mediciÓn de la resistencia bajo carga monotÓnica …

MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CARGA MONOTÓNICA DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA RECICLADA SUSTITUYENDO PARTE DEL

AGREGADO PÉTREO POR ESCORIA DE ALTO HORNO

Presentado por:

LAURA FERNANDA PARRA PRIETO Cód.: 20072032026

MARIO FERNANDO BAUTISTA BARÓN Cód. 20072032003

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C.

2018

RESISTENCIA BAJO CARGA MONOTÓNICA DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA RECICLADA SUSTITUYENDO PARTE DEL AGREGADO PÉTREO POR

ESCORIA DE ALTO HORNO

PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO TOPOGRÁFICO

Dirigido por: PhD Hugo Alexander Rondón Quintana

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA TOPOGRÁFICA

BOGOTÁ D.C. 2018

INDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1

1 OBJETIVOS .................................................................................................... 5

1.1 Objetivo General ....................................................................................... 5

1.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 5

1.3 SÍNTESIS .................................................................................................. 5

2 MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 6

2.1 ANTECENDENTES................................................................................... 6

2.2 CONCEPTOS ........................................................................................... 7

2.2.1 Pavimento ........................................................................................... 7

2.2.2 Tipos de pavimento ............................................................................ 8

2.2.3 Mezclas Asfálticas ............................................................................ 11

2.3 CONCRETO ASFÁLTICO O MDC .......................................................... 13

2.4 CEMENTO ASFÁLTICO ......................................................................... 14

2.5 AGREGADOS PÉTREOS ....................................................................... 14

2.6 ESCORIA DE ALTO HORNO ................................................................. 14

2.6.1 Escoria cristalizada ........................................................................... 17

2.6.2 Escoria Granulada. ........................................................................... 18

3 METODOLOGÍA ........................................................................................... 19

4 ANÁLISIS Y RESULTADOS ......................................................................... 23

4.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES ................................................ 23

4.1.1 Agregados pétreos ........................................................................... 23

4.1.2 Cemento asfáltico ............................................................................. 24

4.2 DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA DE REFERENCIA ........................... 25

4.3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA SOBRE MEZCLA

CON ESCORIA Y SIN ADITIVO ....................................................................... 28

4.4 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA SOBRE MEZCLA

CON ESCORIA Y ADITIVO .............................................................................. 30

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................ 33

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 35

7 ANEXOS ....................................................................................................... 38

|INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estado de la red vial nacional a cargo del INVIAS. ................................... 1

Tabla 2 Malla vial de Bogotá D.C. .......................................................................... 2

Tabla 3 Industrias siderúrgicas que operan actualmente en Colombia. ............... 16

Tabla 4 Composición química de las escorias de alto horno. .............................. 16

Tabla 5 Aplicaciones según tipo de Escoria de alto horno. .................................. 17

Tabla 6 Ensayos realizados sobre el CA 60-70 (INVIAS 2013)............................ 20

Tabla 7 Caracterización de los agregados pétreos (natural y BFS). .................... 20

Tabla 8 Caracterización del CA 60-70 modificado con HUSIL. ............................ 21

Tabla 9 Granulometría de la mezcla MDC10. ...................................................... 21

Tabla 10 Ensayos sobre el agregado pétreo natural de CONCRESCOL S.A. ..... 23

Tabla 11.Caracterización de la escoria de alto horno. ......................................... 24

Tabla 12 Ensayos sobre el CA 60-70. .................................................................. 24

Tabla 13 Diseño Marshall mezcla convencional. .................................................. 25

INDICE DE FIGURAS

Figura 1Esquema de un pavimento. ....................................................................... 8

Figura 2Pavimento flexible. .................................................................................... 8

Figura 3Pavimento rígido ....................................................................................... 9

Figura 4Pavimento articulado ............................................................................... 10

Figura 5 Pavimento Semi-rígido .......................................................................... 10

INDICE DE GRÁFICOS

Gráfico 1. Valores de Estabilidad para Mezcla Convencional MDC-10. ............. 25

Gráfico 2. Valores de Flujo para Mezcla Convencional MDC-10. ........................ 26

Gráfico 3. Valores de Rigidez Marshall para Mezcla convencional MDC-10. ...... 26

Gráfico 4. Valores de Vacíos para la Mezcla Convencional MDC-10. ................. 27

Gráfico 5. Valores de Vacíos en Agregados Pétreos para Mezcla Convencional

MDC-10. ............................................................................................................... 27

Gráfico 6. Valores de densidad Bulk para mezcla convencional MDC-10. ........... 28

Gráfico 7 Valores de vacíos con aire para la mezcla con escoria de alto horno y

sin aditivo. ............................................................................................................ 29

Gráfico 8 Valores de rigidez Marshall para la mezcla con escoria de alto horno y

sin aditivo. ............................................................................................................ 29

Gráfico 9 Valores de estabilidad Marshall para la mezcla con escoria de alto horno

y sin aditivo. .......................................................................................................... 30

Gráfico 10 Valores de vacíos con aire para la mezcla MDC-10 con aditivo y

escoria de alto horno. ........................................................................................... 31

Gráfico 11 Valores de Rigidez Marshall para la mezcla MDC-10 con aditivo y


Gráfico 12. Valores de estabilidad Marshall para la mezcla MDC-10 con aditivo y


1

INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN El modo de transporte predominante en Colombia es el carretero tanto en

transporte de carga como en el de pasajeros. No obstante, aunque la

infraestructura vial es el principal elemento en el buen funcionamiento del mismo,

se presenta un déficit significativo en el país tanto en número de vías

pavimentadas como en el estado de las mismas. De acuerdo con el Ministerio de

Transporte – MINTRANSPORTE (2010), “La red de carreteras del país, está

constituida por aproximadamente 164 mil kilómetros, distribuida en 16.776 de red

primaria a cargo de la nación, de los cuales son 13.296 km a cargo del Instituto

Nacional de Vías y 3.380 km concesionados; 147.500 km entre red secundaria y

terciaria repartidos así: 72.761 km a cargo de los departamentos, 34.918 a cargo

de los municipios, 27.577 del Instituto Nacional de Vías, y 12.251 km de los

privados”. Asimismo, en la

Tabla 1, se presenta el estado de la red vial nacional a cargo del Instituto Nacional

de Vías (INVIAS). Se observa claramente en dicha tabla, que la mayor parte de la

red vial a cargo del INVIAS se encuentra en su mayoría en regular y mal estado.

Adicional a estos indicadores, cabe denotar que del total de la red vial nacional a

cargo del INVIAS, el 23.5% no se encuentra pavimentado, y conforme a el

Ministerio de Transporte la red vial secundaria y terciaria “presenta un estado

crítico y paulatinamente ha venido deteriorándose por la carencia de

mantenimiento debido los bajos recursos de que disponen los departamentos y la

Nación para inversión en infraestructura vial” (Ministerio de Transporte, 2010).

Tabla 1 Estado de la red vial nacional a cargo del INVIAS.

RED PAVIMENTADA

ESTADO MB B R M MM

Longitud (Km) 1232.15 2725.05 2416.56 1832.70 106.57 Porcentaje (%) 14.82 32.78 29.07 22.05 1.28

RED AFIRMADA

ESTADO MB B R M MM

Longitud (Km) 9.54 155.17 874.11 1314.78 374.24

Porcentaje (%) 0.11 5.69 32.04 48.2 13.72

RED TOTAL

ESTADO MB B R M MM

Longitud (Km) 1241.69 2880.22 3290.67 3147.48 480.81

Porcentaje (%) 11.24 26.09 29.80 28.51 4.35 MB: muy buena; B: buena; R: regular; M: mal; MM: muy mal. Fuente: Base de datos del estado de

la malla vial nacional a cargo del INVIAS, Diciembre de 2016.

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En la Tabla 2 se observa, que de la malla vial arterial de la ciudad de Bogotá D.C., el 29.7% se encuentra en regular y mal estado (Instituto de Desarrollo Urbano - IDU, 2013). En cuanto a las mallas viales intermedias y locales, el 45,66% y el 79,25% respectivamente se encuentran en regular o mal estado. Estos porcentajes corresponden al 21% de la red total (malla vial intermedia), y al 55% de la red total (malla vial intermedia) (IDU, 2013).

Tabla 2 Malla vial de Bogotá D.C.

MALLA VIAL ARTERIAL

ESTADO B R M

Longitud (Km) 2638.48 464.34 650.26 Porcentaje (%) 70.30 12.37 17.33

MALLA VIAL INTERMEDIA

ESTADO B R M

Longitud (Km) 1711.85 404.85 1033.67

Porcentaje (%) 54.34 12.85 32.81

MALLA VIAL LOCAL

ESTADO B R M

Longitud (Km) 1763.03 2013.27 4719.94

Porcentaje (%) 20.75 23.70 55.55 B: buena; R: regular; M: mal. Fuente: Base de datos del Inventario y Diagnóstico de la Malla Vial-

IDU-Diciembre de 2013.

Por otro lado, el crecimiento del parque automotriz en el país, en los últimos 40 años, ha ido incrementando de manera considerable, tanto en número como en magnitud de carga. De acuerdo con el Ministerio de Transporte, el aumento de la movilización de cargas se vino en alza entre los años 1991 y 2003, siendo el sector minero el líder, con un 19.11%, seguido por el sector manufacturero con un 14.82%; el sector agrícola presenta un incremento del 5.47% y por ultimo pero no menos importante, el sector pecuario mostró un alza del 1.88%. Estos indicadores confirman el desarrollo de la movilización de carga utilizando la red vial nacional, que contabilizadas en toneladas en el año 2003 fue de 73.034 toneladas hasta 177.057 toneladas en el año 2009. Estos indicadores desencadenan en la capas de pavimento una mayor magnitud de esfuerzos y deformaciones, así como la demanda de mayor durabilidad en las estructuras viales. Ahora bien, de acuerdo con la Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos de Colombia - ASOPAC, 2004), las mezclas más utilizadas en la producción de mezclas asfálticas son las denominadas como concreto asfaltico o mezclas del tipo densa en caliente (Mezcla Densa en Caliente - MDC, Mezcla Semidensa en Caliente - MSC, Mezcla de Alto Modulo - MAM, Mezcla Gruesa en Caliente - MGC). Las características más sobresalientes de estas mezclas es que son premezcladas, manejan un porcentaje de vacíos que oscila entre un 3% y un 9%, poseen una buena resistencia mecánica, son de alta durabilidad, presentan un buen comportamiento in situ, además de poder conformar cualquier subcapa asfáltica, es decir capa de rodadura, base intermedia y/o base asfáltica (Rondón y Reyes, 2015). Las principales desventajas que presentan este tipo de mezclas es que su fabricación debe ser realizada en planta a altas temperaturas (150°C-190°C), al ser necesario el calentamiento de materiales para su producción como

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el agregado pétreo y el cemento asfaltico, las emisiones de gases generadas por estos procedimientos aumentan, impactando el medio ambiente. Las posibles alternativas para contrarrestar este impacto ambiental, sin perjudicar los beneficios de este tipo de mezclas, tuvieron su primera aparición en los años 50, con el desarrollo de las mezclas asfálticas en frio. Estas mezclas utilizan una temperatura de fabricación que oscila entre los 60°C y 80°C. Tanto su extensión como compactación puede ser realizada in situ a temperatura ambiente, pero los inconvenientes que muestran este tipo de mezclas son que su resistencia bajo cargas monotónicas y cíclicas, y su durabilidad en ocasiones disminuye, ocasionando un incremento en el costo de la estructura debido a los contantes mantenimientos (Rondón et al. 2015). Otra posibilidad, que surgió a finales de la década de los 90 fueron las mezclas asfálticas tibias, este tipo de mezcla pretende adecuar las propiedades técnicas, económicas y ambientales de las mezclas frías y calientes. Este trabajo de investigación se genera como una extensión de los estudios realizados en un proyecto que realizó el grupo de Investigación TOPOVIAL, de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, reportado en Rondón et al. (2015). Los investigadores de dicho proyecto evaluaron el comportamiento que experimentaron mezclas tibias desarrolladas a partir de la inclusión, en mezclas de concreto asfáltico, de un aditivo denominado HUSIL. Con dicho aditivo, los investigadores concluyeron, que era factible disminuir la temperatura de fabricación de mezclas convencionales de concreto asfáltico en 30°C, manteniendo o mejorando las propiedades de dichos materiales bajo carga monotónica y cíclica, así como su durabilidad en términos de resistencia al daño por humedad y al envejecimiento. Adicionalmente el aditivo HUSIL, al ser mezclado a temperatura de 80°C con el cemento asfaltico mejora las propiedades reológicas del ligante a altas e intermedias temperaturas de servicio. A diferencia del estudio realizado por el grupo TOPOVIAL, en el presente trabajo se utilizará como parte del agregado pétreo para la fabricación de las mezclas, escorias de alto horno (denominadas BFS por sus siglas en inglés “Blast Furnace Slag”). Lo anterior con el fin de seguir tratando de desarrollar una mezcla asfáltica más amigable con el medio ambiente, ya que las BFS son desechos industriales que por lo general son transportados y depositados en escombreras (al aire libre o enterrados), convirtiéndose así en una problema ambiental. Las BFS son residuos de la producción del hierro en altos hornos. En los últimos años, el estudio y análisis del comportamiento de mezclas asfálticas fabricadas a partir del uso de materiales que pueden ser reciclados ha venido incrementando, ya que la conservación y el buen uso de los recursos naturales es primordial para el crecimiento global. Como mezcla de referencia se utilizó la MDC-10 ampliamente utilizada en capas de rodadura, los materiales empleados para la fabricación de esta mezcla fueron cemento asfaltico CA 60-70, un agregado pétreo natural procedentes de la planta de asfalto CONCRESCOL S.A., una escoria BFS procedente de Acerías Paz del Rio S.A. y el aditivo HUSIL mencionado con anterioridad. En síntesis con la ejecución del presente trabajo se espera: 1) evaluar si es posible sustituir agregados pétreos naturales por un desecho contaminante proveniente de la producción de arrabio (BFS); 2) evaluar si al mismo tiempo es

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posible reducir la temperatura de mezcla y compactación empleando el aditivo HUSIL; 3) intentar brindar una solución permanente al impacto ambiental que se produce por la fabricación, extensión y compactación de las mezclas densas en caliente, sustituyéndolas por una mezcla asfáltica tibia, la cual brinde la mismas o mejores propiedades mecánicas de las mezclas convencionales; 4) seguir intentando reducir el gasto de energía y consumo de combustibles durante los procesos de fabricación de mezclas en caliente (reduciendo emisiones contaminantes) y disminuir el empleo de agregados naturales procedentes de la explotación de canteras a cielo abierto (disminuyendo de esta manera las alteraciones y modificaciones en los suelos y sus propiedades así como la destrucción y perdida de la biodiversidad, aumentado riesgos geológicos, modificaciones en el relieve, entre otros).

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1 OBJETIVOS

1.1 Objetivo General Diseñar una mezcla asfáltica tibia WMA reciclada, con base en una mezcla asfáltica densa en caliente MDC tipo MDC-10, reemplazando fracciones de los agregados pétreos en proporciones de 7.5%, 14% y 22.5% por escoria de alto horno y evaluar la resistencia de la WMA reciclada bajo carga monotónica.

1.2 Objetivos Específicos

Establecer la proporción ideal de sustitución de agregados pétreos para el diseño de una WMA reciclada, cumpliendo con las especificaciones técnicas determinadas por el INVIAS (2013), en cuanto a la fabricación y producción de este tipo de mezcla asfáltica.

Analizar la utilidad del aditivo HUSIL en la mezcla WMA reciclada.

Evaluar por medio del Ensayo Marshall (INV-E-748-13), la resistencia de una WMA reciclada fabricada con diferentes temperaturas de mezclado.

1.3 SÍNTESIS El estudio de los diferentes comportamientos que se puedan generar en la fabricación y producción de mezclas asfálticas han sido desarrolladas a nivel global con el propósito de producir mezclas que contengan características que posibiliten su fabricación con una reducción en el empleo de energía y que al mismo tiempo mantenga las propiedades de un asfalto de calidad y eficiencia garantizada. Asimismo, la debatida preocupación por el medio ambiente procedente de las practicas contaminantes presentadas en el diario vivir, cuestiona al mundo y a los profesionales de la ingeniería en la creación de medidas que mitiguen y prevengan los posibles impactos que se derivan de la industria de la elaboración de las mezclas asfálticas, es este uno de los motivos de este estudio, cuyo fin es el de aprovechar componentes desconocidos, como el agregado de escoria de alto horno, resultante de la fabricación de hierro junto con los agregados convencionales, originando así una nueva técnica para el mejoramiento de esta práctica. En el segundo capítulo del presente trabajo se describe un breve marco teórico, en donde se exponen y presentan algunos antecedentes técnicos y ambientales tanto de la mezcla a utilizar como del uso del aditivo HUSIL. Asimismo, se presentan los conceptos teóricos base que se utilizaron para la comprensión del estudio. En el tercer capítulo se describe la metodología aplicada con las especificaciones técnicas fundamentales para así alcanzar los objetivos propuestos. Los resultados y su respectivo análisis se encuentran contenidos en el capítulo 4. En el capítulo 5 se reportan las conclusiones y recomendaciones, y por último, en el capítulo 6 se enuncia las fuentes bibliográficas de consulta.

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2 MARCO TEÓRICO

2.1 ANTECENDENTES La Universidad Distrital Francisco José de Caldas desde su misión, la cual es generar progreso y desarrollo para el país, fomenta desde los grupos de investigación como TOPOVIAL esta premisa. Este grupo de investigación ha venido formulando y desarrollando procesos investigativos en pro de suplir las necesidades que demanda el desarrollo económico y social del país, teniendo en cuenta la mínima afectación en el medio ambiente. Es así como este grupo de investigación por medio de la producción y elaboración de diferentes estudios creo un aditivo nombrado HUSIL, el cual contiene las propiedades físicas y químicas acordes con los cementos asfalticos tipo 60-70 y 80-100 fabricados en el país y además ser apto para el medio ambiente, manteniendo las propiedades de las mezclas que han sido expuestas al ensayo Marshall, las cuales evalúan su resistencia bajo carga monotónica y alta temperatura de servicio. La evolución constante en la que se encuentra el ser humano, genera en los tiempos actuales una severa alza en la extracción de materias primas de la Tierra, (Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, 2016) agudizando los problemas actuales que enfrenta el medio ambiente, siendo las actividades humanas, el principal motivo de este aumento. Según este informe para el año 2050, serán necesarias 180 mil millones de toneladas de materiales extraídos de la Tierra para poder realizar las actividades normales de desarrollo mundial, como lo son vivienda, alimentación, energía, agua y movilidad, es decir tres veces la cantidad actual. La afectación de la sobreexplotación de estos recursos naturales no renovables, no solamente afectan el medio ambiente, sino también una gran parte del crecimiento económico y social de países en vía de desarrollo, ya que al ser agotados estos recursos, las economías emergentes no tendrán base para impulsar a las mismas y así disminuir los índices de pobreza de estas naciones, fracasando así en el logro de los objetivos del desarrollo sostenible. El concepto de desarrollo sostenible fue estudiado en primera instancia en la Comisión Mundial del Medio Ambiente de la ONU, en el año de 1987, siendo un tema recurrente y de suma importancia para esta organización mundial, quienes tienen como principio la equidad global. En principio el tema medio ambiental, no era un punto álgido en las conferencias. A partir de la década de los sesenta, con acontecimientos, como el hundimiento del barco petrolero Torrey Canyon, el cual, después de impactar violentamente con el arrecife de Seven Stone, Inglaterra; derramó 120.000 toneladas de crudo al medio marino, al evaluar los daños, se cuantifico la muerte de 250.000 aves marinas, arrasando con 100 millas de costa, con gran valor turístico, ecológico y pesquero (Perez, 2012).Emitiendo así una de las primeras alertas para que el tema ambiental cobrara más importancia en las reuniones de esta organización. Para esta misma época la industria del asfalto en Estados Unidos y Europa, ya tenían conocimiento sobre los impactos ambientales que producía el fabricar las mezclas asfálticas tradicionales, y como solución a estos problemas ecológicos se

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ingenió la mezcla asfáltica en frio (CMA), cuyas características como mezcla asfáltica emulsionada, es la disminución en la temperatura encontrándose en el rango de los 60°C-80°C, disminuyendo considerablemente la temperatura de una mezcla asfáltica en caliente la cual oscila entre los 150°C-170°C, esto hablando de su fabricación. En cuanto a la compactación y extensión, las CMA tienen la ventaja de que la temperatura empleada para estos procesos es la del ambiente, impidiendo así la producción de gases tóxicos para el medioambiente. Los contras que este tipo de mezcla presentan es que al ser expuesta a cargas monotónicas y cíclicas, la mezcla disminuye su resistencia, así como al daño por humedad y el agotamiento por el paso del tiempo, en comparación con las HMA, derivando sobrecostos por mantenimiento. Para los años noventa se concertó una reunión entre los países del primer mundo, en Rio de Janeiro, Brasil, en donde se expusieron diferentes estudios por parte del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático IPCC, el resultado de estos análisis, fue que a pesar de las medidas tomadas, el aceleramiento del calentamiento global, no se podría impedir, y además se tendrían que tomar más medidas de reducción de emisión de gases causantes del efecto invernadero, fenómeno reproducido por la emisión de gases tóxicos hacia la atmosfera. A su vez la industria de asfaltos y pavimentos, dio inicio en el estudio e implementación de nuevas tecnologías, desarrolladas en 1995, por Shell y Kolo Viedekke, quienes en conjunto, adelantaron un producto, con un proceso de fabricación de mezcla agregado - asfalto a temperaturas más bajas; obteniendo mejores propiedades o equivalentes condiciones de desempeño, con relación a las mezclas tradicionales en caliente. (Lopera Palacio, 2011)

2.2 CONCEPTOS

2.2.1 Pavimento

Un pavimento se define como una estructura vial compuesta por diferentes capas las cuales están conformadas por diversos materiales, dispuestos a soportar las cargas que imponen el parque automotor y la acción del medio ambiente, adicionalmente distribuye las cargas hacia la subrasante en magnitudes tolerables a esta. En la Figura 1 se esquematiza la estructura de un pavimento.

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Figura 1Esquema de un pavimento.

Fuente: (Rondón y Reyes, 2015)

2.2.2 Tipos de pavimento

De acuerdo al material utilizado para su conformación, los pavimentos se subdividen en cuatro tipos.

2.2.2.1 Pavimento flexible

Formados por una carpeta asfáltica soportada por una o varias capas de gran flexibilidad (materiales granulares no ligados). Los esfuerzos se transmiten al terreno de fundación mediante un mecanismo de disipación de tensiones, las cuales van disminuyendo paulatinamente con la profundidad. En la Figura 2 se puede observar una estructura de pavimento flexible, así mismo, algunas características que tiene cada una de sus capas.

Figura 2Pavimento flexible.


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2.2.2.2 Pavimento rígido

Constituidos por una placa o losa de concreto hidráulico de gran rigidez que transmite los esfuerzos al terreno de soporte repartiéndolos en un área muy amplia (Rondón y Reyes, 2015). Su principal componente estructural es la placa o losa de concreto, que alivia las tensiones en las capas subyacentes por medio de su elevada resistencia a la flexión, cuando se generan tensiones y deformaciones de tracción debajo la losa, se produce su fisuración por fatiga, después de un cierto número de repeticiones de carga. La capa inmediatamente inferior a las losas de concreto denominada sub-base, por esta razón, puede ser constituida por materiales cuya capacidad de soporte sea inferior a la requerida por los materiales de la capa base de los pavimentos flexibles (Becerril y Miranda, 2016). En la Figura 3 se puede observar una estructura de pavimento rígido, así mismo, algunas características que tiene cada una de sus capas.

Figura 3Pavimento rígido Fuente: (Rondón y Reyes, 2015)

2.2.2.3 Pavimento articulado

Este pavimento está formado por elementos prefabricados de pequeñas dimensiones que individualmente son muy rígidos, Los esfuerzos se transmiten mediante un mecanismo de disipación de tensiones, en relación con otros tipos de pavimentos posee un proceso de reparación más fácil que los demás, no requiere de personal ni equipo especializado para su colocación y posee una facilidad de transporte y reutilización, posee un bajo rendimiento constructivo y baja rugosidad superficial de los adoquines (Rondón y Reyes, 2015). En la Figura 4 se puede observar una estructura de pavimento articulado.

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Figura 4Pavimento articulado


2.2.2.4 Pavimento semi-rígido

Compuesta por una placa de suelo cemento y una carpeta asfáltica. La placa de suelo cemento presenta menor rigidez que una losa de concreto, por consiguiente, admite mayores deformaciones. La transmisión de esfuerzos a la subrasante se lleva a cabo por disipación en la capa asfáltica y por repartición en la placa de suelo cemento (Rondón y Reyes, 2015). En términos amplios, un pavimento semirrígido o compuesto es aquel en el que se combinan tipos de pavimentos diferentes, es decir, pavimentos “flexibles” y pavimentos “rígidos”, normalmente la capa rígida está por debajo y la capa flexible por encima (Becerril y Miranda, 2016). En la Figura 5 se puede observar una estructura de pavimento semi-rígido, así mismo, algunas características que tiene cada una de sus capas.

Figura 5 Pavimento Semi-rígido


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Cabe aclarar que para la realización de los ensayos se utilizó la subclase de pavimento flexible.

2.2.2.5 Características físicas del asfalto

El principal componente de un pavimento es el asfalto, es necesario conocer las propiedades físicas que este presenta:

Viscosidad: Medida de resistencia al flujo, es decir la resistencia que puede presentar un cuerpo sometido a una deformación, producida por un rozamiento interno o molecular.

Fragilidad: Propiedad que se encuentra en los materiales al romperse siendo expuesto a determinados esfuerzos.

Ductilidad: Esta característica determina cual es la aptitud que puede presentar el asfalto al ser expuesto a fuerzas continuas de tracción y compresión, que resiste sin romperse.

Peso específico: Este varía según el origen y proceso de destilación, indica la relación del peso para unidad de volumen.

Dilatación térmica: Esta característica posibilita la comparación de los volúmenes medidos a diferentes temperaturas y así calcular los volúmenes necesarios del material en el relleno de juntas de dilatación de cualquier forma.

Impermeabilidad: Este indicador permite medir la disposición que puede presentar el asfalto al ser atravesado ya sea por agua u otro tipo de líquido. El asfalto debe presentar una impermeabilidad alta ya que es utilizado como ligante de moderada resistencia (Herrera, Botasso, Cachago, Cajo, & Palma, 2016).

Adhesividad: resistencia del asfalto a ser desplazado de la superficie por acción del agua (Todo de Ingeniería Civil Laboratorios e Infromación de Ingenierí Civil, 2014).

2.2.3 Mezclas Asfálticas

Una mezcla asfáltica es la combinación entre un ligante asfaltico y un agregado pétreo se pueden clasificar en mezclas abiertas o densas, o mezclas calientes o frías. Las mezclas se elaboran normalmente en plantas mezcladoras. Pueden en algunos casos efectuarse en el sitio. (Rondón y Reyes, 2015)

2.2.3.1 Mezclas asfálticas tibias

Se denomina mezcla asfáltica tibia (WMA) a aquella que, mediante el uso de diferentes técnicas, logra reducir las temperaturas de mezclado y compactación

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de una mezcla asfáltica caliente sin alterar demasiado la calidad de la mezcla asfáltica resultante. De acuerdo con Bonaquist (2011), la disminución mínima de la temperatura de fabricación de mezcla en la planta de asfaltos debe ser de 28°C para denominarse mezcla WMA. La reducción de las temperaturas de mezclado y compactación traen consigo una disminución en la energía requerida para la elaboración de la mezcla y de las emisiones a las atmosfera. Desde el punto de vista del envejecimiento, se reporta por lo general menor oxidación a corto plazo del ligante asfáltico por las menores temperaturas durante los procesos de fabricación, extensión y compactación de la mezcla WMA, lo cual puede incidir en un aumento en la resistencia a fatiga por carga y al agrietamiento por bajas temperaturas. La menor tasa de envejecimiento del asfalto empleado para fabricar mezclas WMA se presenta como ventaja ya que un asfalto envejecido genera disminución en la adherencia entre el agregado pétreo y el ligante, y un cambio del comportamiento dúctil a frágil del ligante y la mezcla asfáltica, acompañado de un incremento excesivo en su rigidez y viscosidad. (Rondón, León, & Fernández, 2017)

2.2.3.2 Mezclas asfálticas abiertas en frio

Según la especificación técnica IDU 552-11 del IDU se define como la combinación de un ligante-bituminoso (generalmente un CRM), con agregados minerales, predominantemente gruesos, de granulometría uniforme, que puede manejarse, extenderse y compactarse a la temperatura ambiental. Se caracterizan por presentar un alto contenido de vacíos (mayor del 15%), Se utiliza principalmente en Bacheos, capas de base y capa de rodadura. Durante la compactación deberá aplicarse un sello de arena para evitar la adhesión de las llantas de los vehículos, debido a la presencia de fluidificantes en la emulsión asfáltica (IDU, Instituto de Desarrollo Urbano, 2011).

2.2.3.3 Mezclas asfálticas abiertas en caliente

Mezcla similar a la mezcla abierta en frío, la diferencia radica en que este tipo de mezcla, emplea como ligante cemento asfáltico (60-70) o cemento asfaltico modificado es decir se debe extender y compactar a altas temperaturas (IDU, Instituto de Desarrollo Urbano, 2011).

2.2.3.4 Mezclas asfálticas densas en frio

Una mezcla densa se diferencia de una mezcla abierta en que en la densa los agregados minerales presentan granulometría con variedades de tamaño con algún porcentaje de finos. Lo anterior permite, una vez compactada la mezcla, lograr una reducción importante en los espacios vacíos, con incrementos en su resistencia mecánica y disminución de la permeabilidad. (Rondón y Reyes, 2015)

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2.2.3.5 Mezclas asfálticas abiertas densas

Presentan una granulometría bien gradada en el agregado pétreo, y su contenido de vacíos con aire son bastantes bajos (3% - 8%) en volumen. (Rondón y Reyes, 2015)

2.2.3.6 Mezclas asfálticas abiertas o porosas

Esta mezcla presenta una granulometría mal gradada en el agregado pétreo y el contenido de vacíos es alto superior al 10% en volumen.

2.2.3.7 Mezclas asfálticas modificadas

Este tipo de mezcla presentan una modificación en la composición de sus componentes ya sea adicionando o reemplazándolo, en diferentes porcentajes. La finalidad de esta técnica es el de desarrollar innovaciones, incorporando nuevos materiales como polímeros, caucho, icopor, Escoria, etc. Al llevar a cabo este tipo procedimientos se ha podido alcanzar: minimización de costos en cuanto a fabricación y extensión, generando así mayor durabilidad, mejoramiento de características físicas como, mayor flexibilidad a temperaturas bajas, mejor resistencia a deformaciones, reducción de agrietamiento y en general un mejor comportamiento de la estructura del pavimento. Además de una reducción en cuanto a la afectación que pueda presentar al verse expuestos a altas o bajas temperaturas así como a factores de humedad. (Rodriguez Rojas & Sanchez Morales, 2016).

2.3 CONCRETO ASFÁLTICO O MDC

En Colombia estas mezclas son conocidas como MDC (mezclas densas en caliente) MSC (mezclas semidensas en caliente). MGG (mezclas de alto modulo) (INVIAS, 2013, articulo 45 -13). De acuerdo con IDU (2011, articulo 510) la nomenclatura mencionada anteriormente cambia por MD, MS, MG Y MAM respectivamente. Internacionalmente, son conocidas como mezclas HMA (por sus siglas en ingles). Son mezclas totalmente diferentes a las MAF, presentan agregados pétreos naturales con granulometría bien gradada y con tamaños de partículas sólidas diferentes (gravas, arenas, finos, llenante mineral), mezcladas con cemento asfaltico estas mezclas deben fabricarse, extenderse y compactarse a alta temperatura (fabricarse entre 140 y 180 °C aproximadamente, dependiendo da la viscosidad del asfalto). Se caracterizan por presentar un bajo contenido de vacíos con aire en volumen (entre 3% a 9 % por lo general). Son mezclas de alta calidad, las cuales pueden ser utilizadas para conformar cualquier subcapa dentro de la capa asfáltica (rodadura, base intermedia y/o base asfáltica). El agregado pétreo natural utilizado para la elaboración de mezclas de concreto asfaltico debe satisfacer los requisitos de granulometría y calidad del agregado grueso presentado en las

14

tablas 2.14, 2.15, y 2.16 (consultar fuente para observar las tablas) respectivamente (Rondón y Reyes, 2015).

2.4 CEMENTO ASFÁLTICO

El cemento asfáltico se designa por las letras CA o AC (Asphalt Cement en un país anglosajón) y se clasifican por lo general de acuerdo con su consistencia evaluada a través de dos ensayos: penetración y viscosidad. Otra forma de clasificación, utilizada principalmente en países desarrollados, se realiza a través del grado de funcionamiento (PG por sus siglas en inglés). En Colombia, los CA se clasifican de acuerdo con su penetración. Físicamente, los resultados de este ensayo pueden ser entendidos como la resistencia que experimenta el cemento asfáltico cuando se permite penetrar en él una aguja normalizada de 100 g de masa durante cinco segundos a una temperatura estándar (25 °C). Es decir, de manera directa mide la consistencia del CA y de manera indirecta evalúa su rigidez, entendiéndose que, bajo las mismas condiciones de ensayo, el CA más rígido será aquel en el cual la aguja penetre menos (Rondón y Reyes, 2015).

2.5 AGREGADOS PÉTREOS

La denominación técnica ―agregados pétreos en pavimentos se refiere a un conglomerado de partículas inertes de gravas, arenas, finos (naturales o triturados), utilizados ya sea para la fabricación de mezclas asfálticas, concretos hidráulicos y materiales estabilizados o para la construcción de capas de terraplén, afirmado, sub-base y/o base granular. Dentro de una estructura de pavimento con capa asfáltica, los agregados pétreos más exigentes, en cuanto a durabilidad, textura y resistencia mecánica se refieren, a aquellos que conforman las mezclas asfálticas. En estos últimos materiales los agregados pétreos conforman entre el 88% y el 96% de la masa y más del 75% del volumen. Dentro de las mezclas asfálticas, son los encargados de soportar las cargas impuestas por el parque automotor y transmitirla en menores proporciones a las capas subyacentes. Los agregados pétreos deben poseer una granulometría adecuada y requisitos mínimos de calidad para conformar mezclas asfálticas (Rondón y Reyes, 2015).

2.6 ESCORIA DE ALTO HORNO Siendo las escorias siderúrgicas productos resultantes de procesos de obtención del arrabio y el acero, es que son consideradas una materia prima no natural de bajo costo. (Muñoz Rodriguez, 2012). Dentro de una fábrica de siderúrgica integral, el horno alto es la instalación base para la obtención de arrabio, el cual, a su vez, constituye la materia prima para la

15

fabricación de acero. El horno alto es un horno de cuba en el que se introduce un gas reductor a presión (generalmente CO) por la parte inferior, y una carga de materia constituida por minerales de hierro, y las impurezas con los fundentes (escoria primaria), que van evolucionando en su composición hasta llegar a la parte baja del horno (crisol), formándose los dos materiales finales: arrabio y escoria. Estos productos fluyen juntos en estado líquido, a través de un orificio situado en la parte baja del crisol denominado piquera, especie de balsa, produciéndose la separación definitiva del arrabio y la escoria por diferencia de densidad. La escoria que sale por la piquera del horno a una temperatura cercana a los 1500 °C, puede ser sometida a distintas técnicas de enfriamiento, obteniéndose materiales con características de utilización claramente diferenciadas: escoria cristalizada, escoria vitrificada (granulada o peletizada) y escoria dilatada. (Centro de Estudios de Experimentación de Obras Públicas, 2011). En Colombia los primeros hornos altos datan de 1827, en el municipio de Pacho, Cundinamarca, donde la instalación de este capital fijo inicial exigió la asociación de embrionarios capitales que provinieron de las minas de sal, esmeraldas, oro y plata, y del comercio. Pronto el negocio se consolidó, atrajo capital extranjero, y fue objeto de varios golpes de mano para apoderarse de él, como el de la crisis financiera de Bogotá de 1842. (Mayor Mora, 2002). En la actualidad, Colombia cuenta con cinco productores de acero, ubicados en su mayoría en los departamentos de Cundinamarca y Boyacá, y su capacidad instalada se aproxima a los 1.8 millones de toneladas. Esta producción es dirigida en su gran mayoría al sector de la construcción. Las principales productoras de acero nacional son Diaco y Paz del Río, las cuales suman en conjunto el 60% del mercado interno. En lo referente a los aceros planos, no se cuenta con producción nacional, por lo tanto, deben ser siempre importados (Polanía & Fernando, 2016). En la Tabla 3, se pueden observar las diferentes industrias y su ubicación que en la actualidad operan en Colombia.

16

Tabla 3 Industrias siderúrgicas que operan actualmente en Colombia.

INDUSTRIA UBICACIÓN ORIGEN

Acerías Paz del Rio

Nobsa y Corrales (Boyacá)

Brasil

Gerdau Diaco Bogotá, Yumbo (Valle del Cauca) y Tuta (Boyacá)

Brasil

Sidenal Sogamoso (Boyacá)

Colombia

Sidoc Yumbo (Valle del Cauca)

Colombia

Fuente: (Polanía & Fernando, 2016)

La composición química de la escoria fundida de alto horno depende de los minerales de hierro, de las cenizas del coque utilizado como combustible y de los óxidos de los fundentes empleados. La homogeneidad de la carga, así como la regularidad en el funcionamiento de los altos hornos, contribuye a que la composición no varié demasiado. En la Tabla 4, se encuentran los porcentajes de sus principales componentes siendo los índices más utilizados, el índice de

Basicidad (𝐼𝑏 = 𝐶𝑎𝑂 +𝑀𝑔𝑂

𝑆𝑖𝑂2+ 𝐴𝑙2 + 𝑂3) y el Indice de Basicidad Simple

(𝐼𝑏𝑠 =CaO/𝑆𝑖𝑂2).

Tabla 4 Composición química de las escorias de alto horno.

COMPUESTO PORCENTAJE

CaO 38-42

𝑆𝑖𝑂2 32-37 MgO 7-9

𝐴𝑙2𝑂3 10-14

S <1

Fe O 0.4-0.8

Mn O 0.2-0.6

Ti𝑂2 0.3-0.5

𝐼𝑏 ≤1.2

𝐼𝑏𝑠 ≤1.3 Fuente: (Centro de Estudios de Experimentación de Obras Públicas, 2011)

En cuanto a las aplicaciones, en la Tabla 5, se describen los diferentes usos de las escorias de alto horno.

17

Tabla 5 Aplicaciones según tipo de Escoria de alto horno.

Enfriada con Aire Peletizada Granulada

Aglomerado asfaltico Árido para Hormigón Aislamiento Materia prima para fabricación del cemento Mejora del suelo

Hormigón de albañilería Hormigón ligero Relleno ligero Aislamiento Capa base de carreteras

Cemento con adiciones Suelo-Cemento Hormigón compactado con rodillo Capa base de carreteras Mejora del suelo

Relleno Fuente: (Centro de Estudios de Experimentación de Obras Públicas, 2011)

Para el caso de estudio las dos clases de escoria que más se utilizan para este fin son las descritas a continuación.

2.6.1 Escoria cristalizada

Se obtiene por enfriamiento lento de la escoria liquida en grandes fosos. Esta al llevar este proceso va formándose en pequeñas partes en estado vítreo, una vez enfriada es transportada a la planta de trituración y cribado para su preparación en las granulometrías adecuadas. Su textura es rugosa, de color gris oscuro, con abundantes poros externos e internos y su forma regular es la cubica. En cuanto a índices de granulometría es de 0/200, y una absorción del agua del 6%, aunque se seca con facilidad. Debido a la porosidad que presenta el material tiene un buen drenaje y reactividad química, minimizando la sensibilidad al exponerse a heladas y a la resistencia mecánica. Es de fácil compactación y extensión comparado con los materiales comunes utilizados para terraplén. En cuanto a la resistencia mecánica del material esta es en relación directa con su porosidad, producido por el método de enfriamiento empleado, además de estas propiedades cabe destacar que este material presenta baja conductividad térmica e insensibilidad al agua. Una de las principales ventajas que muestra es su baja resistencia a la fragmentación, lo que conlleva a una utilización convencional en capas inferiores del firme, debido a que en algunas circunstancias puede la escoria presentar fenómenos de descomposición, falta de durabilidad y de expansión que puede ocasionar que las obras fallen. Esto puede ser debido a la presencia de Hierro, es por esto que en países del continente Europeo, como lo son Bélgica, Francia o Reino Unido, la normativa exige especificaciones adicionales en cuanto a la composición química de la escoria a utilizar. (Centro de Estudios de Experimentación de Obras Públicas, 2011)

18

2.6.2 Escoria Granulada.

El proceso de enfriamiento de este tipo de escoria es brusco, ya que la escoria liquida se deja caer sobre un potente chorro de agua fría, de forma que expanda, sirviéndole también como vehículo de transporte hasta las balsas de decantación. Dicho proceso tiene por nombre granulación, ya que la escoria se divide en pequeñas partículas alveolares con aristas cortantes, muy similar a la forma que contienen los granos de arena, una vez realizada esta fase, pasa al secado el cual se lleva a cabo en tambores rotatorios, de allí pasa a una especie de molienda, que consiste en molinos de bolas, prensas de rodillos o con un sistema combinado de molino y prensa. Como último paso este material ya molido es arrastrado por una corriente de aire, cuya velocidad regulable permite que el tamaño de las partículas extraídas sea mayor o menor. Las principales propiedades físicas de la escoria granula es su tamaño el cual se presenta como una arena de 0/6 mm, con un tamaño medio del grano de 1mm, cuando es granulada en cubeta. La cantidad de finos es mínima variando en porcentajes del 5 al 10%, aunque existen casos en los que las escorias que presentan una mayor actividad, debido a los procesos de manipulación esta cantidad pueda aumentar. Las fracciones que presentan un tamaño mayor a 5mm, se muestran en colores oscuros, presentando una gran dureza ya que no se encuentran vitrificados sino cristalizados. Su contenido de agua oscila entre el 5 y el 25%, e incluso las escorias más activas presentan un incremento en este índice. En cuanto a los índices de densidad la escoria granulada es muy variable, ya que dependiendo de su actividad puede ser baja o alta, es decir las escorias más activas presentan una densidad más baja, por el contrario las más densas son las menos activas. Al hablar de sus propiedades químicas, presenta un comportamiento muy similar a las escorias cristalizadas, ya que al ser el enfriamiento tan violento los iones no tienen tiempo de ordenarse y se solidifican en estado vítreo, esto se puede observar en la angulosidad y friabilidad que se muestra en la superficie de las partículas. En cuanto a su uso para las vías, es bastante aplicada para la fabricación del material “grava-escoria”. Esta mezcla consiste en una mezcla homogénea de materiales granulares, con un 15-20% de escoria de alto horno (conglomerante), con un catalizador de fraguado (usualmente cal) y agua, la cual debidamente compactada es de uso en la construcción de firmes para vías, este material presenta como principal beneficio una resistencia inicial baja, que irá creciendo de forma continua en el tiempo, alcanzando los valores óptimos en 90 días y se estabiliza al cabo de un año, la principal aplicación de este material es como capa de base para todo tipo de tráfico. Esta mezcla es muy utilizada en Europa, debido a las múltiples ventajas técnicas, económicas, pero sobre todo ambientales, la experiencia en el uso de esta es superior a 20 años. (Centro de Estudios de Experimentación de Obras Públicas, 2011).

19

3 METODOLOGÍA

Las fases ejecutadas con el fin de cumplir los objetivos propuestos del presente estudio se enuncian a continuación. 1. Revisión bibliográfica. Inicialmente y durante la ejecución del estudio, fueron

consultados diversos documentos técnicos sobre el tema, los cuales han sido citados y referenciados durante la redacción del presente documento.

2. Caracterización de materiales. Sobre el cemento asfáltico (CA) con grado de penetración 60-70 mm/10, se ejecutaron los ensayos presentados en la Tabla 6, los cuales son necesarios para conocer si el asfalto cumple con los requisitos mínimos de calidad establecidos por la especificación INVIAS (2013). El CA provino de la Empresa Colombiana de Petróleos (ECOPETROL) y fue escogido debido a que es el de mayor en empleo en Colombia para la fabricación de mezclas de concreto asfáltico. Luego de realizar los ensayos sobre el asfalto, fueron ejecutados aquellos correspondientes al agregado pétreo natural (ver Tabla 7) proveniente de la empresa CONCRESCOL S.A. Sobre la BFS proveniente de la empresa Acerías Paz del Río S.A. fueron ejecutados los mismos ensayos que se presentan en la Tabla 7. Sobre el aditivo HUSIL y el asfalto modificado con dicho aditivo no se ejecutaron ensayos en el presente estudio, ya que los mismos fueron realizados y reportados por el grupo de investigación TOPOVIAL en Rondón et al. (2015). El resumen de dichos resultados se presentan en la Tabla 8. Los investigadores escogieron como contenido de aditivo a agregar al asfalto en masa un 1% con base en los resultados reportados en dicha tabla, ya que en dicho porcentaje el asfalto aumenta su rigidez (menor penetración y mayor punto de ablandamiento) y la resistencia a inflamar a altas temperaturas.

20

Tabla 6 Ensayos realizados sobre el CA 60-70 (INVIAS 2013).

Fuente: (INVIAS, Instituto Nacional de Vias, 2013).

Tabla 7 Caracterización de los agregados pétreos (natural y BFS).

Ensayo INVIAS (2013)

Gravedad especifica/Absorción (3/4”) INV-E 223-13

Gravedad especifica/Absorción (3/8”)

Gravedad especifica/Absorción (No 4)




Resistencia en la Máquina de los Ángeles, 500 revoluciones INV-E 218-13

Micro-Deval INV-E 238-13

10% de finos INV-E 234-13

Caras fracturadas: 1 cara INV-E 227-13

Caras fracturadas:2 caras

Partículas planas y alargadas

Índice de plasticidad INV-E 126-13

Índice de aplanamiento INV-E 230-23

Índice de alargamiento

CBR (al 100% de densidad seca máxima e inmersión en agua) INV-E 148-13

Fuente: Autor.

21

Tabla 8 Caracterización del CA 60-70 modificado con HUSIL.

HUSIL/CA [%]

Penetración [mm/10]

Punto de ablandamiento [°C]

Punto de Inflamación [°C]

0.0 65.0 44.3 326

0.5 48.8 53.3 333

1.0 41.3 52.5 343

2.5 43.2 49.0 354

5.0 48.3 48.3 384

7.5 50.1 47.7 390

10.0 52.3 47.4 404

Fuente: (Rondón et al., 2015).

3. Diseño de la mezcla de control. Para obtener el porcentaje óptimo de asfalto

de la mezcla de control (sin aditivo y sin BFS) fue ejecutada la metodología Marshall (INV. E-748-13). Para tal fin fueron compactadas cinco briquetas bajo 75 golpes por cara, para porcentajes de asfalto de 4.5%, 5.0%, 5.5% y 6.0%. La granulometría de las mezclas se presenta en la Tabla 9. Para fabricar estas mezclas, las temperaturas de fabricación y compactación de las briquetas fueron de 150°C y 140°C, respectivamente. Estas temperaturas fueron escogidas con base en el ensayo de viscosidad realizado al CA 60-70, cumpliendo con el rango especificado para mezclas del tipo denso (viscosidad de mezcla de 170 cp y de compactación de 280 cp) (Rondón et al. 2015).

Tabla 9 Granulometría de la mezcla MDC10.

Tamiz Tamiz (mm) % Que pasa % Retenido

3/8” 9.50 100 0.0

4 4.75 76 24

10 2 52 24

40 0.43 22.5 29.5

80 0.18 14 8.5

200 0.075 7.5 6.5

Fondo 7.5

Fuente: Autor.

4. Influencia de la temperatura de mezcla. Una vez obtenido el contenido óptimo

de asfalto, fueron fabricadas nuevas briquetas Marshall bajo temperaturas de 110, 120, 130 y 150°C con el fin de evaluar la influencia de la disminución de la temperatura sobre la composición volumétrica (principalmente el volumen de vacíos con aire) y la resistencia bajo carga monotónica a través de la estabilidad (E), el flujo (F) y la relación E/F. Estas nuevas briquetas Marshall presentaban las siguientes características: i) 5 briquetas por cada temperatura de fabricación para la mezcla de control (100% de agregado natural y empleando asfalto CA 60-70 sin modificar); ii) 5 briquetas por cada temperatura de fabricación para mezclas donde se sustituyó el 7.5% (tamiz

22

fondo), 14% (tamices fondo y No. 200) y 22,5% (tamices fondo, No. 200 y No. 80) del agregado pétreo natural por BFS; iii) 5 briquetas por cada temperatura de fabricación para las mezclas denotadas en los numerales i) y ii), pero adicionando el aditivo HUSIL al asfalto durante el proceso de mezcla con el agregado, al 1% con respecto a la masa del CA.

5. Análisis de resultados y redacción del documento final. En esta etapa se

elaboraron las gráficas necesarias para entender el comportamiento que experimentaron las mezclas fabricadas y ensayadas mediante la prueba Marshall. Estas gráficas fueron analizadas y dicho análisis fue reportado en diversos documentos entregados al director del trabajo de grado, para luego ser presentados en el actual documento de grado.

.

23

4 ANÁLISIS Y RESULTADOS

4.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

4.1.1 Agregados pétreos

En las Tabla 10 y Tabla 11 se muestran los resultados de los ensayos ejecutados al agregado pétreo y a la escoria de alto horno, respectivamente. Se observa que el agregado pétreo natural cumple con los requisitos mínimos de calidad que exigen las especificaciones (INVIAS, 2013) para fabricar mezclas de concreto asfáltico. Para el caso de la escoria, los valores de desgaste en la máquina de Los Ángeles y Micro-Deval no están cumpliendo, lo que podría incidir en una disminución de la resistencia a la abrasión de la mezcla fabricada con dicho material.

Tabla 10 Ensayos sobre el agregado pétreo natural de CONCRESCOL S.A.

Ensayo Método Requisito Resultado

Gravedad específica agregados gruesos AASHTO T 84-00 - 2.54 Adsorción agregado grueso AASHTO T 85-91 - 2.14% Gravedad específica agregados fino AASHTO T 84-00 - 2.62 Adsorción agregado fino AASHTO T 85-91 - 1.89%

Equivalente de arena AASHTO T 176 –

02 50% mínimo

72%

Caras fracturadas a una cara ASTM D 5821-01 75% mínimo 90% Límites líquido y plástico ASTM D 4318-00 0% 0% Índice de alargamiento NLT 354-91 10% máximo 7.9% Ataque en sulfato de magnesio ASTM C 88-99ª 18% máximo 7.3% Microdeval AASHTO T327-05 25% máximo 20%

10% de finos (resistencia en seco) DNER-ME 096-98 90 kN

mínimo 126 kN

10% de finos (relación húmedo/seco) 75% mínimo 83% Resistencia en Máquina de los Ángeles AASHTO T 96 – 02 35% máximo 24.6%

Fuente: Autor.

24

Tabla 11.Caracterización de la escoria de alto horno.

Ensayo Método Valor

Gravedad específica/absorción (3/4”) AASHTO T 84-00

AASHTO T 85-91

1.90/4.02% Gravedad específica/absorción (3/8”) 1.92/4.05% Gravedad específica/absorción (No. 4) 1.99/3.76% Gravedad específica/absorción (No. 80) 2.55/2.92% Gravedad específica/absorción (No. 200) 2.57/2.66% Resistencia en la máquina de Los Ángeles, 500 revoluciones AASHTO T

96 – 02 39.8%

Micro-Deval AASHTO T327-05

26.2%

10% de finos (seco) DNER-ME 096-98

111 kN

Caras fracturadas: 1 cara ASTM D 5821-01

93%

Índice de alargamiento NLT 354-91 4.9% Índice de aplanamiento 5.9% Contenido de impurezas UNE

14613:2000 0%

Índice de plasticidad ASTM D 4318-00

No plástico

Fuente: Autor.

4.1.2 Cemento asfáltico

En la Tabla 12, se presentan los resultados de los ensayos realizados al CA 60-70 y se reporta que dicho asfalto cumple los requisitos mínimos de calidad exigidos por la especificación (INVIAS, 2013) para fabricar mezclas de concreto asfáltico.

Tabla 12 Ensayos sobre el CA 60-70.

Ensayo Método Unidad Requisito

Valor Mínimo Máximo

Ensayos sobre el CA original

Penetración (25°C, 100 g, 5 s) ASTM D-5 0.1 mm 60 70 61.6 Punto de ablandamiento ASTM D-36-95 ° C 48 54 52.0 Viscosidad absoluta (60°C) ASTM D-4402 Poises 1500 - 1845

Gravedad específica AASHTO T 228-

04 -

- - 1.012

Viscosidad a 135° C AASHTO T-316 Pa-s - - 0.46 Ductilidad (25°C, 5cm/min) ASTM D-113 cm 100 - >125

Ensayos sobre el residuo del CA luego del RTFOT

Pérdida de masa ASTM D-2872 % - 0.8 0.48 Penetración (25°C, 100 g, 5 s), % de la penetración original

ASTM D-5 % 50 - 71

Incremento en el punto de ablandamiento

ASTM D-36-95 ° C - 9 7

Fuente: Autor.

25

4.2 DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA DE REFERENCIA En la tabla 11 se presenta de manera resumida, los resultados del ensayo Marshall realizado sobre la mezcla de control o de referencia (sin escoria y sin aditivo). De manera esquemática, se presentan dichos resultados en los gráficos 1-6. Este ensayo fue aplicado a la mezcla de diseño para así tener un patrón de comparación para las muestras a las que se les añadió escoria de acero y el aditivo HUSIL , es decir, obtener el estimado del óptimo de asfalto para el tipo de mezcla MDC-10, con una temperatura de compactación de 150°C. Con base en los resultados obtenidos se establece como porcentaje óptimo de asfalto 5.5%.

Tabla 13 Diseño Marshall mezcla convencional.

CA [%] Estabilidad

[N] Flujo [mm]

E/F [N/mm]

Densidad Bulk [g/cm3]

Vacíos en la mezcla

[%]

Vacíos en los agregados

[%]

4,5 8454,30 3,45 2448,93 2,215 7,84 17,69

5,0 10019,45 3,33 3012,31 2,225 6,76 17,75

5,5 10591,30 3,25 3258,48 2,246 5,21 17,42

6,0 9048,40 3,71 2440,07 2,242 4,70 17,99

Fuente: Autor.

Gráfico 1. Valores de Estabilidad para Mezcla Convencional MDC-10.

Fuente: Autor.

8000

8500

9000

9500

10000

10500

11000

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

Es

tab

ilid

ad

(N

)

Porcentaje de cemento asfáltico

26

Gráfico 2. Valores de Flujo para Mezcla Convencional MDC-10.

Fuente: Autor.

Gráfico 3. Valores de Rigidez Marshall para Mezcla convencional MDC-10. Fuente: Autor.

3,00

3,10

3,20

3,30

3,40

3,50

3,60

3,70

3,80

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

Flu

jo (

mm

)


2200,00

2400,00

2600,00

2800,00

3000,00

3200,00

3400,00

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

Es

tab

ilid

ad

/Flu

jo (

N/m

m)


27

Gráfico 4. Valores de Vacíos para la Mezcla Convencional MDC-10.

Fuente: Autor.

Gráfico 5. Valores de Vacíos en Agregados Pétreos para Mezcla Convencional

MDC-10. Fuente: Autor.

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

8,50

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

Va

cio

s e

n la

me

zc

la (

%)


16,00

16,50

17,00

17,50

18,00

18,50

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

Va

cio

s e

n A

gre

ga

do

Pé

tre

o (

%)


28

Gráfico 6. Valores de densidad Bulk para mezcla convencional MDC-10.

Fuente: Autor.

4.3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA SOBRE MEZCLA CON ESCORIA Y SIN ADITIVO

En los gráficos 7-9 se reportan los valores obtenidos de ejecutar el ensayo Marshall sobre las mezclas MDC-10 con escoria de alto horno y sin aditivo, y fabricadas a diferentes temperaturas. Con base en los resultados obtenidos se puede denotar:

1. Al sustituir el agregado pétreo por escoria de alto horno, los vacíos con aire en la mezcla incrementan debido principalmente a la mayor absorción que desarrollan las BFS, y dichos incrementos son mayores cuando se aumenta la cantidad de escoria (gráfico 7).

2. Las mayores resistencia bajo carga monotónica, evaluadas a través de la estabilidad y la relación estabilidad/flujo se obtienen (gráficos 8-9), cuando se sustituye el agregado pétreo por escoria de alto horno, a pesar que dichas mezclas son más porosas (mayor contenido de vacíos con aire).

3. Las mezclas que emplean escoria como agregado reducen en menor

proporción su resistencia bajo caga monotónica cuando disminuye la temperatura de fabricación.

2,200

2,205

2,210

2,215

2,220

2,225

2,230

2,235

2,240

2,245

2,250

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

De

ns

ida

d B

ulk

(g

/cm

3)


29

Gráfico 7 Valores de vacíos con aire para la mezcla con escoria de alto horno y

sin aditivo. Fuente: Autor.

Gráfico 8 Valores de rigidez Marshall para la mezcla con escoria de alto horno y

sin aditivo. Fuente: Autor.

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

110,0 120,0 130,0 140,0 150,0

Va

cio

s e

n la

me

zc

la (

%)

Temperatura de mezcla (°C)

0%

7.5%

14%

22,50%

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

110,0 120,0 130,0 140,0 150,0

Es

tab

ilid

ad

/Flu

jo (

N/m

m)


0%

7,5%

14%

22,50%

30

Gráfico 9 Valores de estabilidad Marshall para la mezcla con escoria de alto horno y sin aditivo.

Fuente: Autor.

4.4 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE MEZCLA SOBRE MEZCLA CON ESCORIA Y ADITIVO

En los gráficos 10-12 se muestran los resultados obtenidos de realizar el ensayo Marshall sobre las mezclas MDC-10 con escoria de alto horno, aditivo HUSIL, y fabricadas a diferentes temperaturas. Con base en dichos resultados se puede enunciar:

1. Al igual que en el caso sin aditivo, al sustituir el agregado pétreo por escoria de alto horno los vacíos con aire tienden a aumentar. Sin embargo se observa, una disminución notable de los vacíos con aire cuando se utiliza el aditivo (comparar 7 y 10). Lo anterior es debido principalmente a que el HUSIL facilita el recubrimiento de los agregados debido al efecto de espumado que produce cuando aumenta la temperatura dentro del asfalto.

2. Al emplearse el aditivo, la resistencia bajo carga monotónica aumenta (comparar gráficos 8 y 9 con los gráficos 11 y 12). Lo anterior es debido principalmente a que el aditivo ayuda a disminuir los vacíos con aire y rigidiza el asfalto.

3. Las mayores resistencias se obtienen cuando se reemplaza entre 7,5% y 14%

de agregado pétreo por escoria.

4. Al emplear el aditivo y disminuir la temperatura de fabricación en 30°C, se obtienen magnitudes de estabilidad y relación estabilidad/flujo similares o superiores a las que experimenta la mezcla de control (sin escoria y sin aditivo) para cualquier porcentaje de reemplazo de agregado natural por escoria (comparar tabla 11 con gráficos 11 y 12).

8000

8500

9000

9500

10000

10500

11000

11500

12000

12500

13000

110,0 120,0 130,0 140,0 150,0

Es

tab

ilid

ad

(N

)


0%

7,5%

14%

22,50%

31

5. Usando el aditivo, las mezclas son menos susceptibles a disminuir su

resistencia cuando decrece la temperatura de fabricación.

Gráfico 10 Valores de vacíos con aire para la mezcla MDC-10 con aditivo y escoria de alto horno.

Fuente: Autor.

Gráfico 11 Valores de Rigidez Marshall para la mezcla MDC-10 con aditivo y

escoria de alto horno. Fuente: Autor.

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

110,0 120,0 130,0 140,0 150,0

Va

cio

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7.5%

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2000

2500

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110,0 120,0 130,0 140,0 150,0

Es

tab

ilid

ad

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N/m

m)


0%

7,5%

14%

22,50%

32

Gráfico 12. Valores de estabilidad Marshall para la mezcla MDC-10 con aditivo y

escoria de alto horno. Fuente: Autor.

9000

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11000

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13000

14000

15000

110,0 120,0 130,0 140,0 150,0

Es

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ilid

ad

(N

)


0%

7,5%

14%

22,50%

33

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Como resultado de llevar a cabo la caracterización de una mezcla asfáltica tibia reciclada sustituyendo fracciones del agregado pétreo natural por escoria de alto horno (BFS) en porcentajes de 7%, 14% y 22.5%, y someter esta mezcla al ensayo Marshall (INV-E-718-13) para ser comparada con una mezcla de diseño tipo MDC-10 se puede concluir lo siguiente: 1. La mezcla de control MDC-10 incrementa su contenido de vacíos con aire

cuando es sustituido el agregado pétreo natural por BFS (principalmente cuando se reemplazan los tamices fondo y No. 200 - 7,5% y 14% de sustitución). Lo anterior es debido a que las BFS presentan mayor absorción y porosidad superficial, lo que induce un consumo superior de asfalto. A pesar de lo anterior, las mezclas con BFS desarrollan mayor resistencia bajo carga monotónica evaluada a través de los parámetros de estabilidad y relación estabilidad/flujo.

2. Cuando disminuye la temperatura de fabricación de las mezclas, aquellas

fabricadas con BFS como agregado son menos susceptibles a reducir la resistencia bajo caga monotónica.

3. Al emplear el aditivo HUSIL, los vacíos con aire en las mezclas disminuyen debido principalmente al efecto de espumado que desarrolla cuando aumenta la temperatura dentro del asfalto. Asimismo, se reporta un aumento en la resistencia bajo carga monotónica cuando se emplea dicho aditivo como producto principalmente de la disminución de los vacíos con aire en las mezclas y al efecto de rigidización que ejerce sobre el asfalto.

4. Empleando el aditivo HUSIL es posible disminuir la temperatura de fabricación en 30°C, logrando resistencias en el ensayo Marshall similares o superiores a las de la mezcla de control para cualquier porcentaje de reemplazo de agregado natural por escoria. Asimismo se concluye, que con el aditivo, las mezclas son menos susceptibles a disminuir su resistencia cuando disminuye la temperatura de fabricación.

5. Las mayores resistencias obtenidas en el ensayo Marshall de la mezcla asfáltica tibia reciclada con BFS puede ser considerada como un indicador de mayor resistencia a las deformaciones plásticas en clima de alta temperatura, sin embargo, para realizar una afirmación al respecto más argumentada, se deben ejecutar ensayos de deformación permanente bajo carga cíclica. Asimismo, esta mayor resistencia puede ser un indicador de menor resistencia a fatiga en climas de bajas temperaturas, sin embargo, se deben realizar pruebas de fatiga bajo carga cíclica con el fin de validar esta hipótesis.

6. Lo expuesto a lo largo de este trabajo permite concluir que el aprovechamiento de residuos de manufacturas, en este caso los desechos contaminantes derivados de la producción de arrabio (escorias de alto horno o BFS), pueden ser alternativas para la fabricación de mezclas asfálticas, sin que las

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propiedades mecánicas de esta se vean afectadas. Asimismo se concluye, que empleando el aditivo HUSIL se puede disminuir la temperatura de fabricación de las mezclas generando una disminución del impacto ambiental negativo que se desarrolla en la fabricación de mezclas de concreto asfáltico.

Como recomendación es necesario continuar con investigaciones de caracterización y evaluación de las propiedades físicas y químicas de las escorias de alto horno, debido a que estas son muy variadas, así como las ventajas que puede llegar a presentar la mezcla con el aditivo HUSIL, en otras cantidades tanto de aditivo como de sustitución de BFS por agregado pétreo.

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7 ANEXOS

mediciÓn de la resistencia bajo carga monotÓnica …

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