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Proyecto de Tesis – Diseño y Construcción de Mezclas Asfálticas Tipo SMA Universidad Rafael Landívar

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÍVAR FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA CIVIL ADMINISTRATIVA

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MEZCLAS

ASFÁLTICAS TIPO SMA”

T E S I S

Presentada al Consejo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Landívar

Por:

WERNER FEDERICO WELLMANN VON QUEDNOW

Al conferírsele el título de:

INGENIERO CIVIL ADMINISTRATIVO

En el grado académico de

LICENCIADO

Guatemala, marzo de 2005

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RESUMEN En está investigación se pretende dar a conocer soluciones viales, que han sido económicamente rentables en otros países, para que sean implementadas en carreteras de importancia en Guatemala.

Se presentan resultados de laboratorio de los diseños de la mezcla y del comportamiento mecánico del SMA (Stone Matrix Asphalt), se utilizaron materiales recolectados de varios proveedores locales, para realizar pruebas preliminares y así familiarizarnos con el procedimiento de diseño, se utilizaron combinaciones de agregados de un único proveedor, teniendo resultados fuera de especificación, para lograr obtener un diseño optimo se mezclaron agregados de distintos proveedores, para lograr entrar en especificación en la graduación de la mezcla y así poder continuar con el diseño que permita la obtención del porcentaje optimo de asfalto, hasta lograr cumplir con todos las propiedades volumétricas solicitadas. Los resultados de laboratorio muestran que con materiales utilizados los resultados son satisfactorios para que el SMA desempeñe bajo fuertes cargas provocadas por el tránsito, esto se debe a que la mezcla es resistente a las deformaciones permanentes. El SMA es conocido en Europa como solución para tránsito pesado y ha sido recientemente implementado en Estados Unidos. Se explican también algunos de los aspectos constructivos que deben ser tomados en cuenta para tramos de prueba, para tramos a rehabilitar y construcciones de pavimentos nuevos.

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RESUMEN .................................................................................................... 2

I. INTRODUCCIÓN ................................................................................... 5

1.1 INTRODUCCIÓN GENERAL ............................................................... 5

1.2 LO QUE SE HA ESCRITO EN GUATEMALA SOBRE EL TEMA: ............. 7

1.3 MARCO TEÓRICO ............................................................................ 7

1.3.1 DESARROLLO HISTÓRICO ............................................................. 7

ORÍGENES DEL ASFALTO: .........................................................................................................7 ANTECEDENTES DEL SMA: .......................................................................................................8 1.3.2 TIPOS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE: ............................................................... 10 1.3.3 COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS: ........................................................... 10 1.3.4 Deformación permanente: ............................................................................... 11 1.3.5 Fisuración por fatiga: ...................................................................................... 11 1.3.6 Fisuración por baja temperatura: ...................................................................... 12

1.4 DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE: ............................................................... 13 1.4.1 Exigencias de Diseño:...................................................................................... 13 1.4.2 Método Marshall para Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente: ........................... 15

1.5 CONCEPTOS SOBRE EL DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS SMA (SPLITTMASTIXASPHALT) ................. 17 1.6 CONCEPTO Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE SMA: ...................................................... 20 1.7 VENTAJAS DE SMA: .................................................................................................. 22 1.8 CONSIDERACIONES ECONÓMICAS: ................................................................................. 23 1.9 USOS POTENCIALES DE SMA: ...................................................................................... 23 1.10 PROCESO PARA EL DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA TIPO SMA: ............................................. 24 1.11 DISEÑO DE LA SMA CON FIBRAS SISTEMA VIATOP ............................................................. 27 1.12 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA SMA: ....................................................................... 29 1.12.1 Calidad de los Materiales: .............................................................................. 29 1.12.2 Diseño de la Mezcla ......................................................................................... 34 1.12.3 Tolerancias: ................................................................................................... 34

1.13 CONSTRUCCIÓN ....................................................................................................... 36 1.13.1 Detalles de aplicación .................................................................................... 36

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................... 38

2.1 OBJETIVOS ............................................................................................................ 40 2.1.1 Objetivos Generales: ....................................................................................... 40 2.1.2 Objetivos Específicos: ...................................................................................... 40

2.2 VARIABLES: ........................................................................................................... 40 2.3 Definición de las Variables: ................................................................................ 41

2.4 ALCANCES Y LÍMITES ................................................................................................. 42 2.4.1 Alcances: ...................................................................................................... 42 2.4.2 Limites: ........................................................................................................ 42

2.5 APORTE ................................................................................................................ 42

III. MÉTODO ............................................................................................. 43

3.1 UNIDADES DE ANÁLISIS: ............................................................................................ 43 3.2 INSTRUMENTOS: ...................................................................................................... 43 3.3 PROCEDIMIENTO: .................................................................................................... 46 3.3.1 Consideraciones de diseño de la mezcla .............................................................. 46

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IV. RESULTADOS .................................................................................... 58

4.1 SELECCIÓN DE MATERIALES: ....................................................................................... 58 4.2 COMBINACIÓN DE AGREGADOS ..................................................................................... 59 4.3 COMPACTACIÓN DE BRIQUETAS Y SELECCIÓN DE CONTENIDO OPTIMO DE ASFALTO: ........................ 60 4.4 PRUEBA DE ESCURRIMIENTO: ....................................................................................... 60

V. DISCUCIÓN DE RESULTADOS ............................................................ 61

VI. CONCLUSIONES ................................................................................. 63

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................. 66

OTRAS FUENTES DE CONSULTA ............................................................... 67

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I. INTRODUCCIÓN 1.1 INTRODUCCIÓN GENERAL Más del 90 por ciento de la red vial pavimentada consiste en pavimentos asfálticos. Una enumeración de los motivos y las ventajas de esta forma de construcción excedería el marco de las presentes consideraciones. Por ello, a continuación se limitará a examinar los tipos de superficies de rodadura posibles en la construcción de carreteras de asfalto y a someterlos a una evaluación crítica, en especial pavimentos asfálticos Stone Matrix Asphalt (SMA). Algunas de las categorías de pavimentos son:

� De concreto asfáltico � De asfalto SMA � De asfalto fundido (Gussasphalt)

El concreto asfáltico ha sido durante varios decenios la forma de construcción estándar de las superficies de rodadura, que en condiciones de carga normales dio buenos resultados. Pero la intensificación del tránsito y las cargas extraordinarias resultantes de la misma pusieron en evidencia las limitaciones del uso de concreto asfáltico, en particular en las vías interurbanas, pero hoy en día se necesita de la creación de nuevos métodos constructivos y de nuevos diseños de mezclas asfálticas. El asfalto fundido (Gussasphalt), mezcla de agregado grueso y ligante asfáltico usado en espesores fundidos, usado generalmente sólo en autopistas o rutas troncales de construcción similar a las autopistas, es indudablemente un tipo de carpeta acreditado aunque muy costoso. Ello se debe a la necesidad del empleo de equipos especiales para el transporte y colocación. También los costos de producción y de los materiales empleados son más elevados que en el caso de los tipos de concreto asfáltico y asfalto SMA. Por estas razones y dado que el círculo de los contratistas de obras viales que suministran carpetas de asfalto fundido (Gussasphalt) en Guatemala no existen, se propone como alternativa equivalente el tipo de construcción con asfalto SMA. Este tipo de construcción se desarrolló a mediados de los sesenta. En aquel entonces surgieron grandes problemas debido a los considerables daños ocasionados por los neumáticos con clavos en forma de ahuellamientos por desgaste. Para reparar los daños y más adelante, también como medida preventiva contra el desgaste, se desarrolló y se probó una nueva forma de construcción de las carpetas, más apropiada que las formas conocidas de concreto asfáltico y asfalto fundido (Gussasphalt), para hacer frente a dichas solicitaciones. La particularidad de esta mezcla asfáltica, cuyo prototipo se denominó “Mastimatic”, consistía en el hecho de revestir y aglutinar con un mortero rico en

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ligante, una cantidad desacostumbradamente elevada de gravilla triturada, de bajo desgaste y a prueba de impactos. En base a la vasta experiencia acumulada en construcciones hidráulicas con asfalto, se sabía que existían fibras de amianto especiales que eran extraordinariamente apropiadas para este fin. Cabe mencionar aquí que muchas carpetas de Mastimatic colocadas en esa época, en Alemania, se encuentran aún hoy en excelente estado, después de 20 a 30 años durante los que estuvieron sometidas en parte a elevadas cargas de tránsito. En poco tiempo se hizo evidente que estas carpetas especiales, ejecutadas por diversas empresas de acuerdo al mismo principio, brindaban una elevada resistencia a la deformación plástica evitando los ahuellamientos. Sin embargo, poco después pareció haber llegado el fin de este tipo de construcción: se descubrió el efecto perjudicial para la salud del amianto y en consecuencia, se dictó inmediatamente una norma que prohibía el uso de este material. Lo que siguió fue una larga búsqueda de una alternativa al amianto. Se buscaba un portador del ligante que tuviera una acción comparable en la mezcla asfáltica pero sin efectos colaterales nocivos para la salud. La solución fue –y sigue siendo- la “fibra celulósica”. Tras el escepticismo inicial de algunos especialistas, el portador del ligante demostró su eficacia y, después de las primeras pruebas realizadas a mediados de la década del setenta, en poco más de 20 años se impuso con el aditivo estándar. Más aún: la fibra celulósica como “aditivo estabilizante” contribuyó a la rápida difusión de una forma de construcción de carpetas que, desde 1984 en Alemania, se encuentra descrita bajo la denominación (colectiva) de “Splittmastixasphalt” (asfalto SMA) en la especificación técnica pertinente, dictada por el Ministerio de Tránsito, la “ZTV Asphalt-StB” anteriormente mencionada, con el mismo rango que el asfalto fundido (Gussasphalt) y junto con el concreto asfáltico. Actualmente, por ejemplo, aproximadamente el 50 por ciento de todas las carpetas ejecutadas en Alemania en caminos asfaltados son del tipo de asfalto SMA. Aplicado al año 1997, esto equivale, de acuerdo a estimaciones concordantes con los datos a la Asociación Alemana del Asfalto, a 7.5 millones de toneladas aproximadamente. Esta cifra corresponde a alrededor de 100 millones de metros cuadrados de superficie vial. La eficacia del asfalto SMA, se ha visto contundentemente confirmada por un estudio piloto llevado a cabo por los profesores Steinhoff y Pätzold por encargo del instituto Alemán de Asfalto. Esto es válido tanto respecto de su prolongada vida útil como de su resistencia a la deformación. El asfalto SMA es, indudablemente, la forma de construcción de carpetas del futuro. Su creciente empleo en toda Europa y en Asia, América y Australia así lo demuestran.

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Esta investigación presenta resultados de ensayos de laboratorio para el diseño de mezclas en caliente tipo SMA (Stone Matrix Asphalt), como también aspectos constructivos relacionados con el desarrollo Guatemalteco de nuevas formas de construcción para concretos flexibles o mantenimiento de carreteras. SMA es también empleada para incrementar la adherencia en los neumáticos en condiciones de humedad y para reducción del ruido. 1.2 LO QUE SE HA ESCRITO EN GUATEMALA SOBRE EL TEMA: Sobre el tema en cuestión no se ha escrito en Guatemala, y sólo se cuenta con información técnica de experiencias en otros países, como Argentina, Brasil y Estados Unidos, entre otros. 1.3 MARCO TEÓRICO 1.3.1 DESARROLLO HISTÓRICO Orígenes del Asfalto: La historia de las mezclas asfálticas en caliente (HMA) se remonta a un largo camino de progreso. La primera carretera a pavimentar con asfalto fue en Babilonia entre 625 y 604 A.C. Los romanos crearon un impresionante sistema de carreteras en Gran Bretaña, de las cuales muchas de ellas fueron utilizadas como muestra para modernas carreteras Inglesas. El caballero Walter Raleigh, en su tercer viaje en 1498, descubrió la todavía famosa laguna de asfalto en la isla de Trinidad, la laguna natural de asfalto más grande del mundo. Fue la primera fuente de asfalto disponible en América. La segunda fuente de asfalto fue la laguna de Bermúdez en Venezuela. La completa implementación del asfalto en carreteras, sin embargo comenzó con un hombre llamado John Metcalfe. Hoy, bases de piedras largas en HMA, que fueron comúnmente utilizadas a principios de siglo, de nuevo se vuelven a usar como una manera de detener el ahuellamiento y proveer una resistencia incremental a cargas altas frecuentes. Aditivos asfálticos son utilizados para incrementar la estabilidad de las HMA en temperaturas altas y bajas. El superpave y SMA que tienen la característica de no presentar ahuellamiento, proveen excelente drenaje lateral superficial con la superficie abierta que poseen y también la durabilidad del pavimento asfáltico con lo que la industria lider en asfaltos lo llama una enorme reducción en costos de mantenimiento. Esta nueva tecnología que fue importada de Europa en 1990 y perfeccionada en Atlanta para las olimpiadas de 1996, requieren cambios fundamentales en el componente pétreo de las HMA, tales como tamaño, forma, textura y graduación. Canchas de tenis, senderos para bicicletas, senderos para correr, campos de

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football entre otros se benefician de la colocación del asfalto por el bajo costo y bajo mantenimiento, rapidez en la construcción, resistencia optima a la fricción y deslizamiento y rápido drenaje después de la lluvia. Lo que ha cambiado durante los siglos en los países es como estos constructores modifican la manera de aplicación de las HMA para lograr no solo un buen drenaje, sino que una infraestructura segura y estable al sonido. Antecedentes del SMA: La mezcla SMA para pavimento fue desarrollada en Alemania a finales de los años 60. Se deseaba obtener un pavimento de máxima resistencia al desgaste y deterioro causado por los neumáticos de clavos en las rutas europeas. Una empresa de pavimentos, STRABAG, con la colaboración de J. Rettenmaier (líder en Tecnología de Fibras) desarrolló la mezcla SMA. Después de la prohibición del uso de neumáticos de clavos, se verificó que el pavimento SMA aseguraba pavimentos durables que exhibían una muy elevada resistencia al desgaste en las rutas de alto tránsito. Como consecuencia de ello, en 1984 se normalizó el sistema SMA en Alemania. Luego comenzó a ser utilizado en otros países de Europa, Estados Unidos y Asia Pacífica. Muchos países han establecido sus propias normas para SMA, y la CEN (Comisión de Standards Europeos) está en proceso de fijar una norma europea estandarizada. Asimismo, en Estados Unidos, Australia, Nueva Zelanda, China, Corea del Sur, Taiwán y otros grandes países asiáticos, el SMA está ganando rápidamente la aceptación de las autoridades viales y la industria del asfalto (NAPA, 1999). Desde 1960, las superficies pavimentadas con Stone Mastic Asphalt (SMA) han sido utilizadas con éxito en Alemania en carreteras con elevado tráfico. Debido a su excelente rendimiento, las Autoridades de carreteras, adoptaron rápidamente el SMA como un pavimento estándar. Esta mezcla innovadora daba mejor rendimiento en comparación a los aglomerados convencionales y cumplía con las demandas de las carreteras modernas: � Altos volúmenes de tráfico � Aumento de las cargas por eje. � Mayor presión de los neumáticos. � Estrictas regulaciones ambientales.

Por medio de la selección de una fuerte estructura granular con contacto interparticular junto con un mortero de alta calidad se puede producir una mezcla de superior comportamiento en cuanto a resistencia a los principales modos de falla de un pavimento asfáltico. Al mismo tiempo mediante un adecuado diseño de

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la superficie pueden lograrse elevadas propiedades friccionales. Tales mezclas se denominan Stone-Matrix Asphalt en los EE.UU. y Stone Mastic Asphalt en Europa. Las mezclas SMA (Splittmastixasphalt) nacieron en Alemania a mediados de la década del 60 para luego extenderse a gran parte de Europa contando con una experiencia mayor de 20 años en el uso de las mismas. Alemania y Suecia son los países líderes en esta tecnología, sin embargo, la misma se está extendiendo a grandes pasos en todo el mundo llegando hasta gran cantidad de países en el Asia (China, Hong Kong, Japón, Corea, etc.), no sólo en sus autopistas sino también en las calles de importantes ciudades. A comienzos de los 90 los americanos importaron la tecnología y la adoptaron con algunas modificaciones. En 1999, con más de 3 millones de toneladas aplicadas, publicaron un extenso trabajo donde se indica un método de diseño y se resume el seguimiento del comportamiento de la misma durante 9 años. El SMA es reconocido por su:

� Alta estabilidad a la deformación � Resistencia a la fatiga y al envejecimiento � Drenaje lateral del agua � Resistencia- seguridad a los deslizamientos � Reducción del ruido

La superior duración de los pavimentos de SMA, con ejemplos que superan los 20 años, prueba la efectividad de este material respecto a su coste. En Alemania ya llevan más de 300 millones de metros cuadrados pavimentados en autopistas, caminos y calles de ciudad y unos 5 millones de toneladas de SMA producidas por año. Comenzaron a mediados de la década del 60 para luego extenderse en gran parte de Europa contando con una experiencia mayor de 30 años en el uso de las mismas. En Alemania las SMA están normalizadas desde 1984, revisada y actualizada en el 2001 (ZTV Asphalt – StB 01) y presentan dos clases, una para condiciones exigentes –autopistas- y otra para aplicaciones en caminos de menor categoría. En el continente asiático se han realizado numerosas aplicaciones en China, Hong Kong, Corea del Sur, Japón, Taiwan, Filipinas, Australia, y Nueva Zelandia, donde el mercado se expande rápidamente. A comienzos de los 90´ las SMA se instalan en Norteamérica al importar la tecnología luego de corroborar sus beneficios. En 1999 publicaron un extenso trabajo donde se resumen método de diseño y seguimiento del comportamiento durante poco más de 10 años a la fecha. Llevan aplicadas más de 15 millones de toneladas de SMA. Existen inclusive normas AASHTO como la PP41 Practice for Designing Stone Matrix Asphalt que recogen todos los elementos para el diseño de

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las SMA en USA. En la Argentina se comenzó a trabajar en gran escala en la Autopista Ricchieri que corresponde al acceso sur de la ciudad de Buenos Aires como capa de rodadura dentro de la estrategia de repavimentación del sector. Otro sector importante de aplicación fue el corredor bioceánico, Ruta Nacional 8, que atraviesa de Este a Oeste la república y se nutre de tráfico pesado del Brasil y Chile. En menos de dos años se aplicaron más de 180.000 toneladas de SMA y hay más proyectos por venir. 1.3.2 Tipos de mezclas asfálticas en caliente: El tipo de tránsito, la disponibilidad de materiales, aspectos climáticos y aspectos de seguridad entre otros, han obligado a que las mezclas asfálticas en caliente sean clasificadas de diferentes formas de acuerdo a las propiedades que se les quiera otorgar. Comúnmente las mezclas asfálticas en caliente se clasifican en tres tipos, dependiendo primariamente en la distribución granulométrica de los agregados que la componen (García y Simán, 1994).

� Mezclas Densas de Granulometría Continua (Dense Graded) � Mezclas de Granulometría Abierta (Open Graded) � Mezclas de Granulometría Discontinua (Gap Graded)

1.3.3 Comportamiento de las mezclas asfálticas: El concreto asfáltico (llamado “mezcla asfáltica en caliente” o simplemente “HMA”, “hot mix asphalt”), está compuesto de un ligante asfáltico y un agregado mineral. El ligante asfáltico, que puede ser un convencional o un modificado, actúa como un agente que aglutina las partículas en una masa cohesiva e impermeabiliza la mezcla. El agregado mineral, ligado por el material asfáltico, actúa como un esqueleto pétreo que aporta resistencia y rigidez al sistema. Al incluir la HMA tanto ligante asfáltico como agregado mineral, su comportamiento es afectado por las propiedades individuales de cada componente y por la interrelación de aquellos dentro del sistema. Siendo las propiedades individuales de los componentes de la HMA importantes, el comportamiento de la mezcla asfáltica se explica mejor considerando que el ligante asfáltico y el agregado mineral actúan como un sistema. Un camino para entender mejor el comportamiento de las mezclas asfálticas es considerar los tipos básicos de deterioros que el ingreso que el ingeniero trata de evitar: la deformación permanente, la fisuración por fatiga y fisuración por baja temperatura.

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1.3.4 Deformación permanente: La deformación permanente es el deterioro caracterizado por la existencia de una sección transversal de la superficie que ya no ocupa su posición original. Se llama deformación permanente pues representa la acumulación de pequeñas deformaciones producidas con cada aplicación de carga. Esta deformación es irrecuperable. Si bien el ahuellamiento puede tener varias causas (por ejemplo: debilidad de la HMA por daño de humedad, abrasión, densificación del tránsito), hay dos principales. En un caso, el ahuellamiento es causado por muchas aplicaciones repetidas de carga al suelo natura (es decir, la sub-rasante), la subbase, o la base por debajo de la capa asfáltica. Aunque la utilización de materiales viales más rígidos reduce parcialmente este tipo de ahuellamiento, el fenómeno es normalmente considerado mas un problema estructural que un problema de los materiales. Frecuentemente, es el resultado de una sección de pavimento demasiada delgada, sin la suficiente profundidad para reducir, a niveles tolerables, las tensiones sobre la sub-rasante cuando las cargas son aplicadas. Podría ser también el resultado de una sub-rasante cuando las cargas son aplicadas. Podría ser también el resultado de una sub-rasante debilitada por el ingreso inesperado de humedad. La acumulación de la deformación permanente ocurre más en la sub-rasante que en las capas asfálticas. El otro tipo principal de ahuellamiento se debe a la acumulación de deformaciones en las capas asfálticas. Este tipo de ahuellamiento es causado por una mezcla asfáltica cuya resistencia al corte es demasiado baja para soportar las cargas pesadas repetidas a las cuales está sometida. Aunque no siempre, a veces el ahuellamiento ocurre en una capa superficial débil. En otros casos, la capa superficial no es en si misma propensa al ahuellamiento, pero acompaña la deformación de una inferior más débil (FHWA, 1995). 1.3.5 Fisuración por fatiga: Como el ahuellamiento, la fisuración por fatigas es un tipo de deterioro que con mucha frecuencia se produce en la huella donde las cargas pesadas son aplicadas. Las fisuras longitudinales intermitentes a lo largo de la huella (esto es, en la dirección del tránsito) son un signo prematuro de la Fisuración por fatiga. Esta es un deterioro de tipo progresivo porque, en algún momento, las fisuras iniciales se unirán con otras, causando aun más fisuras. Un estado intermedio de la Fisuración por fatiga es el denominado “cuero de lagarto” –así llamado porque su forma se asemeja a la piel de un lagarto. En algunos casos extremos, el estado final de la Fisuración por fatiga es la desintegración con la formación de baches.

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Un bache se forma cuando varias piezas comienzan a dislocarse y desprenderse bajo la acción del tránsito. Los ingenieros durante largo tiempo han reconocido que una mezcla asfáltica muy rígida tiende a oponer baja resistencia a la fatiga cuando la estructura permite deflectar a la capa asfáltica. Materiales rígidos, altas deflexiones y altos niveles de tensiones conducen a vidas útiles reducidas por la fatiga. Si bien el mecanismo de fatiga es fácil de comprender, sus causas no siempre lo son. No puede ser enfocado como un problema de los materiales exclusivamente. La Fisuración por fatiga es usualmente causada por un número de factores que deben producirse simultáneamente. Obviamente, las cargas pesadas repetidas deben estar presentes. Algunos ingenieros creen que una subrasante con pobre drenaje, resultando en pavimentos blandos con altas deflexiones, es la causa principal del fisuramiento por fatiga. Pobres diseños y/o deficiente construcción de capas del pavimento que son también propensas a sufrir altas deflexiones cuando cargadas, probablemente contribuyen al fisuramiento por fatiga. Así, capas de pavimentos delgadas, muy rígidas, sujetas a altas deflexiones por cargas repetidas son más susceptibles al fisuramiento por fatiga. En muchos casos, el fisuramiento por fatiga es sólo un signo de que un pavimento ha sido transitado por él número de cargas para el cual fue diseñado. Luego, está simplemente agotado y necesita una rehabilitación planificada. Asumiendo que la ocurrencia del fisuramiento por fatiga coincide aproximadamente con el periodo de diseño, esto no seria necesariamente una falla, sino la progresión natural de una estrategia de diseño del pavimento. Si el fisuramiento observado ocurre mucho antes de concluido el periodo de diseño, seria un signo de que el pavimento recibió mas cargas pesadas, antes de lo previsto (FHWA, 1995). 1.3.6 Fisuración por baja temperatura: Como su nombre lo indica, la Fisuración por baja temperatura es un deterioro causado mas por las condiciones adversas del ambiente que por la aplicación de las cargas de tránsito. Se caracteriza por fisuras transversales (es decir, perpendiculares a la dirección del transito) intermitentes que se producen con un espaciamiento notablemente uniforme. Las fisuras por baja temperatura se forman cuando una capa de pavimento asfáltico se contrae en climas fríos. Cuando el pavimento se contrae, se originan tensiones de tracción dentro de la capa. En algún lugar a lo largo del pavimento, la tensión de tracción excede la resistencia de tracción y la capa asfáltica se fisura. Así, las fisuras por baja temperatura ocurren principalmente a partir de un ciclo de baja temperatura. Algunos ingenieros, no obstante, también creen que es un fenómeno de fatiga debido al efecto acumulativo de varios ciclos climáticos fríos. Ambos grupos concuerdan en que el ligante asfáltico juega el rol central en la Fisuración por baja temperatura. En general, los ligantes asfálticos duros son más

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propensos a la Fisuración por baja temperatura que los blandos. Los ligantes asfálticos excesivamente oxidados, sea por excesiva propensión a la oxidación o por pertenecer a una mezcla con muy alto porcentaje de vacíos, o por ambas causas, son mas susceptibles al fisuramiento por baja temperatura. Así, para evitar la Fisuración por baja temperatura, los ingenieros deben usar un ligante blando, un ligante no muy propenso al envejecimiento (se produce por oxidación y lo que provoca es la pérdida de las propiedades visco-elásticas) del ligante), y controlar in situ el contenido de vacíos de aire de forma tal que el ligante no resulte excesivamente oxidado (FHWA, 1995). 1.4 Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente: Según García y Simán, en su manual de diseño de mezclas asfálticas en caliente (1995), las funciones de una capa de superficie asfáltica pueden ser analizadas desde dos puntos de vista: a. El punto de vista del usuario Debe:

� Proveer una superficie antideslizante bajo cualquier condición ambiental.

� Proveer una superficie que drene fácilmente el agua cuando llueve para minimizar las salpicaduras de los vehículos en movimiento.

� Proveer buena visibilidad aún bajo condiciones húmedas. � Proveer una adecuada calidad de manejo. � Proveer aceptables niveles de ruido a las velocidades máximas. � Buen coeficiente de fricción

b. El punto de vista del Ingeniero: Debe:

� Proteger las capas estructurales inferiores del pavimento de la penetración del agua y de las fuerzas abrasivas del tráfico.

� Proveer un comportamiento que minimice las operaciones de mantenimiento.

� Que cumpla con criterios definidos. � Definir espesores que permitan un apropiado proceso constructivo.

1.4.1 Exigencias de Diseño: El comportamiento de la capa asfáltica de superficie dependerá de un gran grupo de factores entre los cuales podemos enumerar: 1. La composición de la mezcla asfáltica.

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2. Las propiedades mecánicas de la mezcla compactada. 3. El control de calidad que se lleve a cabo durante la producción y colocación. 4. Las propiedades de soporte de las capas subyacentes, en particular de su rigidez flexionante, y la liga entre las capas.

5. La cantidad y tipo de tráfico; y 6. Condiciones ambientales y de drenaje.

Las mezclas asfálticas en caliente –HMA- tienen buen comportamiento en servicio cuando son proyectadas, elaboradas, colocadas y apoyadas correctamente. Se deben tener en cuenta para este fin, las siguientes “Exigencias de Servicio”:

a. Durabilidad: Las HMA deben ser resistentes a los agentes climáticos, particularmente a la acción desintegrante del agua y al alto efecto abrasivo del tránsito. Su resistencia depende fundamentalmente de la utilización de agregados pétreos sanos y duros, de un adecuado contenido de cemento asfáltico, de la compactación relativa de la mezcla, del contenido de vacíos de aire, de la calidad del filler en caso de usarse y de que el material que pasa el tamiz No. 30 de la mezcla no tenga plasticidad. b. Resistencia al Deslizamiento: Es necesario contar con un porcentaje de cemento asfáltico óptimo y con un porcentaje de vacíos adecuado. Un exceso de cemento asfáltico en la carpeta de rodamiento es la causa más común de los deslizamientos; un bajo contenido de cemento asfáltico (o una falta de adherencia) y agregados pulimentables, originan una falta de fricción entre los neumáticos y el pavimento, sobre todo en los períodos de lluvias o alta humedad. Es necesario contar con un porcentaje suficiente de vacíos, como para que el aumento de la densidad de la mezcla por la reiteración de cargas o por temperaturas de ambiente elevadas, no sea motivo de exudación del cemento asfáltico. c. Flexibilidad: Es la capacidad de las HMA para deformarse elásticamente, para acompañar, sin agrietamientos ni roturas, las deformaciones bajo carga que sufre la capa sobre la cual está fundada una determinada HMA. Por otra parte, las HMA deben tener cierto carácter plástico que les permita soportar las tensiones provocadas por diferencias de temperaturas y adaptarse a los movimientos de las estructuras viales, manteniendo uniforme e íntimo el contacto con las capas de apoyo no asfálticas.

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La flexibilidad es influida por la dureza del cemento asfáltico, por el contenido de cemento asfáltico y por las relaciones relleno mineral - ligante y estabilidad-fluencia. d. Estabilidad en Servicio: Puede definirse como la resistencia a la deformación plástica de las HMA bajo la acción del tránsito. La mezcla asfáltica compactada es sometida en su estado de compresión semi-confinada a esfuerzos de corte de una gran magnitud apreciable. Su comportamiento depende de la forma, tamaño y textura superficial de los áridos; dureza y cubicidad de los mismos; características del cemento asfáltico y porcentaje del mismo; relación filler-betún y grado de compactación. e. Compactabilidad Las HMA deben permitir una fácil distribución y una correcta densificación. Los factores que influyen en la compactabilidad son: tipo de cemento asfáltico y porcentaje óptimo del mismo; granulometría, textura y rugosidad de los agregados; y muy particularmente la forma de las partículas de agregado mineral y de la relación filler-betún.

El cumplimiento de las exigencias mencionadas involucra, además de los factores descritos para cada una de ellas, el especial cuidado de las temperaturas y procesos de mezclado, aplicación y compactación. 1.4.2 Método Marshall para Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente: En los últimos 30 años ha habido tres cambios diferentes en los diseños de mezclas asfálticas, desde “Hubard Field” hasta “El Método Marshall” (Federal Highway Association, 1995). El diseño de mezclas asfálticas en caliente incluye:

� Selección de las características y granulometría de la mezcla de agregados. � Selección del tipo de cemento asfáltico. � Selección del contenido de cemento asfáltico.

Este método también provee información sobre las propiedades de las HMA, y establece densidades y contenidos óptimos de vacíos que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento (García y Simán, 1994).

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El método puede ser usado para efectuar diseños en el laboratorio o para el control de las mezclas asfálticas elaboradas.

La energía de compactación utilizada dependerá del tránsito que la solicitará, en consecuencia podrá ser de 50 ó 75 golpes normalizados por cara.

El Porcentaje de Cemento Asfáltico de Diseño será el que nos permita obtener la mayor Gravedad Específica Bulk de la Mezcla Compactada (Gmb), es decir, la máxima densidad que se obtendrá en servicio después de la compactación durante el proceso constructivo y la producida por el tránsito. Es el porcentaje que corresponde a una máxima Estabilidad (E) y con un porcentaje de Vacíos (V) que representa el valor medio de los indicados en las especificaciones para la HMA en estudio. Determinado el promedio de tres porcentajes de cemento asfáltico, se verifica si con el mismo, el valor de la Fluencia (F) cae dentro de los límites establecidos y si los Vacíos de Agregado Mineral (VAM) cumplen con el mínimo indicado para el Tamaño Máximo Nominal (TMN) de la combinación de áridos.

Pasando al Diseño de las HMA por el Método Marshall, se debe 'tener presente que lo ideal en la dosificación de una mezcla, es lograr una solución técnico-económica que satisfaga los requisitos establecidos, permitiendo usar los materiales locales o aquellos, cuya distancia de transporte sea mínima y cuyo comportamiento bajo carga revele fundamentalmente una Relación Estabilidad Fluencia (REF) aceptable para el tipo de tránsito que la solicite.

Debe tenerse presente que la Estabilidad (E) crece marcadamente al reducirse la temperatura, esto es debido a la susceptibilidad térmica del cemento asfáltico y al incremento de su consistencia al descender aquella. Por lo tanto, es necesario evitar valores excesivamente altos de la Estabilidad (E) a la temperatura de ensayo de 60.0 °C. Como la Fluencia (F) es mínimamente susceptible a los cambios de temperatura, la Relación Estabilidad Fluencia (REF) -al disminuir la temperatura- crece en el mismo orden que la Estabilidad (E). Bajo esas condiciones, la flexibilidad y la fatiga del material se hacen críticas, en especial, cuando las capas no asfálticas y asfálticas de apoyo de toda la estructura permiten deflexiones elevadas y/o radios de curvatura reducidos. Por todo lo expuesto, un buen comportamiento en servicio de las capas de HMA será función de la Relación Estabilidad Fluencia (REF), no debiéndose considerar

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un alto valor de Estabilidad (E) como un índice de calidad si su Fluencia (F) es reducida. Dentro del método Marshall de diseño de mezclas asfálticas en caliente se emplean los términos indicados, a continuación una breve descripción de los mismos (García y Simán, 1994):

1) Estabilidad Marshall: Es la carga máxima expresada usualmente en kilogramos o libras que puede resistir, sin que se produzca falla, una probeta cilíndrica de mezcla asfáltica en caliente, preparada y ensayada en condiciones normalizadas.

2) Flujo Marshall: Es la reducción del diámetro de la probeta, expresada en milímetros o pulgadas, en el momento de alcanzar la carga máxima y en la dirección de ésta.

3) Densidad o Peso Unitario: Es la relación entre el peso de la mezcla compactada y el volumen de la misma incluyendo los vacíos de aire. Usualmente se expresa en kg/m3.

4) Vacíos de Aire: Volumen de los espacios entre partículas de agregados recubiertos de asfalto, expresado como porcentaje del volumen total de la probeta. 5) Vacíos del Agregado Mineral: Volumen de los espacios entre partículas de agregados, expresado como porcentaje del volumen total de la mezcla compactada 6) Relación Estabilidad-Flujo: Razón entre la carga máxima en Kg (ESTABILIDAD) y la deformación al alcanzar la carga máxima (FLUJO) en mm.

7) Relación filler-betún: Es la relación en volumen, del pasa tamiz número 200 del agregado sobre el mismo volumen más el volumen de cemento asfálticos.

Definidos los parámetros de la mezcla asfáltica, conviene aclarar que nos brinda el Método Marshall. Para una mezcla de áridos, que cumpla una especificación determinada con un tamaño máximo igual o menor a 1 pulgada, según sea usada para capa de base o superficie y según el tránsito que la solicitará, permitirá determinar el porcentaje óptimo de cemento asfáltico.

1.5 Conceptos sobre el diseño de mezclas asfálticas SMA (Splittmastixasphalt) Las mezclas asfálticas Stone-Mastic Asphalt (Splittmastixasphalt) son un diseño alemán concebido para resistir el ahuellamiento y abrasión provocados por los

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neumáticos de vehículos que llevan elementos antideslizantes contra la nieve adheridos (cadenas, clavos, etc.), y hoy en día asegura pavimentos durables. Su elevada estabilidad reside en dos componentes: una fuerte estructura granular mas un mortero altamente cohesivo producto de un elevado contenido de ligante y filler más la adición de fibras celulósicas. El mortero formado por el conjunto ligante-filler-fibras debe rellenar parcialmente –hasta dejar solamente 2 a 3 % de vacíos de aire en la mezcla- a dicha estructura granular cuyos Vacíos del Agregado Mineral (VAM) no deben ser inferiores al 17%. A su vez los Vacíos Rellenos de Betún (RBV) se ubican por lo general entre 78 y 93 %, valores éstos superiores a los que posee una mezcla asfáltica densamente graduada. Dicho mortero debe ser impermeable, de alto poder cohesivo y adherente con las partículas minerales, por lo cual está formado por material de relleno muy fino – polvo de aporte de los áridos, filler comercial- más un elevado contenido de ligante y un agente estabilizante y espesante cuyo mejor exponente lo constituyen las fibras celulósicas. Se trata de un concepto totalmente distinto al de las mezclas tradicionales, densamente graduadas y elaboradas a elevadas temperaturas. En la SMA se debe diseñar una estructura granular discontinuamente graduada, con contacto interparticular –resistencia friccional- rellenada sin ser saturada por un mortero asfáltico –componente cohesiva- estable e impermeable. Estable significa que no ocurran escurrimientos de ligante durante la elaboración y colocación de la mezcla, como tampoco exudaciones y deformaciones permanentes durante su vida de servicio bajo las acciones del tránsito y del clima. Cuanto más ligante asfáltico contenga la mezcla, mayor durabilidad tendrá la misma. Con las SMA se potencian tanto la fricción como la cohesión, alcanzando un nivel de comportamiento bajo tránsito inigualable por ninguna otra mezcla asfáltica existente. Gracias al esqueleto pétreo autoportante la SMA resiste mejor que ninguna los esfuerzos repetidos de las cargas más pesadas –resistencia a deformaciones permanentes- y debido al bajo contenido de vacíos de aire y elevado contenido de ligante resiste muy bien la fatiga –resistencia a la fisuración por esfuerzos repetidos. Ello se traduce en una vida de servicio que va desde un 50 hasta un 100 % mayor que en el caso de las mezclas convencionales. Debido a su excelente comportamiento en servicio tampoco requieren mantenimiento, por lo cual se podría decir que las SMA son mezclas sin mantenimiento anticipado. De allí que los americanos puedan afirmar que con tan sólo dos años de mayor vida útil de una SMA, se puede compensar el mayor costo inicial de estas mezclas. El agente estabilizante juega un papel fundamental en la SMA: debe permitir maximizar el contenido de ligante de manera de obtener una mezcla estable y de

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alta durabilidad aún bajo las peores condiciones de repetición de cargas y de clima adverso. Es por ello que los mejores resultados se obtienen a partir del empleo de fibras. Estos materiales de muy pequeñas dimensiones –1100 micrones de largo por 45 micrones de diámetro, valores medios-, textura rugosa, alta flexibilidad, inocuas a la salud y de carácter inerte frente al asfalto –por ello deben emplearse fibras de celulosa- permiten la adición de la mayor cantidad de ligante asfáltico posible evitando el escurrimiento de la mezcla recién elaborada y almacenada, y la exudación en servicio. Al mismo tiempo las fibras de celulosa son las más económicas del mercado. Ni una cantidad extra de filler, el uso de polímeros o caucho granulado podrían superar la acción absorbente de las fibras. Los polímeros sí modifican al asfalto y pueden emplearse cuando las características del proyecto así lo demanden, pero en ningún caso para reemplazar algún componente de la SMA. Los polímeros no reemplazan a la acción de las fibras, sólo modifican las características del ligante base cuando ello es así requerido. Por tanto y por definición Stone-Mastic Asphalt es una mezcla asfáltica de gran estabilidad y superior durabilidad y está formada por:

1. Agregados pétreos de alta calidad granulométricamente graduados maximizando la componente de fricción interna de la mezcla,

2. Mortero Asfáltico formado por: filler, ligante asfáltico y fibras, y 3. Composición volumétrica balanceada, tal que la mezcla resulte altamente resistente, impermeable, sin riesgos de exudaciones y brinde la máxima durabilidad.

Dada la definición y su historial en servicio la SMA es una mezcla premium para superficies de rodamiento sujeta a las condiciones más críticas de carga y clima. Dura mucho más que una mezcla convencional y, como se dijo, no requiere de operaciones de mantenimiento durante su vida de servicio. En un reporte de la Federal Highway Administration de los EEUU, Bringing Global Innovations to U.S. Highways, se indica que la SMA es ahora la solución preferida para las carreteras de los EEUU sometidas a tráfico pesado. También forman parte de los denominados Perpetual Pavements, un nuevo concepto en diseño de pavimentos de larga vida en los cuales se diseña la estructura para durar al menos unos 50 años y sólo se renueva la superficie periódicamente. El manual mas reciente MS-2, del Asphalt Institute norteamericano establece que la meta final del diseño de una mezcla asfáltica en caliente es seleccionar un contenido de ligante de diseño único que logre un balance entre todas las propiedades deseadas. El comportamiento de una mezcla asfáltica está relacionado

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con: durabilidad, impermeabilidad, resistencia, estabilidad, stiffness, flexibilidad, resistencia a fatiga y trabajabilidad. Agrega además, que el objetivo general del diseño de mezclas asfálticas para pavimentación es determinar una mezcla costo-efectiva que además brinde las propiedades antes señaladas. La SMA cumple con estos requisitos. Mientras que una mezcla convencional debe buscar un compromiso entre las principales propiedades requeridas para una carpeta de rodamiento, la SMA por definición busca maximizar el contenido de ligante para rellenar una estructura granular con alta trabazón interparticular ya de por sí resistente. En una mezcla convencional se deben sacrificar algunas propiedades en beneficio de otras, en la SMA se potencian todas las propiedades necesarias, es el arte de combinar los materiales intervinientes de manera que su conjunto cumpla con todas las propiedades requeridas. Las SMA tienen numerosas aplicaciones en lugares donde se ejercen elevadas tensiones sobre la capa de rodadura y donde las mezclas convencionales presentan numerosos inconvenientes: intersecciones semaforizadas, rotondas, puertos, pistas de aterrizaje, carriles para autobuses, como capa antireflexión de fisuras, carriles para tráfico pesado exclusivamente, playas de estacionamiento y maniobra de grandes equipos, en tablero de puentes, etc. 1.6 Concepto y Principio de Funcionamiento de SMA: Es una mezcla asfáltica con granulometría semi-discontínua, alta macro textura, elevado contenido de ligante y bajo contenido de vacíos de aire totales, a manera de formar una estructura con elevada resistencia a las deformaciones permanentes, pero con suficiente flexibilidad para resistir los esfuerzos de fatiga (NCHRP, 1999). Las deformaciones permanentes se evitan, al maximizar el contacto de agregados gruesos, por medio del contacto de piedra con piedra y un rico mortero con ligante asfáltico, provee durabilidad.

Las características son que contiene más agregado grueso (70-80%) y el ligante (6.5-7.5%), relleno mineral (9-11%), fibras celulósicas como aditivo (0.3-0.5%). Debido a las características, el agregado grueso forma una fuerte estructura esquelética compacta y entrelazada que contribuye a disipar el impacto subterráneo (capas inferiores), y el resto de los ingredientes forma lo que es llamado el mortero (mortero) el cual crea un cierre impermeable que impide la absorción del agua por la mezcla SMA. Al mismo tiempo, su textura superficial más rugosa también reduce el hidroplaneo.

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La figura No. 1 y figura No. 2, respectivamente, muestra las diferencias entre una mezcla de granulometría discontinua (SMA) y una mezcla densa de granulometría continua. Figura No. 1 Figura No.2

El Stone Mastic Asphalt es reconocido por su:

� Alta estabilidad a la deformación � Resistencia a la fatiga y al envejecimiento � Drenaje lateral del agua � Resistencia a los deslizamientos � Reducción del ruido

La utilización de fibras celulósicas no modifica químicamente al bitumen pero interviene en las propiedades físicas permitiendo incrementar el contenido del mismo. Tiende a espesar o conferir una reología al bitumen evitando que el mismo drene de la mezcla previa a la compactación. Las fibras de celulosa pueden utilizarse en forma de “pellets”. El VIATOP de J. Rettenmaier & Söhne es una combinación de fibras con bitumen en forma de “pellets” que puede ser utilizado con facilidad y agregado durante la preparación de la mezcla. El contenido de fibra celulósica debe ser 0.3% en peso calculado sobre mezcla total, aprox. 0.5% de VIATOP que contiene 66% de fibra (J. RETTENMAIER & SÖHNE GMBH + CO. MANUFACTERERS OF FIBERS).

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1.7 Ventajas de SMA: La ventaja principal de SMA es la esperada larga vida comparada con la mezcla convencional densamente graduada. Los años adicionales de servicio provenientes de la SMA se traduce en menos interrupciones al público viajero y ahorros en recapeos adicionales que no serán necesarios. Experiencia Europea por más de 20 años de uso de la SMA, indica buena resistencia hacia las llantas de clavos y a la deformación, además tienen potencial para reducir la reflexión de fallas estructurales hacia los recapeos. Otras ventajas potenciales son la reducción en el salpique de agua causado por las llantas y la reducción del ruido (Bolzán, 2000).

Buena estabilidad a elevadas temperaturas: La mezcla de SMA presenta un esqueleto pétreo de áridos de alta calidad que provee un incremento en la fricción interna y resistencia al corte dando así una estabilidad extremadamente elevada.

Buena flexibilidad a bajas temperaturas: SMA utiliza un mortero rico en mortero que ofrece propiedades superiores a las de un concreto denso en caliente en sus características de resistencia al fisuramiento térmico.

Elevada resistencia al desgaste: SMA tiene bajo contenido en vacíos de aire totales que le confiere impermeabilidad y le provee buena resistencia al envejecimiento, a la humedad y eleva la durabilidad.

Elevada capacidad adhesiva entre los agregados y el bitumen: Estas mezclas SMA tienen una gran cantidad de filler y asfalto, las fibras celulósicas se agregan como estabilizante. Ello se hace para absorber bitumen, espesar la película bituminosa y mejorar la adhesión betumen / áridos.

Una mezcla que no tiende a separarse: Se obtiene una eficiente estabilización del mortero para evitar la separación de las partículas áridas gruesas. Buena resistencia al deslizamiento: Debido a la profundidad de su textura superficial y al uso de áridos gruesos, se obtiene una excelente resistencia al deslizamiento. Salpicado reducido: Debido a la profundidad de textura superficial hay menos salpicado de agua y, de noche, es menor el reflejo de la superficie y se mejora la visibilidad de las demarcaciones del camino. Menos ruido de tráfico: SMA presenta generalmente disminución de ruidos debido a las propiedades de textura conseguidos.

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Propiedades del mortero Actualmente, no se han realizado pruebas específicas del mortero de SMA. El proyecto National Cooperative Highway Research Program realizado por NCAT sobre SMA sugiere que el procedimiento de la prueba de ligante de superpave puede ser apropiada para evaluar las propiedades del mortero. El concepto de usar una consistencia mínima del mortero para proveer una consistencia del mortero que resista la deformación permanente y una consistencia máxima a una baja temperatura para resistir agrietamiento por temperatura. Sin embargo, no hay la suficiente experiencia o conocimiento para utilizar el equipo en estos momentos. Nuevos avances en los diseños de SMA Uno de los nuevos avances en los diseños de SMA es de seleccionar el contenido asfáltico óptimo de 4 por ciento de vacíos de aire, particularmente en climas relativamente cálidos. Con el crecimiento del uso de mezclas Superpave y el compactador giratorio superpave, mas mezclas de SMA son diseñadas con el SGC. Un esfuerzo de compactación de 80 revoluciones de la SGC comparado con un esfuerzo de compactación de 50-golpes Marshall de compactación es también una recomendación reciente, que se considera como una opción. 1.8 Consideraciones Económicas: Según Bolzan (2000), el costo de SMA se ha reportado, dentro del 20-25% arriba del costo de las mezclas convencionales densamente graduadas. El costo de las fibras ligantes modificados, mayor contenido asfáltico son posibles razones en el incremento del costo. Sin embargo, algunos de estos incrementos se ven reducidos por el uso en menor cantidad de SMA por proyecto, comparado con las mezclas convencionales densamente graduadas. Los beneficios adicionales en disminución de ruido que puede alcanzarse con el uso de esta mezcla puede guiar también a la reducción del costo, por menos construcción de barreras contra el ruido. 1.9 Usos potenciales de SMA: La mezcla se utiliza para las capas superficiales de todo tipo de caminos, desde zonas de tránsito intenso y carreteras de alta velocidad a intersecciones que soportan cargas muy pesadas, así como sendas para bicicleta y aceras (VIAL, 1999).

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Normalmente SMA son usadas en pavimentos que conllevan un volumen pesado de tránsito o pavimentos con cargas pesadas o presión de neumáticos alta. Indicaciones son que el incremento en vida opaca el incremento en costo adicional. Entre otros se pueden mencionar los siguientes:

� Elevada frecuencia de tránsito pesado � Alta resistencia al ahuellamiento � Intersecciones semaforizadas � Autopistas � Zonas en pendiente � Sendas de bus � Puentes � Playas de estacionamiento � Dársenas de bus � Áreas de carga / descarga � Aeropuertos

1.10 Proceso para el diseño de la mezcla asfáltica tipo SMA: Para diseñar una mezcla SMA se requieren tener en cuenta un diseño funcional –seguridad y ambiente- y otro estructural –resistencia y durabilidad-, por lo tanto se debe: a) diseñar la textura superficial (macro y micro-texturas) y b) diseñar la estructura interna (estructura granular + mortero)

Para diseñar la textura se debe tener en cuenta el tipo de agregado a utilizar, su valor de pulido acelerado (PSV), el tipo y porcentaje de trituración de las fracciones más gruesas y el tamaño máximo. Para diseñar la estructura granular autoportante se deben seleccionar áridos resistentes, durables y con forma de partículas apropiadas tal que generen un fuerte componente de fricción. La selección de los distintos tamaños se basa en las curvas granulométricas de la norma alemana ZTV Asphalt StB-01, o mejor aún en la denominada Real SMA que fue la que originó las SMA. Constituyen un escalonamiento granulométrico casi discontinuo con una fuerte disminución en la curva granulométrica, de los tamaños intermedios, maximizando las fracciones gruesas y las partículas más finas.

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El diseño del mortero comprende tres materiales diferentes: ligante asfáltico, filler y fibras. Los tres tienen funciones bien definidas en la SMA y por tanto ninguno puede reemplazar al otro y no se puede prescindir de alguno de ellos. Polímeros y fibras son materiales distintos y cumplen funciones distintas. Los asfaltos se pueden modificar con polímeros para mejorar sus propiedades originales. Las fibras no modifican el asfalto, sólo lo espesan y permiten maximizar su contenido. Los polímeros no pueden lograr este efecto, sino se les utiliza con fines distintos, forman parte del ligante no como aditivo inhibidor de escurrimiento. A pesar de que se han elaborado SMA con ligantes asfálticos modificados con polímeros y sin fibras, el resultado final es una SMA de inferior calidad dado que no se puede emplear el contenido de ligante máximo. El ligante asfáltico a emplear puede tener distintos grados, ya sea fijados por la consistencia medida por la penetración o la viscosidad, o bien por ensayos relacionados con el comportamiento como en el sistema Superpave. Lo esencial es seleccionar el grado asfáltico más apropiado a las condiciones de clima, tránsito y estructurales del proyecto. El balance entre los volúmenes de aire, asfalto y áridos incluido el filler, es fundamental a fin de: a) lograr una mezcla impermeable: bajos contenidos de vacíos de aire, b) dejar suficiente espacio para albergar una relativamente alta proporción de mortero: elevado porcentaje de vacios de agregado mineral,

c) rellenar los vacíos interparticulares con la mayor cantidad de ligante posible: elevados porcentajes de vacios rellenos de betun.

Para lograr colocar la mayor cantidad de ligante posible se deben adicionar fibras que pueden espesar el mortero lo suficiente como para evitar: a) un excesivo escurrimiento de ligante durante la elaboración y colocación de la mezcla,

b) inhibir todo tipo de exudación de ligante a la superficie una vez sometida al tránsito, y

c) evitar cualquier tipo de deformaciones permanentes bajo tránsito.

Con respecto al betún-polímero que se viene utilizando en distintas mezclas asfálticas es importante tener en cuenta que estos materiales compuestos, son de

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difícil caracterización en laboratorio y control de calidad en obra, por lo que es imprescindible que provengan de fabricantes de reconocida trayectoria y que adjunten documentación sobre su real comportamiento en servicio. Las fibras de celulosa cumplen las siguientes funciones en la SMA: A) Durante la elaboración y colocación de la mezcla asfáltica:

� aumentan la trabajabilidad de la mezcla, propiedad ésta particularmente importante en mezclas con alto contenido de fracciones gruesas y trituradas,

� inhiben el escurrimiento de ligante � brinda mayor homogeneidad al conjunto

B) En servicio:

� mayor ángulo de fricción interna y cohesión en la mezcla � inhibe la exudación de ligante a la superficie � mayor espesor de película de asfalto � mayor resistencia a la acción del agua � mayor resistencia a la fatiga � mayor resistencia al envejecimiento

Todas estas propiedades se deben fundamentalmente a la posibilidad de alojar mayor cantidad de ligante asfáltico por la presencia de las fibras celulósicas. Desde el punto de vista de la seguridad el factor más desfavorable en la carretera lo constituye la presencia de una película de agua durante la circulación del tránsito. Ello se agrava aún más cuando falta luz natural y virtualmente desaparece la señalización horizontal. La proyección de agua (back-spray) se agrega también a la complejidad de este cuadro. El peligro mayor es cuando se produce el denominado efecto hidroplaneo (efecto H) por el cual el vehículo pierde contacto con la superficie del pavimento por la presencia de una película de agua continua.

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Ahora bien, la propiedad física de una superficie asfáltica que contribuye a la efectividad con que la misma reduce el riesgo del efecto H es la denominada profundidad de textura media (PTM). La PTM es la altura relativa promedio de las partículas minerales que afloran en la superficie. Se mide en mm y puede variar desde unas pocas décimas de mm hasta un poco más de un par de mm. Una elevada PTM ayuda a reducir el espesor de película de agua para un dado flujo de agua. La película de agua eventualmente existente en la superficie tiene dos componentes: un flujo que es eliminado de la superficie y otro que circula dentro de la macro textura. Este último no contribuye con el efecto H. La mezcla SMA tiene suficiente PTM como para prevenir el efecto H, es impermeable como para impedir que ingrese humedad a las capas inferiores afectadas por el fisuramiento reflejo 1.11 Diseño de la SMA con fibras sistema Viatop Se tomó en consideración la experiencia alemana donde aplican la fibra Viatop al 5 por mil en peso del peso total de la mezcla SMA. Ello permite incrementar el contenido de ligante hasta un valor por encima del 6% mínimo recomendado y al cual no se puede alcanzar sin las fibras. El análisis de las fibras en la mezcla asfáltica comprende: 1. compatibilidad fibras-asfalto 2. posible acción del agua 3. posible mejoramiento de las propiedades mecánicas 4. estudio de las propiedades volumétricas 5. análisis del mortero 6. estudio del escurrimiento 7. comparación entre mezclas con ligante modificado y mezclas con ligante convencional

8. distribución de las fibras en la mezcla 9. color de las fibras obtenidas por extracción con solventes

El porcentaje de fibras en la mezcla debe asegurarse con un eficiente sistema de alimentación, preferentemente gravimétrico. En laboratorio se verifica la presencia y homogeneidad de las mismas mediante el ensayo de extracción con solventes (reflux). Sin embargo, la obtención de fibras por este método es un tanto imprecisa ya que las mismas deben separarse de cada tamiz y luego de la arena que queda adherida a ella. Por tanto, más que el contenido de fibras se determina la presencia de las mismas. Las fibras de colocación más oscura indican que se han sobrecalentado en planta, en el peor de los casos se han quemado por exceso de

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temperatura. Este aspecto debe cuidarse atentamente durante la elaboración de la mezcla. Como se mencionó con la adición de fibras se mejora la trabajabilidad de la mezcla con asfalto polímero (elastómeros SBS), reduciendo la viscosidad de la misma. Ello trae como consecuencia que: 1. En planta: la mezcla resulta menos “pegajosa”, no se segrega, normalmente las SMA con asfalto polímero y gran cantidad de filler pueden presentar segregaciones por temperatura y de mortero.

2. En laboratorio: tanto la fabricación de las probetas (moldeo) como la toma de muestra y cuarteo de la misma se facilitan con las fibras.

3. Durante el almacenamiento y transporte: las fibras evitan la adherencia a la caja de los camiones, equipos, partes de la planta, etc.

4. En el camino: los elementos utilizados (plancha, palas, doble rodo manual, etc.) no quedan con adherencias difíciles de remover. La mezcla se acomoda mejor, no se adhiere a los rodillos metálicos empleados. La compactación se logra más fácilmente, particularmente considerando que todo el material pétreo es de trituración.

Beneficios El granulado de fibras celulósicas Viatop se compone de la acreditada fibra Arbocel más betún para pavimentos, el que actúa como agente separador de las fibras y aditivo de granulación. Comparado con la fibra suelta, Viatop presenta una serie de extraordinarias ventajas:

� Viatop se agrega por el centro de la mezcladora, donde los “pellets” se incorporan rápida y completamente.

� El tiempo de premezclado en seco necesario en el caso de la fibra suelta, se reduce considerablemente. De este modo se protegen la mezcladora y los agregados, incrementándose simultáneamente la capacidad de la mezcladora.

� Gracias a Viatop la mezcla SMA es mucho más uniforme y homogénea. Ello permite producir recubrimientos de mezclas finas como SMA 0/5 con tiempos de mezclado breves.

� Puede procesarse automáticamente desde los silos o big bags.

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� La dosificación automática permite incrementar la flexibilidad del proceso, especialmente en plantas asfálticas que producen varios tipos de mezclas.

� El aumento de la capacidad de mezcla y mayor seguridad resultan beneficiosos para proyectos de gran envergadura y plantas mezcladoras de alto rendimiento

� Las mezcladoras modernas pueden operarse con dos personas, siempre que los silos estén equipados con un dispositivo de dosificación totalmente automático.

� También es notablemente apto para el uso en plantas mezcladoras continuas. Viatop posibilita un funcionamiento rentable de todas las plantas mezcladoras y garantiza la alta calidad de la mezcla SMA.

1.12 Especificaciones Técnicas para SMA: 1.12.1 Calidad de los Materiales: Agregados Pétreos

� 100% provenientes de trituración, todas las caras trituradas � Desgaste Los Angeles (IRAM 1532) menor de 30% � Indice de Lajas (VN E38-86)menor de 25 % � Polvo Adherido (VN E68-75)menor de 0.5 % � Adhesividad mayor del 95% (ASTM D 3625) � Equivalente de Arena (VN E10-82) superior al 50% � Absorción menor del 2% (AASHTO T 85) � Durabilidad en Sulfato de Sodio menor del 15 % (AASTHO T 104) � Pulimento Acelerado (NLT 174/72) mayor de 0,55

Estructura Granular de Diseño La estructura granular debe garantizar el contacto partícula-partícula de acuerdo con el ensayo AASHTO T 19, las granulometrías deben establecerse entre los límites siguientes:

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Tabla No.1 –Fracciones granulométricas- Alemania

Tamiz Tipo SMA

0/11 S 0/8 S 0/8 0/5 > 11,2 mm ≤ 10 --- --- ---

> 8,0 mm ≥ 40 ≤ 10 ≤ 10 --- > 5,0 mm 60 - 70 55 – 70 45 - 70 ≤ 10 > 2,0 mm 75 - 80 75 – 80 70 - 80 60 – 70 < 90 µm 9 - 13 10 – 13 8 - 13 8 – 13 Tabla No.2 –Fracciones granulométricas- Suecia

Tamiz Tipo SMA

0/22 0/16 0/11 0/8

45,0 mm 100 --- --- --- 31,5 mm 98 - 100 100 --- --- 22,4 mm 85 - 99 98 - 100 100 --- 16,0 mm 50 - 80 85 - 99 98 - 100 100 11,2 mm 35 - 65 34 - 70 85 - 99 98 – 100 8,0 mm 27 - 50 27 - 50 35 - 60 85 – 99 4,0 mm 20 - 33 20 - 32 24 - 35 28 – 49 2,0 mm 16 - 29 16 - 29 19 - 30 20 – 30

75 µm 8 - 13 8 - 3 8 - 3 8 – 13 Tabla No.3 –Fracciones granulométricas- Comunidad Europea

Tamiz Tipo SMA

D4 D6(1) D6(2) D8 D10 D11 D14 D16 D20 D22 31,5 mm 100 100 22,4 mm 100 90-100 20,0 mm 100 90-100 16,0 mm 100 90-100 60-80 14,0 mm 100 90-100 60-80 11,2 mm 100 90-100 45-75 35-60 10,0 mm 100 90-100 50-75 35-60 8,0 mm 100 90-100 45-75 25-40 25-40 6,3 mm 90-100 30-50 20-35 20-35 5,6 mm 100 90-100 4,0 mm 90-100 25-45 25-40 30-35 20-35 2,0 mm 30-40 30-40 25-35 20-30 20-30 20-30 15-30 15-30 15-30 15-30 63 µm 8-12 8-12 8-12 8-12 8-12 8-12 8-12 8-12 8-12 8-12

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Tabla No.4 –Fracciones granulométricas- Estados Unidos

Tamiz Tipo SMA

25 mm 19 mm 12,5 m 9,5 mm 4,75 mm

37,5 mm 100

25,0 mm 90-100 100

19,0 mm 30-86 90-100 100

12,5 mm 26-63 50-74 90-100 100

9,5 mm 24-52 25-60 26-78 90-100 100

4,75 mm 20-28 20-28 20-28 26-60 90-100

2,36 mm 16-24 16-24 6-24 20-28 28-65

1,18 mm 13-21 13-21 13-21 13-21 22-36

0,6 mm 12-18 12-18 12-18 12-18 18-28

0,3 mm 12-15 2-15 12-15 12-15 15-22

0,075 mm 8-10 8-10 8-10 8-10 12-15 Las tablas anteriores demuestran que no hay un criterio bien definido, ya que depende de los agregados que se encuentra en cada país; en Guatemala se podría tomar como base, el cuadro americano. Filler de Adición Es utilizado en porcentajes tales que el total de pasa tamiz 200 esté entre 8 y 13 % del volumen total de los agregados. Por lo tanto se requiere un dispositivo mecánico capaz de proporcionar tal cantidad de polvo en la planta asfáltica. Empleando cantidades importantes de este material debe tenerse cuidado de las interacciones físico-químicas con el ligante. No debe emplearse cal hidráulica ni cemento portland en porcentajes mayores del 3 a 4%. Puede emplearse un filler calcáreo previo análisis de sus propiedades. Fibras de Celulosa Forman parte del mortero junto con el ligante y el filler. No se establecen condiciones especiales para la calidad de la misma, sino la firma contratista debe proponer el tipo y contenido de las mismas y garantizar su comportamiento. Por lo tanto, deben ser fibras de reconocido comportamiento en servicio y calidad

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comprobada. No se admitirán productos que presenten una amenaza para la salud. Se debe remitir certificado de calidad del producto antes de su uso y durante la obra. Ligante Asfáltico Modificado con Polímeros

� Perfil de Viscosidad Rotacional (ASTM D 4402) a 135, 150, 170 y 190 C : debe ser indicada (incluyendo aguja, rpm, % de torque y shear rate), por la Refinería y controlada en obra una vez fijados sus valores y tolerancias. La contratista entregará dicho perfil de viscosidad recomendado con sus entornos para el análisis y aprobación por parte de la contratante.

� Punto de Inflamación Cleveland (IRAM 6555) : mínimo 235 C � Recuperación Elástica Torsional (NLT 329-91) a 25 C:mínima de 70% � Ensayo de Separación: diferencia de Viscosidad Rotacional a 170C entre la parte superior y la inferior no mayor del 15%. (ASTM D 5976. También NLT 328/91)

� Indice de Envejecimiento : Viscosidad 170C del asfalto envejecido con el ensayo en película delgada rotativa (RTFOT, ASTM D 2872) dividido la Viscosidad 170 C del asfalto original : menor o igual a 2,0.

� Rango de temperaturas de mezclado y compactación : deben ser indicadas por el fabricante.

� Temperatura máxima de calentamiento: a indicar por el fabricante � Condiciones de almacenamiento: idem anterior.

El ligante debe ser clasificado según la norma AASHTO MP-1 (Superpave Performance Graded Asphalt Binder Specification) e informar su valor antes de la primera entrega de material y cada 500 toneladas de ligante entregado. Si la cantidad de material utilizado es menor de dicha cifra, se debe realizar al menos un ensayo PG. Certificado de Calidad: Debe ser requerido a la refinería por cada envío y debe incluir:

� Viscosidad (170C) luego del ensayo RTFO (ASTM D 2872) � Perfil de Viscosidad Rotacional a 135, 150, 170 y 190 C � Recuperación Elástica Torsional a 25 C � Estabilidad a altas temperaturas � Rango de Temperaturas de Elaboración y Compactación � Temperatura máxima de calentamiento � Clasificación PG

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� Cada certificado de calidad debe ser provisto en papel con membrete original de la firma y firmado por personal responsable.

Ligante Asfáltico Convencional

� Deberá cumplir en un todo con la norma ASTM D 3381. El grado debe indicarse en función de las condiciones de clima, tránsito y estructura de proyecto.

� Adicionalmente debe cumplir con la siguiente condición: la Viscosidad Rotacional a 60 C del asfalto envejecido con el ensayo en película delgada rotativa (RTFOT, ASTM D 2872) dividido la Viscosidad Rotacional a 60 C del asfalto original debe ser menor o igual a 3.


� Viscosidad (170C) luego del ensayo RTFOT (ASTM D 2872) � Perfil de Viscosidad Rotacional a 60, y 135 C (ASTM D 4402) � Rango de Temperaturas de Elaboración y Compactación � Temperatura máxima de calentamiento � Clasificación PG � Cada certificado de calidad debe ser provisto en papel con membrete original de la firma y firmado por personal responsable.

Emulsión Asfáltica Modificada para riego de liga

� Viscosidad Saybolt Furol a 50 C : mayor de 40 � Carga de Partícula: positiva � Asentamiento a 7 días, menor del 5% � Ensayo de Tamiz (850 micrones), menor de 0,10 % � Contenido de Hidrocarburos destilados, menor del 2 % � Residuo Asfáltico, mayor del 67% � Penetración del Residuo (25/5/100): entre 50 y 90 � Recuperación Elástica Torsional a 25 C del residuo, mín. 12%

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Certificado de Calidad : Debe ser provisto por la refinería con cada envío y debe incluir los ensayos arriba indicados. Cada certificado de calidad debe ser provisto en papel con membrete original de la firma y firmado por personal responsable. Nota: Si no se dispone de emulsión modificada puede en su defecto utilizarse una emulsión catiónica de rotura rápida que deberá cumplir con las normas vigentes. 1.12.2 Diseño de la Mezcla

� Compactación Marshall, 50 golpes por cara � Cal hidratada: contenido máximo de 3 % � Vacíos de Aire de la mezcla compactada : 4% � Vacíos del Agregado Mineral, mínimo 17 % � Vacíos del Agregado Grueso de la mezcla, menor que VCA (Ensayo de Determinación de Vacíos de Arido Grueso, AASHTO T19)

� Resistencia a Tracción Indirecta (ASTM D 4123), mínima 6 Kg/cm2 � Resistencia a Tracción Indirecta (ASTM D 4123) Residual, mínima 90% para probetas compactadas al 7% de vacíos.

� Escurrimiento de ligante a la temperatura de elaboración, máximo 0,3% � Contenido de fibras mínimo: 0,3 % en peso del total de la mezcla � Contenido de ligante mínimo: 6,0 % en peso del total de la mezcla

Nota: Debe tenerse en cuenta la diferencia de pesos específicos posibles entre los materiales pétreos gruesos, finos y extra-finos a fin de aplicar la corrección cuando la misma sea superior a 0,020. 1.12.3 Tolerancias:

Sobre la fórmula de obra adoptada se establecen las siguientes tolerancias porcentuales (desviaciones standard):

35


Tabla 5. Tolerancias Extracción Método

Nuclear Horno de Ignición

Contenido de Asfalto ± 0,20 ± 0,18 ± 0,13 Alimentación en Frío

Áridos que pasan el tamiz No. ¼” y mayores

± 3 ± 3

Pasa Tamices No 4 a No. 100 ± 2 ± 2 Pasa tamiz No. 200 ± 1 ± 1,0 Peso Específico Máximo Rice ± 0,015 Vacíos de Aire ± 1 VMA ± 1 RBV ± 3 Peso Específico Aparente ± 0,020 Tabla 6. Especificaciones Técnicas para el diseño típico de SMA

SMA

0/11 S

0/8 S

0/8

0/5

1. Agregados Agregado triturado de alta calidad, polvo de roca triturado y relleno mineral

Fracciones mm <0.09 mm % en peso >2.0 mm % en peso >5.0 mm % en peso >8.0 mm % en peso >11.2 mm % en peso

0/11

9 – 13 75 – 80 60 – 70 > 40 < 10

0/8

10 – 13 75 – 80 > 55 < 10 --

0/8

8 – 13 70 – 80 45 – 70 < 10 --

0/5

8 – 13 60 – 70 < 10 -- --

Crushed sand – natural sand ratio

1 : 0 1 : 0 > 1:1 > 1:1

2. Ligante Grado del Bitumen Contenido del Bitumen % en peso

B65 > 6.5

B65 > 7.0

B80 > 7.0

B80 > 7.2

3. Aditivo estabilizador Contenido en la mezcla % en peso

0.3 – 1.5

0.3 – 1.5

0.3 –

0.3 – 1.5

36


1.5

4. Mezcla Testigo Marshall Temperatura de compactación oC Contenido de vacíos % en volumen

135 + 5 3.0 – 4.0

135 + 5 3.0 – 4.0

135 + 5 2.0 – 4.0

135 + 5 2.0 – 4.0

5. Superficie Espesor cm Peso kg/m2 Tasa de compactacion % Contenido de vacíos % en volumen

3.5 – 4.0 85 – 100 > 97 < 6.0

– 4.0

70 – 100 > 97 < 6.0

2.0 – 4.0 45 – 100 > 97 < 6.0

1.5 – 3.0 35 – 75 > 97 < 6.0

1.13 Construcción 1.13.1 Detalles de aplicación Constructivamente la SMA ofrece algunas características a tomar en cuenta. Ante todo es importante mencionar que al trabajar con condiciones de tránsito abierto en una autopista de por sí imprime características particulares al proyecto de colocación de SMA que afecta tanto los tiempos de colocación como los de apertura al tránsito. En lo referente a la aplicación se debe tener cuidados con: las juntas de construcción transversales y longitudinales, la seguridad al trabajar a tránsito abierto, las temperaturas de elaboración y compactación, el tipo de compactación, la geometría de la calzada (pendientes), el tiempo de apertura al tránsito, y los espesores. Las paradas de la terminadora deben minimizarse, y debe ejercerse el control estricto de pendiente transversal y espesores. Para una adecuada construcción de juntas de trabajo es imprescindible recurrir al corte vertical –por fresado u otros métodos- de la capa colocada anteriormente a fin de lograr un correcto acomodamiento de la nueva capa a aplicar. Las zonas de juntas transversales son propensas a tener una sobre-elevación sino se toman las debidas precauciones, mientras que las de juntas longitudinales pueden quedar abiertas o a desnivel si no se logra un corte neto de la capa aplicada con anterioridad.

37


La falta de homogeneidad en la elaboración y/o colocación de la mezcla puede originar distribuciones puntuales de material con exceso de mortero (finos y ligante). Son las típicas “fat spots” que aparecen en la superficie en un punto y a veces se extienden unos metros hacia delante. Ello fue definitivamente solucionado con la adición de fibras. Cuando se agregaron las fibras y un mayor contenido de ligante –segunda parte de la repavimentación- los problemas de trabajabilidad y segregaciones ocurridos en parte de la primera repavimentación desaparecieron. La temperatura ambiente y los detalles constructivos son los aspectos más importantes a tener en cuenta en estos casos. Se efectuaron trabajos en verano y en invierno, en este último caso con temperaturas superiores a los 7 C. Las temperaturas de compactación deben cuidarse estrictamente, los rodillos lisos en modo estático y en número suficiente, deben estar siempre cerca de la terminadora. Para ello se deben procurar siempre al menos dos rodillos por ancho de carril, bien próximos a la cola de la terminadora, y un tercero detrás para eliminar marcas y obligar a mantener siempre adelante a los rodillos delanteros. En los proyectos se debe aplicar un estricto sistema de gestión de calidad midiendo las propiedades volumétricas de la mezcla (contenido de ligante, contenido de filler, densidad Máxima Rice, vacios de agregado mineral) cada 250 toneladas de mezcla elaborada, y la RTI a 25 C y 50 mm/min. de todos los testigos extraídos del camino. Asimismo se controlaron periódicamente los ingresos de los distintos materiales utilizados. En este sentido el ligante modificado fue controlado mediante el uso del viscosímetro rotacional Brookfield y el ensayo de recuperación elástica torsional. Se mide un perfil de viscosidad a cuatro temperaturas distintas y se realiza un ensayo de recuperación elástica por cada camión ingresado. Los áridos son sometidos a ensayos de desgaste Los Angeles, Granulometrías e Indice de Lajas. Adicionalmente se han efectuado ensayos de Módulo en Creep, Fatiga, y Wheel Tracking Test. Los principales parámetros a ser analizados en el control de calidad de la mezcla durante la obra son: 1. Fracción 10 a 20 mm (retiene tamiz 10 mm) 2. Retiene / pasa tamiz No.4 (4,75 mm) 3. Retiene / pasa tamiz No. 8 (2,36 mm) 4. Pasa Tamiz No. 200 (0,074 mm) 5. Relación Filler/Betún 6. Contenido de Fluidos en la mezcla 7. Densidad Máxima Rice 8. Propiedades Volumétricas 9. Temperaturas de Fabricación, colocación y compactación

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10. Contenido y aspecto de las fibras colocadas II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El SHRP, (Strategic Highway Research Program), fue un programa de investigación de 5 años y 150 millones de dólares aprobado por el congreso de los Estados Unidos en 1987 para determinar y mejorar el comportamiento y durabilidad de los pavimentos asfálticos en las carreteras de la nación americana. Este programa estaba dividido en cuatro áreas 1. Asfalto, 2. Concreto y Estructuras, 3. Comportamiento de los Pavimentos, y 4. Operaciones de Carreteras. El asfalto domina la industria de la construcción de carreteras, al punto de que el 93% de las superficies viales de Estados Unidos están pavimentadas con asfalto. Estas obras sobrepasan los 10 billones de dólares al año. Según la FHWA, Federal Highway Administration (1995) -La Administración Federal de Carreteras-, el Superpave tiene tres objetivos principales. 1. Investigar porqué algunos pavimentos se comportaban mejor que otros. 2. Desarrollar pruebas y especificaciones para materiales que tiendan a sobrepasar el comportamiento y la vida de pavimentos que se construyen hoy día. 3. Trabajar con las agencias de carreteras y con la industria del asfalto para implementar el uso de las nuevas especificaciones. La misión del programa era encontrar soluciones para controlar el ahuellamiento, las grietas creadas por bajas temperaturas y las grietas creadas por fatiga del pavimento. La investigación se basó en cuatro áreas importantes: asfalto, agregados, propiedades volumétricas y susceptibilidad a la humedad. La motivación era por supuesto económica para reducir los gastos de mantenimiento; y los elementos de cambio que se están implementando en el sistema Superpave se basan en las siguientes categorías: A. Materiales y diseños de mezclas B. Operación de plantas de asfalto C. Sistemas de pavimentación y compactación D. Supervisión de campo E. Pruebas de laboratorio F. Entrenamiento A lo largo de las últimas cinco décadas, el modelo vial Guatemalteco ha evolucionado, tornándose en la forma principal de transporte del país. La lógica de este crecimiento es simple de ser entendida: La industria del automóvil y la de construcción vial dependen una de otra para generar un ciclo virtuoso de desenvolvimiento de varios sectores de la economía.

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A raíz de este crecimiento, se presenta deterioro en una buena parte de la red vial nacional, en la que el deterioro estructural es bastante elevado, surge una imperativa necesidad e inquietud por mejorar tales condiciones y por ofrecer nuevas alternativas de diseño de mezclas asfálticas en caliente que contribuyan en general a la funcionalidad en la operación y con el desarrollo de la Ingeniería de Pavimentos en Guatemala. Por medio de la selección de una fuerte estructura granular con contacto interparticular rodeada por un mortero de alta calidad se puede producir una mezcla de superior comportamiento en cuanto a resistencia a los principales modos de falla y obtener muy buenas propiedades friccionales de un pavimento asfáltico, es por eso que se implementó como una alternativa de diseño con mayor exigencia, ya que ofrece grandes resultados en cuanto a soporte estructural, permitiendo menores deformaciones permanentes y el Rutting o ahuellamiento. Tales mezclas se denominan Stone-Matrix Asphalt en los EE. UU., Stone Mastic Asphalt en Europa y Splittmastixasphalt en Alemania y podríamos denominarlas mezclas Sin Mantenimiento Anticipado acá en Guatemala. Se denominan así porque su particularidad principal es, tener un contenido extra de agregado pétreo con un esqueleto que reposa en una matriz de ligante, material fino y relleno mineral (filler), además de agentes como la fibra de roca y/o fibras de celulosa (NCHRP, 1999). Hoy en día la tecnología aún no se ha aplicado en ninguna carretera Guatemalteca ni Centroamericana, debido a que se conoce muy poco del diseño y aplicación de este tipo de mezcla asfáltica, con esta investigación se pretende dar a conocer, que se puede realizar el diseño de la mezcla con materiales nacionales, para implementarse en cualquier proyecto vial de Guatemala y se tomen en cuenta este tipo de soluciones para asegurar larga vida a las obras de pavimentos, sin recurrir a mantenimientos anticipados, como recapeos. Dentro de la investigación que se llevó a cabo, se realizó un diseño experimental con agregados pétreos de tipo calizo y basáltico obtenidos con productores nacionales y provenientes de canteras, ligante asfáltico convencional y como alternativa ligante asfáltico modificado con elastómeros, fibras celulósicas y/o relleno mineral. La pregunta de investigación es: ¿Será factible el diseño y construcción de la mezcla SMA para Guatemala, utilizando materia prima nacional, y que procedimiento debemos seguir para implementar en planta para producir y colocar dicha mezcla?

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2.1 Objetivos 2.1.1 Objetivos Generales:

� Dar a conocer soluciones que han sido económicamente rentables en otros países, para proveer información local a nuestros proyectos de mantenimiento vial y construcción de pavimentos, a largo plazo.

2.1.2 Objetivos Específicos:

� Aportar a la biblioteca, una nueva tecnología constructiva, adaptado a la realidad nacional, para mejorar las condiciones estructurales y de seguridad de los usuarios, principalmente para tráfico pesado e intenso.

� Establecer las características necesarias en materiales nacionales a fin de verdaderamente alcanzar el nivel de calidad que responda a un nivel de confiabilidad adecuado de las mezclas SMA.

� Diseño de la mezcla asfáltica de tipo SMA para laboratorio, como un estudio preliminar.

� Diseño de la mezcla asfáltica de tipo SMA para la producción en la planta. � Desarrollar pruebas para materiales que tiendan a sobrepasar el comportamiento y la vida de pavimentos que se construyen hoy día.

� Trabajar con las agencias de carreteras y con la industria del asfalto para implementar el uso de las nuevas especificaciones y tratar de hacer tramos de prueba, ya que provee experiencia antes de que inicie un proyecto

� Establecer criterios para sistemas de pavimentación y compactación, para el uso de mezclas asfálticas SMA.

� Establecer criterios de supervisión de campo, que estén de acuerdo con la Dirección General de Caminos, para mezclas asfálticas SMA.

2.2 Variables:

� Materiales � Pruebas de Laboratorio � Sistemas de pavimentación y compactación � Proveedores � Especificaciones

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2.3 Definición de las Variables: 2.3.1 Materiales: Conceptual: Ingredientes necesarios para lograr una mezcla bajo las especificaciones que se indican (García y Simán, 1995). Operacional: Pruebas de laboratorio que miden la calidad o características de los materiales, tales como: tasa de trituración, forma, resistencia, limpieza, durabilidad, adhesividad con el asfalto, absorción de agua, limites granulométricos, grado de ligante, viscosidad del ligante, punto de ablandamiento. 2.3.2 Pruebas de Laboratorio: Conceptual: Son las pruebas que se realizan para poder medir en valores las características de los materiales y estas están normadas por especificaciones (AASHTO, 2000 y ASTM, 2000) Operacional: Partículas planas y alargadas, índice de lajas, desgaste de Los Angeles, equivalente de arena de la fracción que pasa tamiz No. 4, estabilidad volumétrica en sulfato de sodio, adhesividad con el asfalto, absorción de agua. 2.3.3 Sistemas de pavimentación y compactación: Conceptual: Sistemas de equipos y personal que hacen eficiente el trabajo de pavimentación. Operacional: Equipos utilizados en pavimentación 2.3.4 Proveedores: Conceptual: Los que proveerán la materia prima, o sea los materiales. Operacional: Visitas de campo a diferentes proveedores en el mercado nacional.

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2.3.5 Especificaciones: Conceptual: Limites establecidos por entidades internacionales que se han dedicado a estudiar los tipos de mezclas asfálticas. Operacional: Manuales de especificaciones AASHTO, ASTM y APT 2.4 Alcances y límites 2.4.1 Alcances: Se definió cuales son las mejores condiciones de los materiales encontrados en nuestro medio para lograr un diseño adecuado de la mezcla tipo SMA y criterios de aplicación para un tramo carretero. 2.4.2 Limites:

� Dicho trabajo, no aportara información de campo, basada en un tramo de prueba realizado localmente, únicamente diseños de mezclas hechas en laboratorio.

2.5 Aporte A la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Landívar, que los estudiantes de la facultad se interesen mas en el ramo de afirmados y pavimentos y por las nuevas tendencias de esta tecnología. A la Universidad Rafael Landívar, por ser una de las primeras investigaciones que se realiza en Guatemala sobre este tema, que permitirá continuar con las investigaciones pertinentes para la implementación en tramos carreteros. A la Sociedad, para que cuando estos pavimentos sean aplicados en Guatemala, tengan un mejor confort cuando se transite por ellos.

43


III. MÉTODO 3.1 Unidades de análisis: Agregados pétreos, provenientes de canteras ubicadas en el perímetro de la ciudad de Guatemala Ligante asfáltico (AC-20), proveniente de la refinería nacional Ligante asfáltico modificado, manufacturado con polimeros Relleno Mineral, polvo calcáreo o de piedra triturada Fibra celulosica (VIATOP), cortesía de Chemsol de Guatemala. 3.2 Instrumentos:

Basándose en las siguientes normas, que son las que hace referencia el libro azul de la Dirección General de Caminos, se puede encontrar las pruebas de laboratorio, necesarias para determinar todas las propiedades de los materiales, requeridas para el diseño de la mezcla asfáltica en caliente de tipo SMA:

� AASHTO - Standard Specification for Transportation Materials an Methods of Sampling an Testing – Part II, Twentieth Edition, 2000

� ASTM – Annual Book of ASTM Standards – Road and Paving Materials; Vehicle – Pavement Systems, v.04.03. USA, 2000.

� NCHRP – National Cooperative Highway Research Program, Designing Stone Matrix Asphalt Mixtures for Rut-Resistant Pavements, Part 1 and Part 2, Report 425, Transportation Research Board, National Research Council, Washington D.C., 1999

� ZTV – Asphalt – StB 94 – Especificaciones de Servicio para Asfalto – Alemania, 1998

Las siguientes son las pruebas que se utilizarán para la determinación de propiedades físicas y volumétricas de los materiales: Agregados Pétreos

� 100% provenientes de trituración, todas las caras trituradas � Desgaste Los Angeles (IRAM 1532) menor de 25% � Indice de Lajas (VN E38-86)menor de 25 %

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� Polvo Adherido (VN E68-75)menor de 0.5 % � Adhesividad mayor del 95% (ASTM D 3625) � Equivalente de Arena (VN E10-82) superior al 50% � Absorción menor del 2% (AASHTO T 85) � Durabilidad en Sulfato de Sodio menor del 15 % (AASTHO T 104) � Pulimento Acelerado (NLT 174/72) mayor de 0,55

Ligante Asfáltico Modificado con Polímeros

� Perfil de Viscosidad Rotacional (ASTM D 4402) a 135, 150, 170 y 190ºC : debe ser indicada (incluyendo aguja, rpm, % de torque y shear rate), por la Refinería y controlada en obra una vez fijados sus valores y tolerancias. La contratista entregará dicho perfil de viscosidad recomendado con sus entornos para el análisis y aprobación por parte de la contratante.

� Punto de Inflamación Cleveland (IRAM 6555) : mínimo 235 ºC � Recuperación Elástica Torsional (NLT 329-91) a 25 C:mínima de 70% � Ensayo de Separación*: diferencia de Viscosidad Rotacional a 170ºC entre la parte superior y la inferior no mayor del 15%.

� Indice de Envejecimiento : Viscosidad 170ºC del asfalto envejecido con el ensayo en película delgada rotativa (RTFOT, ASTM D 2872) dividido la Viscosidad 170 ºC del asfalto original : menor o igual a 2,0.

� Rango de temperaturas de mezclado y compactación : deben ser indicadas por el fabricante.

� Temperatura máxima de calentamiento: a indicar por el fabricante � Condiciones de almacenamiento: idem anterior.

Certificado de Calidad: Debe ser requerido a la refinería por cada envío y debe incluir:

� Viscosidad (170ºC) luego del ensayo RTFO (ASTM D 2872) � Perfil de Viscosidad Rotacional a 135, 150, 170 y 190 ºC � Recuperación Elástica Torsional a 25 ºC � Estabilidad a altas temperaturas � Rango de Temperaturas de Elaboración y Compactación � Temperatura máxima de calentamiento � Clasificación PG � Cada certificado de calidad debe ser provisto en papel con membrete original de la firma y firmado por personal responsable.

Ligante Asfáltico Convencional

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� Deberá cumplir en un todo con la norma ASTM D 3381. El grado debe indicarse en función de las condiciones de clima, tránsito y estructura de proyecto.

� Adicionalmente debe cumplir con la siguiente condición: la Viscosidad Rotacional a 60 ºC del asfalto envejecido con el ensayo en película delgada rotativa (RTFOT, ASTM D 2872) dividido la Viscosidad Rotacional a 60 ºC del asfalto original debe ser menor o igual a 3.


� Viscosidad (170ºC) luego del ensayo RTFOT (ASTM D 2872) � Perfil de Viscosidad Rotacional a 60, y 135 ºC (ASTM D 4402) � Rango de Temperaturas de Elaboración y Compactación � Temperatura máxima de calentamiento � Clasificación PG � Cada certificado de calidad debe ser provisto en papel con membrete original de la firma y firmado por personal responsable.

Emulsión Asfáltica Modificada para riego de liga

� Viscosidad Saybolt Furol a 50 ºC : mayor de 40 � Carga de Partícula: positiva � Asentamiento a 7 días, menor del 5% � Ensayo de Tamiz (850 micrones), menor de 0,10 % � Contenido de Hidrocarburos destilados, menor del 2 % � Residuo Asfáltico, mayor del 67% � Penetración del Residuo (25/5/100): entre 50 y 90 � Recuperación Elástica Torsional a 25 ºC del residuo, mín. 12%

Para el diseño de mezclas, muchas agencias usan actualmente el Método Marshall. Es por lejos el procedimiento más usado para el diseño de HMA en el mundo. Esta técnica fue desarrollada por Bruce Marshall, a la sazón un empleado del Mississippi State Highway Department. El U.S. Army Corps of Engineers depuró y adicionó ciertos aspectos a las propuestas de Marshall al punto de que el ensayo fue

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normalizado como ASTM D 1559, Resistencia a la fluencia plástica de mezclas bituminosas usando el aparato de Marshall. El método Marshall es un experimento de laboratorio dirigido al diseño de una adecuada mezcla asfáltico por medio del análisis de su estabilidad / fluencia y densidad / vacíos. Diseño de la Mezcla � Compactación Marshall, 50 golpes por cara � Cal hidratada: contenido máximo de 3 % � Vacíos de Aire de la mezcla compactada : 4% � Vacíos del Agregado Mineral, mínimo 17 % � Vacíos del Agregado Grueso de la mezcla, menor que VCA* � Resistencia a Tracción Indirecta (ASTM D 4123), mínima 6 Kg/cm2 � Resistencia a Tracción Indirecta (ASTM D 4123) Residual, mínima 90% para probetas compactadas al 7% de vacíos.

� Escurrimiento de ligante a la temperatura de elaboración, máximo 0,3% � Contenido de fibras mínimo: 0,3 % en peso del total de la mezcla � Contenido de ligante mínimo: 6,0 % en peso del total de la mezcla

3.3 Procedimiento: 3.3.1 Consideraciones de diseño de la mezcla Introducción al diseño de la mezcla Uno de los principios básicos del diseño de SMA, es primero desarrollar un esqueleto en donde el agregado grueso tenga contacto con agregado grueso, llamado comúnmente contacto de piedra con piedra. La definición de agregado grueso es determinada por su relación con el tamaño máximo nominal utilizado y en rangos, como es discutido a continuación, desde la fracción de agregado retenido en el tamiz No. 4 y aquel retenido en el tamiz No. 16. El segundo principio es diseñar un mortero de la consistencia deseada. La consistencia del mortero y el buen desempeño de la SMA requiere de un alto contenido en ligante asfáltico. Por esta razón, los vacíos de agregado mineral (VMA), o el diseño del contenido del ligante asfáltico deben exceder de los requerimientos mínimos. Los cinco pasos requeridos para obtener una mezcla satisfactoria de SMA, como se muestra en la figura, son los siguientes:

� Seleccionar agregados adecuados

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� Determinar una graduación de agregados basados en el principio de contacto entre agregado grueso con agregado grueso

� Asegurar que la graduación seleccionada cumpla o exceda los requerimientos mínimos de VMA o permita utilizar el mínimo contenido de ligante asfáltico

� Seleccionar un contenido de asfalto que provea los vacíos de aire requeridos, y

� Evaluar la susceptibilidad a la humedad y sensitividad al escurrimiento de ligante asfáltico

Composición de SMA El primer paso en el proceso de diseño de la mezcla, es el de seleccionar agregados que cumplan con los requerimientos de las especificaciones. Los requerimientos del agregado grueso son mostrados en la tabla No. 1 y los del agregado fino en la tabla No.2.

Tabla No.1 Especificaciones de Calidad del Agregado Grueso

Prueba Norma Especificación % de pérdida por desgaste a la abrasión LA AASHTO T 96 30* max.

% de partículas planas y alargadas ASTM D 4791

3 a 1 20 max. 5 a 1 5 max.

% de absorción AASHTO T 85 2 max. % desgaste al

AASHTO T 104

Sulfato de sodio 15 max. Sulfato de magnesio 20 max. % caras fracturadas

ASTM D 5821

Una cara 100 min. Dos caras 90 min. * Agregados con % de pérdida por desgaste a la abrasión arriba de 30, se han utilizado satisfactoriamente, sin embargo con estos agregados, puede ocurrir excesivo quiebre de agregados en el proceso de compactación, en laboratorio o in situ.

Tabla No.2 Especificaciones de Calidad del Agregado Fino

Prueba Método Especificación % desgaste al

AASHTO T 104

Sulfato de sodio 15 max.

48


Ejemplo: Especificación Graduación SMA

0102030405060708090

100

0.010.1110100

Tamaño Tamiz, mm

% P

asa Limite inferior

Limite superior

Mezcla

Sulfato de magnesio 20 max. % angularidad AASHTO TP 33 45 min. Límite Líquido AASHTO T 89 25 max. Índice Plástico AASHTO T 90 No plástico

Estas propiedades de los agregados son extremadamente importantes, debido a que con esto se asegura el contacto de piedra con piedra, que es uno de los principios fundamentales para el buen desempeño de las mezclas SMA, se le da mayor importancia a la dureza y forma de los agregados, como se muestra en la tabla No. 1, incluso más que en mezclas asfálticas en caliente tradicionales. Una vez los materiales para los agregados han sido identificados, la graduación óptima y el contenido de ligante asfáltico son seleccionados. Esto se logra seleccionando una combinación de agregado apropiada. La combinación del agregado debe cumplir con la graduación especificada para, otra vez, asegurar el contacto de piedra con piedra y así conseguir una mezcla que cumpla o exceda los requerimientos de VMA. Debido a que en la combinación de agregados se incluye uno o más agregados (incluyendo el polvo mineral de relleno) con distintas gravedades específicas bulk, el procedimiento recomendado, es el de determinar las graduaciones basadas en porcentaje del volumen y luego convertirlas a masa para la mezcla y el proceso de diseño. Las especificaciones de graduación más utilizadas se muestran en la hoja No. 24 La especificación de una de las posibles graduaciones de SMA, se muestra en la tabla 3 y también en la figura.

Tabla No.3 Ejemplo: Especificación Graduación SMA Tamaño Tamiz mm

(SI) Especificación

(3/4”) 19.0 100 (1/2”) 12.7 85-95 (3/8”) 9.5 75 max. (No. 4) 4.75 20-28 (No. 8) 2.36 16-24 (No. 30) 0.60 12-16 (No. 50) 0.30 12-15 (No. 200) 0.075 8-10

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Los vacíos en el agregado grueso (VCA) son determinados para la fracción de agregado grueso de la mezcla. La graduación se combina con ligante asfáltico y luego es compactada. Estas mezclas son analizadas y la graduación y/o el contenido de ligante asfáltico es alterado si es necesario optimizar las propiedades volumétricas de la mezcla. El esqueleto de contacto de piedra con piedra ocurre cuando el VCA de la mezcla es igual o menor al VCA de la fracción de agregado grueso, determinado por el ensayo de varillado de los gruesos AASHTO T 19. Estructura de Agregados La integridad de la estructura de agregados, es asegurada, estableciendo que el VCA de la mezcla sea igual o menor al VCA de la fracción de agregado grueso, determinado por el ensayo de varillado de los gruesos AASHTO T 19. Al diseñar mezclas asfálticas en caliente tipo SMA, es sugerido que por lo menos tres muestras bajo la misma especificación de graduación sean analizadas. Distintas combinaciones pueden ser obtenidas, ajustando el porcentaje de agregado grueso y fino para cada muestra. El porcentaje pasante del tamiz No. 200, debe ser aproximadamente de un 10%, exceptuando para mezclas con el tamaño máximo nominal de 4.75 mm que en este caso el % pasante del tamiz No. 200, debe ser aproximadamente de un 14%. Estas cantidades de material pasante son mayores que las requeridas en las mezclas asfálticas densamente graduadas, pero estas cantidades son importantes, ya que proveen un buen mortero en la mezcla de SMA. Con algunos agregados, particularmente los suaves, puede resultar difícil cumplir con la especificación de VMA, no importando como los agregados sean combinados. La inhabilidad de cumplir con dicho requerimiento, puede resultar rompimiento excesivo del agregado grueso, la cual es una indicación que los agregados son inadecuados para el uso en mezclas SMA. Cada esfuerzo debe ser hecho para cumplir con el VMA requerido. Determinación de VCA en la fracción de agregado grueso Para asegurar una adecuada estructura de agregado, basado en el contacto de piedra con piedra, que es vital, es hecho tras establecer el VCA en la fracción de agregado grueso y luego determinando el VCA de la mezcla de SMA compactada (denominada VCAmix), para asegurar que este valor es igual o menor del VCA de la fracción de agregado grueso. La fracción de agregado grueso es definida como la porción del total del la combinación de agregados retenida como se muestra en la siguiente tabla:

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Definición de la fracción de agregado grueso Tamaño de la Mezcla Porción de agregado retenida

IN MM IN MM 1 25 No. 4 4.75 ¾ 19 No. 4 4.75 ½ 12.5 No. 4 4.75 3/8 9.5 No. 8 2.36

No. 4 4.75 No. 16 1.18 Ejemplo: para una mezcla de tamaño máximo nominal de 25 mm, el agregado grueso es definido por la porción retenida hasta el tamiz 4.75 mm (No. 4) La diferencia entre VCADRC (vacíos del agregado grueso únicamente), VCAMIX (vacíos del agregado grueso en la mezcla) y VMA (vacíos del agregado mineral) Esta es una explicación que puede ayudar a entender la diferencia entre VCADRC, VCAMIX y VMA. VCADRC se obtiene del ensayo de varillado de los gruesos como se muestra en la figura A. VCAMIX es calculado para incluir todo en la mezcla, exceptuando el agregado grueso, como se muestra en la figura B. VMA, como es mostrado en la figura C, incluye todo en la mezcla, exceptuando el agregado fino y grueso. Para los cálculos del valor VCAMIX y VMA, el ligante asfáltico absorbido por el agregado es considerado como parte del agregado.

Aire 30-40% del Volumen VCADRC

Agregado Grueso

Peso Unitario Varillado

Figura A

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Aire

VCAmix Asfalto Contenido Asfáltico Efectivo

Agregado Fino

Agregado Grueso

Figura B

Aire

VMA

Asfalto Contenido asfáltico efectivo

Combinación de Agregados

Agregado grueso más

fino

Figura C

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Mortero El mortero es la combinación de ligante asfáltico, el relleno mineral (normalmente la porción que pasa del tamiz No. 200) y el agente estabilizador cuando es utilizado. La Figura, muestra la porción de mortero en la mezcla. Todos los proyectos de la NCAT que involucran SMA, usaron agente estabilizador (o ligante asfáltico modificado) previniendo el escurrimiento del ligante. En casi todos los casos celulosa o fibra mineral o un polímero fue usado como agente estabilizador. Uno de los departamentos de tránsito en Estados Unidos, tiene como norma usar dos agentes estabilizadores, la fibra para prevenir escurrimiento y el polímero para mejorar las propiedades en alta y baja temperatura, del ligante asfáltico. Mortero Selección del % de ligante asfáltico y preparaciones de la muestra El porcentaje mínimo deseado de ligante para mezclas SMA, es de 6.5% en peso total de la mezcla. Es recomendado que la mezcla inicialmente sea diseñada con exceso del 6.5% de ligante, para permitir ajustes durante la producción de la planta, sin caer por debajo del mínimo. Para agregados con la gravedad específica bulk menor a 2.75, el contenido de ligante asfáltico puede ser aumentado en 0.1% cada vez que decrezca en 0.05 debajo de 2.75. si la gravedad específica bulk del agregado grueso excede 2.75, el contenido de ligante asfáltico puede ser reducido en 0.1% cada vez que crezca en 0.05 arriba de 2.75.

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El ligante y el aditivo (fibra o polímero), debe ser combinado con los agregados en una manera uniforme. Al mezclar los ingredientes en el laboratorio requerirá un poco más de tiempo, para lograr un recubrimiento adecuado del agregado, debido al área superficial del relleno mineral y la fibra. Para asegurar que se complete el proceso de mezcla, en SMA, es bien importante determinar la temperatura de mezclado, según el procedimiento que indica AASHTO T 245, Sección 3.3.1, o en el caso de ligantes asfálticos modificados, la temperatura recomendada por el fabricante. Un total de 12 muestras son requeridas, 4 por cada una de los tres contenidos asfálticos. Cada muestra es mezclada con el contenido de ligante asfáltico, tres de las cuatro muestras son compactadas y la restante se usará para determinar la gravedad específica máxima de acuerdo a la AASHTO T 209. Compactación en laboratorio La temperatura de compactación está determinada por la prueba AASHTO T 245, sección 3.3.2 o la recomendada por el productor de ligante modificado con polímeros, cuando estos son usados. Muestras de mezclas de SMA han sido compactadas en otros laboratorios con 100 revoluciones con el compactador giratorio Superpave, con especimenes de 150 mm (6”) de radio o con 50 golpes con el martillo Marshall. Esfuerzos de compactación mayores a estos pueden causar excesivo rompimiento de los agregados y no deben de ser usados. Selección de la graduación

Después que la muestra ha sido compactada, se ha dejado enfriar y se ha removido de los moldes y se ha determinado la gravedad específica aparente, Gmb (AASHTO T 166). La muestra no compactada es usada para determinar la gravedad específica teórica máxima, Gmm, (AASHTO T 209). El porcentaje de vacíos de aire (Va), VMA, y VCAmix pueden ser calculados así: Va = 100 (1- Gmb / Gmm) VCAmix = 100 – (Gb * PCA / Gca) VMA = 100 - (Gmb * Ps / Gsb) donde: Ps = Porcentaje de agregados en la mezcla.

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PCA = porcentaje de agregado grueso en la mezcla por peso de la mezcla total. Gmm = gravedad específica teórica máxima de la mezcla. Gmb = gravedad específica aparente de la mezcla. Gsb = gravedad específica aparente del agregado total. Gca = gravedad específica aparente del agregado grueso. De las tres muestras de graduaciones evaluadas, la que presenta el menor porcentaje de agregado grueso que cumple o excede el requerimiento mínimo VMA y tiene un VCA mix menor que el de VCADRC es seleccionado como la graduación deseada. La graduación seleccionada debe tener un VMA mayor de 17 por ciento (por lo menos de 17.5-18 por ciento). Para compensar la reducción de VMA durante la producción en la planta. Se refiere a la graduación óptima a la seleccionada de las tres muestras de graduaciones, basada en las condiciones anteriormente mencionadas. Selección del contenido asfáltico optimo Una vez se ha seleccionado la graduación de la mezcla, será necesario modificar un poco el contenido asfáltico para obtener el óptimo porcentaje de vacíos de aire en la mezcla. En este caso se deberán realizar diferentes pruebas con la graduación seleccionada y variando con el contenido de ligante asfáltico. El contenido de ligante asfáltico óptimo produce un 4 por ciento de vacíos de aire en la mezcla. La evaluación de la NCAT en los pavimentos SMA sugiere que escogiendo el ligante asfáltico que produce vacíos de aire de 4 por ciento, provee de protección contra puntos de exceso de asfalto después de la colocación y provee mejor resistencia contra el ahuellamiento, especialmente en climas calientes. En los climas fríos se puede utilizar vacíos de aire de 3.5 por ciento. La cantidad de muestras necesarias para el procedimiento de diseño de la mezcla, es de doce. Esto provee 3 muestras compactadas y una no compactada, cada una con los 3 contenidos asfálticos. Las propiedades de la mezcla son nuevamente determinadas, y el contenido asfáltico óptimo es seleccionado. La mezcla de SMA seleccionada debe tener las propiedades según el criterio mostrado en la tabla 4 o 5 dependiendo del método de compactación utilizado. Si estas propiedades no cumplen con este criterio se debe modificar para que las cumpla.

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Especificaciones de la muestra de SMA para los diseños de compactación Marshall

Propiedades Requerimientos Cemento asfáltico, % 6.5 mínimo * Vacíos de aire, % 4 VMA, % 17 mínimo ** VCA, % menos que VCAdrc Estabilidad, N 6200 (1400 lb.) min *** TSR, % 70 min. Escurrimiento @ temperatura de producción, % 0.30 máximo

* Mínimo de AC % puede ser reducido si la gravedad específica aparente del agregado excede 2.75 ** Mínimo de VMA durante la producción. *** Este es un valor de estabilidad sugerida basada en la experiencia.

Especificaciones de diseño para SMA con el mazo compactador giratorio

Propiedades Requerimientos Cemento asfáltico, % 6.5 mínimo * Vacíos de aire, % 4 VMA, % 17 mínimo ** VCA, % menos que VCAdrc TSR, % 70 min. Escurrimiento @ temperatura de producción, % 0.30 máximo

* Mínimo de AC % puede ser reducido si la gravedad específica aparente del agregado excede 2.75 ** Mínimo de VMA durante la producción.

Susceptibilidad a la humedad Como en cualquier mezcla HMA, la evaluación de la susceptibilidad a la humedad, es importante. La susceptibilidad a la humedad de la mezcla de SMA seleccionada es determinada usando la norma AASHTO T 283. Las muestras para la prueba de T 283 son compactadas a un vacío de aire de 6 ± 1 por ciento.

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Sensibilidad al escurrimiento La sensibilidad al escurrimiento es más importante para la mezcla de SMA que para la mezcla convencional densamente graduada. La prueba desarrollada para este propósito por NCAT simula las condiciones que la mezcla podría realizar durante su producción, almacenamiento, transporte y colocación. El escurrimiento es esa parte de la mezcla (finos y cemento asfáltico) que se separa y fluye a través de la misma. El método de escurrimiento ha sido propuesto a AASHTO, ver la siguiente figura que muestra el aparato de prueba. El aspecto esencial de la prueba es colocar una muestra de la mezcla en una canasta de alambre, colocar la canasta en un plato, que se colocará en un horno por una hora, y luego hay que medir la masa del material que pase la canasta y que es recolectada en el plato. Esta masa está expresada como un porcentaje de la muestra inicial. La prueba debe realizarse con 2 temperaturas, una debe ser la temperatura de la planta de producción de asfalto y la segunda debe ser de 15º C (27º F) arriba de la primera temperatura. Las muestras se deben hacer dobles, para que mínimo se realicen 4 muestras. La sensibilidad de escurrimiento es determinado midiendo el escurrimiento de la temperatura de la planta de asfalto y debe cumplir los criterios de la tablas. El escurrimiento medido con la temperatura mas elevada (+15ºC) da la información de cuan sensible es la mezcla de SMA a la temperatura de fluctuación de la planta.

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Recomendación para la selección de materiales y el diseño de la mezcla de SMA La siguiente tabla, lista las recomendaciones para la selección de materiales para realizar una buena mezcla de SMA. Estas recomendaciones fueron dadas por los estados de Maryland y Georgia DOTs, los cuales tienen una amplia experiencia con SMA. Recomendaciones para la selección de los materiales de SMA - Utilizar un ligante o un cemento asfáltico modificado que cumpla con los grados PG uno o dos grados arriba de lo recomendado por área geográfica por Superpave.

- Utilizar un agregado grueso con no más de 20 por ciento de partículas planas y alargadas con un radio de 3 a 1.

- Utilizar agregados triturados no utilizar grava de río o arena esférica - Utilizar fibra mineral o de celulosa para estabilizar el ligante. - Utilizar un agregado fino mineral como llenante de alta calidad para cumplir con las propiedades deseadas del mortero.

Recomendación de los diseños de las mezclas para obtener una buena mezcla de SMA. - Realice la prueba de peso unitario varillado, del agregado grueso, para maximizar contacto de la estructura piedra con piedra

- Determine el porcentaje optimo de ligante asfáltico en 4% de vacíos de aire para climas calientes y 3.5% a 4% para climas fríos.

- Utilice uno de los siguientes esfuerzos de compactación en laboratorio: o 100 revoluciones en el mazo compactador giratorio de Superpave o 50 golpes Marshall

- Diseñe la mezcla con VMA >17% - El contenido mínimo de asfalto debe ser 6.5% - Realice la prueba de escurrimiento para asegurar la cantidad adecuada de aditivo estabilizador.

- Utilice la guías FHWA, SMA TWG, para la graduación, a menos que experiencias locales indiquen lo contrario.

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IV. RESULTADOS A continuación se presentan resultados, de un diseño de mezcla asfáltica en caliente SMA. Los parámetros observados son: VMA, VCA, vacíos de aire y además la estructura del agregado para verificar el contacto de piedra con piedra. El diseño es para un tamaño máximo nominal de 19.00 mm. 4.1 Selección de Materiales:

Agregados: Se tienen agregados, comercialmente distribuidos por Cantera A (Calizos), Cantera B (Basaltico) y Cantera C (Calizos), de los cuales se evaluaron los criterios descritos en las especificaciones técnicas; se elige trabajar con los agregados de la Cantera A, ya que cumple con todos los requisitos que se describen a continuación:

Propiedad Criterio establecido

Resultado Agregados de La

Roca Agregado Grueso % abrasión en maquina L.A. 30 Máx. 26.8% Partículas planas y alargadas 3:1, 20% Máx.

5:1, 5% Máx. 3:1, 6.35% 5:1, 1.15%

% desintegración al sulfato de sodio

15% Máx. 2.44%

% caras fracturadas Una o mas Dos o mas

100% Min. 90% Min.

Dos o mas 100% Absorción 2% Máx. 1.32% Agregado Fino % desintegración al sulfato de sodio

15% Máx. 2.44%

Límite líquido 25% N.L.

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Granulometría de los agregados de la Cantera A Porcentaje que pasa Tamaño Tamiz Cantera A

Especificaciones Tipo TMN. 19.00

mm pulgadas mm Agregado comercial

¾”

Agregado comercial 3/8”

Polvo de roca

1 25.0 100.0 100.0 100.0 100 ¾ 19.0 94.9 100.0 100.0 90 100 ½ 12.7 38.4 100.0 100.0 50 74 3/8 9.5 8.60 100.0 100.0 25 60 #4 4.75 3.3 36.6 83.6 20 28 #8 2.36 3.2 3.8 70.0 16 24 #16 1.18 3.1 3.6 58.9 13 21 #30 0.60 2.9 3.5 49.9 12 18 #50 0.30 2.6 3.5 43.0 12 15 #200 0.075 2.1 2.7 28.9 8 10

Gsb 2.685 2.683 2.668 Cemento Asfáltico: AC-20 sin modificar, de origen Guatemalteco, distribuido por la refinería nacional Aditivos: Viatop, granulado de fibras de celulosa modificadas, estabiliza y refuerza las mezclas de asfalto. Se realizaron todas las pruebas para los componentes de la mezcla realizada y se encontró que son aceptables para su uso. 4.2 Combinación de Agregados Se logró la mejor combinación, para que cumpliera con la especificación para un tamaño nominal de 19.0 mm de mezcla asfáltica en caliente SMA. El uso de la mezcla de 19.0 mm, define al agregado grueso, al que es retenido en el tamiz 4.75 mm (definido como el punto de quiebre). Los porcentajes de agregados de la combinación son mostrados en la tabla siguiente:

Porcentaje de agregados usado en la combinación Agregado comercial ¾” Agregado comercial 3/8” Polvo de Roca

63.0% 12.0% 25%

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4.3 Compactación de briquetas y selección de contenido optimo de asfalto: Para la combinación, se produjeron tres muestras para tres distintos porcentajes de cemento asfáltico (6.0%, 6.5% y 7%), usando la prensa Marshall a 50 golpes por cara. Las gravedades especificas bulk (Gmb), fueron determinadas de acuerdo con la norma AASHTO T 166, también fue determinada la gravedad especifica teórica máxima (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T 209. También se determinaron los vacíos de aire, vacíos de agregado mineral (VMA), y vacíos de agregado mineral grueso (VCA). Estos resultados se resumen en la siguiente tabla:

Resultado de la combinación realizada Propiedad 6% 6.5% 7%

Gmb 2.379 2.380 2.384 Gmm 2.491 2.474 2.456

vacíos de aire, % 4.49 3.77 2.95 VMA, % 16.56% 16.97% 17.30% VCA, % 39.44% 39.76% 40.09% VCADRC, % 39.91% 39.91% 39.91%

Con un 3.5% de vacíos de aire se interpola en la grafica el porcentaje de asfalto, una vez determinado se interpola el VMA y el VCA. Después del análisis de los resultados mostrados en el apéndice, al haber interpolado de la gráfica de vacíos de aire y contenido de asfalto, se determinó que con un contenido de asfalto del 6.7%, se cumple con todos los requerimientos para la mezcla asfáltica en caliente SMA. 4.4 Prueba de escurrimiento: Se realizó la prueba de sensibilidad al escurrimiento. Muestras dobles, fueron evaluadas a la temperatura de producción en planta 160°C (320°F). Los resultados son:

Porcentaje de asfalto

Temperatura ºC

Porcentaje de Escurrimiento

6.0 160 0.10 6.5 160 0.11 7.0 160 0.14

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V. DISCUCIÓN DE RESULTADOS Se realizó el procedimiento para elaborar mezclas SMA de alto rendimiento, utilizando ingredientes locales. Fue diseñado un sistema para realizar las pruebas, involucrando un laboratorio, así:

� Seleccionar el ligante asfáltico, teniendo en cuenta las condiciones climáticas del lugar y de la disponibilidad local. Obtención del Ligante Asfáltico proporcionado por la refinería local.

� Obtención de los Agregados de productores y bancos locales � Obtención del Relleno / Filler de los mismos productores de donde se obtuvieron los agregados pétreos.

� Obtención de la Fibra Celulósica, proveniente de J. Rettenmeier de Alemania.

� Diseño preliminar en laboratorio. � Diseño para la planta de producción. � Se limitó esta investigación al diseño de la mezcla en el laboratorio.

Posteriormente se procedió a la realización de la mezcla SMA; para familiarizarnos con los procedimientos de diseño y con el comportamiento de los materiales, se hicieron mezclas SMA con cada tipo de agregado, un diseño idealizado de laboratorio, con curva granulométrica centrada, con diferentes contenidos de ligante asfáltico, con dos diferentes tipos de ligante (provenientes de Perenco y ProIn), convencional y modificado con polímeros. Esto llevó a la conclusión, de que ninguno de los materiales por si solo cumple con los requisitos que exige la mezcla. Por lo tanto, se escogieron los materiales que mas se adecuan. En los resultados se presenta la naturaleza mineralógica de los agregados, la procedencia y caracterización de todos los materiales utilizados, el pre-diseño dio la información volumétrica necesaria para la dosificación de la mezcla. Como ingredientes principales se adoptaron el uso de un ligante asfáltico AC-20 sin modificar, polvo de roca como relleno de aporte, y agregados graníticos totalmente de trituración en dos fracciones del agregado comercial 3/8” y ¾” para la SMA TMN 12.5. Aproximadamente un 75% del peso total de los agregados correspondió a los tamaños retenido tamiz No.4 en la SMA. El 10% de filler fue proporcionado en ambas mezclas y el 5 por mil de fibras, en este último caso en peso del total de la mezcla. La cantidad de ligante modificado fue superior al 6,0% expresada en peso del total de la mezcla.

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Se hacen varias granulometrías de agregados de distinto tamaño. Luego se hacen combinaciones en base a la granulometría que se necesita, teniendo los agregados a utilizar en el diseño, se hacen las diferentes pruebas a los agregados. La curva granulométrica de la SMA es diferente a la de las mezclas convencionales, en lugar de tener una sucesión de tamaños uniforme se tiene una curva donde los tamaños intermedios se hallan en menor proporción –menos de la mitad- que en una mezcla densa, y los tamaños más finos se potencian con el agregado de una importante cantidad de relleno mineral –mas del doble. Es fundamental garantizar la discontinuidad de la curva granulométrica entre los tamices No.4 y 8 y un alto porcentaje de filler para la obtención de la mezcla impermeable y de una macro textura adecuada para proporcionar alta drenabilidad superficial. En base a la granulometría de diseño, se separan los agregados con sus respectivos pesos para efectuar los moldeos de probetas Marshall con 50 golpes por cara y una temperatura de 150 ºC para las confeccionadas con asfalto convencional. En las mezclas elaboradas con asfaltos convencionales las fibras permiten el empleo de mayor cantidad de betún impidiendo el efecto de escurrimiento “draindown”. En las mezclas con asfalto modificado con polímeros, las fibras imparten mayor trabajabilidad. Ambas mezclas resultaron satisfactorias, pero solamente se empleó la que contiene asfalto para la prueba. El procedimiento para formar una briqueta es el siguiente: se colocan en el horno todas las muestras en recipientes y se calienta el asfalto. Cuando alcanzan la temperatura deseada, se le mezcla a los agregados la cantidad de asfalto, según porcentaje en peso. Luego se realiza la prueba Marshall y se calcula la estabilidad y fluencia Marshall, además de las propiedades volumétricas. Volumétricamente la mezcla presenta un porcentaje de vacios de agregado mineral –VAM- mayor o igual al 17%, un contenido de vacíos de aire totales entre 3 y 4%, y un porcentaje de vacíos del agregado grueso en la mezcla menor que los vacíos en el agregado grueso compactado. Esto último obedece a la necesidad de asegurar el contacto entre partículas de la mezcla.

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VI. CONCLUSIONES

En respuesta a la cada vez mayor necesidad de contar con mezclas asfálticas que tengan un mejor desempeño, bajo la acción del transito vehicular y de los distintos factores ambientales, ya que las condiciones de las carreteras Guatemaltecas, no son las adecuadas para el confort y seguridad de los usuarios, ya que además el volumen de transito ha tenido un incremento de 2000% del año 1960 a la fecha, por los constantes aumentos de la carga vehicular, por la lentitud del transito y principalmente en paradas en intersecciones y semáforos y, el incremento en la presión de los neumáticos, ha causado un severo daño a la estructura del pavimento que una mezcla convencional no puede resistir, por periodos de tiempo prolongados. Por lo tanto la mezcla asfáltica en la estructura del pavimento debe ser diseñada con una mezcla, para garantizar mayor durabilidad del pavimento, minimizar ahuellamiento y agrietamiento tanto térmico como por fatiga. Es decir, SMA debería ser utilizada donde se requiere un mejor desempeño y una mayor durabilidad, seleccionándose para reducir los costos de los ciclos de vida de los proyectos. SMA es una mezcla que ha probado ser una mezcla estable, resistente al ahuellamiento. El concepto de dicha mezcla recae en el contacto de piedra con piedra, para proveer fuerza y un mortero de ligante asfáltico para proveer durabilidad. Estos objetivos son usualmente conseguidos con un agregado graduado, junto con fibra celulosica y ligante asfáltico contenidos en una matriz. En las siguientes conclusiones se observan puntos clave para el diseño de la mezcla: Se pusieron a prueba las técnicas de elaboración y aplicación de SMA. Se optimizó la técnica de dosificación de las SMA en laboratorio. El control de calidad es fundamental en estas mezclas de comportamiento superior a fin de verdaderamente alcanzar el nivel de calidad que responda a un nivel de confiabilidad adecuado. La selección de un agregado duro (máximo desgaste por abrasión Los Angeles del 30%), cúbico (partículas planas y alargadas en radios 3:1, 20%; 5:1, 5%) y triturado es requerido para el desempeño de la mezcla SMA. Se justifica un máximo de 30% en desgaste por abrasión Los Angeles, debido a que muestra una relación directa con la desintegración del agregado al aplicar

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esfuerzos de compactación. Un incremento en desgaste por abrasión hace que incremente la desintegración del agregado. El porcentaje de partículas planas y alargadas muestra relación con la desintegración del agregado. Incrementa cuando existe un porcentaje alto de partículas planas y alargadas. Un buen control de la graduación del agregado es necesario para una mezcla homogénea. Es necesaria la selección del agregado para asegurar que entre el 20 y 28% pase el tamiz #4 (4.75 mm) y que entre el 8 y 10% pase el tamiz #200 (0.075 mm). Esto asegura el contacto de piedra con piedra. La mezcla debe ser diseñada para cumplir con todos los requisitos descritos anteriormente y particularmente el mínimo VMA y máximo VCA. El diseño de la mezcla SMA se pudo realizar sin ningún contratiempo, con el equipo convencional y con los procedimientos tradicionales, además de haber utilizado todos los componentes de productos nacionales. El uso de fibra celulosica es efectiva en minimizar el efecto de escurrimiento.

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VII. RECOMENDACIONES Materiales Es sumamente importante verificar los materiales que serán utilizados para producir la mezcla y usar esos en la evaluación. Cualquier diseño de la mezcla será bueno sólo si los materiales evaluados y usados son buenos. SMA, siendo un diseño relativamente nuevo en los estados unidos, hace que estas declaraciones sean las más importantes. Vacíos de aire La cantidad de vacíos de aire pueden ser controlados por el contenido de cemento asfáltico. Sin embargo, podría ocurrir cualquier problema si hay un contenido bajo de vacíos de aire en un contenido de cemento asfáltico de 6 por ciento o menos. El VMA de la mezcla producida debe ser de por lo menos 17 por ciento para asegurarnos de un adecuado contenido asfáltico. Vacíos en los agregados minerales El VMA puede ser aumentado al disminuir el porcentaje de agregados pasando el tamiz No.4 (de 4.75 mm) o al disminuir el porcentaje pasando por el tamiz 200 (0.75 mm). Cambiando las fuentes de los agregados es otra forma de incrementar el VMA. Vacíos en el agregado grueso Si el VCAmix es mayor que en la condición de peso unitario varillado (VCAdrc), la graduación de la mezcla debe ser modificada. Esto puede realizarse más fácilmente al disminuir el porcentaje del tamiz de 4.75-mm para la mayoría de mezclas. Susceptibilidad a la humedad Si la mezcla falla en cumplir con los requerimientos de la susceptibilidad a la humedad, se puede utilizar un aditivo de alta calidad anti-deslizante . Si estos materiales no son efectivos, las fuentes de agregados o la fuente de cemento asfáltico deben ser cambiados para obtener una mejor compatibilidad entre el agregado o el cemento asfáltico. Sensibilidad de escurrimiento Los problemas con la sensibilidad de escurrimiento pueden ser resueltos al incrementar la cantidad o el tipo de estabilizador. Las fibras han mostrado cierta efectividad en la reducción del escurrimiento.

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“diseÑo y construcciÓn de mezclas asfÁlticas...

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