5 194,49

80 0,18 12,5 7,0 77,79

200 0,075 6,0 6,5 72,24

FONDO 0,0 6,0 66,68




Peso total 1195,0

Fuente: Autores

58

CAPÍTULO 7

7. ANALISIS DE RESULTADOS.

Se determina mediante el método Marshall y bajo especificaciones establecidas por el INVIAS (2013) para la mezcla densa en caliente tipo 19 (MDC-19) que el contenido de asfalto óptimo de la mezcla es 5,0%. Para determinar que el contenido de asfalto óptimo de la mezcla es de 5,0% se realizó una comparación de los ensayos y las especificaciones del Invias (2013) concomo se muestra a continuación:

Figura No.14 Estabilidad vs % Asfalto convencional.

Fuente: Autores En la figura anterior (Figura No. 14) se observa que la tendencia del punto más alto corresponde al %asfalto del 5,0% con una estabilidad de 1112 Kg, lo cual supera las especificaciones según norma INVIAS (2013) que para NT2 (MDC-19) es 900 kg mínimo.

500

700

900

1100

1300

1500

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Esta

bili

dad

(K

g)

% Asfalto

59

Figura No.15 Flujo vs % Asfalto convencional.

Fuente: Autores En la figura anterior (Figura No. 15) se observa que la tendencia corresponde al %asfalto del 5,0% con un flujo de 4,01 mm, el cual es el porcentaje que más se acerca a las especificaciones según norma INVIAS (2013) que para NT2 (MDC-19) maneja un rango de 2 a 3,5 mm.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Flu

jo (

mm

)

% Asfalto

60

Figura No.16 Rigidez Marshall vs % Asfalto convencional.

Fuente: Autores En la figura anterior (Figura No. 16) se observa que la tendencia del punto más alto corresponde al %asfalto del 5,0% con un flujo de 277,10 kg/mm, el cual es el porcentaje que más se acerca a las especificaciones según norma INVIAS (2013) que para NT2 (MDC-19) maneja un rango de 4 a 6 Kg/mm. A continuación, se muestran las especificaciones según norma INVIAS (2013) para la mezcla densa en caliente tipo 2 (MDC-19), con los valores arrojados de asfalto optimo 5%.

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

Rig

ide

z m

ars

ha

ll (K

g/m

m)

% Asfalto

61

Tabla No.14 Verificación del rango admisible de discrepancia según los parámetros exigidos por norma INVIAS (2013) para el contenido de asfalto optimo mezcla convencional.

Propiedades del ensayo Especificaciones

para NT2 Valor para asfalto

optimo 5%

Estabilidad Marshall (Kg) 900 Mínima 1112

Flujo (mm) 2 - 3,5 4,01

Rigidez Marshall (Kg/mm) 300 - 600 277

Fuente: Autores Teniendo en cuenta que el documento investigativo se basa en adicionar tiras de polisombra de 15 cm de largo a la mezcla asfáltica tradicional, se realiza el análisis de los resultados del ensayo Marshall con el porcentaje óptimo de asfalto explicado anteriormente con la adición de tiras de polisombra de 15 cm con porcentajes de 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0%.

Figura No.17 Estabilidad vs % de polisombra en la mezcla asfáltica de 15 cm.

Fuente: Autores

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Esta

bili

dad M

ars

hal (K

g)

% de Polisombra en la mezcla asfaltica

62

En la figura No.17 se determina que el punto máximo de estabilidad se da en el porcentaje de 1% de polisombra en la mezcla asfáltica con un valor de 1624 Kg, este va descendiendo hasta llegar al valor de 1389 Kg para el porcentaje de 2% de polisombra en la mezcla asfáltica.

Figura No.18 Flujo vs % de polisombra en la mezcla asfáltica de 15 cm.

Fuente: Autores En la figura No.18 se determina que el punto máximo de fluencia se da en el porcentaje de 2% de polisombra en la mezcla asfáltica con un valor de 5.8 mm, los porcentajes de 1,0% y 1,5% tienen un valor aproximado de 3,5 mm.

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Flu

encia

(m

m)


63

Figura No.19 Rigidez Marshall vs % de polisombra en la mezcla asfáltica de 15 cm.

Fuente: Autores En la figura No.19 se determina que el punto máximo de Rigidez se da en el porcentaje de 0,5% de polisombra en la mezcla asfáltica con un valor de 478,5 kg/mm, los porcentajes de 1,0% y 1,5% tienen unos valores de 466,68 kg/mm y 406,42 kg/mm. A continuación, se muestra la comparación de los valores arrojados de los ensayos en el asfalto óptimo de 5% vs el asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm de largo, arrojando como cantidad optima de adición de polímero el porcentaje de 1%. Tabla No.15 Comparación asfalto óptimo vs Asfalto con adición de tiras de polisombra de 15 cm.

Teniendo en cuenta la tabla No.15 se analiza que los resultados de los ensayos de la investigación de adicionar tiras de polisombra de 15 cm a la mezcla asfáltica son positivos ya que observando la estabilidad aumenta en un 40% en el valor de 1,0%

220,00

270,00

320,00

370,00

420,00

470,00

520,00

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Rig

idez M

ars

hall

(Kg/m

m)


Propiedades del ensayoEspecificaciones

para NT2

Valor para asfalto

optimo 5%

Valor para 0,5%

de adcion de

polisombra

Valor para 1,0%

de adcion de

polisombra

Valor para 1,5%

de adcion de

polisombra

Valor para 2,0%

de adcion de

polisombra

Estabiliadad Marshall (Kg) 900 Minima 1112 1410,28 1623,94 1486,51 1389,21

Flujo (mm) 2 - 3,5 4,01 2,95 3,48 3,66 5,28

Rigidez marshall (Kg/mm) 300 - 600 277 478,65 466,68 406,42 262,95

Vacios totales mezcla (%) 4 - 6 8,12 5,88 7,51 10,71 12,62

64

de adición de polisombra comparado con el valor de la mezcla convencional, así mismo, los vacíos totales de la mezcla disminuyen un 25% en el valor de 0,5% de adición de polisombra comparado con el valor de la mezcla convencional sin dejar a un lado que la rigidez aumenta significativamente un 66% en el valor de 1,0 de adición de polisombra.

7.1. ENSAYO DE CANTABRO (MAQUINA DE LOS ANGELES)

Para este ensayo se realizaron 5 briquetas, una briqueta con asfalto convencional y las otras cuatro los porcentajes establecidos, 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0%. A continuación, se muestran los resultados obtenidos con la prueba Cántabro. Tabla No.16 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto convencional.

Referencia MDC-19

Muestra 1

Condición de la muestra Convencional

Descripción Briqueta tipo Marshall

Masa muestra inicial (g) 1191,7

Masa muestra final (g) 1027,8

Perdida (g) 163,9

Porcentaje de perdida (%) 13,8

Fuente: Autores Tabla No.17 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto modificado con 0,5% de adición polisombra de 15cm.

Referencia MDC-19

Muestra 1

condición de la muestra Polisombra 0,5%




Perdida (g) 179,7

Porcentaje de perdida (%) 15

Fuente: Autores

65

Tabla No.18 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto modificado con 1,5% de adición polisombra de 15cm.

Referencia MDC-19

Muestra 1



Masa muestra inicial (g) 1203


Perdida (g) 155,4


Tabla No.19 Resultados del ensayo Cántabro con asfalto modificado con 2,0% de adición de polisombra de 15cm.

Referencia MDC-19

Muestra 1





Perdida (g) 514,6


Teniendo en cuenta los resultados anteriormente mostrados se puede observar que el ensayo de cántabro en el asfalto modificado de 1,5% de adición de polisombra arroja un resultado positivo comparándolo con el de asfalto convencional ya que disminuyó un 7% el porcentaje de perdida (UMSS, 2010).

66

CAPÍTULO 8

8. CONCLUSIONES

La comparación de los ensayos de laboratorio a las mezclas asfálticas tradicional y modificadas con porcentajes variables de adición de polímero sintético en tiras de polisombra de 15 cm, muestra que con la adición del 1,0% en peso del material de adición, refleja un comportamiento de estabilidad de la mezcla asfáltica con mejores resultados considerando la comparación con los rangos propuestos en el Manual de Diseño de Pavimentos de INVÍAS y que corresponde a la reglamentación para la construcción de pavimentos asfálticos en el país.

Los resultados arrojados después del análisis y la comparación del asfalto tradicional y el asfalto modificado con adición de tiras de polisombra de 15 cm de largo demuestran condiciones positivas evidenciadas con el aumentando del 40% de la estabilidad de la mezcla modificada con polímeros comparada con la mezcla convencional,

De los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio se encuentra que los vacíos totales en la disminuyen un 25% a comparación con la mezcla convencional; dicha disminución se demuestra de manera porcentual en valores promedio de las pruebas realizadas a todas las briquetas elaboradas.

En el ensayo de Cántabro se concluyó que adicionado a la mezcla asfáltica el porcentaje de 2.0% en peso, de tiras de polisombra de 15 cm de largo, incrementa la resistencia mecánica del material al desgaste reflejado en una disminución del 7% comparándolo con el desgaste de la briqueta de asfalto convencional, con ello se puede inferir que la calidad de la mezcla y el tiempo de servicio de la estructura del pavimento pueden presentar una mejoría respecto al desgaste que ocasionan los procesos de fricción con las llantas de los vehículos.

Al realizar las briquetas una característica observada en la mezcla de asfalto

con tiras de polisombra de 15 cm, indican que el material polimérico no cambia de estado durante el proceso de mezclado, lo que hace que la adherencia total entre el material y el ligante de la mezcla no sea completamente homogéneo, esto se pudiera explicar debido que existe una diferencia entre las temperaturas de fusión del asfalto y el polímero, lo que hace que el primero cambie su viscosidad de manera considerable con el incremento de temperatura, mientras que el polímero para cambiar de estado sólido a líquido requiere temperaturas mucho mayores.

67

9. RECOMENDACIONES.

Se recomienda para futuras investigaciones orientar la evaluación del diseño

de mezclas asfálticas modificadas con polímeros, por el método de diseño

de pavimentos AASHTO, y que permita comparar los resultados arrojados

con los propuestos en el método de MARSHALL, que ha sido presentado en

desarrollo del presente trabajo.

Dadas las características obtenidas durante el proceso de desarrollo de las

pruebas, se evidenció que la adición en tiras de 15 cm, genera algo de

complejidad durante el mezclado, de manera que al realizarse en los tornos

de mezclado de las plantas de concreto asfáltico, se puede presentar

dificultades en la distribución adecuada de los filamentos en la mezcla al

interior de dichos tornos si tienen aletas de mezclado que pueden enredar el

polímero de esta longitud; por ende se recomienda hacer una evaluación del

proceso presentado en el presente documento con mezclas asfálticas

modificadas con polímeros en filamentos de menor longitud.

Se recomienda identificar a nivel operativo mecanismos que permitan el reciclaje y reutilización del material polimérico en polisombra que es de uso común para las construcciones civiles, pero que una vez usado es desechado causando un elevado impacto sobre el ambiente.

68

10. BIBLIOGRAFÍA

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development of recycled polymer composites. plastics, rubber and composites,

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02 de 05 de 2017.]

Aurelio, salazar rodriguez. 1998. guia para el diseño y construccion de pavimentos

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