tesis diseño de mezclas asfálticas en frio
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Diseño de mezclas asfálticas en frió método Marshall MS-14TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS
Propuesta de diseño de mezcla asfáltica en frío de graduación densa como alternativa para el mantenimiento de pavimentos
flexibles
Investigación Monográfica para obtener el Título de Ingeniero Civil
Autores: Br. Bianka Lisbeth Ramos García Br. Cesia Isabel Muñiz Pérez
Tutor: Ing. Otoniel Baltodano Peña
Managua, Nicaragua Mayo 2013
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DEDICATORIA POR BIANKA RAMOS
A Dios en primera instancia por haberme dado sabiduría para culminar mi carrera, por estar siempre a mi lado derramando bendiciones sobre mi y nunca dejarme sola por más dura que fuera la situación. A mis Padres Gustavo Ramos y Mercedes García y Tía Maritza García, que con su ejemplo y apoyo me ayudaron a salir adelante en mis estudios. A mi hermano Edwin Ramos, que siempre estuvo a mi lado aportando buenos pensamientos y optimismo. A mi compañera de Tesis, Cesia Muñiz, que estuvo a mi lado desde segundo año de la carrera y la cual considero una gran amiga, a pesar de todas las adversidades que pasamos, logramos concluir con una de nuestras metas. A mis compañeros de clase, que de alguna forma aportaron a nuestro desarrollo en el transcurso de la carrera y ahora en la investigación. A todas las personas que puso en mi camino y las cuales de una u otra forma me ayudaron a seguir adelante, y siempre pensar en positivo.
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DEDICATORIA POR CESIA MUÑIZ
En primer lugar quiero agradecer a nuestro Padre Celestial, quien es el dador de la vida y
de la sabiduría, quien nos da fuerza y ánimos para continuar.
A mi madre Yadira Pérez por ser la mujer que me ha sacado adelante y de la cual me
siento orgullosa.
A mis maestros por ser ejemplo en este camino duro de andar. Por enseñarnos a
defendernos y por regalarnos los conocimientos que nos han llevado hasta hoy.
A mi compañero de labores Bianka Ramos, porque a pesar de todo y todos ha estado
conmigo siempre, apoyándome en las duras y en las maduras.
A quienes me han apoyado en este duro mundo laboral, quienes se han preocupado por
mi situación y quienes me han regalado consejos y palabras de aliento: Ing. Pablo
Martínez, Ing. José Manuel Cuadrado, Ing. Yahaira García, Xochilt Vílchez, Ing. Judith
Fajardo, Lic. Ingrid Espinoza, Ing. Lester Téllez, Ing. Jorge Luis Acosta, Lic. Wálmaro
Moya, Lic. María José Aguilera, Lic. Josmar Crus, Lic. Berman Espinoza, Martha Jiménez,
Ing. Massiel Flores, Gilberto Leiva, Rigoberto Rojas, Manuel Jirón, Ing. Carlos Aragón. A
todos ¡Gracias!
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AGRADECIMIENTOS
Por Bianka y Cesia Agradecemos a las personas que nos ayudaron a lo largo de todo este proceso académico. A la Universidad Centroamericana: Que nos dio la oportunidad de ser parte de ella, para educarnos como profesionales. A las empresas Compañía especializada de Ingenieros Contratistas, S.A. (CEICO,S.A.), Soluciones Técnicas Sol, S.A. (SOLTEC,S.A), Instituto Técnico de Pavimentos (ITP), Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC) y todo su personal técnico, que brindaron asistencia técnica para el desarrollo de la Investigación. Al Ing. Omar Cano y Moisés Méndez, por asistirnos durante todo el proceso de prueba y diseño de esta investigación. De igual forma, a nuestro tutor, Ing. Otoniel Baltodano, por aportar ideas al desarrollo de esta investigación monográfica.
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TABLA DE CONTENIDO
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DEDICATORIA POR BIANKA RAMOS............................................................................ 2
DEDICATORIA POR CESIA MUÑIZ ................................................................................ 3
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... 4
LISTADO DE FIGURAS.................................................................................................... 10
LISTADO DE TABLAS ...................................................................................................... 13
ANEXOS.............................................................................................................................. 16
RESUMEN .......................................................................................................................... 17
ABSTRACT ......................................................................................................................... 18
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 19
1.1. ANTECEDENTES ............................................................................................... 20
1.1.1. Historia del Desarrollo de Caminos en Nicaragua.................................. 20
1.1.2. Inventario Actual de la Red Vial Nacional ................................................ 22
1.2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................. 23
1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.............................................................. 24
1.4. LIMITACIONES ................................................................................................... 25
2. OBJETIVOS ................................................................................................................ 26
2.1. OBJETIVO GENERAL........................................................................................ 26
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 26
3. MARCO REFERENCIAL .......................................................................................... 27
3.1. PAVIMENTOS ..................................................................................................... 27
3.1.1. Definición ....................................................................................................... 27
3.1.2. Clasificación de los pavimentos ................................................................ 28
3.1.3. Características de un Pavimento .............................................................. 29
3.1.4. Componentes ............................................................................................... 30
3.2. AGREGADOS PÉTREOS.................................................................................. 32
6
3.2.1. Definición ....................................................................................................... 32
3.2.2. Clasificación del Material Pétreo ............................................................... 32
3.3. ASFALTO ............................................................................................................. 35
3.3.1. Origen y Naturaleza del Asfalto ................................................................. 35
3.3.2. Clasificación y Grados de Asfalto (Gonzales Escobar et. al, 2007) .... 36
3.3.3. Propiedades Químicas del Asfalto ............................................................ 36
3.3.4. Propiedades Físicas del Asfalto ................................................................ 37
3.3.5. Tipos de Asfalto............................................................................................ 39
3.4. MEZCLAS ASFÁLTICAS DE PAVIMENTACIÓN .......................................... 49
3.4.1. Mezcla Asfáltica en Frío.............................................................................. 50
3.4.2. Clasificación de la mezcla según el porcentaje de vacíos .................... 52
3.5. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS SEGÚN NORMAS ASSHTO 2006 ................................................................................................................ 56
3.5.1. Granulometría (AASHTO T 27) ................................................................. 56
3.5.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176) ................................................... 56
3.5.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) ....................................................... 56
3.5.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y Agregado Fino (AASHTO T 85) ............................................................................... 57
3.5.5. Índice de Plasticidad (AASHTO T 90) ...................................................... 58
3.5.6. Partículas Friables (AASHTO T 112)........................................................ 58
3.5.7. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104) ............................................... 58
3.5.8. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) ................................................... 59
3.6. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 .............. 60
3.6.1. Muestreo de emulsiones (AASHTO T 40 o ASTM D140) ..................... 60
3.6.2. Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D 2397 o D 244-22/24) 60
3.6.3. Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8) ............................. 61
3.6.4. Estabilidad de Almacenamiento (ASTM D244) ....................................... 61
3.6.5. Sedimentación (ASTM D 244-29/32) ........................................................ 61
3.6.6. Carga de partículas de prueba (ASTM D-244) ....................................... 61
3.6.7. Ensayos al residuo de asfalto (ASTM T 49) ............................................ 62
3.7. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO CON EMULSIÓN ASFÁLTICA .................................................................................................................... 62
3.7.1. Descripción ................................................................................................... 62
3.7.2. Materiales ...................................................................................................... 62
7
3.7.3. Procedimiento de pruebas a la mezcla asfáltica en frío ........................ 64
4. MARCO METODOLÓGICO ..................................................................................... 67
4.1. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LOS AGREGADOS PÉTREOS 69
4.1.1. Granulometría (AASHTO T 27) ................................................................. 69
4.1.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176) ................................................... 70
4.1.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) ....................................................... 71
4.1.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y Agregado Fino (AASHTO T 85) – Peso Unitario (AASHTO T 19) ..................... 71
4.1.5. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104) ............................................... 75
4.1.6. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) ................................................... 76
4.2. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 .............................................................................................................................. 78
4.2.1. Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D-2397 o D 244-22/24) 78
4.2.2. Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8) ............................. 79
4.2.3. Estabilidad de Almacenamiento y Sedimentación (ASTM D244) ........ 80
4.2.4. Carga de partículas de prueba (ASTM D-244) ....................................... 81
4.2.5. Penetración (ASTM T 49) ........................................................................... 82
4.3. COMBINACIÓN DE AGREGADOS Y EMULSIÓN ASFÁLTICA PARA OBTENCIÓN DEGRANULOMETRÍ A IDEAL PARA EL DISEÑO ......................... 83
4.4. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO 91
4.4.1. Método Marshall ........................................................................................... 91
5. RESULTADOS ......................................................................................................... 102
5.1. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS .................... 102
5.1.1. Granulometría (AASHTO T 27) ............................................................... 102
5.1.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176) ................................................. 105
5.1.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) ..................................................... 105
5.1.4. Gravedad Específica Agregado Grueso (T84) – Agregado Fino (T85) – Peso Unitario (T19).................................................................................................. 106
5.1.5. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104) ............................................. 107
5.1.6. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) ................................................. 108
5.2. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS SEGÚN CLASIFICACIÓN AASHTO ................ 108
5.2.1. Grava ¾”...................................................................................................... 108
5.2.2. Grava ½”...................................................................................................... 109
8
5.2.3. Material cero o ¼” ...................................................................................... 110
5.3. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1.......................................................................... 111
5.4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO SEGÚN ENSAYO MARSHALL .................. 112
6. MANTENIMIENTO ................................................................................................... 115
6.1. Utilización de las mezclas asfálticas a temperatura ambiente para conservación y bacheo ............................................................................................... 115
6.1.1. Bacheo superficial o menor de pavimentos asfálticos ......................... 116
6.2. TRABAJOS DE MANTENIMIENTO ............................................................... 118
6.2.1. Mantenimiento rutinario ............................................................................ 118
6.2.2. Mantenimiento periódico ........................................................................... 118
6.2.3. Mantenimiento preventivo ........................................................................ 118
6.2.4. Mantenimiento por administración .......................................................... 119
6.2.5. Mantenimiento Rutinario ........................................................................... 119
7. CONCLUSIONES .................................................................................................... 121
8. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 123
8.1. Elaboración de mezclas ................................................................................... 123
8.2. Diseño preliminar .............................................................................................. 124
8.3. Evaluación y ajustes de una mezcla de diseño ........................................... 124
8.3.1. Vacíos bajos y estabilidad baja ............................................................... 124
8.3.2. Vacíos bajos y estabilidad satisfactoria.................................................. 124
8.3.3. Vacíos satisfactorios y estabilidad baja.................................................. 125
8.3.4. Vacíos altos y estabilidad satisfactoria ................................................... 125
8.3.5. Vacíos altos y estabilidad baja ................................................................ 125
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 126
ANEXOS............................................................................................................................ 128
ANEXO A. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS EN EL COMPLEJO INDUSTRIAL NINDIRÍ (AGRENIC) ................................................... 128
ANEXO B. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 EN SOLUCIONES TÉCNICAS SOL, S.A. (SOLTEC) .................................................. 149
ANEXO C. ESPECIFICACIONES PARA LAS EMULSIONES Y MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO ................................................................................................. 150
ANEXO D. ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS DE DISEÑO ............ 152
ANEXO E. CANTIDAD APROXIMADA DE EMULSIÓN ASFÁLTICA ................ 152
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ANEXO F. CANTIDAD DE GOLPES MÉTODO MARSHALL PARA MEZCLAS EN FRÍO ........................................................................................................................ 153
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LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1. Bacheo en frío
Figura 3.1. Estructura de Pavimento
Figura 3.2. Sección de un Pavimento Flexible
Figura 3.3. Sección de un Pavimento Semi – rígido
Figura 3.4. Sección de un Pavimento Rígido
Figura 3.5. Sección de un Pavimento Articulado
Figura 3.6. Agregados minerales AGRENIC
Figura 3.7. Composición del Asfalto
Figura 3.8. Dispersiones de micelas de betún (ɸ ≈ 3 – 10 micra) en Agua
Esquema 3.1. Tipos de superficies de rodadura
Esquema 3.2. Ventajas de las Emulsiones Asfálticas
Esquema 3.3. Requerimientos en mezclas
Figura 4.1. Lavado de muestra para tamizado
Figura 4.2. Cribado
Figura 4.3. Ensayo de Equivalente de Arena
Figura 4.4. Máquina de Los Ángeles
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Figura 4.5. Preparación de muestra para cálculo de peso superficialmente seco
Figura 4.6. Peso suelto
Figura 4.7. Prueba de humedad
Figura 4.8. Ensayo de gravedad específica
Figura 4.9. Picnómetro
Figura 4.10. Lavado de muestra
Figura 4.11. Peso de probeta para solución stock
Figura 4.12. Muestra de agregado fino con solución stock
Figura 4.13. Ensayo de viscosidad Saybolt
Figura 4.14. Ensayo de destilación para emulsiones asfálticas
Figura 4.15. Sedimentación y estabilidad
Figura 4.16. Ensayo de carga de partículas
Figura 4.17. Ensayo de penetración
Figura 4.18. Mezclado y pesaje de las muestras
Figura 4.19. Cantidad de agregado en las muestras
Figura 4.20. Porcentaje de agua en las muestras
Figura 4.21. Porcentaje de emulsión en las muestras
Figura 4.22. Mezclado de las muestras
Figura 4.23. Obtención de muestras para elaboración de briquetas Marshall
Figura 4.24. Peso de la mezcla
Figura 4.25. Contenido de emulsión óptima
Figura 4.26. Contenido de agua óptimo
Figura 4.27. Compactación de briquetas
Figura 4.28. Variación de contenido de emulsión
Figura 4.29. Ensayo de estabilidad y fluencia Marshall
Figura 4.30. Ilustración de los parámetros de diseño volumétrico
12
Figura 5.1. Granulometría – Lavado de muestra para tamizado
Figura 5.2. Cribado
Figura 5.3. Ensayo de Equivalente de Arena
Figura 5.4. Máquina de Los Ángeles
Figura 5.5. Preparación de muestra para cálculo de peso superficialmente seco
Figura 5.6. Peso suelto
Figura 5.7. Prueba de humedad
Figura 5.8. Ensayo de gravedad específica
Figura 5.9. Índice de Durabilidad – Lavado de muestra
Figura 5.10. Peso de probeta para solución stock
Figura 5.11. Muestra de agregado fino con solución stock
Figura 5.12. Ensayo de Viscosidad Saybolt
Figura 5.13. Ensayo de Carga de Partículas
Figura 5.14. Ensayo de Destilación para emulsiones asfálticas
Figura 6.1. Procedimiento de bacheo
Figura 6.2. Carpeta mezcla en frío con emulsión asfáltica, Colonia Pedro Joaquín
Chamorro, Managua
Figura 7.1. Especificaciones de parámetros Marshall para mezclas en frío según MS-14
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LISTADO DE TABLAS
Tabla 1.1. Red Vial Nacional por tipo de Superficie (Años: 1978-2005)
Tabla 1.2. Constitución de la Red Vial Nacional
Tabla 1.3. Red Vial de Nicaragua 2010 / Resumen Clasificación Funcional – Tipo de
Superficie a nivel Departamental
Tabla 3.1. Longitud de kilómetros por tipo de rodadura en Centroamérica
Tabla 3.2. Clasificación del material pétreo por su contenido de sílice
Tabla 3.3. Requerimientos del Cemento Asfáltico para su uso en construcción de
pavimentos
Tabla 3.4. Usos generales de las emulsiones asfálticas
Tabla 3.5. Parámetros de Clasificaciones para mezclas
Tabla 3.6. Guía para el uso de productos derivados del asfalto en mezclas en frío
Tabla 3.7. Tamaño de las muestras (Ensayo de Abrasión)
Tabla 3.8. Intemperismo
Tabla 3.9. Granulometría de agregados para mezcla en frío
Tabla 4.1. Metodología de trabajo
Tabla 4.2. Combinación de agregados ideal
Tabla 4.3. Parámetros de diseño de mezcla
Tabla 4.4. Porcentaje de agua para las muestras
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Tabla 4.5. Composición de la mezcla
Tabla 4.6. Requerimientos para mezcla asfáltica con granulometría densa y emulsión
asfáltica diseñadas con el Método Marshall
Tabla 5.1. Muestra de grava ¾”
Tabla 5.2. Cribado de grava ¾”
Tabla 5.3. Muestra de grava ½”
Tabla 5.4. Cribado de grava ½”
Tabla 5.5. Muestra de material cero o ¼”
Tabla 5.6. Cribado de material cero o ¼”
Tabla 5.7. Equivalente de Arena – material cero o ¼”
Tabla 5.8. Abrasión grava ¾”
Tabla 5.9. Abrasión grava ½”
Tabla 5.10. Peso Unitario / Gravedad Específica grava ¾”
Tabla 5.11. Peso Unitario / Gravedad Específica grava ½”
Tabla 5.12. Peso Unitario / Gravedad Específica material cero o ¼”
Tabla 5.13. Durabilidad en Sulfatos grava ¾”
Tabla 5.14. Durabilidad en Sulfatos grava ½”
Tabla 5.13. Durabilidad en Sulfatos grava ¾”
Tabla 5.14. Durabilidad en Sulfatos grava ½”
Tabla 5.15. Durabilidad en Sulfatos material cero o ¼”
Tabla 5.16. Índice de Durabilidad grava ¾” y ½”
Tabla 5.17. Índice de Durabilidad material cero o ¼”
Tabla 5.18. Resumen – Granulometría ¾”
Tabla 5.19. Resumen – Clasificación AASHTO grava ¾”
Tabla 5.20. Resumen – Granulometría ½”
Tabla 5.21. Resumen – Clasificación AASHTO grava ½”
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Tabla 5.22. Resumen – Granulometría material cero o ¼”
Tabla 5.23. Resumen – Clasificación AASHTO material cero o ¼”
Tabla 5.24. Resultados para la emulsión asfáltica CSS-1
Tabla 5.25. Resultados para mezcla en frío
Tabla 5.26. Parámetros Marshall
Tabla 7.1. Conclusiones
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ANEXOS
ANEXO A. Ensayos realizados a los agregados pétreos en el Complejo Industrial Nindirí
(AGRENIC) ANEXO B. Ensayos realizados a la emulsión asfáltica CSS-1 en Soluciones Técnicas SOL, S.A. (SOLTEC) ANEXO C. Especificaciones para las emulsiones y mezcla asfáltica en frío ANEXO D. Especificaciones granulométricas de diseño
ANEXO E. Cantidad aproximada de emulsión asfáltica ANEXO F. Cantidad de golpes Método Marshall para mezclas en frío
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RESUMEN
El presente trabajo monográfico consiste en plantear una propuesta para el diseño de mezcla asfáltica en frío de graduación densa para el mantenimiento de pavimentos flexibles, evaluado a través del Ensayo Marshall. Para su ejecución, inicialmente se mantuvo una etapa preliminar que incluyó una importante recopilación de información sobre el origen de los agregados, la cual brinda una idea general de las principales características geológicas y físicas de los materiales pétreos, provenientes en este caso, de la mina Nindirí, los cuales sometidos a diferentes ensayos exigidos por el Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos y el Manual para Mezclas en frío (MS-14) del Instituto del Asfalto, dieron óptimos resultados para la elaboración de la mezcla asfáltica. De igual forma, obtener parámetros de calidad suficientes para hacer uso de la emulsión asfáltica más adecuada. En este caso se utilizó emulsión proveniente de SOLTEC, S.A.
Se pretende encontrar valores ideales resultado de ensayos realizados a los materiales que se involucran en el diseño de la mezcla, que cumplan con las normativas planteadas anteriormente. En cada uno de los acápites se describen los procedimientos y requerimientos específicos para la selección del diseño final de la mezcla. Se evalúan los parámetros necesarios para una correcta selección de granulometría; la variación que se presenta en volumen de vacíos (Va); y contenido óptimo de asfalto. Todos estos soportados con gráficos y tablas que demuestran la credibilidad de la información presentada. De igual forma, se incluyen recomendaciones para la evaluación y ajuste de la mezcla asfáltica a utilizar. Por último y no menos importante, se presentan los resultados obtenidos, los cuales muestran los criterios de selección de la granulometría de diseño y del contenido óptimo de asfalto mediante el método Marshall, donde se demuestra la utilización de esta mezcla de pavimentación para mantenimiento de carreteras y carpetas de bajo tráfico.
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ABSTRACT
This monograph is to present a proposal for the design of cold mix asphalt dense graded for flexible pavement maintenance, evaluated through the Marshall test. For its implementation, initially held a preliminary stage that included a major collection of information on the origin of the aggregates, which provides an overview of the main geological and physical characteristics of stone materials, from in this case, mine Nindirí, which undergo different tests required by Central American Manual and Pavement Design Manual for cold Mixes (MS-14) of the Asphalt Institute, gave excellent results for the production of the asphalt mixture. Similarly, to obtain sufficient quality parameters to make use of the most appropriate asphalt emulsion. In this case was used emulsion from SOLTEC, S.A. Seeks to find optimal values results of tests on materials that are involved in the design of the mixture, complying with the regulations referred to above. In each of sections describe the procedures and specific requirements for the selection of the final design of the mixture. Evaluating the parameters needed for a correct selection of particle size, the variation in the void volume (Va); and content optimum asphalt. All these supported with charts and tables showing the credibility of the information presented. Similarly, includes recommendations for the evaluation and adjustment of the asphalt mixture used. Last but not least, the results obtained, which show the selection criteria of the particle size and the design optimum asphalt content by Marshall Method, which shows the use of this mixture for road maintenance paving low traffic and folders.
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1. INTRODUCCIÓN
“Propuesta de diseño de mezcla asfáltica en frío de graduación densa como una alternativa para el mantenimiento de pavimentos flexibles” surge como una necesidad de minimizar costos en el proceso de producción y manejo del asfalto para la elaboración de mezcla en frío, en el área de mantenimiento de carreteras, además de brindar una opción que implica menor impacto ambiental en el uso de los derivados del petróleo. Las mezclas asfálticas en frío están constituidas por emulsión asfáltica y agregados pétreos, los cuales no son calentados (Jiménez Acuña, 2009). A diferencia de éstas, las
mezclas asfálticas en caliente (utilizadas hasta el momento), son diseñadas a partir de asfaltos a temperaturas elevadas (puede existir el caso de producción de mezclas con asfalto rebajado) y agregados pétreos, que son calentados con el objetivo de que el asfalto, en un estado más fluido, recubra mayor área de la superficie de los agregados con menos cantidad de asfalto, y el manejo de la mezcla sea más fácil (al asfalto estar más caliente y menos viscoso). Las mezclas asfálticas en frío tienen mucha aceptación a nivel internacional, pues además de ser amigables con el medio ambiente, se realizan menores gastos energéticos para su producción y no ocasionan contaminación luego de ser colocadas (Jiménez Acuña, 2009). Se dice que no producen contaminación puesto que uno de los materiales que la componen es emulsión asfáltica, la cual es elaborada a base de asfalto, agua, ácido clorhídrico, látex y soluciones jabonosas, y no asfalto rebajado, el cual es producto de “diluir” el asfalto en disolventes volátiles tales como el keroseno, diesel o gasolina, para producir un asfalto más líquido sin recurrir al calor. Esto con el objetivo de que los productos asfálticos alcancen una garantía de trabajo a la temperatura ambiente, sin necesidad de calentar el asfalto. Las variables anteriormente mencionadas hacen que la mezcla asfáltica en frío se proyecte como una excelente opción para realizar trabajos en pavimentos flexibles y como una alternativa de mantenimiento superior a la mezcla en caliente. El diseño de la mezcla se evalúa a partir del Método Marshall (ASTM D1559), el cual contempla los parámetros que deben cumplirse, como son: estabilidad, flujo, porcentaje de vacíos, cantidad óptima de asfalto, entre otros (Khandal, 1940).
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1.1. ANTECEDENTES
1.1.1. Historia del Desarrollo de Caminos en Nicaragua
Desde 1939, año en que se dieron los primeros pasos para la construcción de la Carretera Panamericana, el ascenso de la Red Vial ha obedecido a la necesidad de explotar zonas o polos de desarrollo que a su vez necesitaban de la existencia de tan importante medio para lograr los objetivos planteados. Un año después se crea en Nicaragua el Departamento de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas (hoy Ministerio de Transporte e Infraestructura). En ese entonces existían 201 km de carreteras, de los cuales 52 km eran pavimentadas. A partir de 1955, las inversiones aumentaron y trajeron como resultado un empuje a la expansión de la Red Vial. A esa fecha existían en Nicaragua 3,687 km de carretera, contando con 280 km de carreteras de pavimentación asfáltica, para 1965 se tenían 6,475 km; de los cuales 811 km eran de pavimentación asfáltica. En la actualidad la red vial de Nicaragua está conformada por 19,032 km de carreteras, de los cuales 2,095 km son pavimentados (adoquinados y asfaltados) y 16,937 km son caminos de tierra. La red vial en Nicaragua ha venido teniendo un progreso significativo, lo que ha permitido estimular las actividades económicas que se necesitan para el desarrollo del país. En los últimos años los caminos que se lograron construir desde los años 40 han ido desapareciendo poco a poco, debido al deterioro (baches producto de las lluvias, grietas, etc.) que presentan por escaso o nulo mantenimiento preventivo o por estar construidas con especificaciones modestas y de bajo costo, siendo el precedente de las nuevas carreteras que ayudan al avance de la economía del país.
Tabla 1.1. Red Vial Nacional por tipo de Superficie (Años: 1978-2005)1
Años Tipo de Superficie Total (km)
1978 1.56 18.137 1990 1.598 15.287 2000 1.957 19.032 2005 2.033 19.137
El procedimiento más utilizado en nuestro país para la construcción de carpetas de rodamiento para pavimentos flexibles, es mediante la aplicación de mezcla asfáltica en caliente, puesto que tiene excelentes propiedades de estabilidad, durabilidad y flexibilidad, sin embargo, este proceso presenta dificultades en el momento de su fabricación, puesto que tiene que elaborarse a altas temperaturas, lo cual eleva los costos debido al consumo de energía.
1Fuente: Cuadro N° 2.1 Red Vial Nacional por tipo de Superficie (Años: 1978-2005) Dirección General de
Vialidad (Dirección de Administración Vial)
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Por otro lado, las propiedades del asfalto, luego de haber estado en contacto con volátiles (kerosene, diesel o gasolina), se reducen, ya que los volátiles dañan las propiedades, las cuales son densidad, penetración, viscosidad, punto de ablandamiento, punto de inflamación, ductilidad y sobre todo el envejecimiento, por lo que su comportamiento mecánico y reológico, se ven considerablemente mermados y no cumplen con las especificaciones óptimas para su uso en la construcción de vías. Cuando sus disolventes se evaporan, el asfalto recobra sus características originales de fraguado. Sin embargo, el suelo que recibe estos volátiles es contaminado en gran manera. “En los últimos 15 años en Nicaragua se estuvo utilizando un asfalto rebajado con solventes, los cuales dañaban el medio ambiente”. (Lanzas Selva, 2001). Debido a que esto también resulta en contaminación del aire, el uso de asfaltos rebajados es ilegal en los Estados Unidos desde los años 70 (Jiménez Acuña, 2009). Sin embargo, desde el año 2010 se iniciaron trabajos de mantenimiento de carreteras con mezcla asfáltica en frío con emulsión (Cano, 2013).
Figura 1.1. Bacheo en frío2
Estas mezclas presentan una ventaja significativa sobre las mezclas convencionales, ya que representan un gran aporte en el país, que es afectado con lluvias intensas que se extienden por un lapso de tiempo considerable.
2Fuente: Cortesía de Compañía Especializada de Ingenieros Contratistas, S.A (CEICO, S.A.)
Carretera Sur, 2013
22
La Alcaldía de Managua muchas veces ha tenido que interrumpir sus actividades constructivas y de mantenimiento (bacheo) por los efectos que causa la lluvia. Sin embargo, la ventaja que ofrece la mezcla en frío con emulsión es que puede utilizarse con agregados húmedos, lo que significa evitar pérdidas económicas y de tiempo por días de lluvia perdidos. Debido a la aparición de la industria automotriz el uso del asfalto para la construcción de carpetas de rodamiento ha aumentado significativamente, a tal punto que los métodos manuales se mecanizaron y los equipos para construir son bastante sofisticados. A pesar de la ventaja que existe con la aparición de estos equipos, no podemos omitir la importancia que tiene el proceso de diseño de la mezcla así como los ensayos a los materiales utilizados lo cual nos garantiza eficiencia y durabilidad del asfalto.
1.1.2. Inventario Actual de la Red Vial Nacional Actualmente la Red Vial de Nicaragua está constituida por 22,111.052 km de caminos y
carreteras, los que se dividen de la manera siguiente: 2140.983 km de Carreteras de Pavimento Asfáltico, considerados como el Sistema Troncal Principal, 3730.332 km de Caminos Revestidos, 8388.447 km en Caminos de Todo Tiempo, 7178.065 km de Caminos de Estación Seca, 659.686 km de Adoquinado y 13.539 km de Concreto Hidráulico.
Tabla 1.2. Constitución de la Red Vial Nacional3
3Fuente: MTI Inventario de Red Vial 2010
Tipo de Carretera Cantidad (km) Aporte (%)
Carreteras Asfaltadas 2,140.983 9.68 Caminos Revestidos 3,730.332 16.87
Caminos de todo tiempo 8,388.447 37.94 Caminos de estación seca 7,178.065 32.46 Carreteras Adoquinadas 659.686 2.98
Concreto Hidráulico 13.539 0.06 Red Vial Total 22,111.052 100.00
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1.2. JUSTIFICACIÓN La filosofía básica de los proyectos de ingeniería es tratar de brindar otro tipo de alternativas que permitan adoptar cambios y que den como resultado nuevas formas de beneficiar a la sociedad, haciendo uso y sacando provecho de los recursos que nos brinda la naturaleza. Sin embargo, la preocupación por la conservación del ambiente es aún mayor. La utilización de mezcla asfáltica en frío implica una inversión menor en la construcción de pavimentos flexibles, ahorro en el consumo de energía eléctrica, así como una reducción en la generación de vapores tóxicos y polvo; la forma de construirlo es más versátil y permite utilizar una gran variedad de agregados y tipos de emulsiones, por lo que pueden ser utilizadas en condiciones ambientales diversas no inferiores a los 20ºC ni superiores a los 40ºC. (Hernández Muñoz, 2007). Debido a contingencias ambientales y de ahorro de energía los asfaltos rebajados (cutback) tienden a desaparecer en países desarrollados y ser sustituidos por emulsiones asfálticas que presentan mayores ventajas técnicas/económicas: no requieren calentamiento en o para su almacenamiento, transporte y aplicación, se utilizan en condiciones climatológicas más desfavorables, como por ejemplo, lluvia y se manejan a temperatura ambiente porque están dispersas en agua (Manríquez Olmos, Heredia Veloz, Moreno Tovar, Ramos Toriello, Tenorio Lara, Centeno Nolasco, 1996). La colocación en obra de estas mezclas ofrece mayor facilidad, pues el tiempo de almacenamiento puede variar, debido a que logran permanecer almacenadas sin perder características que la hacen óptima para trabajar, aproximadamente en un período de 5 días. Si la mezcla está tapada correctamente puede durar hasta 15 días. La mezcla asfáltica en frío tiene muchas ventajas en comparación con las mezclas tradicionales (en caliente). En primer lugar, porque el ligante es más adaptable a los agregados pétreos y, en segundo lugar, porque pueden ser mezclados durante un tiempo más prolongado, es decir, siempre que exista presencia de agua en la mezcla, podrá ser manejable, lo que se traduce a mayor trabajabilidad del sistema siempre y cuando la emulsión sea de rompimiento lento y el agua sea químicamente compatible con la emulsión, que puede ser aniónica o catiónica. En el caso de Nicaragua, por el tipo de materiales (agregados) presentes se utilizan emulsiones catiónicas. En cambio, el mezclado en caliente es una operación que se ve limitada en ese aspecto, ya que se debe evitar que la mezcla se enfríe antes de su colocación y compactación (Méndez Pinilla & Ulloa Duarte, 2002). Por la necesidad de trabajar con sistemas más rentables (vida útil y recursos para invertir) y amigables con el ecosistema, se requiere la utilización de mezcla asfáltica en frío de graduación densa, cuyo proceso de diseño debe ser controlado para garantizar mayor eficiencia.
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1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En los últimos años el tránsito que circula por las carreteras nicaragüenses ha cambiado en lo que a tipo y volúmenes de tránsito respecta, por lo que se ha originado una solicitud más agresiva a los pavimentos. Aunque los diseños de las estructuras han tenido en cuenta esta situación y por lo tanto los pavimentos nuevos y las soluciones de rehabilitación se han construido con estructuras más fuertes, espesores de capas mayores, especificaciones de calidad de materiales más estrictas y mayores exigencias en los procesos constructivos, los daños prematuros son frecuentes, por lo que se llega a la conclusión que a pesar de las medidas tomadas los requerimientos de calidad siguen siendo insuficientes. Este problema no se ha presentado únicamente en el país, en el mundo se han emprendido grandes campañas para mejorar el comportamiento de las mezclas asfálticas, entre ellas está la utilización de materiales alternativos que mejoren el comportamiento mecánico y procuren mitigar el impacto ambiental que se produce con la explotación y obtención de los agregados pétreos. En cuanto al impacto ambiental que se produce se pueden mencionar los altos consumos energéticos que demanda el diseño de las mezclas asfálticas en caliente, grandes cantidades de combustible utilizados en el calentamiento de los agregados y del asfalto, así como también la contaminación que produce la incorporación del asfalto rebajado en el diseño de las mezclas en el suelo. El asfalto rebajado resulta de “disolver” el asfalto en disolventes volátiles (keroseno, diesel o gasolina) para producir un líquido sin recurrir al calor. Esto con el objetivo de que los productos asfálticos alcancen una garantía de trabajo a la temperatura ambiente. Cuando los disolventes volátiles se evaporan, el asfalto recobra sus características originales de fraguado. Cuando este producto se incorpora (asfalto rebajado) a la mezcla, representa un agente perjudicial directo para el suelo que lo recibe, debido a que todos los disolventes volátiles contenidos en él se dirigen hacia el suelo. La única solución a este problema sería extraer el suelo que se contaminó y “quemarlo” (pasarlo por un proceso de quema para que todos los volátiles se evaporen), lo que provoca pérdida de tiempo y aumento en la inversión. Este es el gran inconveniente y lo que se debe evitar a toda costa: el uso del asfalto rebajado. Durante años y en la mayoría de los trabajos que ya se han hecho a base de
mezcla asfáltica en frío, se ha utilizado asfalto rebajado. Es por esta razón que se hace énfasis en el uso de emulsión asfáltica en los diseños, para evitar los daños ambientales y los riesgos a la salud que produce el asfalto rebajado. Debido a estas razones es importante profundizar en el conocimiento de esta tecnología, en sus posibles usos y especificaciones para poder aplicarla correctamente en el medio. Es necesario realizar una revisión de los ensayos de laboratorio que se utilizan para el diseño y caracterización de desempeño de esta mezcla, tanto para los componentes,
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como para la combinación de éstos. Luego de la conceptualización y diseño de esta alternativa, es necesario hacer hincapié en los procesos constructivos que produzcan un desempeño adecuado de esta tecnología.
1.4. LIMITACIONES
Este estudio va dirigido únicamente a las emulsiones catiónicas de rompimiento lento. La emulsión ensayada procede de Soluciones Técnicas Sol, S.A. (SOLTEC, S.A.).
Para obtener las propiedades de los agregados se ensayaron agregados de ¾”, ½” y material cero o ¼”. Son procedentes del Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC).
Se hará el estudio para mezclas asfálticas en frío de acuerdo a la clasificación granulométrica del tipo cerradas.
Todos los procedimientos, gradación y ensayo Marshall para el diseño de la mezcla asfáltica en frío están fundamentados en el Manual MS-14 del Instituto del Asfalto
De acuerdo a lo anteriormente mencionado, no se realizó estabilidad retenida, debido a factor tiempo. Puesto que los técnicos del laboratorio de Agrenic debían realizar las actividades diarias en el complejo, por lo que nos atenderían en el mes de Agosto para la realización de este ensayo. Por tal razón, únicamente se hace mención de los demás parámetros Marshall.
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2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar mezcla asfáltica en frío de graduación densa como alternativa para el mantenimiento de pavimentos flexibles, a partir de emulsión asfáltica.
.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluar los parámetros de calidad de los materiales (agregados y emulsión) a ser utilizados en el diseño de la mezcla, de acuerdo a las especificaciones establecidas en el Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos y el Manual para Mezclas en frío (MS-14) del Instituto del Asfalto.
Determinar las proporciones óptimas de emulsión asfáltica, agregado pétreo y agua para el diseño.
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3. MARCO REFERENCIAL
3.1. PAVIMENTOS
3.1.1. Definición Pavimento, es la estructura integral de capas superpuestas, generalmente horizontales denominadas subrasante, subbase, base y carpeta, colocadas hasta coronar la rasante y destinadas a permitir el tránsito vehicular. Se diseñan y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados.
Figura 3.1. Estructura de Pavimento4
4Fuente: Instituto del Asfalto, MS-1, 1991
28
3.1.2. Clasificación de los pavimentos
De manera general los pavimentos se clasifican de acuerdo a la mecánica de su función:
Pavimentos flexibles
Pavimentos semi - rígidos
Pavimentos rígidos
Pavimentos articulados Pavimento flexible es una estructura que mantiene un contacto íntimo con las cargas y las distribuye a la subrasante; su estabilidad depende del entrelazamiento de los agregados, de la fricción de las partículas y de la cohesión5. Están formados por una capa bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase.
Figura 3.2. Sección de un Pavimento Flexible6
Un pavimento semi – rígido es un pavimento cuya estructura combinada está compuesta por una carpeta bituminosa flexible apoyada sobre estructuras rígidas como losas de concreto o bases estabilizadas con cemento.
Figura 3.3. Sección de un Pavimento Semi – rígido7
La estructura que está compuesta por losas de concreto apoyadas sobre una capa granular calculada de acuerdo a la capacidad portante del suelo se denomina pavimento
5Standard Nomenclature and Definitions for Pavement Components and Deficiencies. Special Report Nº 113,
Highway Research Board, Washington, D.C. (1970) 6Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 28 7Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 29
29
rígido. Se le llama rígido porque las deformaciones que sufra deben ser nulas al ser
sometido a las cargas del tránsito.
Figura 3.4. Sección de un Pavimento Rígido8
El pavimento articulado está compuesto por bloques pre fabricados, llamados adoquines, hechos de concreto y asentados sobre un colchón de arena soportado por una capa subbase o directamente sobre la subrasante.
Figura 3.5. Sección de un Pavimento Articulado9
3.1.3. Características de un Pavimento
Un pavimento debe reunir los siguientes requisitos:
Resistente a las cargas provocadas por el tránsito
Capacitado para las circunstancias impuestas por el medio ambiente y la exposición a los agentes climatológicos especialmente la lluvia y variaciones de temperatura
Presentar una relación que combine la textura superficial, el desgaste provocado por la abrasión de las llantas, maximizando el adecuado nivel de seguridad de los vehículos. Superficie + textura = seguridad
Minimizar las afectaciones del drenaje. El peor enemigo del pavimento es el agua
8Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 29 9Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 29
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Debe tener una sensación agradable cuando se conduzca sobre él, minimizando para el conductor aspectos de ruido, impacto visual, y maximizando la comodidad a los usuarios
3.1.4. Componentes
1. Agregados pétreos:
Grava retenida en tamiz N° 4, arena entre tamiz N°4-200
Adherencia entre agregados con el bitumen
2. Materiales bituminosos
Asfalto en caliente, asfaltos modificados, aditivados
Emulsiones
Asfaltos líquidos
Crudos
Esquema 3.1. Tipos de superficies de rodadura10
Los pavimentos flexibles resultan ser los que más se construyen en México, España, toda
la Unión Europea y los Estados Unidos y podría decirse en el mundo entero.
En América Latina la proporción ronda el 97% para los pavimentos flexibles y el resto son
pavimentos rígidos.
10
Fuente: Técnicas de Aplicación de ligantes asfálticos. Mezclas en Caliente (Parte I). pág. N° 97
Riegos Asfálticos
Tratamientos superficiales
sin agregados
Capas Asfálticas de protección
Lechadas asfálticas
Tratamientos superficiales
con agregados
Capas Estructurales
Mezclas en caliente
Mezclas en frío
Bases estabilizadas
Materiales Ligantes
Asfaltos
Emulsiones
Cut Backs
Crudo
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Dentro del territorio centroamericano más de 100,000 kilómetros de carreteras de todo tipo enlazan el campo con las ciudades y complementan una infraestructura disponible para satisfacer las necesidades de movilidad de personas y mercancías, desplazando diariamente 2.8 millones de vehículos automotores.
Gráfico 3.1. Distribución en Centroamérica, de los distintos tipos de rodadura11
Tabla 3.1. Longitud de kilómetros por tipo de rodadura en Centroamérica12
Tipo / País Costa Rica El Salvador Guatemala Honduras Nicaragua
Mezcla Asfáltica 2,135 1,378 2,736 1,934 1,957
Concreto Hidráulico 65 51 60 220 0
Tratamiento Superficial 2,271 1,026 2,239 623 2,885
Grava o Tierra 3,100 3,070 9,303 10,826 14,040
Adoquín 0 0 0 0 138
Total 7,571 5,525 14,338 13,603 19,020
11
Fuente: Dictamen Técnico Regional para la preparación del Manual Centroamericano para Diseño de
Pavimentos, 2001. Página N° 23
12Fuente: Dictamen Técnico Regional para la preparación del Manual Centroamericano para Diseño de
Pavimentos, 2001. Página N° 24
32
Como se mencionaba anteriormente, los materiales que componen un pavimento deben
ser lo suficientemente competentes como para asegurar la funcionalidad eficiente del
pavimento.
Para esto, es necesario ejecutar un sinnúmero de ensayos a estos componentes, los
cuales son: agregados minerales, emulsión asfáltica y consecuentemente, agua.
Es importante y merecedor abordar cada componente en un ítem distinto.
3.2. AGREGADOS PÉTREOS
“Las pruebas de laboratorio en la Ingeniería Civil, son determinantes pues conforman la interface que debe haber entre el diseño o nivel conceptual y la construcción o nivel práctico” (Hernández Muñoz, 2007). Es por esta razón que el estudio de las características de los pavimentos flexibles siempre estará regido por Normas y Especificaciones Técnicas del proyecto en ejecución. Al realizar estas pruebas se podrá saber de forma precisa, los valores reales tanto físicos como químicos del agregado o emulsión presente, dando como resultado un diseño eficiente.
3.2.1. Definición
Un agregado pétreo es un material mineral duro e inerte, usado en forma de partículas gradadas o fragmentos, como parte de un pavimento flexible. Los agregados pétreos son producto de roca o grava triturada. Los agregados se usan tanto en las capas de base granular como para la elaboración de la mezcla asfáltica. El agregado constituye entre el 90 y 95% en peso y entre el 75 y 85% en volumen en la mayoría de las estructuras de pavimento. Esto hace que la calidad del agregado usado sea un factor determinante en el comportamiento del pavimento.
Los agregados adecuadamente graduados por su tamaño y escogidos por las propiedades que les provee su naturaleza forman lo que se conoce como el esqueleto pétreo y se mantienen íntimamente adheridos y cohesionados por las propiedades que posee el aglutinante (asfalto).
3.2.2. Clasificación del Material Pétreo Debido a que el rompimiento de la emulsión asfáltica se lleva a cabo por la interacción química de ésta con el material pétreo, es necesario conocer el tipo de material pétreo que se tiene, para determinar el tipo de emulsión asfáltica más apropiada. La clasificación de las rocas tiene en cuenta la proporción en sílice que contienen: ácidas, son las que tienen más del 66 por ciento de dióxido de silicio (SiO2); intermedias, las que contienen entre 52 y 66 por ciento del mismo mineral y básicas, las que contienen menos del 52 por ciento. En la Tabla 3.2 se muestran rocas representativas de estos grupos.
33
Tabla 3.2. Clasificación del material pétreo por su contenido de sílice13
Rocas Ácidas Rocas Intermedias Rocas Básicas
Granitos Sienita Gabro Granodiorita Traquita Basalto
Granito pórfido Traquiandesita Peridotita Riolita Diorita Piroxenita Diacita Andesita Diabasa
Fonolita Dolerita
Sin embargo, los agregados pueden clasificarse de acuerdo a su procedencia. Pueden ser naturales o procesados. Los agregados procesados son aquellos que han sido triturados y tamizados antes de ser usados. Según la Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos en Colombia (ASOPAC, 2004) la roca se tritura para volver angular la forma de la partícula y para mejorar la distribución (gradación) de los tamaños de las partículas. Para el presente estudio, se hizo el análisis con material que fue obtenido de forma procesada o industrial. Procede del manto rocoso de la Mina Nindirí, que pertenece al Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC) y la cual es una de las principales fuentes que abastecen el mercado nacional. Se trata de una roca basáltica, de origen volcánico, cuyas características la definen con alta resistencia mecánica.
13
Fuente: Cortesía de Pavimentos de Nicaragua
34
Figura 3.6. Agregados minerales AGRENIC14
Por otro lado, los materiales pueden ser producidos en canteras abiertas o tomados de la ribera de los ríos (cantera de río). En este último caso son agregados pétreos aluviales. De acuerdo con su tamaño, se dividen en gravas, arenas y relleno mineral (llenante mineral o filler). Los agregados pétreos para la elaboración de cualquier tratamiento o mezcla bituminosa, deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicarse una capa del material asfáltico a utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción del agua y del tránsito. Sólo se admitirá el empleo de agregados con características hidrófilas. La distribución de tamaños de agregados se realiza de manera que los vacíos de las fracciones gruesas sean llenados por las fracciones finas dejando espacio suficiente para el ingreso del ligante y vacíos de aire. La estabilidad de la mezcla se logra a través de la sucesión de contactos entre las distintas fracciones con un mínimo de asfalto y de vacíos de aire. El agregado grueso deberá proceder de la trituración de roca o de grava o de una combinación de ambas, sus fragmentos deberán ser limpios, resistentes y durables, sin exceso de partículas planas, alargadas, blandas o desintegrables. Estará exento de polvo, tierra, terrones de arcilla y otras sustancias objetables que puedan impedir la adhesión completa del asfalto.
14
Fuente: Cortesía de Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC)
35
El agregado fino estará constituido por arena de trituración o una mezcla de ella con arena natural. Los granos del agregado fino deberán ser duros, limpios y de superficie rugosa y angular. El material deberá estar libre de cualquier sustancia que impida la adhesión del asfalto.
3.3. ASFALTO El asfalto es un material negro, cementante, que varía ampliamente en consistencia, entre sólido y semisólido (sólido blando), a temperaturas ambientales normales. Cuando se calienta lo suficiente, el asfalto se ablanda y se vuelve líquido, lo cual le permite cubrir las partículas de agregado durante la producción de mezcla. Según la ASTM, los asfaltos son materiales aglomerantes sólidos o semisólidos de color que varía de negro a pardo oscuro y que se licúan gradualmente al calentarse, cuyos constituyentes predominantes son betunes que se dan en la Naturaleza en forma sólida o semisólida o se obtienen de la destilación del petróleo; o combinaciones de éstos entre sí o con el petróleo o productos derivados de estas combinaciones (ASTM Standard D8).
3.3.1. Origen y Naturaleza del Asfalto
3.3.1.1. Refinación del Petróleo El crudo de petróleo es refinado por el proceso de destilación. Durante el proceso las diferentes fracciones (productos) son separadas del crudo por medio de un aumento, en etapas, de la temperatura. Las fracciones livianas se separan por destilación simple. Los destilados más pesados, usualmente llamados gasóleos, pueden ser separados solamente mediante una combinación de calor y vacío. El asfalto puede ser producido usando destilación por vacío a una temperatura aproximada de 480°C (900°F). Esta temperatura puede variar un poco, dependiendo del crudo de petróleo que se esté refinando, o del grado de asfalto que se esté produciendo.
3.3.1.2. Refinación del Asfalto Diferentes usos requieren diferentes tipos de asfalto. Los refinadores de crudo deben tener maneras de controlar las propiedades de los asfaltos que producen, para que estos cumplan ciertos requisitos. Esto se logra, usualmente, mezclando varios tipos de crudos de petróleo antes de procesarlos. El hecho de poder mezclar permite al refinador combinar crudos que contienen asfaltos de características variables, para que el producto final posea exactamente las características solicitadas por el usuario. Existen dos procesos por los cuales puede ser producido un asfalto, después de que se han combinado los crudos de petróleo: destilación por vacío y extracción con solventes. Como se discutió anteriormente, la destilación por vacío consiste en separar el asfalto del crudo mediante la aplicación de calor y vacío. En el proceso de extracción con solvente, se remueven más gasóleos del crudo, dejando así un asfalto residual.
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Una vez que los asfaltos han sido procesados, estos pueden ser mezclados entre sí, en ciertas proporciones, para producir grados intermedios de asfalto. Es así como un sulfato muy viscoso y uno menos viscoso pueden ser combinados para producir un asfalto de viscosidad intermedia. En resumen, para producir asfaltos con características específicas, se usa el crudo de petróleo o mezclas de crudos de petróleo. El asfalto es separado de las otras fracciones del crudo por medio de destilación por vacío o extracción con solventes.
3.3.2. Clasificación y Grados de Asfalto (Gonzales Escobar et. al, 2007) Los asfaltos de pavimentación pueden clasificarse bajo tres tipos generales:
Cemento asfáltico
Asfalto diluido (o cortado) y
Asfalto emulsionado
Los cementos asfálticos se clasifican en tres sistemas diferentes que son:
Viscosidad
Viscosidad después de envejecimiento
Penetración
Cada sistema contiene diferentes grados, cada uno con diferentes grados de consistencia. Para este análisis, únicamente se tomará en cuenta la clasificación del cemento asfáltico por penetración.
3.3.3. Propiedades Químicas del Asfalto
El asfalto tiene propiedades químicas únicas que lo hacen muy versátil como material de construcción de carreteras. A pesar de que la composición química es ciertamente uno de los medios usados y más precisos para identificar las propiedades de cualquier sustancia, la relación entre la composición química del asfalto y su comportamiento en la estructura del pavimento es todavía incierta. Sin embargo, se hace una breve descripción de la química del asfalto. Básicamente, el asfalto está compuesto por varios hidrocarburos (combinaciones moleculares de hidrógeno y carbono) y algunas trazas de azufre, oxígeno, nitrógeno y otros elementos. El asfalto, cuando es disuelto en un solvente como el heptano, puede separarse en dos partes principales: asfaltenos y maltenos.
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Figura 3.7. Composición del Asfalto15
Los asfaltenos no se disuelven en el heptano. Los asfaltenos, una vez separados de los
maltenos, son usualmente de color negro o pardo oscuro y se parecen al polvo grueso de grafito. Los asfaltenos le dan al asfalto su color y dureza. Los maltenos se disuelven en el heptano. Son líquidos viscosos compuestos de resinas y
aceites. Las resinas son, por lo general, líquidos pesados de color ámbar o pardo oscuro, mientras que los aceites son de color más claro. Las resinas proporcionan las cualidades adhesivas (pegajosidad) en el asfalto, mientras que los aceites actúan como un medio de transporte para los asfaltenos y las resinas. Los asfaltenos cargan con la responsabilidad de las características estructurales y de dureza de los asfaltos, las resinas le proporcionan sus propiedades aglutinantes y los aceites la consistencia adecuada para hacerlos trabajables. La proporción de asfaltenos y maltenos en el asfalto puede variar debido a un sinnúmero de factores, incluyendo altas temperaturas, exposición a la luz y al oxígeno, tipo de agregado usado en la mezcla del pavimento, y espesor de la película de asfalto en las partículas de agregado. Las reacciones y cambios que pueden ocurrir incluyen: evaporación de los compuestos más volátiles, oxidación (combinación de moléculas de hidrocarburo con moléculas de oxígeno), polimerización (combinación de dos o más moléculas para formar una sola molécula más pesada), y otros cambios químicos que pueden afectar considerablemente las propiedades del asfalto. Las resinas se convierten gradualmente en asfaltenos, durante estas reacciones, y los aceites se convierten en resinas, ocasionando así un aumento en la viscosidad del asfalto.
3.3.4. Propiedades Físicas del Asfalto
Las propiedades físicas del asfalto, de mayor importancia para el diseño, construcción y mantenimiento de carreteras son:
15
Fuente: Bitumen Training Course. El Asfalto en la Construcción de Pavimentos Flexibles. Julio 2005. Shell
Bitumen.
38
1. Durabilidad: es la medida de qué tanto puede retener un asfalto sus características
originales cuando es expuesto a procesos normales de degradación y envejecimiento. Es una propiedad juzgada principalmente a través del comportamiento del pavimento, y por consiguiente es difícil de definir solamente en términos de las propiedades del asfalto.
Esto se debe a que el comportamiento del pavimento está afectado por el diseño de la mezcla, las características del agregado, la mano de obra en la construcción, y otras variables, que incluyen la misma durabilidad del asfalto. Sin embargo, existen pruebas rutinarias usadas para evaluar la durabilidad del asfalto. Estas son la Prueba de Película Delgada en Horno (TFO) y la Prueba de Película Delgada en Horno Rotatorio (RTFO). Ambas incluyen el calentamiento de películas delgadas de asfalto.
2. Adhesión y Cohesión: adhesión es la capacidad del asfalto para adherirse al
agregado en la mezcla de pavimentación. Cohesión es la capacidad del asfalto de mantener firmemente, en su puesto, las partículas de agregado en el pavimento terminado.
3. Susceptibilidad a la Temperatura: todos los asfaltos son termoplásticos; esto es, se
vuelven más duros (más viscosos) a medida que su temperatura disminuye, y más blandos (menos viscosos) a medida que su temperatura aumenta. La susceptibilidad a la temperatura varía entre asfaltos de petróleos de diferente origen, aún si los asfaltos tienen el mismo grado de consistencia. Es muy importante conocer la susceptibilidad a la temperatura del asfalto que va a ser utilizado, pues ella indica la temperatura adecuada a la cual se debe mezclar el asfalto con el agregado, y la temperatura a la cual se debe compactar la mezcla sobre la base de la carretera. Debe entenderse que es vital que un asfalto sea susceptible a la temperatura. Debe tener suficiente fluidez a altas temperaturas para que pueda cubrir las partículas de agregado durante el mezclado, y así permitir que estas partículas se desplacen unas respecto a otras durante la compactación. Luego deberá volverse lo suficiente viscoso, a temperaturas ambientales normales, para mantener unidas las partículas de agregado.
4. Envejecimiento y Endurecimiento: los asfaltos tienden a endurecerse en la mezcla asfáltica durante la construcción, y también en el pavimento terminado. Este endurecimiento es causado principalmente por el proceso de oxidación (el asfalto combinándose con el oxígeno), el cual ocurre más fácilmente a altas temperaturas y en películas delgadas de asfalto (como la película que cubre las partículas de agregado).
Cada asfalto debe ser ensayado por separado para poder determinar sus características de envejecimiento, y así poder ajustar las técnicas constructivas para minimizar el endurecimiento. Estos ajustes incluyen mezclar el asfalto con el agregado a la temperatura más baja posible, y durante el tiempo más corto que pueda obtenerse en la práctica. El endurecimiento del asfalto continúa en el pavimento después de la construcción. Una vez más, las causas principales son la oxidación y polimerización. Estos procesos pueden ser retardados si se mantiene, en el pavimento terminado, una
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cantidad pequeña de vacíos (aire) interconectados, junto con una capa gruesa de asfalto cubriendo las partículas de agregado.
Tabla 3.3. Requerimientos del Cemento Asfáltico para su uso en construcción de pavimentos16
Penetration Grade
40-50 60-70 85-100 120-150 200-300
Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max
Penetration at 77°F (25°C) 100 g, 5s
40 50 60 70 85 100 120 150 200 300
Flash Point, °F (Cleveland open cup)
450 … 450 … 450 … 425 … 350 …
Ductility at 77°F (25°C) 5 cm/min, cm
100 … 100 … 100 … 100 … 100A …
Solubility in trichloroethylene, % 99 … 99 … 99 … 99 … 99 … Retained penetration after thin-film oven test, %
55 + … 52 +
… 47 +
… 42 +
… 37 + …
Ductility at 77°F (25°C) 5cm/min, cm after thin-film oven test
… … 50 … 75 … 100 … 100A …
AIf ductility at 77°F (25°C) is less than 100 cm material will be accepted if ductility at 60°F (15.5°C) is 100
cm minimum at the pull rate of 5 cm/min
3.3.5. Tipos de Asfalto
El cemento asfáltico producido mediante la destilación con vapor al vacío existe como un semisólido a la temperatura ambiente y generalmente puede alcanzarse un trabajo adecuado calentando el cemento asfáltico hasta una temperatura de 250 a 330°F (120 a 165°C) para licuarlo. Con objeto de que los productos asfálticos alcancen una garantía de trabajo a la temperatura ambiente, deben hacerse líquidos. Hay dos maneras de licuar el asfalto sin recurrir al calor: disolver (rebajar) el asfalto en un disolvente o emulsionarlo en agua.
3.3.5.1. Asfalto Rebajado Si se mezclan disolventes volátiles con cemento asfáltico para producir un producto líquido, la mezcla se llama “asfalto rebajado”. Después de exponer al aire un asfalto rebajado, el disolvente volátil se evapora y el asfalto en la mezcla recobra sus características originales (fraguado). Dependiendo de la volatilidad del disolvente usado, la tasa de fraguado del asfalto rebajado puede variar desde unos cuantos minutos hasta varios días.
16
Fuente: Bitumen Training Course. SOPLA, North and CCA Zones. Julio2005. Especificación ASTM D 946
40
Se muestran enseguida tres tipos de asfalto rebajado y el disolvente empleado:
Fraguado Rápido (FR): gasolina o nafta
Fraguado Medio (FM): keroseno
Fraguado Lento (FL): aceites para camino El asfalto rebajado está disponible comercialmente en diferentes grados. Los sufijos numéricos, por ejemplo MC-70, representan la viscosidad cinemática mínima en centi stokes a 140 °F (60°C) para el grado específico. Las especificaciones para FR, FM y FL se dan en las normas ASTM D2026, D2027 y D2028, respectivamente. En el uso comercial, el asfalto rebajado se reemplaza cada vez más por el asfalto emulsionado. A manera de explicación se debe estar claro que la nomenclatura para este tipo de productos derivados del asfalto se encuentra en inglés debido a que toda la normativa tanto de producción como uso en la construcción proviene de procedimientos de los Estados Unidos.
3.3.5.2. Asfalto Emulsionado o Emulsión Asfáltica
3.3.5.2.1. Historia
Las emulsiones del tipo asfáltico aparecieron en el mercado a principios del siglo XX en diferentes lugares y con usos muy diversos. A principios de 1900 (en 1905) se empleó por primera vez una emulsión asfáltica en la construcción de carreteras en New York; la emulsión utilizada es del tipo aniónica y se empleó en lugar de los usuales caminos fabricados con material pétreo, como una alternativa para evitar el polvo cuando transitaban los vehículos. El uso de las emulsiones asfálticas creció de manera relativamente lenta, limitado por el tipo de emulsiones disponibles y por la falta de conocimientos sobre su correcta aplicación. El desarrollo ininterrumpido de nuevos tipos y grados, sumado a equipos de construcción y prácticas mejorados, ofrece ahora una amplia gama de elección. Las emulsiones aniónicas se empezaron a emplear en Europa en 1925. En la fabricación de éstas se aprovecharon los ácidos nafténicos contenidos en el asfalto para que actuaran como el agente emulsificante en el momento de agregar agua con soda cáustica al sistema y someterlo a una vigorosa agitación. Entre 1930 y mediados de 1950, hubo un lento pero firme incremento en el volumen de emulsiones utilizadas. En los años siguientes a la Segunda Guerra Mundial, el volumen y las cargas de tránsito crecieron a tal punto que los ingenieros viales comenzaron a reducir el empleo de emulsiones asfálticas. En cambio, especificaron mezclas asfálticas en caliente con cemento asfáltico como ligante. Mientras el volumen de cemento asfáltico empleado ha crecido enormemente desde 1953, el uso en conjunto de otros productos asfálticos se ha mantenido casi constante. Pero ha habido un firme aumento en el volumen de emulsiones asfálticas utilizadas.
41
Las emulsiones asfálticas catiónicas aparecieron en Europa en 1953 y en Estados Unidos hasta 1958. Aparentemente, su aplicación inicial en la construcción de caminos coincidió con la aparición de nuevos productos químicos tenso-activos en el mercado, los cuales tienen, adicionalmente, otros usos como en el campo de las pinturas, en la industria petrolera, en la industria textil, etc. Al principio, tales emulsiones se usaron únicamente en la construcción de tratamientos superficiales, como riego de liga y de sello. Al reconocerse la ventaja de las emulsiones catiónicas sobre las aniónicas y los rebajados, se inició la búsqueda de un emulsificante
que produjera una emulsión de rompimiento lento, capaz de mezclarse con una granulometría para base o para carpeta. En 1973, los países árabes, poseedores de la mayoría del petróleo mundial, aumentaron el valor del barril de petróleo crudo resultando afectados los derivados del mismo, entre ellos los solventes empleados en los asfaltos rebajados; esto provocó un incremento en el uso mundial de las emulsiones asfálticas. Los países con mayor producción de emulsiones asfálticas son, en orden de importancia: Estados Unidos, Francia, España y Japón. Entre estos cuatro países se fabrica un 40% aproximadamente de la producción mundial de emulsión asfáltica, que se estima actualmente próxima a los 16 millones de toneladas, de la que más del 85% es del tipo catiónico.
3.3.5.2.2. Definición El asfalto (aglutinante), cuyo nombre completo es cemento asfáltico tiene varias
presentaciones, y para el caso, es la conocida como asfalto emulsionado o más comúnmente llamado emulsión asfáltica. Sus especificaciones las da la norma ASTM D-2397. El asfalto emulsionado es una mezcla de cemento asfáltico, agua y un agente emulsificante. Estos tres constituyentes se alimentan simultáneamente en un molino coloidal para producir glóbulos muy pequeños (5 a 10 µ) de cemento asfáltico, que se suspenden en agua. El agente emulsificante imparte las cargas eléctricas (catiónicas o aniónicas) a la superficie de las partículas del asfalto, lo que las hace repelerse entre sí; de esta manera las partículas de asfalto no coalescen. El asfalto emulsificado producido de esta manera es bastante estable y podría tener una vida de anaquel de varios meses. Está constituido por una fase acuosa y un ligante hidrocarbonado. Este se ve sometido en el proceso de fabricación, a esfuerzos de laminación y cizalla hasta conseguir que se establezca una dispersión del ligante en el medio acuoso. En el caso particular de las emulsiones asfálticas, el medio acuoso está compuesto por agua y un emulgente. Para que este emulgente se disuelva en el agua es necesario saponificarlo, esto se logra, dependiendo si el emulgente es ácido o básico, con la adición de un ácido o un hidróxido, según corresponda. Desde el punto de vista físico-químico, una emulsión es una dispersión, más o menos estable, de un líquido en otro no miscible. En la Figura 3.8. se puede apreciar lo antes descrito.
42
Figura 3.8. Dispersiones de micelas de betún (ɸ ≈ 3 – 10 micra) en Agua17
Funciones del emulgente:
Facilitar la dispersión del betún: fabricación
Evitar la aglomeración posterior: almacenamiento
Adecuar la polaridad a la del árido: adhesividad Una emulsión, eventualmente puede llevar aditivos:
Fluidificantes (gas oíl generalmente)
Polímeros (látex generalmente)
Reguladores de viscosidad, etc. Se conocen en general 2 tipos de emulsiones:
a) Directa; en las cuales la fase dispersa es hidrocarbonada y la dispersante es agua b) Indirecta; en las cuales la fase dispersa es acuosa
Las emulsiones utilizadas en carreteras son directas, es decir, dispersión de ligante asfáltico en agua. También se pueden clasificar por su velocidad de rotura en:
Rápidas
Medias
Lentas O por el betún residual en:
Convencionales (betún puro)
Modificadas (betún polimerizado)
Los dos tipos más comunes de asfaltos emulsificados son los aniónicos y los catiónicos, una clasificación que depende del agente emulsificante. El tipo aniónico contiene glóbulos
17
Fuente: Caracterización de agregados para mezclas en frío. Centro de Investigación Vial (LEMaC). Soengas, Cecilia & Catriel, Gisela, Argentina, 2010.
43
de asfalto con carga electronegativa y el tipo catiónico contiene glóbulos de asfalto con carga electropositiva. La elección de las emulsiones aniónicas o catiónicas es importante al considerar los diferentes tipos de agregados. Las emulsiones aniónicas llevan una carga negativa y son efectivas para el recubrimiento de agregados electropositivos tales como la piedra caliza. La carga positiva en una emulsión catiónica reacciona favorablemente con un agregado electronegativo, como los agregados con alto contenido de sílice. Cuando un asfalto emulsionado se expone al aire, solo o mezclado con un agregado, éste “fragua” o “rompe”, ya que los glóbulos de asfalto reaccionan con la superficie con la que entran en contacto y coalescen, expulsando el agua entre ellos. La evaporación del agua es el principal mecanismo que finalmente hace que el asfalto aniónico emulsionado “fragüe”. Los procesos electroquímicos son los principales mecanismos que hacen que el asfalto emulsionado fragüe. Ambos asfaltos emulsionados aniónico y catiónico se clasifican con más detalle de acuerdo con la tasa de fraguado. Los siguientes grados están disponibles comercialmente:
1. Asfalto Emulsionado Aniónico:
Fraguado Rápido (FR): RS-1, RS-2, HFRS-2
Fraguado Medio (FM): MS-1, MS-2, HFMS-2, MS-2h
Fraguado Lento (FL): SS-1, SS-1h
2. Asfalto Emulsionado Catiónico:
Fraguado Rápido (FR): CRS-1, CRS-2
Fraguado Medio (FM): CMS-2, CMS-2h
Fraguado Lento (FL): CSS-1, CSS-1h
La designación “h” implica que se usa en la emulsión un cemento asfáltico base más duro. La designación “HF” se refiere a un residuo de la emulsión de alta flotabilidad. Las especificaciones de los asfaltos emulsionados aniónicos y catiónicos se dan en las normas ASTM D977 y ASTM D2397, respectivamente. El asfalto emulsionado ofrece ciertas ventajas en la construcción, especialmente cuando se usa con agregados húmedos o en clima húmedo. Un asfalto emulsionado no requiere que un disolvente lo haga líquido y así está relativamente libre de contaminación. Debido a que el asfalto emulsionado tiene baja viscosidad a la temperatura ambiente, generalmente puede usarse sin calor adicional. Estos factores tienden a hacer que el asfalto emulsionado sea más eficiente con la energía y menos costoso que el asfalto rebajado.
44
Tabla 3.4. Usos Generales de las Emulsiones Asfálticas18
Tipo de Construcción
ASTM D977 AASHTO M208
ASTM D2397 AASHTO M140
Mezclas de Asfalto y Agregados
RS
-1
RS
-2
HF
RS
-2
MS
-1,
HF
MS
-1
MS
-2,
HF
MS
-2
MS
-2h
,
HF
MS
-2h
HF
MS
-2S
SS
-1
SS
-1h
CR
S-1
CR
S-2
CM
S-2
CM
S-2
h
CS
S-1
CS
S-1
h
Mezcla en Planta (en Caliente)
x
Mezcla en Planta (en Frío)
Granulometría Abierta
x x x x
Granulometría Cerrada
x x x x x
Arena x x x x x
3.3.5.2.3. Clasificación de las Emulsiones Asfálticas Por el tipo de emulsificante las emulsiones se dividen en tres categorías:
a) Aniónicas b) Catiónicas c) No iónicas
En la práctica las dos primeras son usadas ordinariamente en la construcción y mantenimiento vial. Las no iónicas sin embargo, pueden llegar a ser más ampliamente usadas con el avance de las tecnologías de las emulsiones. Las clases aniónicas y catiónicas se refieren a las cargas eléctricas que rodean las partículas de asfalto. Este sistema de identificación se deriva de una de las leyes básicas de electricidad: cargas del mismo signo se repelen y cargas contrarias se atraen. Cuando dos polos (un ánodo y un cátodo) se sumergen en un líquido a través del cual fluye una corriente eléctrica, el ánodo se carga positivamente y el cátodo negativamente. Si se pasa una corriente a través de una emulsión que contiene partículas de asfalto negativamente cargadas éstas migrarán hacia el ánodo. La emulsión, entonces, se denomina aniónica. Inversamente partículas de asfalto positivamente cargadas se moverán hacia el cátodo y la emulsión se conoce como catiónica. Con emulsiones no iónicas, las partículas de asfalto son neutras, y por consiguiente no migrarán hacia los polos. Las emulsiones se clasifican también en base a que tan rápidamente el asfalto puede sufrir coalescencia, es decir, velocidad de rotura con la cual vuelve a ser cemento
18Fuente: Instituto del Asfalto, MS-1, 1991
45
asfáltico. Los términos RS, MS y SS han sido adoptados para simplificar y normalizar esta clasificación. Son sólo términos relativos y significan rotura rápida (rapid-setting), rotura media (medium-setting) y rotura lenta (slow-setting). La tendencia a coalescer está estrechamente relacionada con la capacidad de mezcla de una emulsión. Una emulsión RS tiene escasa o ninguna habilidad para mezclar con un agregado, una emulsión MS se espera que mezcle con agregados gruesos pero no con finos, y una emulsión SS está diseñada para mezclar con agregados finos. Las emulsiones se subdividen adicionalmente según secuencias de números relacionados con la viscosidad de las emulsiones y dureza de los cementos asfálticos de base. La letra “C” al frente del tipo de emulsión significa catiónica. La ausencia de la “C” significa aniónica o no iónica. Por ejemplo RS-1 es aniónica o no iónica y CRS-1 es catiónica. Se han adicionado a las normas ASTM, tres grados de emulsión aniónica de alta flotación y rotura media, que se denomina HFMS. Estos grados se utilizan principalmente en mezclas en plantas frías y calientes, riegos de sellado de agregados gruesos y mezclas en vía. Las emulsiones de alta flotación tienen una cualidad específica que permite películas de cubrimiento más gruesas sin riesgos de escurrimiento. Se ha desarrollado un tipo de emulsión de rotura veloz (QS) para las lechadas asfálticas. Su uso está creciendo rápidamente debido a que la exclusiva característica de rotura veloz soluciona uno de los mayores problemas asociados con el uso de las lechadas asfálticas.
3.3.5.2.4. Componentes de las Emulsiones Asfálticas Una emulsión está compuesta por las siguientes partes: Cemento asfáltico El cemento asfáltico es el ingrediente básico de una emulsión y, en la mayoría de los casos representa del 55 al 70% de la emulsión. La mayor parte de las emulsiones se hacen con asfaltos situados dentro de un intervalo de penetración entre 100 y 250. A veces, las condiciones climáticas pueden determinar el uso de un asfalto base más blando o más duro. En cualquier caso, es esencial la compatibilidad del agente emulsificante con el cemento asfáltico para producir una emulsión asfáltica estable. El asfalto es un coloide compuesto de varias fracciones, siendo las principales los asfaltenos y los maltenos. La constitución coloidal del asfalto depende de la naturaleza química, el porcentaje de estas fracciones y sus relaciones entre ellas. Los asfaltenos son la fase dispersa del asfalto, mientras que los maltenos son la fase continua. Se concibe que los asfaltenos suministran la dureza mientras se cree que los maltenos las propiedades de adhesividad y ductilidad. Los maltenos presentes tienen incidencia en la viscosidad o propiedades de flujo del asfalto. La interacción compleja de las diferentes fracciones hace casi imposible predecir en forma precisa el comportamiento
46
de un asfalto para emulsificar. Por este motivo se ejerce un continuo control de calidad en la producción de la emulsión para detectar y corregir cualquier tendencia del asfalto conducente a afectar adversamente el comportamiento de la emulsión resultante. Se usan en la actualidad varios sistemas de análisis de asfalto para separar y evaluar las fracciones. No existe consenso entre los técnicos respecto a como cada fracción afecta el comportamiento de campo. Ni hay acuerdo total en cuanto a la facilidad con la cual un cemento asfáltico puede ser emulsificado. Cada fabricante de emulsiones tiene sus propias fórmulas y técnicas de producción. Han sido desarrolladas para obtener óptimos resultados con el cemento asfáltico y emulsificantes químicos que cada cual usa. Solución Jabonosa Agua El segundo ingrediente en cantidad en las emulsiones es el agua, representando el 98% de la solución jabonosa. No puede restarse importancia a sus contribuciones para dotar el producto final con propiedades deseables. El agua humedece y disuelve: se adhiere a otras sustancias; y, modera las reacciones químicas. Todos son factores importantes que pueden ser favorables a la producción de una emulsión satisfactoria. Por otro lado, el agua puede contener factores u otras sustancias que afecten la producción de emulsiones asfálticas estables. Pueden ser inadecuadas las aguas sin tratar a causa de impurezas, tanto en solución como en suspensión coloidal. De especial cuidado es la presencia de iones de calcio y magnesio, que pueden afectar las propiedades de la emulsión. No debe usarse en la producción de emulsiones agua que contenga materias extrañas. Pueden originar desbalances en los componentes de la emulsión que pueden afectar nocivamente el comportamiento o producir la rotura prematura. En resumen, el agua usada para producir emulsiones deberá ser razonablemente pura y libre de materias extrañas. Agente Emulsificante
Representa el 1% de la solución jabonosa aunque las propiedades de una emulsión dependen notablemente del producto químico usado como emulsificante. Dicho químico es un agente con actividad de superficie comúnmente llamado “surfactante” que determina si la emulsión se clasificará como aniónica, catiónica o no iónica. El emulsificante, también mantiene los glóbulos de asfalto en suspensión estable y permite su rotura oportuna. El surfactante cambia la tensión superficial en la interfase, es decir, el área de contacto entre los glóbulos de asfalto y el agua. Hay gran disponibilidad de variados emulsificantes químicos. Deben seleccionarse por su compatibilidad con el cemento asfáltico usado. En los primeros días de la producción de emulsiones se usaron como agentes emulsificantes materiales tales como sangre de buey, arcillas y jabones. Con el incremento de la demanda por emulsiones, fueron encontrados nuevos y más eficientes
47
agentes emulsificantes. Hay ahora varios emulsificantes químicos disponibles comercialmente. La mayoría de los emulsificantes catiónicos son aminas grasas (diaminas, imidazolinas y amidoaminas, por mencionar sólo tres). Las aminas son convertidas en jabón por reacción con un ácido, generalmente clorhídrico. Otro tipo de agente emulsificante, sales cuaternarias de amonio, se usan para producir emulsiones catiónicas. Son producidas como sales solubles en agua y no requieren la adición de ácido para lograr dicha solubilidad. Constituyen emulsificantes catiónicos (positivamente cargados) estables y efectivos. Cada fabricante tiene su propio procedimiento para usar estos agentes en la producción de emulsiones. En la mayor parte de los casos, el agente se combina con el agua antes de introducirlo en el molino coloidal. En otros casos, sin embargo, pueden combinarse con el cemento asfáltico justo antes de entrar al molino coloidal.
3.3.5.2.5. Ventajas de las Emulsiones Asfálticas
Dos factores principales, conservación de la energía y polución atmosférica, impulsaron el uso de emulsiones asfálticas en aplicaciones en las que se empleaban típicamente asfaltos diluidos. En una de sus primeras medidas, la Administración Federal de Carreteras (Federal Highway Administration, FHWA), divulgó información que centraba la atención en el potencial ahorro en combustible al remplazar asfalto diluidos por emulsiones asfálticas. Si bien la sustitución no era obligatoria, se sugería vehementemente considerarla. Desde entonces, todos los estados en Norteamérica y el Continente Euroasiático están sustituyendo, permitiendo la sustitución o, inclusive, exigiendo el uso de emulsiones asfálticas en lugar de asfaltos diluidos.
48
Esquema 3.2. Ventajas de las Emulsiones Asfálticas19
La industria de pavimentos asfálticos está presenciando muchos cambios. En años recientes, la tecnología de emulsiones asfálticas ha sido innovadora en la tarea de enfrentar los desafíos del creciente tráfico, de presupuestos cada vez más reducidos y de preocupaciones ambientales. Una clara comprensión del “por qué y cómo” del empleo de emulsiones asfálticas es promesa de uso eficiente. El empleo adecuado de emulsiones asfálticas puede resultar en pavimentos de alto desarrollo y en sistemas de mantenimiento económicos pero versátiles.
19
Fuente: Las autoras
Ventajas Emulsiones Asfálticas
Crisis energética
Versatilidad en uso de agregados
Mezcla en frío
Variedad de
emulsiones
Reducción de polución atmosférica
49
3.4. MEZCLAS ASFÁLTICAS DE PAVIMENTACIÓN
Las mezclas asfálticas se emplean en la construcción de carreteras, ya sea en capas de rodadura o en sub capas, proporcionando una superficie de rodamiento cómoda, segura y económica a los usuarios. La aplicación más importante del asfalto es en mezclas asfálticas. El 85% del asfalto producido es utilizado en aplicaciones viales. La producción mundial de asfalto es de aproximadamente 85 millones de toneladas/año. Los progresos en la tecnología de emulsiones y la cifra antes mencionada hacen posible el empleo de mezclas con emulsiones con una amplia variedad de aplicaciones en construcción, rehabilitación y mantenimiento de pavimentos. Partiendo del sinnúmero de aplicaciones que tienen las mezclas asfálticas, debe dejarse muy claro, que dependiendo del uso que se le dará, deben tomarse en cuenta ciertos parámetros de clasificación que optimicen la calidad del pavimento.
Existen varios parámetros de clasificación para establecer las diferencias entre las distintas mezclas y las clasificaciones pueden ser diversas:
Tabla 3.5. Parámetros de Clasificación para mezclas20
Parámetro de clasificación Tipo de mezcla
Fracciones de agregado empleadas
Masilla Mortero Concreto Macadam
Temperatura de puesta en obra En frío En caliente
Huecos en la mezcla (h)
Cerradas (h<6%) Semicerradas (6%<h<12%) Abiertas (h>12%) Porosas (h>20%)
Tamaño máximo del agregado (tmáx)
Gruesas (tmáx>10 mm) Finas (tmáx<10 mm)
Estructura del agregado Con esqueleto mineral Sin esqueleto mineral
Granulometría Continuas Discontinuas
Partiendo de estos parámetros de clasificación, el presente estudio abordará las mezclas de pavimentación clasificadas de acuerdo a fracciones de agregado, que corresponde a concreto; temperatura de puesta en obra, que corresponde a frías; huecos en la mezcla, que corresponde a mezclas cerradas; tamaño máximo del agregado, que corresponde a
20Fuente: Instituto Mexicano de Transporte, N- 13, 2001
50
gruesas; estructura del agregado, que corresponde a esqueleto mineral y granulometría, que corresponde a continuas.
3.4.1. Mezcla Asfáltica en Frío
Son las mezclas constituidas por la combinación de uno o más agregados pétreos, con una emulsión asfáltica (que no es más que asfalto emulsionado en agua antes de ser mezclado con el agregado) y, eventualmente, agua. En este estado de emulsión el asfalto es menos viscoso y la mezcla es más fácil de trabajar y compactar. La emulsión romperá luego de que suficiente agua se haya evaporado y la mezcla en frío comienza a tener
buena resistencia. Estas mezclas se efectúan con asfaltos líquidos y sin recurrir al
calentamiento de los agregados.Se utilizan comúnmente como material para bacheo en rutas de bajo tránsito. Estas mezclas poseen capacidad portante, por esta razón es que se considera su aporte en el paquete estructural. Los agregados gruesos son exclusivamente provenientes de trituración. Los agregados finos, conviene que provengan de la mezcla de arenas de trituración, que ofrecen la trabazón necesaria, y arenas silíceas naturales que le otorgan trabajabilidad a la mezcla. Son ideales para la pavimentación urbana de arterias que serán sometidas a un bajo volumen de tránsito y en donde ese tránsito será casi exclusivamente de automóviles. Se recomienda su puesta en obra a temperaturas no inferiores a los 20ºC ni superiores a los 40ºC.
51
En la Tabla 3.6. se muestra un resumen de la recomendación de uso de las emulsiones asfálticas y asfaltos rebajados para la fabricación de los distintos tipos de mezclas en frío.
Tabla 3.6. Guía para el uso de productos derivados del asfalto en mezclas en frío21
Tipo de Construcción
Asfaltos Emulsificados1 Asfaltos Rebajados Aniónicos Catiónicos Curado Medio2 Curado
Lento
MS
-2
HF
MS
-2
MS
-2h
HF
MS
-2h
HF
MS
-2S
SS
-1
SS
-1h
CM
S-2
CM
S-2
h
CS
S-1
CS
S-1
h
70
25
0
80
0
30
00
25
0
80
0
30
00
Me
zcla
F
ría
de
pla
nta
pa
ra c
ap
as
3
Ba
se
y
Su
pe
rfic
ies Agregados con
granulometrías abiertas
X X X X
Agregados bien graduados
X X X X X X X X X X X
Parcheo uso inmediato X X X X X X X Parcheo apilamiento X X X X
Me
zcla
do
en
Sitio
3
Ba
se
y
Su
pe
rfic
ies
Agregados con granulometrías abiertas
X X X X X X X X
Agregados bien graduados
X X X X X X X X X
Arena X X X X X X X X Suelos Arenosos
X X X X X X X
Parcheo uso inmediato X X X X X X X X 1Emulsified asphalts shown are AASHTO and ASTM grades and may not include all grades produced in all geographical areas
2 Before using MC´s for spray check with local pollution control agency
3Evaluation of emulsified asphalt-aggregate system required to determine the proper grade of asphalt to use
21
Fuente: Tabla tomada de MS-14 Manual de Mezclas Asfálticas en Frío
52
Las emulsiones asfálticas contienen pequeñas cantidades de solventes, que generalmente producen el mejor resultado para las mezclas en frío, utilizadas para bacheo. La mezcla se rigidiza cuando el solvente se evapora. A la hora de dosificar el agua dentro de la mezcla se debe tomar en cuenta, el tiempo con el que se dispone para abrir el tránsito nuevamente.
3.4.2. Clasificación de la mezcla según el porcentaje de vacíos Existen dos tipos de mezclas asfálticas en frío: cerradas (o densas) y abiertas.
3.4.2.1. Cerradas (o densas)
Como se mencionará más adelante, se denominan del tipo cerradas porque su relación de vacíos es menor al 6%. Se fabrican con emulsiones de rotura lenta sin ningún tipo de fluidificante (Bañón Blázquez, Luis.2004). Aunque pueden compactarse después de haber roto la emulsión (la presencia de agua supone una lubricación de las partículas de árido), no conviene ponerlas en obra si no son suficientemente trabajables. Por otro lado, no pueden abrirse al tráfico hasta que han alcanzado una resistencia suficiente. Este proceso se suele denominar de maduración; consiste básicamente en la evaporación del agua procedente de la rotura de la emulsión y es relativamente lento, debido a que la granulometría cerrada del árido hace que la mezcla tenga una pequeña proporción de huecos. Se emplean mucho menos que las mezclas abiertas en frío. El agua se debe incorporar a los agregados antes que la emulsión asfáltica, con el fin de evitar un rompimiento prematuro de ésta, asegurando un cubrimiento completo del agregado y una buena uniformidad en la mezcla. Poseen un contenido de ligante elevado (Fernández del Campo, J. A. 1983). Esto condiciona un tiempo de trabajabilidad de las mezclas mucho más corto y unas condiciones de puesta en obra y compactación mucho más estrictas. Permite el empleo de granulometrías de áridos análogas a las prescritas para las mezclas densas en caliente. Por ello, el campo de utilización de las emulsiones se amplía hacia todo tipo de pavimentos y soluciones. Usos
Bases negras
Bases estabilizadas con emulsión
Reciclados en general (base + carpeta, carpeta, RAP, etc.)
Carpetas de nivelación
Carpetas de rodadura
Estabilización de materiales marginales
Emulsión CSS-1, CSS-2 o CSS-2h
Porcentajes en volumen: 6 – 12% Su campo de aplicación comprende en lo que respecta a mantenimiento (baches). También pueden aplicarse para construir carpetas de rodadura de calles de bajo tráfico debido a los tiempos de apertura.
53
Al igual que en la Región Centroamericana, en Nicaragua, la Alcaldía de Managua está iniciando trabajos de bacheo con emulsión asfáltica; en una gran mayoría, los trabajos de bacheo son realizados con mezcla en frío. Como por ejemplo, en la Colonia Pedro Joaquín Chamorro (Ver Figura 6.2.).
3.4.2.2. Abiertas Al igual que las mezclas cerradas, las abiertas también se conceptualizan partiendo de su porcentaje de vacíos, el cual debe ser mayor al 12%. Consisten en la combinación de un agregado pétreo predominantemente grueso y de granulometría uniforme, con un ligante bituminoso, constituyendo un producto que puede ser elaborado, extendido y compactado a temperatura ambiente y que presenta un elevado contenido de vacíos con aire. Son las más empleadas. Se caracterizan por su trabajabilidad tras su fabricación, incluso durante semanas (Bañón Blázquez, Luis. 2004). Dicha trabajabilidad se basa en que el ligante permanece con baja viscosidad, debido a que se emplean emulsiones de betún fluidificado. Después de la puesta en obra en capas de reducido espesor, el aumento de la viscosidad es rápido; sin embargo, es muy lento en acopios, en los que únicamente endurece la superficie, siendo así viable el almacenamiento. En las capas ya extendidas, la evaporación del fluidificante es posible debido a que la granulometría es abierta, con pequeñas proporciones de árido fino, lo que supone un elevado porcentaje de huecos en la mezcla. Puede ser colocada en obra inmediatamente después de su fabricación o tras un período de almacenamiento más o menos largo. Usos
Bases negras
Carpetas de nivelación
Carpetas de rodadura
Mezclas de acopio
Tipo de emulsión CMS-1 o CMS-2
Porcentajes en volumen: 3 – 8% Sus ventajas consisten en:
Mayor tiempo de vida útil
No se pierde si está lloviendo
Es más barata
Fácil aplicación
54
3.4.2.3. Usos de las mezclas asfálticas Las mezclas asfálticas en frío se utilizan primordialmente para:
Bacheo
Carpetas
Capas intermedias de refuerzo
3.4.2.4. Virtudes de las mezclas asfálticas en frío22
Se fabrican y colocan a temperatura ambiente
Se pueden almacenar a temperatura ambiente por períodos de hasta 5 ó 6 meses, dependiendo de las condiciones de almacenamiento
Tiene más vida útil, pues no se calienta. El asfalto entre más se caliente, menos vive
Es seguro para los operarios que lo aplican, pues minimizan los riesgos operacionales
No contaminan el medio ambiente, pues no emiten vapores al colocarlas
Ahorra combustibles y energía, ya que se fabrica en frío completamente
3.4.2.5. Recomendaciones de uso Los usos recomendados no difieren de los indicados para las mezclas tradicionales. La decisión del uso de estas mezclas, dependerá de algunas consideraciones tales como:
Comparación técnico-económica
Magnitud y lugar de emplazamiento de la obra
Tránsito
Condiciones climáticas predominantes Cuando se trata de capas de rodamiento, las mezclas asfálticas de graduación densa se utilizan específicamente para tránsitos medios y livianos, pero las de graduación abierta permiten abarcar con éxito pavimentos para tránsitos pesados. Construcción de carpetas asfálticas de rodadura, recapados parciales de regularización y refuerzo estructural, construcción de calles, estacionamientos, bacheos, pavimentos deportivos, son algunas de las tantas soluciones que se pueden encarar utilizando mas mezclas asfálticas en frío.
22
Asfaltos de Centroamérica (ASFALCA). Mezclas Asfálticas en Frío
55
Esquema 3.3. Requerimientos en mezclas23
23
Fuente: Las autoras
Económicos: larga vida útil
Seguridad: resistencia al deslizamiento/grip. Adherencia
neumático-pavimento. Regularidad transversal-
longitudinal
Confort: bajo ruido, regularidad, reflexión
señalización horizontal-color.
56
3.5. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS SEGÚN NORMAS ASSHTO 2006
3.5.1. Granulometría (AASHTO T 27) Este ensayo se realizó con el objetivo de obtener los pesos retenidos y porcentajes acumulados de los áridos, los cuales fueron pasados por diversas mallas y tomando como referencia el porcentaje de humedad. Es un procedimiento usado para identificar las proporciones de partículas de tamaño diferente en las muestras del agregado. Esta información es importante porque las especificaciones de la mezcla deben estipular las proporciones necesarias de partículas de agregado de tamaño diferente, para producir una mezcla final con las características deseadas.
3.5.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176) Debido a que la construcción de una buena cimentación para cualquier tipo de carreteras requiere la menor cantidad de finos posibles, esta prueba está diseñada para mostrar las proporciones relativas de polvo fino o material arcilloso en suelos o agregados, es decir, este ensayo sirve para determinar el contenido de arcilla presente en la fracción de agregado fino. Este método establece un procedimiento rápido para determinar las proporciones relativas de finos plásticos o arcillosos en los áridos que pasan por el tamiz de 4.75 mm (Nº 4), el que involucra la solución stock con un litro de agua, en donde se vierte la muestra del agregado, dejando saturar para luego determinar el porcentaje de arena y arcilla y así determinar el porcentaje de Equivalente de Arena, con la siguiente ecuación:
3.5.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) Los áridos se someten al desgaste y deterioro a lo largo de su vida útil. Es por esta razón que deben resistir el aplastamiento, la degradación y desintegración de cualquier actividad, ya sea en la fabricación, almacenamiento, producción, colocado o compactación. Este ensayo estima la resistencia del agregado grueso a la abrasión y desgaste mecánico durante la manipulación, construcción y servicio de los agregados. Se realiza sometiendo el agregado grueso ante el impacto y trituración por medio de esferas de acero. El resultado del ensayo es el porcentaje de pérdida de material, que equivale al porcentaje del peso del material degradado durante el ensayo.
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Tabla 3.7. Tamaño de las Muestras
Tamaño de la Muestra
Método A 12 Esferas Pasa Retiene Peso de la muestra 1 ½” 1” 1,250 g 1” ¾” 1,250 g ¾” ½” 1,250 g ½” 3/8” 1,250 g
Método B 11 Esferas
Pasa Retiene Peso de la muestra ¾” ½” 2,500 g ½” 3/8” 2,500 g
Método C 8 Esferas
Pasa Retiene Peso de la muestra 3/8” 1/4” 2,500 g 1/4” Nº 4 2,500 g
Método D 6 Esferas
Pasa Retiene Peso de la muestra Nº 4 Nº 8 5,000 g
Fuente: Manual de Carreteras del Paraguay. Normas para Materiales y Ensayos de Materiales. Tomo VI, Volumen III, pág. N° 77
3.5.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y Agregado Fino (AASHTO T 85)
Este ensayo determina la densidad bruta del agregado en condición suelta o compactada y se calculan los vacíos entre las partículas finas, gruesas o dentro de la combinación. El tamaño nominal máximo es de 125 mm Este dato se utiliza para seleccionar las proporciones para las mezclas en frío.
Este método establece los procedimientos para determinar la densidad aparente de los áridos. La densidad es la tasa entre el peso (m) de una sustancia y su volumen (v) a una temperatura especificada. Se expresa en kilogramos por metro cúbico (kg/m3).
Densidad aparente (densidad a granel; densidad bruta): Es la densidad que
considera el volumen macizo de las partículas de un árido más el volumen de los
poros y de los huecos. Corresponde a la capacidad de la medida que lo contiene.
Densidad aparente compactada (ac): Densidad aparente del árido compactado en la
medida que lo contiene, según los procedimientos indicados en este método.
Densidad aparente suelta (as): Densidad aparente de áridos vaciado en la medida
que lo contiene, según el procedimiento indicado en este método.
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El cálculo del peso específico de la muestra seca de agregado establece un punto de
referencia para medir los pesos específicos necesarios en la determinación de las
proporciones de agregado, asfalto, y vacíos que van a usarse en los métodos de diseño.
3.5.4.1. Agregado Grueso
3.5.4.2. Agregado Fino
3.5.5. Índice de Plasticidad (AASHTO T 90) Este valor muestra el margen de humedades dentro del cual se encuentra en estado plástico un suelo, tal como se determina en los ensayos de laboratorios, y es producto del resultado de la resta del Límite Líquido y el Límite Plástico. Este ensayo no se realizó puesto que el agregado que se esta usando no posee porcentajes de arcilla como lo exige la norma.
3.5.6. Partículas Friables (AASHTO T 112)
Las partículas friables o desmenuzables son las partículas contenidas en los agregados que pueden desbaratarse con la presión de los dedos. Este método establece un procedimiento para determinar el contenido de estas partículas en los agregados. Este ensayo no se realizó puesto que el agregado que se está usando no posee porcentajes de arcilla como lo exige la norma.
3.5.7. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104)
Este método comprende el ensayo del agregado para la determinación de sanidad, cuando estos se encuentran sometidos a la acción del intemperismo. Este mide la resistencia de los áridos a la disgregación por soluciones saturadas de sulfato de sodio o
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magnesio. El proceso de inmersión y secado se realiza por varios ciclos determinándose de esta forma el porcentaje de pérdidas de peso por cada fracción granulométrica. Tomando en cuenta el peso de la muestra que viene dado por la siguiente tabla según la AASHTO:
Tabla 3.8. Intemperismo
Intemperismo Pasa Retiene Peso de la
muestra (g)
1 ½” 1” 1,005 1” ¾” 495 ¾” ½” 670 ½” 3/8” 330
3/8” N° 4 300 Total 2,800
Fuente: Cortesía de Instituto Técnico de Pavimentos (ITP)
3.5.8. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) El ensayo establece la resistencia del agregado para generar finos cuando se agitan en presencia de agua. Se realiza el ensayo tanto a la muestra gruesa como a la fina, se mide la cantidad de material que se sedimenta y con este dato se puede calcular el índice de durabilidad.
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3.6. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1
Los ensayos de laboratorio se realizan para medir ya sea el desempeño u otras características de composición, consistencia y estabilidad del material. El propósito de los ensayos es proveer datos para establecer los requisitos de especificación, también para controlar la calidad y uniformidad del producto durante la fabricación y uso, finalmente para predecir y controlar el manejo, almacenaje y las propiedades de desempeño en campo de las emulsiones. Las emulsiones asfálticas se clasifican en catiónicas y aniónicas. Los ensayos están diseñados para medir distintas propiedades a las emulsiones y a los residuos de la emulsión (asfalto residual).
3.6.1. Muestreo de emulsiones (AASHTO T 40 o ASTM D140) El propósito es obtener muestras representativas para poder caracterizarlas y que den a conocer las condiciones reales y la naturaleza de la emulsión asfáltica. El procedimiento estándar para el muestreo se describe en los métodos AASHTO T 40 o ASTM D 140 “Práctica estándar para el muestreo de materiales bituminosos”. Es preferible obtener las muestras en el punto de producción, manufactura o almacenamiento. Los contenedores deben ser recipientes metálicos con tapa de sello por presión, o botellas de apertura ancha hechas de plástico, de tapa de rosca. Generalmente se utilizan contenedores de 4 litros (1 galón).
3.6.2. Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D 2397 o D 244-22/24) La viscosidad es la resistencia al flujo de los fluidos y es una propiedad que afecta su utilización. La viscosidad se mide con el viscosímetro de Saybolt Furol. El resultado del ensayo se reporta en segundos. Además el ensayo se realiza a dos temperaturas: 25°C y 50°C. Representa una característica fundamental para la técnica de carreteras (Fernández del Campo, J. A. 1983).
Sirve para conocer la consistencia de los materiales asfálticos mediante sus características de flujo a una temperatura de 135°C para los cementos y de 25 y 50°C para las emulsiones, pudiéndose hacer a otras temperaturas, con el propósito de estudiar la susceptibilidad al calor de los materiales asfálticos y determinar las viscosidades apropiadas para su utilización, es decir, que tan manejable es a dichas temperaturas. La prueba consiste en determinar el tiempo que tardan en pasar 60 cm3 del material a probar a través de un orificio Furol, instalado en un tubo de viscosidad Saybolt, bajo condiciones de carga y temperatura pre-establecidas.
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3.6.3. Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8)
La destilación se utiliza para separar el agua del asfalto. Si el asfalto contiene aceite, este se separará junto con el agua. Se pueden medir las proporciones relativas de ligante asfáltico, agua y aceite. Como el asfalto se recupera se le pueden hacer ensayos adicionales al residuo para determinar las propiedades físicas del asfalto obtenido. El objeto de este ensayo es el conocimiento cuantitativo del betún, agua y fluidificantes que contiene la emulsión. Además de esta información, sus resultados dan una idea de la volatilidad de los fluidificantes empleados (Fernández del Campo, J. A. 1983). Como resultado del ensayo se obtienen los porcentajes de residuo asfáltico, de fluidificantes y de agua referidos al total de la emulsión. No es necesario insistir sobre la importancia de la información suministrada por este ensayo y baste considerar que el contenido en betún tiene relación con algunas características de la emulsión: viscosidad, sedimentación, etc. Asimismo, la cantidad y volatilidad de los fluidificantes determinarán el comportamiento de la emulsión tanto durante su etapa de puesta en obra como en la posterior de curado.
3.6.4. Estabilidad de Almacenamiento (ASTM D244) El ensayo indica la habilidad de la emulsión para mantenerse como una dispersión uniforme durante el almacenaje. Se detecta la tendencia de los glóbulos a asentarse en un período de tiempo de 24 horas. También se puede realizar el ensayo para un período de tiempo de 5 días.
3.6.5. Sedimentación (ASTM D 244-29/32) A través de este ensayo se determinan los cambios en la concentración de ligante que tiene lugar a diferentes alturas del tanque en que se encuentra almacenada la emulsión. Los valores de sedimentación son, de acuerdo con la ley de Stokes, directamente proporcionales al tamaño de la micela y a la diferencia de densidades entre las fases continua y discontinua, e inversamente proporcionales a la viscosidad de la fase continua. En aquellas emulsiones en que se presentes valores altos de sedimentación, originados por alguna de las razones apuntadas en el párrafo anterior, es posible que se trate, en razón de las características de la emulsión, de una simple floculación recuperable por simple agitación, o bien que esta floculación vaya seguida de una coalescencia y, por tanto, de que el proceso sea irreversible.
3.6.6. Carga de partículas de prueba (ASTM D-244)
Es utilizado para identificar emulsiones catiónicas. Para su realización, se sumergen, en una muestra de la emulsión, un electrodo positivo (ánodo) y un electrodo negativo (cátodo) se conectan ambos a una fuente eléctrica de corriente continua controlada.
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Finalizado el ensayo, se observan los electrodos para determinar si en el cátodo se ha depositado una apreciable capa de asfalto. De ser así, se trata de una emulsión catiónica.
3.6.7. Ensayos al residuo de asfalto (ASTM T 49) Al residuo de asfalto también se le realizan varias pruebas que también se le realizan al asfalto original, como el ensayo de gravedad específica AASHTO T288 o ASTM D 70, que es un dato que se utiliza para realizar correcciones a las medidas volumétricas a distintas temperaturas. Otro ensayo es la medición de la penetración AASHTO T 49 o ASTM D 5, que es una medida de la dureza del residuo de asfalto a 25°C, en la muestra del residuo se introduce una aguja con un peso estándar de 100 g durante 5 segundos. La penetración es la distancia que la aguja penetró en la muestra.
3.7. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
3.7.1. Descripción Esta actividad consistirá en la fabricación de una mezcla de agregados pétreos con un aglomerante bituminoso emulsificado, materiales que deben cumplir con los requisitos especificados, los cuales mezclados mediante procedimientos controlados, darán como resultado un material con propiedades y características definidas. El proceso de diseño consiste en seleccionar el tipo y granulometría de los agregados pétreos además del tipo y contenido de asfalto, con la calidad suficiente, de manera que satisfagan los requisitos específicos del proyecto para obtener las propiedades deseadas en la mezcla. El diseño implica conocer las propiedades de la mezcla, los efectos que causan sus componentes (algunas propiedades se contraponen debido al comportamiento reológico de las mezclas), las condiciones en las cuales se desarrollará el proyecto (aplicación de cargas de tránsito, temperatura), entre otros. Los ensayos que se realizan directamente a las mezclas en frío tienen el propósito de establecer el diseño de la mezcla antes de la aplicación del material para poder seleccionar los materiales apropiados y obtener una mezcla donde los agregados y la emulsión sean compatibles. Los métodos están descritos en el Anexo C del presente documento.
3.7.2. Materiales El material bituminoso para la fabricación de la mezcla, será una emulsión asfáltica seleccionada de acuerdo al tipo de agregados que se pretenda utilizar, dicho aglomerante debe cumplir con los requisitos establecidos en la norma AASHTO M-140.
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Los agregados pétreos serán el producto de roca o grava triturada constituidas por material limpio, libre de humedad, denso y durable, libre de polvo, terrones de arcilla u otras materias indeseables, que puedan impedir la adhesión completa del asfalto a los agregados pétreos.
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Los agregados pétreos deben ajustarse a la siguiente graduación:
Tabla 3.9. Granulometría de Agregados para Mezcla en Frío24
Tamaño del Tamiz Granulometría para Mezclas Asfálticas Cerradas (% que pasa)
50 mm (2.0”) 100 --- --- --- --- 37.5 mm (1 ½”) 90-100 100 --- --- --- 25.0 mm (1.0”) --- 90-100 100 --- --- 19.0 mm (3/4”) 60-80 --- 90-100 100 --- 12.5 mm (1/2”) --- 60-80 --- 90-100 100 9.5 mm (3/8”) --- --- 60-80 --- 90-100
4.75 mm (N° 4) 20-55 25-60 35-65 45-70 60-80 2.36 mm (N° 8) 10-40 15-45 20-50 1.18 mm (N° 16) --- --- --- --- --- 0.60 mm (N° 30) --- --- --- --- --- 0.30 mm (N° 50) 2-16 3-18 3-20 5-20 6-25
0.15 mm (N° 100) --- --- --- --- --- 0.075 mm (N° 200) 0-5 1-7 2-8 2-9 2-10
Equivalente de Arena, en % Mín. 35 Mín. 35 Mín. 35 Mín. 35 Mín. 35 Ensayo Los Ángeles @ 500 rev Máx. 40 Máx. 40 Máx. 40 Máx. 40 Máx. 40
% caras trituradas Máx. 65 Máx. 65 Máx. 65 Máx. 65 Máx. 65
a) El valor del equivalente de arena del material que pasa por la malla N° 4 debe ser mayor de 35 b) El material al ser sometido al ensayo en la Máquina de los Ángeles, ensayo AASHTO T-96, debe presentar un desgaste
menor del 40% c) El agregado triturado no debe mostrar señales de desintegración ni de una pérdida mayor del 15% al someterlo a cinco ciclos
en la prueba de solidez en sulfato de sodio, según el ensayo AASHTO T-104 d) Por lo menos el 40% en peso de las partículas retenidas en el tamiz N° 4 debe tener dos caras fracturadas
3.7.3. Procedimiento de pruebas a la mezcla asfáltica en frío
24
Fuente: Tabla tomada de MS-14 Manual de Mezclas Asfálticas en Frío
65
Una muestra de mezcla de pavimentación preparada en el laboratorio puede ser analizada para determinar su posible desempeño en la estructura del pavimento.
3.7.3.1. Muestreo de Mezclas en frío Se describe el procedimiento para la toma de muestra de la mezcla, ya sea para el control o para verificación de la calidad del producto. Se debe procurar que las muestras extraídas sean verdaderamente representativas del lote de producción, evitando la segregación o contaminación. La muestra se puede tomar a la salida del mezclador o en el camión de transporte. La frecuencia es generalmente una muestra por jornada de trabajo. Es importante realizar para evitar problemas comunes tales como:
Mezclas pobres en asfalto o con exceso de humedad
Resequedad de los materiales debido a mucho tiempo almacenado
Falta de adherencia
Diseño deficiente
Emulsión no compatible con los agregados
3.7.3.2. Recubrimiento de las partículas La capacidad de un asfalto emulsificado para cubrir un agregado suele ser sensible al contenido de agua del agregado de la pre-mezcla, especialmente para agregados que contienen un alto porcentaje de material pasando la malla de 75 µm (N° 200). El agua de pre-mezclado cuando es insuficiente afecta la unión del asfalto con los finos, dando como resultado un recubrimiento inadecuado. El ensayo es un procedimiento para determinar el porcentaje de agua que se debe añadir en la mezcla para conseguir un recubrimiento de partículas de un mínimo de 50% para mezclas de base y de 75% para mezclas utilizadas para superficies de ruedo. Se recomienda que la adición de agua sea anterior a la inclusión de la emulsión y que el mezclado sea alrededor de 2 minutos. Se considera aceptable el recubrimiento cuando el total de la fracción fina queda totalmente recubierta y el agregado grueso queda recubierto en los porcentajes mencionados anteriormente. Dentro del contenido de agua hay que tomar en cuenta el contenido de humedad en una muestra de agregado secado al aire. El agua debe ser añadida en un rocío suave y el agregado debe mezclarse hasta que el agua se disperse completamente.
3.7.3.3. Procedimiento para el diseño de mezcla con emulsión asfáltica El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi, en el año de 1940.
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El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas para pavimentación que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1”) o menor. Está pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas con graduación densa. Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados. La estabilidad del especimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un especimen estándar desarrollará a 60ºC cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100”) que ocurre en el especimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad. En la siguiente sección se describen paso a paso cada uno de los ensayos requeridos para la mezcla.
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4. MARCO METODOLÓGICO
Los pasos que involucran la mecánica que se llevará a cabo para desarrollar el presente trabajo monográfico son: 1. Fase explorativa sobre el tema de investigación (selección de información pertinente)
2. Reconocimiento de los materiales que formarán parte de la mezcla (agregados
minerales, emulsión asfáltica y agua)
3. Ejecución y análisis de las pruebas de laboratorio tanto para agregados como para emulsión asfáltica
4. Evaluación de los datos e información obtenida en los ensayos realizados
5. Diseño de prueba o preliminar. Su objetivo es contar con puntos de partida y con los cuales se pretende obtener el diseño final
6. Obtención de las proporciones óptimas de la mezcla (diseño)
7. Análisis de resultados obtenidos en el diseño
8. Conclusiones. Comprobación por medio de las normativas adecuadas, de la utilidad del diseño para el fin que se propuso
Para proponer un diseño de mezcla asfáltica en frío deben seguirse un sinnúmero de pasos que están íntimamente relacionados. Dependen de un proceso de pruebas que avalen o prueben la calidad del sistema. Diferentes agregados y asfaltos presentan diferentes características. Estas características tienen un impacto directo sobre la naturaleza misma del pavimento. Debe seleccionarse un tipo de agregado y un tipo compatible de asfalto que puedan combinarse para producir las cualidades (estabilidad, durabilidad, trabajabilidad, resistencia al deslizamiento, etc.) que debe tener la mezcla de pavimentación. En consecuencia, el uso definitivo que se le dará a la mezcla de pavimentación se convierte en el primer punto de interés. Una vez hecho esto, se puede iniciar con la preparación de los ensayos. La primera preparación para los ensayos consta de reunir muestras de asfalto y del agregado que van a ser usados en la mezcla de pavimentación. Es importante que las muestras de asfalto tengan características idénticas a las del asfalto que va a ser usado
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en la mezcla final. Lo mismo debe ocurrir con las muestras de agregado. La razón es simple: los datos extraídos de los procedimientos de diseño de mezclas determinan la fórmula o “receta” para la mezcla de pavimentación. La receta será exacta solamente si los ingredientes ensayados en el laboratorio tienen características idénticas a los ingredientes usados en el producto final. Una amplia variedad de problemas graves, que van desde una mala trabajabilidad de la mezcla hasta una falla prematura del pavimento, son el resultado histórico de variaciones ocurridas entre los materiales ensayados en el laboratorio y los materiales usados en la realidad. Sin embargo, para la preparación de estos ensayos deben obtenerse una serie de parámetros tales como granulometría ideal (combinación de agregados), humedad óptima de la mezcla y porcentaje de emulsión asfáltica. Partiendo de estos puntos, se podrá determinar el método de ensayo y análisis de la mezcla, que permita comprobar la funcionalidad eficiente del estudio
Tabla 4.1. Metodología de trabajo25
Paso Comentarios
Establecer uso de la mezcla de
pavimentación Capa de rodamiento, intermedia, base,
mantenimiento Definir curva granulométrica Continua, discontinua Obtener el contenido óptimo de ligante
(depende de la mezcla) y el % de vacíos Ensayo Marshall, Ensayo Hveem, entre
otros Validación de utilidad Normativas
25
Fuente: Caracterización de agregados para mezclas en frío. Centro de Investigación Vial (LEMaC). Soengas, Cecilia &Catriel, Gisela, Argentina, 2010.
69
4.1. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LOS AGREGADOS PÉTREOS
4.1.1. Granulometría (AASHTO T 27) Se extrajo y preparó la muestra por el método de muestreo (AASHTO T2), se homogenizó
en estado húmedo, para luego reducirla según el método de cuarteo a tamaño de ensayo
(T 248), se introdujo al horno a una temperatura de 110 ± 5ºC por 24 horas.
Para determinar la granulometría del agregado se pesó una muestra del mismo banco
para luego lavarla por la malla N° 200 y secarla al horno, que equivale al peso seco
lavado, el determinado para utilizar en la granulometría.
Figura 4.1. Lavado de muestra para tamizado
Luego para la graduación de la muestra, se cribó en diversos tamices, partiendo de la malla en la que pasa el 100%, obteniendo el porcentaje acumulado y retenido de las muestras.
Figura 4.2. Cribado
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4.1.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176)
Se extrajo y preparó la muestra según el método de muestreo y cuarteo denominados por la AASHTO (T 2 y T 248). Este ensayo sólo se realiza al material cero debido al porcentaje de arena que este presenta, a diferencia del agregado grueso que se encuentra en estado más sólido. Se preparó una muestra de 80 gramos en una probeta, al igual que 85 ml/g de solución stock en un galón de agua agitándolo por 20 veces, se colocó la botella del sifón con la solución de ensayo a aproximadamente 1 m sobre la superficie de trabajo, para luego sifonear la solución de ensayo en cada probeta hasta alcanzar un nivel de 4 pulgadas y se golpeó firmemente el fondo de la probeta contra la palma de la mano hasta no observar burbujas de aire, luego se dejó reposar por 10 minutos, para colocar el tapón y agitarlo en la máquina agitadora por 45 segundos, donde se dejó saturar por 20 minutos, luego de este tiempo, se registró el nivel superior de la arcilla Nt con el pie de lectura. Al haber obtenido este dato, se introdujo el pisón en la probeta haciéndolo descender suavemente hasta que quedara apoyado en la arena, registrando el nivel superior de la arena Na. Este procedimiento se realizó para tres muestras.
Figura 4.3. Ensayo de Equivalente de Arena
71
4.1.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96)
Se preparó la muestra de acuerdo al muestreo y cuarteo de la muestra (AASHTO T2 y
T248), lo que corresponde al tamaño de la muestra está en dependencia del método y el
tamaño del agregado a utilizar según la AASHTO.
Ya con el método correcto escogido, se cargó el tambor de la máquina de los Ángeles con
una cantidad fija de áridos y de esferas de acero, luego se programaron 500 vueltas al
tambor, una vez completado el número de revoluciones correspondientes, se sacó el
material de la máquina evitando pérdidas y contaminaciones. Se efectuó un primer
cribado en un tamiz de 2.36 mm o superior, a fin de evitar dañar la criba de corte (1.7
mm), se reunió todo el material retenido en ambas cribas, se lavó y seco al horno a 110 ±
5 º C (230 ± 10º F) dejando enfriar a temperatura ambiente, se pesó y registró la masa del
material retenido como masa final de la muestra (mf).
Figura 4.4. Máquina de Los Ángeles
4.1.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y Agregado Fino (AASHTO T 85) – Peso Unitario (AASHTO T 19)
4.1.4.1. Agregado Grueso
4.1.4.1.1. Peso Superficialmente Seco Se tomó una muestra significativa del cuarteo saturándolo en agua por 24 horas, para
luego secarlo superficialmente con una toalla y así conocer su peso, correspondiente al
peso superficialmente seco. Luego se sumergió la muestra en una cesta con agua,
tomando el peso de la muestra sumergido en agua.
Se sacó la muestra de la cesta de agua para luego secarlo al horno durante 24 horas a
una temperatura de 110 ± 5ºC, se pesó la muestra determinando el peso seco de la
muestra, realizando el mismo procedimiento con dos muestras para analizar variaciones
en cuanto a resultados.
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Figura 4.5. Preparación de muestra para cálculo de peso superficialmente seco
4.1.4.1.2. Peso Suelto
Para el inicio de la prueba, se determinó el peso del molde, luego se tomó una muestra
significativa de la muestra, se lavó para que las partículas no lleven ningún tipo de
material en su superficie (suciedad), luego se metió al horno 110º C por 24 horas. Luego
de pasado el tiempo de secado al horno, se vertió en el molde a la altura del puño
dándole inclinación a la caída de la muestra sobre el molde, acomodando mejor las
partículas, se enrasó el material y se pesó la muestra, repitiendo este procedimiento por
tres veces para promediar los resultados.
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Figura 4.6. Peso suelto
4.1.4.2. Agregado Fino
Se tomó una muestra significativa de material y se metió al horno por 24 horas a una
temperatura de 110 ± 5ºC.
Se esparció la muestra en una superficie plana, no absorbente para sujetar el molde
firmemente sobre una superficie lisa y no absorbente con el diámetro mayor hacia abajo.
Se colocó una porción de agregado fino parcialmente seco y suelto dentro del molde,
llenándolo hasta que se desborde y apilando el material adicional por encima del borde
superior del molde, sosteniéndolo con los dedos. Ligeramente se apisonó el agregado fino
dentro del molde con 25 golpes ligeros del pisón, iniciando cada caída 5 mm arriba de la
superficie del agregado fino, permitiéndole al pisón caer libremente bajo la atracción
gravitacional en cada caída, ajustando la altura inicial a la elevación de la nueva
superficie después de cada golpe y distribuyendo los golpes sobre la superficie.
Figura 4.7. Prueba de humedad
Se quitó el cono, dejando la muestra sin molde; esta se tiene que caer inmediatamente,
sino lo hace quiere decir que todavía existe humedad en la muestra.
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Luego de haber realizado la prueba del estado seco en el que se tiene que encontrar la
muestra, se tomó de este material y se colocó sobre el picnómetro, para luego echar agua
hasta la mitad del recipiente, se agitó para someterla al vibrador para que la bomba
extrajera las burbujas de agua que se encuentran en el envase, teniendo una duración de
15 minutos, procurando que la temperatura del agua estuviera a 23.5 ± 1ºC.
Figura 4.8. Ensayo de gravedad específica
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Luego de esto, se llenó de agua todo el envase del picnómetro y se enrasó con una placa
de vidrio para poder pesarla y así determinar su gravedad específica.
Figura 4.9. Picnómetro
Se pesó la muestra o fracción de muestra de ensayo en estado seco (mi), esparciendo el
material de cada muestra o fracción de muestra en una capa delgada sobre el fondo de
un recipiente, se cubrió con agua destilada y se dejó en remojo durante 24 ± 4 horas.
Finalizado el paso de inmersión, se deshicieron las partículas desmenuzables,
comprimiéndolas y frotándolas entre los dedos.
Luego se separó el residuo mediante el tamizado húmedo, empleando el tamiz que
corresponda según el tamaño de las partículas ensayadas, lavándolo y dejándole caer
agua sobre la muestra o fracción de muestra colocada en el tamiz correspondiente, se
agitó hasta eliminar los residuos de las partículas desintegradas. Se retiró las partículas
retenidas y se secó al horno a una temperatura 110 ± 5°C (230 ± 10ºF), para luego dejar
enfriando a temperatura ambiente. (Ver resultados en tabla N° 5.8, 5.9. y 5.10.)
4.1.5. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104)
Se preparó una solución de sulfato de sodio (Na2SO4) 48 horas antes de utilizarla a una
temperatura de 22ºC, luego se tomó una muestra de ensayo representativa mediante el
muestreo y cuarteo para un mejor resultado, pasándolo por las mallas correspondientes
en dependencia de su tamaño (Ver resultados en tabla Nº 5.11, 5.12. y 5.13.) Luego de
obtener la muestra de ensayo se introdujo en la solución preparada de sulfato de sodio
durante un período de 16 horas, debiendo permanecer el material cubierto totalmente por
la solución en una profundidad no menor de 1/2”, a una temperatura de 21ºC.
Después del período de inmersión, se removió la muestra de la solución, permitiéndole que drenara durante 15 ± 5 minutos, con el objeto de introducirla a secado dentro del horno a una temperatura de 110 ± 5ºC.
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Al final del período de secado, se enfrió la muestra a temperatura ambiente, para luego introducirla en otra porción nueva de solución. El proceso se repitió hasta cumplir cinco ciclos completos de inmersión – secado. Una vez terminados los 5 ciclos de saturación – secado y con la muestra a temperatura ambiente, se procedió a lavarla hasta dejarla libre de solución de sulfato de sodio. Cuando todo el sulfato de sodio fue removido, se secó la muestra dentro de un horno hasta un peso constante a una temperatura de 110 ± 5ºC, luego cada porción del agregado se tamiza en sus respectivas mallas según el tamaño apropiado de las partículas, obteniendo el peso final.
4.1.6. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210)
4.1.6.1. Muestra Nº 1 (Grava ¾” y ½”) Se pasó la muestra original en estado húmedo por el tamiz de 4.75 mm; disgregando manualmente los terrones de material que puedan existir, la muestra se secó hasta un peso constante en horno a temperatura de 110 ± 5º C, dejándolo enfriar a temperatura ambiente.
Figura 4.10. Lavado de muestra
Se preparó 1 litro de agua, en donde la muestra se sumergió para luego lavarla por la malla Nº 200, se pesaron 7 gramos de solución stock (solución determinada según la ASTM D-2419), en 3 probetas distintas, esto para promediar los resultados y obtener un resultado más confiable.
77
Figura 4.11. Peso de probeta para solución stock
En la probeta con la solución stock se vertió el agua con el que se había lavado la muestra por la malla 200, llegando hasta la altura de 15 pulgadas para luego verter la muestra lavado, agitando por 20 veces de arriba hacia abajo para el mezclado y luego se dejó en reposo por 20 minutos, para leer la altura del material que se encuentra en la parte inferior de la probeta, esto se hizo para cada recipiente.
Figura 4.12. Muestra de agregado fino con solución stock
4.1.6.2. Muestra Nº 2 (Material cero o ¼”) La metodología que se usó para esta muestra es la misma que la del equivalente de arena, cambiando únicamente en el tiempo de mezclado en la máquina agitadora que ahora fue de 10 minutos.
78
4.2. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1
4.2.1. Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D-2397 o D 244-22/24) Por conveniencia y precisión se usan dos temperaturas de ensaye, las cuales cubren el rango de trabajo. Estas temperaturas son 25°C y 50°C (77 ó 122°F). Su elección depende de las características viscosas de la emulsión, según su tipo y grado.
Para hacer el ensayo a 25°C se calienta una muestra hasta la temperatura de ensayo
Se revuelve cuidadosamente
Se le vuelca a través de un colador en un tubo normalizado que tiene un orificio tapado
Se saca luego el tapón y se mide el tiempo que tardan en salir 60 ml de asfalto Este intervalo de tiempo, medido en segundos, es la viscosidad Saybolt-Furol. Es obvio que cuanto más viscoso es el material, mayor es el tiempo que necesita un determinado volumen para fluir por el orificio. Por lo tanto, un incremento en el número de viscosidad indica un aumento en la viscosidad de la emulsión.
Para el ensayo a 50°C, se debe calentar la muestra a 50 ± 3°C
Se le vuelca, colocándola en el tubo
Se le lleva a la temperatura de ensayo
Se saca el tapón
Se cronometra el tiempo, como ya se describió antes.
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Figura 4.13. Ensayo de Viscosidad Saybolt
4.2.2. Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8) El ensaye de destilación se usa para determinar las proporciones relativas de cemento asfáltico y agua presentes en la emulsión. Algunos grados de asfalto emulsificado, también contienen aceites; la destilación entrega información acerca de la cantidad de este material en la emulsión. También este ensayo permite analizar el residuo mediante ensayes adicionales como penetración, solubilidad y ductilidad, que son descritos en los cementos asfálticos. La destilación se realiza aumentando la temperatura hasta llegar a 260°C la cual debe mantenerse durante 15 minutos, es importante mencionar que la emulsión casi nunca se trabaja a esta temperatura por lo que es recomendable cambiar la temperatura y el tiempo del ensayo, pues se pueden afectar las propiedades físicas del residuo de asfalto envejeciéndolo. El procedimiento de ensaye es muy similar al descrito para asfaltos cortados.
Una muestra de 200 g de emulsión destilada a 260°C
La diferencia al destilar una emulsión es que se usa un recipiente de hierro y anillos quemadores en vez de un matraz de vidrio y mechero Bunsen
El equipo está diseñado para evitar los problemas que pueden originarse con la formación de espuma al calentar la emulsión
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La temperatura final de destilación de 260°C se mantiene durante 15 minutos con el objeto de obtener un residuo homogéneo.
Los grados medio y rápido de las emulsiones catiónicas pueden incluir aceite en el destilado, cuya cantidad máxima está limitada por especificaciones. El material destilado, se recibe en una probeta graduada, incluye tanto el agua como el aceite presentes en la emulsión. Ya que estos dos materiales se separan, las cantidades de cada uno de ellos pueden determinarse directamente en la probeta graduada.
Figura 4.14. Ensayo de Destilación para emulsiones asfálticas
4.2.3. Estabilidad de Almacenamiento y Sedimentación (ASTM D244)
El ensaye de sedimentación indica la tendencia de las partículas de asfalto a perder la estabilidad, durante el almacenamiento de la emulsión. Detecta la propensión de los glóbulos de asfalto a sedimentar durante el almacenamiento. Este ensayo sirve también como indicador de la calidad de la emulsión aun cuando ésta no sea almacenada. Una falla en el ensaye de sedimentación indica que algo anda mal en el proceso de emulsificación.
Se colocan 2 muestras de 500 ml en sendos tubos de vidrio graduados
Se les deja descansar o reposar tapados, durante 5 días, en un lugar donde no sufra golpes ni vibraciones
Luego se toman pequeñas muestras de las partes superior e inferior de cada tubo
Se coloca cada muestra en un recipiente y se pesa
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La muestra se calienta hasta que se evapore toda el agua y luego se pesa el residuo
Los pesos obtenidos se usan para encontrar la diferencia entre el contenido de cemento asfáltico de las porciones superior e inferior del cilindro.
Esto da como resultado una medida de la sedimentación.
Figura 4.15. Sedimentación y Estabilidad
Para medir la estabilidad, un dado volumen de emulsión se deja reposar en una probeta graduada durante 24 horas. Luego se toman muestras del fondo y de la superficie de la probeta. Cada muestra se coloca en un vaso de precipitado y es pesada y calentada hasta evaporar el agua. Luego se pesa el residuo. Los pesos obtenidos se utilizan para hallar la diferencia, si la hay, entre los contenidos de residuo asfáltico de las fracciones superior e inferior de la probeta.
4.2.4. Carga de partículas de prueba (ASTM D-244) El ensaye de carga de partícula se hace para identificar las emulsiones catiónicas de rotura rápida y media.
Se materializa sumergiendo un par de electrodos, positivo (ánodo) y negativo (cátodo), conectados a una fuente de corriente eléctrica continua, en una muestra de emulsión
Luego de 30 minutos, o cuando la intensidad de corriente decrece 2 miliamperios, se observan los electrodos y se determina cuál tiene una capa apreciable de asfalto depositado
Si está en el cátodo, estamos en presencia de una emulsión asfáltica catiónica.
82
Figura 4.16. Ensayo de Carga de Partículas
4.2.5. Penetración (ASTM T 49)
Es una medida de la dureza del residuo asfáltico a la temperatura especificada. Este ensayo mide la profundidad de la penetración de una aguja, normalizada, bajo una carga de 100 g durante 5 segundos a una temperatura de 25°C.
Figura 4.17. Ensayo de Penetración
Sin embargo, otras temperaturas y cargas son a veces aplicadas cuando se requiere información adicional.
83
4.3. COMBINACIÓN DE AGREGADOS Y EMULSIÓN ASFÁLTICA PARA OBTENCIÓN DEGRANULOMETRÍ A IDEAL PARA EL DISEÑO
Para determinar el diseño de mezcla asfáltica en frío óptimo, se ensayaron diversas muestras con distintos porcentajes de agua, sin alterar el porcentaje de agregados y emulsión. Los valores que se reflejan en la siguiente tabla, en las columnas nombradas como ¾”, ½” y material cero o ¼”, son resultado de un análisis granulométrico que partió de las especificaciones establecidas por el Manual de Diseño de Pavimentos para mezclas asfálticas en frío. Los porcentajes obtenidos para cada tipo de agregado son resultado de un análisis de prueba y error que consistió en variar estos porcentajes hasta obtener la curva granulométrica ideal que se encuentre dentro de los límites anteriormente mencionados.
Tabla 4.2. Combinación de agregados ideal
Mezcla de ¾” Tamices 13% 27% 60%
Mezcla Especificaciones
Nominal mm ¾” ½” Material cero
Inferior Superior
¾” 19.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 ½” 12.50 54.00 100.00 100.00 94.00 90.00 100.00 3/8” 9.50 18.00 84.00 100.00 85.00 - - N° 4 4.75 9.00 14.00 96.00 62.60 45.00 70.00 N° 8 2.36 6.00 5.00 65.00 41.10 25.00 55.00 N°16 1.18 4.00 3.00 43.00 27.10 - - N° 30 0.60 4.00 3.00 30.00 19.30 - - N° 50 0.30 3.00 2.00 22.00 14.10 5.00 20.00 N° 100 0.15 3.00 2.00 16.00 10.50 - - N° 200 0.075 2.4 1.90 11.00 7.40 2.00 9.00
Fuente: Resultados derivados del análisis realizado
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Gráfico 4.1. Curva Granulométrica ideal
Los valores que se presentan a continuación están íntimamente relacionados. El residuo de la emulsión que corresponde a 59.50% fue obtenido en los ensayos realizados a la emulsión asfáltica. Por su parte, el porcentaje de cemento asfáltico presente en la mezcla se obtiene con la ecuación tomada del Apéndice F del Manual 14 para diseño de mezclas en frío mencionada en el acápite 4.4.1.2., y que se muestra en el Anexo E del presente documento. Toda la información para obtener este porcentaje está basada en los porcentajes de agregados retenidos en la malla N° 8, el que pasa la malla N° 8 y retiene la N°200 y el porcentaje que pasa este último. De esta forma se obtiene el porcentaje de emulsión asfáltica que se utilizará, basado en el peso seco de los agregados.
Tabla 4.3. Parámetros de diseño de mezcla
Contenido de Emulsión (% s/a)
Cemento Asfáltico ( % s/a) 7.01 Residuo de la Emulsión 59.50 %
Emulsión Asfáltica ( % s/a) 11.78
Fuente: Resultados derivados del análisis realizado
Luego se determinó el porcentaje de humedad de cada agregado, para determinar la cantidad de agua que necesitarán las muestras.
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Tabla 4.4. Porcentaje de agua para las muestras
Agregado Peso
Húmedo (g) Peso
Seco (g) %
Humedad
Material cero o ¼” 235.00 234.00 0.427 Grava ½” 305.50 305.50 0.00 Grava ¾” 318.50 318.00 0.157
Fuente: Resultados derivados del análisis realizado
Luego de haber determinado el porcentaje de humedad de cada agregado, se corrigieron los pesos secos, a continuación detallados.
Pesos Secos Corregidos por Humedad
Observación: Para la grava de ½” no se realizó corrección por humedad puesto que este no presentaba ningún porcentaje de humedad. Con los porcentajes de humedad encontrados de los agregados, se procedió a ponderarlos con el objetivo de conocer el porcentaje de humedad de la mezcla (Ver tabla N° 4.3.)
Se realizaron cuatro muestras con distintos valores de porcentaje de agua, aumentando el 1% por cada muestra. El punto de partida fue 2% de agua y 11.78 % de emulsión, con los porcentajes de combinación de agregados (Ver tabla N° 4.1.)
86
Para iniciar con el 2% de agua, se tomó en cuenta el porcentaje de la mezcla de 0.27%, por lo que el agua que se le agregara es la diferencia del punto de partida de 2% y la humedad de la mezcla de 0.27%, dando un resultado de 1.73%.
El peso total de la muestra es de 1,002.70 g, añadiendo el porcentaje de humedad de la mezcla de 2.7 % Para determinar el peso exacto de cada agregado para las muestras, se ponderó con el porcentaje de humedad del agregado.
Se colocó una tara en la balanza, y se procedió a pesar las diferentes cantidades de agregado, ya establecidos anteriormente.
87
Figura 4.18. Mezclado y pesaje de las muestras
88
Figura 4.19. Cantidad de agregado en las muestras
Luego de haber combinado los agregados, se agregó el 1.73% de agua antes determinado a la tara homogenizándolo bien.
Figura 4.20. Porcentaje de agua en las muestras
89
Se pesó el 11.78% de emulsión que equivale a 117.80 g, y se agregó a la tara con la muestra de los agregados, homogenizándolo bien durante 60 segundos y poniéndolo a secar.
Figura 4.21. Porcentaje de emulsión en las muestras
90
Figura 4.22. Mezclado de las muestras
Se siguió este procedimiento para las 4 muestras con la finalidad de observar el comportamiento de las mismas con respecto al recubrimiento de las partículas.
Figura 4.23. Obtención de muestras para elaboración de briquetas Marshall
91
Tabla 4.5. Composición de la mezcla
Material cero (g)
Grava ½” (g)
Grava ¾” (g)
% Agua Emulsión (g)
Muestra N° 1 (2%)
602.56 270.00 130.20 17.30 117.80
Muestra N° 2 (3%)
602.56 270.00 130.20 27.30 117.80
Muestra N° 3 (4%)
602.56 270.00 130.20 37.30 117.80
Muestra N° 4 (5%)
602.56 270.00 130.20 47.30 117.80
Estos valores obtenidos son el punto de partida para encontrar el diseño óptimo de la mezcla y proceder a ejecutar las briquetas de compactación, para encontrar los parámetros del ensayo Marshall.
4.4. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO
La primera preparación para los ensayos consta de reunir muestras del asfalto y del agregado que va a ser usado en la mezcla de pavimentación. Es importante que las muestras de asfalto tengan características idénticas a las el asfalto que va a ser usado en la mezcla final. Lo mismo debe ocurrir con las muestras de agregado. La razón es simple: los datos extraídos de los procedimientos de diseño de mezclas determina la fórmula o “receta” para la mezcla de pavimentación. La receta será exacta solamente si los
ingredientes ensayados en el laboratorio tienen características idénticas a los ingredientes usados en el producto final. Una amplia variedad de problemas graves, que van desde una mala trabajabilidad de la mezcla hasta una falla prematura del pavimento, son el resultado histórico de variaciones ocurridas entre los materiales ensayados en el laboratorio y los materiales usados en la realidad.
4.4.1. Método Marshall
El propósito del Método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. También provee información sobre propiedades de la mezcla y establece densidades y contenido óptimos de vacío que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento. El Método Marshall emplea muestras normalizadas de prueba de 4” de diámetro y 2.5” de altura, compactadas con la misma combinación de agregados, pero con diferentes proporciones de agua y asfalto, las cuales son ensayadas a 60°C mediante deformación
lateral hasta alcanzar la falla. La carga de falla de las probetas se denomina estabilidad y la deformación máxima se llama flujo.
92
Las probetas se compactan con un martillo normalizado (10 libras y caída libre de 18”), aplicando 50 golpes por cara, según el MS-14, para su aplicación en carpetas de tránsito bajo y mantenimiento (Ver anexo F). El método requiere, además del ensayo de estabilidad y flujo, la ejecución de un análisis de densidad y vacíos de las probetas compactadas, para establecer la fórmula de trabajo (proporciones óptimas de agregados y cemento asfáltico). Una vez definido el porcentaje óptimo de asfalto de diseño según el criterio Marshall, se compactan nuevas probetas de mezcla con dicho porcentaje óptimo, las cuales se someten a dos comprobaciones para verificar la validez del diseño:
Resistencia a la deformación plástica: una probeta compactada en condiciones normalizadas se somete a 60°C a la acción cíclica de una rueda que aplica una presión de 9 kg/cm2 durante 120 minutos. Se mide la velocidad de deformación de la probeta en el intérvalo comprendido entre 105 y 120 minutos.
Comprobación de la adhesividad entre el agregado pétreo y el ligante asfáltico: probetas compactadas en condiciones normalizadas que se someten a curado en dos grupos: uno al aire a 25°C durante 4 días y otro mediante inmersión en agua a 49°C durante el mismo lapso o 24 horas a 60°C. Las probetas se fallan por compresión simple y se comparan los resultados de los dos grupos.
Se adoptará el método Marshall (AASHTO T 245) para verificar las condiciones de vacíos y estabilidad.
Tabla 4.6. Requerimientos para Mezcla Asfáltica con Granulometría Densa y Emulsión Asfáltica diseñadas con el Método Marshall26
Propiedad a evaluar Especificación
Estabilidad (kN) a 22 ± 1°C 2.22 mín. Porcentaje de pérdida de Estabilidad1 50 máx.
Recubrimiento del agregado (%) 50 mín. 1Luego de saturar los vacíos y sumergir en agua el especimen
El método aplica para mezclas para pavimentos de bajo volumen que contienen asfalto emulsificado y agregados minerales con graduación densa, de tamaño máximo de 25 mm (1 pulgada) o menos. Existen tres procedimientos de ensayo en el método del ensayo Marshall. Estos son: determinación del peso específico total, medición de la estabilidad Marshall, y análisis de la densidad y el contenido de vacíos de las probetas.
26
Fuente: Instituto del Asfalto, Manual Series N° 14 (MS-14)
93
4.4.1.1. Determinación del peso específico total o gravedad específica (AASHTO T 166)
El peso específico total de cada probeta se determina tan pronto como las probetas recién compactadas se hayan enfriado a la temperatura ambiente. Esta medición de peso específico es esencial para un análisis preciso de densidad-vacíos. El peso específico total se determina usando el procedimiento descrito en la norma AASHTO T 166.
Figura 4.24. Peso de la mezcla
4.4.1.2. Cantidad aproximada de emulsión asfáltica Se estima por los ensayos de mezcla con agregados de graduación densa usando el ensayo del Equivalente de la Centrífuga de Keroseno (C.K.E.). Si el equipo del ensayo anteriormente mencionado no está disponible, el contenido de asfalto emulsificado aproximado para los ensayos de las mezclas se puede hacer de la siguiente forma:
Donde: P: porcentaje por peso de asfalto emulsificado, basado en el peso seco del agregado1
A: porcentaje del agregado retenido en la malla de 2.36 mm (N°8)1
B: porcentaje de agregado pasando la malla de 2.36 mm (N°8) y retenido en la malla de 75 µm (N° 200)1
94
C: porcentaje de agregado pasando la malla de 75 µm (N°200)1
1Expresado como un número entero
Figura 4.25. Contenido de emulsión óptima
4.4.1.3. Contenido óptimo de agua en compactación Debido a que las propiedades de la mezcla están directamente relacionadas con la densidad de los especímenes compactados es necesario optimizar el contenido de agua en la compactación y de esta forma lograr las propiedades deseadas en la mezcla.
95
Figura 4.26. Contenido de agua óptimo
El procedimiento del diseño de mezcla utiliza especímenes estándar Marshall en la evaluación de las propiedades de la mezcla compactada. Para obtener resultados más confiables, hay que triplicar los especímenes que son preparados para cada contenido de agua en compactación. La mezcla se tiene que airear para reducir el contenido de agua para obtener la densidad máxima. Si el contenido de agua deseado en compactación difiere del contenido de agua óptimo de mezcla, se requiere aireación. La mezcla ahora está lista para la compactación.
4.4.1.4. Compactación de especímenes Los especímenes se compactan de la misma manera que los especímenes Marshall de mezcla asfáltica en caliente y se aplican 50 golpes con el martillo de compactación por cara. Una vez compactados, se curan en el molde por un día a temperatura ambiente, con los moldes colocados verticalmente para que se produzca igual ventilación en ambos extremos. Después de este período se desmoldan y se determina la gravedad específica aparente de los especímenes.
96
Figura 4.27. Compactación de briquetas
4.4.1.5. Variación del contenido de asfalto residual Se preparan una serie de especímenes de prueba sobre un rango de contenido de asfalto residual, usando el contenido de agua óptimo previamente establecido para mezcla y compactación. Se determina para una combinación de un agregado en particular y asfalto emulsificado. Se preparan seis especímenes para cada contenido de asfalto residual. Se mezclan y se compactan como se describió anteriormente. Se curan en el molde por un día a temperatura ambiente, se desmoldan y luego se curan por un día fuera del molde en un horno a 38°C (100°F). La mezcla debe proporcionar una estabilidad adecuada cuando se ensaya en condición húmeda para proveer una resistencia adecuada a la carga de transito durante la estación lluviosa. Una pérdida alta con respecto a la diferencia de los ensayos en seco o húmedo indica que la mezcla tiene una alta susceptibilidad a la humedad y puede causar desintegración. El total de vacíos de la mezcla debe estar dentro del rango aceptable para prevenir cualquier exceso de deformación permanente y absorción de humedad (para un contenido alto de vacíos), o exudación del asfalto residual de la mezcla (para bajo contenido de vacíos).
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La absorción de humedad en la mezcla no debe ser excesiva, así se minimiza el potencial de desnudamiento o debilitamiento de la adherencia entre el asfalto residual y el agregado. El asfalto residual debe proveer un adecuado recubrimiento del agregado y debe ser resistente al desnudamiento o abrasión. El contenido óptimo de asfalto residual se escoge para que provea la máxima estabilidad húmeda, pero está ajustado al alza o a la baja dependiendo de la absorción de humedad, porcentaje de pérdida de estabilidad, total de vacíos, y recubrimiento de agregados. Si el contenido de asfalto residual en el pico de la curva de estabilidad húmeda provee una adecuada absorción de humedad, porcentaje de pérdida de estabilidad, total de vacíos y recubrimiento del agregado. Éste último se selecciona como el contenido óptimo de asfalto.
Figura 4.28. Variación de contenido de emulsión
4.4.1.6. Estabilidad y flujo Marshall a 22.2°C Después de determinar la gravedad específica en seis especímenes curados, se ensayan tres de ellos para estabilidad y flujo. La temperatura de ensayo se tiene que mantener entre 21.1 y 23.3°C (70 y 74°F) usando un baño de agua cuando se requiera. La carga de prueba debe aplicarse al especimen a una tasa constante de deformación por minuto hasta que se obtenga la falla.
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Luego de la falla se colocan los especímenes fallados en recipientes y se meten al horno a 93 ± 6°C (200 ±10°F) por 24 horas. La masa del agua se corrige al restar la masa de agua absorbida durante la determinación de la gravedad específica aparente. El ensayo de estabilidad está dirigido a medir la resistencia a la deformación de la mezcla. La fluencia mide la deformación, bajo carga que ocurre en la mezcla. El procedimiento de los ensayos es el siguiente:
Las probetas son calentadas en el baño de agua a 60ºC (140ºF). Esta temperatura representa, normalmente, la temperatura más caliente que un pavimento en servicio va a experimentar.
La probeta es removida del baño, secada, y colocada rápidamente en el aparato Marshall. El aparato consiste de un dispositivo que aplica a una carga sobre la probeta y de unos medidores de carga y deformación (fluencia).
La carga del ensayo es aplicada a la probeta a una velocidad constante de 51 mm (2 pulgadas) por minuto hasta que la muestra falle. La falla esta definida como la carga máxima que la briqueta puede resistir.
La carga de falla se registra como el valor de estabilidad Marshall y la lectura del medidor de fluencia se registra como la fluencia.
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Figura 4.29. Ensayo de estabilidad y fluencia Marshall
La fluencia Marshall, medida en centésimas de pulgada representa la deformación de la briqueta. La deformación esta indicada por la disminución en el diámetro vertical de la briqueta.
100
4.4.1.7. Prueba de estabilidad y flujo en especímenes saturados Los tres especímenes restantes del grupo de seis (especímenes utilizados en la prueba de estabilidad y fluencia) se someten a saturación al vacío e inmersión. Una vez saturados se remoja el especimen en agua por una hora. Luego se determina la humedad absorbida.
4.4.1.8. Porcentaje de vacíos de aire (ASTM D 2276 o ASTM D 1188) Se determina la gravedad específica de los especímenes de acuerdo a los métodos descritos en ASTM D 2276 o ASTM D 1188. Una vez que se completan los ensayos de estabilidad y fluencia, se procede a efectuar un análisis de densidad y vacíos para cada serie de probetas de prueba. El propósito del análisis es el de determinar el porcentaje de vacíos en la mezcla compactada. El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto a un grado variable. Además, el cociente de absorción entre el agua y el asfalto varía con cada agregado. Los tres métodos para medir la gravedad específica del agregado toman estas variaciones en consideración. Estos métodos son: gravedad específica neta, la aparente y la efectiva: Gravedad específica neta, Gsb: proporción de la masa al aire de una unidad de volumen de un material permeable (incluyendo vacíos permeables e impermeables del material) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada. Gravedad específica aparente, Gsa: proporción de la masa en aire de una unidad de volumen de un material impermeable a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada. Gravedad específica efectiva, Gse: proporción de la masa en aire de una unidad de
volumen de un material permeable (excluyendo vacíos permeables de asfalto) a una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura indicada.
101
Figura 4.30. Ilustración de los parámetros de diseño volumétrico
Fuente: Bitumen Training Course. El Asfalto en la Construcción de Pavimentos Flexibles. Julio 2005. Shell Bitumen. Los vacíos son las pequeñas bolsas de aire que se encuentran entre las partículas de agregado revestidas de asfalto. El porcentaje de vacíos se calcula a partir del peso específico total de cada probeta compactada y del peso específico teórico de la mezcla de pavimentación (sin vacíos). Este último puede ser calculado a partir de los pesos específicos del asfalto y el agregado de la mezcla, con un margen apropiado para tener en cuenta la cantidad de asfalto absorbido por el agregado, o directamente mediante un ensayo normalizado (AASHTO T 2091) efectuado sobre la muestra de mezcla sin compactar. El peso específico total de las probetas compactadas se determina pesando las probetas en aire y en agua.
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5. RESULTADOS
5.1. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS
5.1.1. Granulometría (AASHTO T 27) 5.1.1.1. Grava ¾”
Tabla 5.1. Muestra de Grava ¾”
Datos
Wseco (g) 631.90 Whúmedo (g) 640.90 % Humedad 1.42 Wseco lavado Muestra Nº 1 (g) 2,465.00 Wseco lavado Muestra Nº 2 (g) 3,216.20 Wseco lavado Muestra Nº 3 (g) 2,540.96
Con la muestra obtenida del peso seco lavado, se procedió a cribar la muestra en los diferentes tamices, obteniendo lo siguiente:
103
Tabla 5.2. Cribado de Grava ¾”
Muestra Nº1 Muestra Nº2 Muestra Nº3
N° Malla
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
Peso Retenido Acumula
do (g)
% Pasa
25.40 mm (1”) 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 19.00 mm (3/4”) 17.50 99.30 0.00 100.00 0.00 100.00 12.50 mm (1/2”) 1,059.50 57.00 1,602.50 50.20 1,149.50 54.80 9.50 mm (3/8”) 1,883.00 23.60 2,654.00 17.50 2,179.00 14.20 N° 4 2,181.50 11.50 2,917.00 9.30 2,409.00 5.20 N° 8 2,268.00 8.00 3,029.00 5.80 2,450.00 3.60 N° 16 2,316.50 6.00 3,087.00 4.00 2,473.00 2.70 N° 30 2,335.00 5.30 3,105.00 3.50 2,481.00 2.40 N° 50 2,348.50 4.70 3,117.50 3.10 2,488.00 2.10 N° 100 2,363.50 4.10 3,123.50 2.90 2,494.50 1.80 N° 200 2,384.50 3.30 3,139.00 2.40 2,501.50 1.60 Fondo 2,459.00 - 3,147.00 - 2,504.50 -
5.1.1.2. Grava 1/2”
Tabla 5.3. Muestra de Grava ½”
Datos
Wseco (g) 638.00 Whúmedo (g) 640.80 % Humedad 0.44 Wseco lavado Muestra Nº1 (g) 2,332.50 Wseco lavado Muestra Nº2 (g) 2,687.24 Wseco lavado Muestra Nº3 (g) 2,108.79
Con la muestra obtenida del peso seco lavado, se procedió a cribar la muestra en los diferentes tamices, obteniendo lo siguiente:
104
Tabla 5.4. Cribado de Grava ½”
Muestra Nº1 Muestra Nº2 Muestra Nº3
N° Malla
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
Peso Retenido Acumula
do (g)
% Pasa
25.40 mm (1”) 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 19.00 mm (1/2”) 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 12.50 mm (1/2”) 0.00 100.00 5.50 99.80 0.00 100.00 9.50 mm (3/8”) 349.00 85.03 522.50 80.6 296.50 85.90 N° 4 1,955.00 16.18 2,419.00 10.00 1.805.00 14.40 N° 8 2,186.50 6.26 2,576.50 4.10 2,013.00 4.50 N° 16 2,247.50 3.64 2,604.50 3.10 2,041.50 3.20 N° 30 2,265.00 2.90 2,613.00 2.80 2,049.50 2.80 N° 50 2,275.00 2.47 2,619.50 2.50 2,055.50 2.50 N° 100 2,282.50 2.14 2,623.00 2.40 2,059.50 2.30 N° 200 2,295.00 1.61 2,631.00 2.10 2,064.50 2.10 Fondo 2,329.50 - 2,637.00 - 2,069.00 -
5.1.1.3. Material cero o ¼”
Tabla 5.5. Muestra de Material cero o ¼”
Datos
Wseco (g) 371.60 Whúmedo (g) 373.80 % Humedad (%) 0.59 Wseco lavado corregido Muestra Nº 1 (g) 4,185.20 Wseco lavado Corregido Muestra Nº 2 (g) 2,743.77 Wseco lavado Corregido Muestra Nº 3 (g) 2,723.23
Con la muestra obtenida del peso seco lavado, se procedió a cribar la muestra en los diferentes tamices, obteniendo lo siguiente:
105
Tabla 5.6. Cribado de Material cero o ¼”
Muestra Nº1 Muestra Nº2 Muestra Nº3
N° Malla
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
Peso Retenido
Acumulado (g)
% Pasa
N° 4 185.00 95.60 102.00 96.30 110.00 96.00 N° 8 1,545.50 63.10 935.50 65.90 913.00 66.50 N° 16 2,431.50 41.90 1,539.50 43.90 1,519.00 44.20 N° 30 2,957.50 29.30 1,897.50 30.80 1,883.50 30.80 N° 50 3,279.00 21.70 2,128.50 22.40 2,104.50 22.70 N° 100 3,545.50 15.30 2,300.00 16.20 2,283.50 16.10 N° 200 3,743.50 10.60 2,424.00 11.70 2,411.00 11.50 Fondo 3,851.50 - 2,457.00 - 2,474.50 -
5.1.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176)
Tabla 5.7. Material cero o ¼”
Nº Muestra Lectura de Arena Lectura de Arcilla Equivalente de Arena (%)
Muestra 1 3.50 4.10 85.37 Muestra 2 3.70 4.10 89.81 Muestra 3 3.60 4.20 85.71
5.1.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96)
El peso de la muestra se determinó mediante la tabla Nº 3.7., teniendo en cuenta el tamaño nominal del agregado, y cribándolo por las mallas indicadas según la AASHTO. 5.1.3.1. Grava ¾”
Tabla 5.8. Grava ¾”
Datos (Método B)
Wseco lavado (kg) 5,000.00 Wretenido 3,532.00 % Desgaste 29.40
5.1.3.2. Grava ½”
Tabla 5.9. Grava ½”
Datos (Método C)
Wseco lavado (kg) 5,000.00 Wretenido 3,590.00 % Desgaste 28.20
106
5.1.4. Gravedad Específica Agregado Grueso (T84) – Agregado Fino (T85) – Peso Unitario (T19)
Para determinar la gravedad específica y los pesos unitarios, se tomaron en cuenta dos
muestras, estos para poder obtener dos resultados y así poder diferenciarlos. Estos
ensayos se consideran el mismo, puesto que la gravedad específica está en dependencia
del peso unitario, obteniendo lo siguiente:
5.1.4.1. Grava ¾”
Tabla 5.10. Peso Unitario / Gravedad Específica Grava ¾”
Muestra N° 1 Muestra N° 2
Pss (g) 2,032.00 Pss (g) 2,046.60 Psa (g) 1,305.00 Psa (g) 1,319.50 Pseco (g) 1,993.90 Pseco (g) 2,008.50
Psuelto (g) 9,550.00 Absorción (%) 1.91 Absorción (%) 1.90 GBS (kg/m3) 2,742.64 GBS (kg/m3) 2,762.34 GSS (kg/m3) 2,795.05 GSS (kg/m3) 2,814.74 GAS (kg/m3) 2,894.32 GAS (kg/m3) 2,015.09
5.1.4.2. Grava ½”
Tabla 5.11. Peso Unitario / Gravedad Específica Grava ½”
Muestra N° 1 Muestra N° 2
Pss (g) 1,520.90 Pss (g) 1,513.70 Psa (g) 979.20 Psa (g) 973.20 Pseco (g) 1,493.00 Pseco (g) 1,484.40
Psuelto (g) 9,553.33 Absorción (%) 1.87 Absorción (%) 1.97 GBS (kg/m3) 2,756.14 GBS (kg/m3) 2,746.35 GSS (kg/m3) 2,807.64 GSS (kg/m3) 2,800.56 GAS (kg/m3) 2,905.80 GAS (kg/m3) 2,903.76
5.1.4.3. Material cero o ¼”
Tabla 5.12. Peso Unitario / Gravedad Específica Material cero o ¼”
Muestra N° 1
Absorción (%) 0.64 GBS (kg/m3) 2,918.92 GSS (kg/m3) 2,937.72
107
5.1.5. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104)
Para la determinación del porcentaje de pérdida por acción del sulfato de sodio, se consideraron los pesos determinados en la tabla N° 3.8. Tomando en cuenta el tamaño del agregado, obteniendo lo siguiente: 5.1.5.1. Grava ¾”
Tabla 5.13. Durabilidad en Sulfatos Grava ¾”
Tamiz Nº Pinicial (g) Pfinal (g) % Pérdida % Tamiz % Corregido
19.00 mm 674.70 674.00 0.10 38.30 0.04
12.00 mm 332.90 332.00 0.27 49.70 0.13
9.50 mm 301.10 301.00 0.03 12.00 0.004
% Pérdida = 0.17%
5.1.5.2. Grava ½”
Tabla 5.14. Durabilidad en Sulfatos Grava ½”
Tamiz Nº Pinicial (g) Pfinal (g) % Pérdida % Tamiz % Corregido
12.00 mm 332.40 331.90 0.15 10.80 0.02
9.50 mm 302.00 301.90 0.03 89.20 0.026
% Pérdida = 0.05%
5.1.5.3. Material cero o ¼”
Tabla 5.15. Durabilidad en Sulfatos Material cero o ¼”
Tamiz Nº Pinicial (g) Pfinal (g) % Pérdida % Tamiz % Corregido
Nº 4.00 100.90 100.70 0.20 26.00 0.05
Nº 8.00 100.50 99.50 1.00 22.00 0.22
Nº 16.00 100.50 98.60 1.93 14.00 0.27
Nº 30.00 100.10 95.70 4.59 9.00 0.41
% Pérdida = 0.95%
108
5.1.6. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) Para determinar el índice de durabilidad del agregado grueso, se combinaron la grava de ¾” y ½” cribándolo por los distintos tamices de ¾”, ½” y 3/8”, para obtener una muestra de 2,550.25 g 5.1.6.1. Grava ¾” y ½”
Tabla 5.16. Índice de Durabilidad Grava ¾” y ½”
Muestra Nº1 Muestra Nº2 Muestra Nº3
ID 96.00% 96.00% 96.00% Hs 0.10 0.10 0.10
5.1.6.2. Material cero o ¼”
Tabla 5.17. Índice de Durabilidad Material cero o ¼”
Nº Muestra Lectura de Arena Lectura de Arcilla Índice de Durabilidad (%)
Muestra 1 3.60 4.00 90.00 Muestra 2 3.50 3.90 89.74 Muestra 3 3.60 3.90 92.31
5.2. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS SEGÚN CLASIFICACIÓN AASHTO
5.2.1. Grava ¾”
Tabla 5.18. Granulometría ¾”
Muestra Nº 1 Muestra Nº 2 Muestra Nº 3 Especificaciones N° Malla % Pasa % Pasa % Pasa Inferior Superior
25.40 mm (1”) 100.00 100.00 100.00 - - 19.00 mm (3/4”) 99.30 100.00 100.00 100.00 100.00 12.50 mm (1/2”) 57.00 50.20 54.80 90.00 100.00 9.50 mm (3/8”) 23.60 17.50 14.20 - - N° 4 11.50 9.30 5.20 45.00 70.00 N° 8 8.00 5.80 3.60 25.00 55.00 N° 16 6.00 4.00 2.70 - - N° 30 5.30 3.50 2.40 - - N° 50 4.70 3.10 2.10 5.00 20.00 N° 100 4.10 2.90 1.80 - - N° 200 3.30 2.40 1.60 2.00 9.00 Fondo - - - - -
109
Tabla 5.19. Clasificación AASHTO – Grava ¾”
Tipo de Ensayo Especificación Resultado
Desgaste Máximo 40.00% 29.40% Durabilidad en Sulfatos Máximo 15.00% 0.17% Índice de Durabilidad Mínimo 35.00% 96.00%
5.2.2. Grava ½”
Tabla 5.20. Granulometría ½”
Muestra Nº 1 Muestra Nº 2 Muestra Nº 3 Especificaciones N° Malla % Pasa % Pasa % Pasa Inferior Superior
25.40 mm (1”) 100.00 100.00 100.00 - - 19.00 mm (1/2”) 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 12.50 mm (1/2”) 100.00 99.80 100.00 90.00 100.0 9.50 mm (3/8”) 85.03 80.6 85.90 - - N° 4 16.18 10.00 14.40 45.00 70.00 N° 8 6.26 4.10 4.50 25.00 55.00 N° 16 3.64 3.10 3.20 - - N° 30 2.90 2.80 2.80 - - N° 50 2.47 2.50 2.50 5.00 20.00 N° 100 2.14 2.40 2.30 - - N° 200 1.61 2.10 2.10 2.00 9.00 Fondo - - - - -
Tabla 5.21. Clasificación AASHTO – Grava ½”
Tipo de Ensayo Especificación Resultado
Desgaste Máximo 40.00% 28.20% Durabilidad en Sulfatos Máximo 15.00% 0.05% Índice de Durabilidad Mínimo 35.00% 96.00%
110
5.2.3. Material cero o ¼”
Tabla 5.22. Granulometría material cero o ¼”
Muestra Nº 1 Muestra Nº 2 Muestra Nº 3 Especificaciones
N° Malla % Pasa % Pasa % Pasa Inferior Superior
N° 4 95.60 96.30 96.00 45.00 70.00 N° 8 63.10 65.90 66.50 25.00 55.00 N° 16 41.90 43.90 44.20 - - N° 30 29.30 30.80 30.80 - - N° 50 21.70 22.40 22.70 5.00 20.00 N° 100 15.30 16.20 16.10 - - N° 200 10.60 11.70 11.50 2.00 9.00 Fondo - - - - -
Tabla 5.23. Clasificación AASHTO – Material cero o ¼”
Tipo de Ensayo Especificación Resultado
Equivalente de Arena Mínimo 35.00% 86.96% Durabilidad en Sulfatos Máximo 15.00% 0.95% Índice de Durabilidad Mínimo 35.00% 90.68%
Todos los parámetros están dentro de las especificaciones presentadas, con la excepción de los agregados minerales, pues con anterioridad se presentó una curva granulométrica ideal para la mezcla de pavimentación, que cumple con la graduación especificada en el Manual MS-14 (Ver Anexo D).
111
5.3. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1
Tabla 5.24. Resultados para la emulsión asfáltica CSS-1
Ensayo Método de
Prueba Unidad de Medición
Resultado Especificaciones Mínima Máxima
Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados, s
ASTM D-2397 segundos 63.00 20.00 100.00
Residuos de la destilación ASTM D-244 % 59.50 57.00 Estabilidad de almacenamiento, 24 horas
ASTM D-244 % 0.54 1.00
Carga de partículas de prueba
ASTM D-244 Positivo Positivo
Prueba sobre el residuo de la destilación:
Penetración, 25°C, 100 g, 5 s
ASTM D-5 176.00 100.00 250.00
Todos los resultados cumplen con las especificaciones requeridas. Esta emulsión es apta para utilizarse en el diseño de la mezcla de pavimentación.
112
5.4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO SEGÚN ENSAYO MARSHALL
Tabla 5.25. Resultados para mezcla en frío
Peso en Peso Peso en Volumen Densidad Cemento Estabilidad Flujo Densidad Vacíos
Aire Saturado Agua (cm3) Briqueta Asfáltico Lectura (lb) (1/100") Máxima Teórica Totales
(g) (g) (g) (g/cm3) (%) (g/cm3) (%)
A B C VOL D EX E E x 9.06 I I I ENSAYO B-C A/VOL ENSAYO F*G ENSAYO ENSAYO ENSAYO
1,137.60 1,144.00 646.30 497.70 2.286 5.50 240 2,174 19 2.409 5.00
1,127.70 1,132.60 642.20 490.40 2.300 5.50 275 2,492 16 2.409 5.00
1,125.20 1,134.90 636.60 498.30 2.258 5.50 240 2,174 20 2.409 6.00
PROMEDIO: 2.281 5.50 252 2,280 18.3 2.409 5.33
1,163.20 1,168.70 654.30 514.40 2.261 6.00 240 2,174 25 2.368 5.00
1,181.90 1,186.00 667.20 518.80 2.278 6.00 220 1,993 21 2.368 4.00
1,125.10 1,130.20 642.80 487.40 2.308 6.00 270 2,446 19 2.368 3.00
PROMEDIO: 2.283 6.00 243 2,205 21.7 2.368 4.00
1,149.80 1,159.40 647.20 512.20 2.245 6.50 200 1,812 20 2.389 6.00
1,153.60 1,158.20 653.10 505.10 2.284 6.50 235 2,129 22 2.389 4.00
1,142.30 1,147.20 649.40 497.80 2.295 6.50 240 2,174 19 2.389 4.00
PROMEDIO: 2.274 6.50 225 2,039 20.3 2.389 4.67
1,158.70 1,164.30 653.00 511.30 2.266 7.00 190 1,721 22 2.410 6.00
1,163.50 1,169.20 659.70 509.50 2.284 7.00 215 1,948 25 2.410 5.00
1,156.80 1,161.10 652.80 508.30 2.276 7.00 235 2,129 24 2.410 6.00
113
PROMEDIO: 2.275 7.00 213 1,933 23.7 2.410 5.67
1,162.00 1,168.30 656.90 511.40 2.272 7.50 195 1,767 26 2.412 6.00
1,172.00 1,176.80 661.60 515.20 2.275 7.50 205 1,857 25 2.412 6.00
1,157.40 1,160.10 657.00 503.10 2.301 7.50 240 2,174 23 2.412 5.00
PROMEDIO: 2.283 7.50 213 1,933 24.7 2.412 5.67
La tabla anterior demuestra los resultados obtenidos después de finalizados los ensayos a las muestras. Las primeras tres columnas nos muestran las densidades obtenidas de las briquetas tanto en su estado seco como saturado en agua, el cual evalúa las condiciones más críticas en las que se puede encontrar el pavimento. En el caso del porcentaje de cemento asfáltico, se evaluaron 4 puntos, los que tuvieron un punto de partida de 7.01%, obtenido de la ecuación para determinar el porcentaje aproximado de emulsión. Los resultados de la estabilidad que se obtuvieron con este porcentaje fueron bajos, por lo que se decidió valorar 4 puntos por debajo de este valor para observar el comportamiento de la mezcla. Por otro lado, se ensayaron las briquetas para obtener los valores de estabilidad y flujo Marshall, teniendo en cuenta el factor de carga del anillo que afecta el valor de estabilidad. Este valor corresponde, según la calibración del equipo, a 9.06 De acuerdo a los valores que se obtuvieron para la estabilidad, únicamente el punto N° 1 cumple con las especificaciones establecidas en el Manual MS-14 del Instituto del Asfalto, puesto que el valor mínimo corresponde a 2,224.00 y el dato obtenido fue de 2,280.00 Sin embargo, este valor es cercano al valor límite establecido. Para el cálculo de la densidad máxima teórica se obtuvo el peso total de la mezcla sin compactar, dejando reposar las muestras por 24 horas y luego colocando en el horno a 60°C. De esta forma se obtuvo el peso seco y el volumen de las muestras, los cuales permiten determinar la densidad máxima teórica. Con la densidad máxima teórica y la densidad de la briqueta se calcula el porcentaje de vacíos, que es lo permite determinar el tipo de mezcla según los porcentajes de vacío. Por esta razón, se demuestra que el tipo de mezcla diseñada es densa o cerrada (%vacíos <6).
114
Tabla 5.26. Parámetros Marshall
Resultados Obtenidos
Especificaciones MS-14
Contenido de Asfalto s/a (%) 5.50 5
Densidad de Briqueta (kg/m³) 2.281 -
Estabilidad (lb) 2,280 2,224
Vacíos Totales "Va" (%) 5.33 4 - 6
La tabla anterior nos muestra los resultados definitivos obtenidos sobre contenido óptimo de asfalto, estabilidad y vacíos, según lo dicta el Manual MS-14 del Instituto del Asfalto. Estos valores corresponden al punto N° 1 evaluado y descrito en la tabla anterior, que fue el punto que cumplió con las especificaciones establecidas. Se resume en consecuencia que con 5.50% de asfalto se logró encontrar un valor de estabilidad ubicado dentro de los valores que exige la normativa, al igual que la cantidad de vacíos totales, que corroboran el tipo de mezcla utilizada en el diseño (densa o cerrada) y el uso que se le pretende dar, el cual corresponde en esta investigación a mantenimiento rutinario de pavimentos flexibles.
En el siguiente acápite se aborda la temática de Mantenimiento de pavimentos.
115
6. MANTENIMIENTO
Según el Manual Centroamericano de Mantenimiento de Carreteras, define mantenimiento al conjunto de todas las acciones que tienen como objetivo mantener o restaurar la carretera y sus componentes, al estado en el cual pueda brindar el nivel de servicio requerido y para el que fue diseñado. Es importante resaltar que el objetivo del mantenimiento vial, es el sostenimiento de las características físicas de los elementos que conforman una carretera, para brindar al usuario una conducción cómoda y segura, por lo que deben monitorearse las vías en busca de fallas iniciales que puedan ser atendidas con un programa de mantenimiento rutinario o periódico, y en la medida de lo posible, realizar las acciones para evitar que estas ocurran al establecer un mantenimiento preventivo.
6.1. Utilización de las mezclas asfálticas a temperatura ambiente para conservación y bacheo
Los tipos de deterioro mas frecuentes en las calzadas de pavimentos flexibles son: peladuras por envejecimiento o por acción del agua; grietas diversas; depresiones; bordes destruidos, baches de distinta magnitud, etc. De acuerdo al grado de deterioro que presente la calzada, se deberá seleccionar el tipo de material o mezcla más adecuada. En este caso y para este estudio se hablará sobre el problema más común que se presenta en los pavimentos del país: los baches. Según la definición del Instituto del Asfalto, los baches son roturas de la superficie, que penetran hasta la base o por debajo de ella. Para la reparación de este tipo de deterioros se podrán utilizar las mezclas asfálticas a temperatura ambiente tipo concreto, seleccionando la que más se adecúe a la envergadura de la rotura, de acuerdo a sus características granulométricas y textura superficial. Las mezclas asfálticas a temperatura ambiente pueden ser fabricadas y stockeadas hasta por 12 semanas para su progresiva utilización. La elección de los materiales a emplear, el proceso de fabricación, la disposición de la mezcla, clima y manipulación pueden permitir a las unidades de bacheo disponer de material todo el año a tales efectos. El acopio de mezcla fabricada debe tener un entorno relativamente húmedo y/o impermeable que no permita la evaporación final de la humedad consiguiendo que la misma se mantenga trabajable luego de su carga, transporte y manipulación en la zona de bache. Así, en
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profundidades inferiores a 5 cm, aproximadamente, se utilizan las mezclas finas, donde el tamaño máximo de las partículas minerales es del orden de 6 mm Si la profundidad a rellenar no supera los 10 cm (y no está comprometida la base) es posible emplear una mezcla densa tipo concreto, con agregados de 20 mm de tamaño máximo. De acuerdo con la granulometría del agregado a emplear se podrá optar por diferentes emulsiones catiónicas. Así, tratándose de una granulometría semi densa, se puede emplear una emulsión de corte medio, pero en el caso de mezclas densas, las más apropiadas son las lentas de curado rápido, porque permiten elaborar una mezcla con bajo tenor de humedad y donde la emulsión está completamente "cortada" inmediatamente después de su preparación. Esto acarrea grandes ventajas al efectuar un bacheo, pues resultan así más resistentes a la acción inmediata del agua y solo requieren una moderada compactación inicial, que luego es completada por el tránsito.
Figura 6.1. Procedimiento de bacheo27
6.1.1. Bacheo superficial o menor de pavimentos asfálticos28 Consiste en la reparación a mano o a máquina de estas áreas de superficie pavimentada, que se realiza con mezcla en frío o caliente, con un espesor máximo igual a la existente, incluyendo la excavación, extracción y cuadrado del área que debe repararse, y la colocación de mezcla asfáltica. Además, el acarreo del punto de fabricación al lugar de colocación.
6.1.1.1. Materiales a) Material de liga
El material asfáltico debe corresponder a un asfalto rebajado RC-70 (AASHTO M-81) o una emulsión asfáltica SS-1 (AASHTO M-41) o CSS-1 (AASHTO 208). Ambas emulsiones serán diluidas con agua, en tal proporción, que la mezcla resultante contenga aproximadamente el 40% por volumen de agua añadida, cuya cantidad exacta será fijada por el supervisor.
27Fuente: Manual Centroamericano de Mantenimientos de Carreteras, Edición 2010, pág. N° 114
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b) Mezclas Asfálticas Para el relleno de los baches podrá usarse mezclas en frío o en caliente. Para las mezclas en frío el material bituminoso será una emulsión asfáltica seleccionada
de acuerdo al tipo de agregados que se pretenda utilizar. Dicho aglomerante debe cumplir con los requisitos establecidos en la norma AASHTO M-140. Los agregados pétreos serán el producto de roca o grava triturada constituidas por material limpio, libre de humedad, denso y durable, libre de polvo, terrones de arcilla u otras materias indeseables, que puedan impedir la adhesión completa del asfalto a los agregados pétreos. En el caso de las mezclas en caliente se compondrá de agregados minerales gruesos,
agregados finos, llenante mineral (filler) y material bituminoso.
6.1.1.2. Procedimiento de ejecución Colocar dispositivos de seguridad transitorios y verificar que todo el personal disponga de la vestimenta obligatoria y en buen estado, y asegurar el control adecuado del tránsito. a) Excavación
El área debe ser marcada por el supervisor, debiendo ser dos de sus lados perpendiculares al eje del camino. Los cortes de las paredes deben quedar parejos y verticales. El fondo de la excavación debe nivelarse y compactarse adecuadamente y debe quedar libre de material suelto. Los materiales excavados deben ser retirados y transportados a sitios de depósito previamente autorizados. Los trabajos de corte, excavación y transporte podrán ser ejecutados mediante el uso de herramienta mecánica o manual. Los baches excavados deben rellenarse el mismo día, no se permite trabajarlos al siguiente día.
b) Aplicación de liga
Será aplicada sobre toda la superficie excavada, libre de material suelto y polvo, aplicándola en toda el área, incluyendo las paredes en proporciones que podrán variar desde 0.3 a 0.6 litros (0.08 a 0.15 galones) por metro cuadrado de superficie, y debe calentarse a una temperatura entre 60 a 80°C. Se debe colocar con cuidado para evitar la formación de charcos. Se debe permitir que el asfalto penetre en la base durante el tiempo necesario según lo indique el supervisor. c) Transporte de la mezcla La mezcla debe transportarse al sitio de colocación en vehículos con palangana de volteo limpios de todo material extraño que pueda afectar la mezcla. Las palanganas de los camiones deben ser pintadas o limpiadas con solución de cal o detergente, por lo menos una vez al día o tantas veces como sea necesario; después de esta operación, la palangana del camión debe ser elevada y completamente drenada. El despacho del vehículo debe programarse de tal manera que el material entregado pueda ser colocado con luz diurna. Debe cubrirse con lona u otro material que evite su contaminación durante el trayecto y que permita conservar su temperatura cuando se
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trate de concreto asfáltico en caliente. La entrega del material a las cuadrillas de colocación, se hará de manera uniforme y en cantidad según la capacidad de los recursos de colocación y compactación asignados al proyecto. d) Colocación de la mezcla asfáltica El material se extenderá a mano en una o dos capas de espesor similar, mediante el uso de carretillas de mano y rastrillos extendedores, sin permitir la segregación de los materiales y de acuerdo a los requerimientos establecidos. El nivel del bache terminado debe quedar a ras del nivel de la carretera. La colocación de la mezcla asfáltica no debe efectuarse cuando la superficie del bache se encuentre en estado insatisfactorio o con señales de humedad excesiva. Las áreas de la mezcla asfáltica inaccesibles para el compactador manual, deberán compactarse satisfactoriamente mediante el uso de mazos apisonadores aprobados. La compactación de la mezcla asfáltica deberá comenzar en los bordes y avanzar hacia el centro. Para mezcla en caliente, la temperatura de colocación y compactación será no menor de 100°C. Retirar dispositivos de seguridad en orden inverso a como fueron colocadas.
6.2. TRABAJOS DE MANTENIMIENTO Se agrupan en cinco categorías generales:
6.2.1. Mantenimiento rutinario Comprende la realización de todas aquellas actividades requeridas para conservar una vía en buen estado, las cuales se repiten una o más veces al año. También, incluye aquellas labores de reparación vial destinadas a recuperar ciertos elementos con daños menores, tales como los barandales de puentes, obras de drenaje menor, señalización vertical y horizontal, muros de retención y actividades afines.
6.2.2. Mantenimiento periódico Abarca las obras de conservación vial que se realizan en períodos programados, generalmente de más de un año de intervalo, para elevar la vía a un nivel de servicio bueno o muy bueno. Está considerada, entre otros, la colocación de sobrecapas en pavimentos deteriorados existentes y el mejoramiento de las capas de la estructura del pavimento.
6.2.3. Mantenimiento preventivo
Consiste en actividades y obras de mantenimiento destinadas a prevenir fallas en la vía que han sido identificadas como defectuosas o con alto riesgo de que ocurran, antes de que éstas sucedan.
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6.2.4. Mantenimiento por administración Se realiza en los casos donde los trabajos que deben realizarse no se pueden cuantificar, no existe una partida de pago en el contrato para cubrirlos o son para ejecutar obras de emergencia o no previstas. En estos casos es necesario proceder con la modalidad de trabajos por administración, mediante el cual el pago por toda la actividad realizada (mano de obra o materiales utilizados).
a) Mantenimiento de emergencia Corresponde a la ejecución de actividades realizadas en forma urgente, como consecuencia de sucesos de fuerza mayor (como el caso de desastres naturales) y que tienen el propósito de habilitar lo más pronto posible la vía para que permita la libre transitabilidad. Por otro lado, dentro del tipo de mantenimiento que se aplica para el caso de la mezcla en frío, se hace una descripción de los trabajos de mantenimiento contratado con base a estándares o niveles de servicio, los cuales se agrupas en 4 categorías generales:
a) Administración b) Mantenimiento rutinario c) Mantenimiento periódico d) Trabajos de emergencia
Sin embargo, para el presente estudio solamente se hará alusión al Mantenimiento Rutinario, debido a que éste contempla la actividad de bacheo, siendo parte de los objetivos de este estudio.
6.2.5. Mantenimiento Rutinario Es el conjunto de actividades necesarias para que la carretera conserve un nivel de servicio entre regular y bueno. Las actividades normalmente consideradas en el ámbito centroamericano son: • Desmonte del derecho de vía • Limpieza de cunetas revestidas • Limpieza de cunetas de tierra • Limpieza de alcantarillas • Re perfilado en carreteras de tierra • Re perfilado con compactación de carreteras • Re perfilado con compactación de hombros • Sello de juntas y grietas en pavimentos y hombros de concreto hidráulico • Sello de fisuras y grietas en pavimentos y hombros asfálticos • Bacheo en carreteras y hombros de mezclas asfálticas • Bacheo de tratamientos superficiales y hombros tratados • Limpieza, reacondicionamiento y reposición de señales verticales • Limpieza y restitución de defensas metálicas • Mantenimiento de señalización horizontal • Conservación de puentes • Limpieza de la superficie de rodadura
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• Reposición de vialetas u ojos de gato • Conservación de alcantarillas • Reemplazo de losas de hormigón La frecuencia con que deben ejecutarse las labores de conservación dependerá de múltiples factores, entre los cuales el tránsito y el clima son relevantes. Para fines de control de calidad los estándares e indicadores del nivel de servicio han sido desglosados en cinco renglones: i. Estándares e indicadores para áreas laterales ii. Estándares e indicadores para el drenaje iii. Estándares e indicadores para la señalización y seguridad vial. iv. Estándares e indicadores para los pavimentos. v. Estándares e indicadores para las estructuras viales. Los estándares y los indicadores que se presentan son para establecer la satisfacción de las labores de limpieza, ornato, estado de la superficie de rodadura, obras de drenaje, mantenimiento de puentes, prevención de derrumbes, y mitigación de vulnerabilidad a desastres naturales, etc.
Figura 6.2. Carpeta mezcla en frío con emulsión asfáltica, Colonia Pedro Joaquín
Chamorro, Managua29
29
Fuente: Las Autoras
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7. CONCLUSIONES Los ensayos que se abordaron en este informe, son de suma importancia puesto que los agregados forman parte fundamental para el diseño de una mezcla, ya sea de asfalto o de concreto. Estos deben cumplir con normas y especificaciones denominadas, en este caso, por el Instituto del Asfalto, para el buen comportamiento de la mezcla. El muestreo siempre debe realizarse en el momento que se están recopilando las muestras en los bancos de materiales, con el objetivo de poder evaluarlas uniformemente en los ensayos, incluyendo material fino y grueso. De esta forma se evita la pérdida de sus propiedades. No obstante, la granulometría forma un papel importante, puesto que con este ensayo se determinaron los tamaños nominales y máximos del agregado a ensayar. Todos los ensayos realizados a los agregados cuentan con certificación de calidad del Laboratorio del Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC), los cuales garantizan sus propiedades mecánicas y su adecuada funcionalidad en el diseño y construcción de las mezclas (los documentos presentados en los Anexos cuentan con su respectivo sello que garantiza la calidad del trabajo realizado). Por su parte, el uso de emulsión asfáltica fue determinante para el diseño de la mezcla de pavimentación. Fue de gran ventaja, debido a que el mayor porcentaje del cuerpo de la emulsión está formado por agua, lo que facilita la elaboración y colocación de la mezcla en los trabajos de construcción, así como su comportamiento a lo largo de su vida útil. Se puede mencionar satisfactoriamente que los valores obtenidos de los ensayos para evaluar la calidad de la emulsión cumplieron con las especificaciones exigidas por la normativa pertinente. Para el ensayo Marshall, el cual evalúa estabilidad, flujo y porcentaje de cubrimiento de las partículas de los agregados minerales, se estudiaron cinco puntos para observar el comportamiento de la mezcla ante las variaciones del porcentaje de asfalto. De estos cinco puntos, únicamente se mencionan los resultados para el punto N° 1, los cuales se encuentran dentro del intervalo permitido por las normas establecidas. Cabe mencionar que los valores para estabilidad y flujo Marshall se obtuvieron mediante los ensayos pertinentes. Sin embargo, el cubrimiento de partículas de los agregados fue evaluado únicamente mediante inspección visual. Se puede mencionar que los agregados
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en todas las muestras se encontraban suficientemente cubiertas por la emulsión. Por esta razón y debido a la experiencia del técnico, se decidió no ejecutar los ensayos para este
punto, además de que se observaba claramente este fenómeno. Para dar seguimiento a los objetivos planteados en la presente investigación y tomando en consideración la guía del Manual MS-14 del Instituto del Asfalto y de acuerdo a los ensayos realizados, se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 7.1. Conclusiones
Porcentaje de agregado grueso 13.00% Porcentaje de agregado intermedio 27.00% Porcentaje de agregado fino 60.00% Porcentaje de emulsión asfáltica óptimo
5.50%
Porcentaje de agua óptimo 2.70% Estabilidad Marshall 2,280.00 Flujo Marshall 18.30 Vacíos Totales 5.33 Cubrimiento de las partículas 100.00%
Figura 7.1. Especificaciones de parámetros Marshall de mezclas en frío MS-14
De acuerdo a los resultados obtenidos en la tabla 7.1 y debidamente comparados con las especificaciones del MS-14 como se muestra en la tabla 7.2, se puede concluir que estos valores son adecuados para el diseño de una mezcla asfáltica en fría de graduación densa que se construya para el mantenimiento rutinario de pavimentos flexibles. Por otro lado y de acuerdo al Manual MS-14 del Instituto del Asfalto, las proporciones encontradas en este diseño pueden emplearse para la construcción de carpetas de rodamiento de tráfico bajo, debido a la granulometría que se utilizó.
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8. RECOMENDACIONES
8.1. Elaboración de mezclas
Debe asegurarse que se obtengan mezclas homogéneas.
La mezcla de los agregados con el material bituminoso debe efectuarse mediante equipos mezcladores ambulantes o estacionarios.
El material bituminoso será adicionado de acuerdo al diseño, directamente sobre los agregados y durante el proceso de mezclado, mediante un dispositivo que permita la correcta dosificación.
La mezcla asfáltica debe procesarse, hasta que todas las partículas del agregado estén cubiertas de material bituminoso y toda la masa tenga un color uniforme, y sin manchas, grumos ó partículas sin recubrimiento.
La temperatura de los agregados será la ambiental.
En caso de que la mezcla asfáltica muestre un exceso, deficiencia o distribución irregular del material bituminoso, la falla debe ser corregida añadiendo agregado o material bituminoso, según fuera necesario y volviendo a mezclar.
Si la mezcla asfáltica contuviera cantidades excesivas de agua, debe volverse a mezclar, airearla y manipularla hasta que el contenido de agua de la mezcla se haya evaporado a niveles satisfactorios.
La mezcla elaborada debe almacenarse en sitios techados y preferiblemente cubierto con lonas, para evitar la evaporación excesiva de la humedad de mezclado y permitir así el reposo de la mezcla previo a la rotura de la emulsión.
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8.2. Diseño preliminar
Cuando se desarrolla una mezcla de diseño, es frecuentemente necesario hacer varias mezclas de prueba para encontrar una que cumpla con todos los criterios de diseño. Cada una de las mezclas de prueba sirve como una guía para evaluar y ajustar las pruebas siguientes.
Para diseño de mezclas preliminares o exploratorias, es aconsejable comenzar con una graduación de agregado que se acerque a la media de los límites establecidos. Las mezclas de prueba iniciales sirven para establecer la fórmula de trabajo y verificar que la graduación de agregado dentro de los límites especificados puede ser reproducida en una planta mezcladora.
Cuando las mezclas de pruebas iniciales fallan con los criterios de diseño en cualquier contenido de asfalto seleccionado, será necesario modificar o, en algunos casos, rediseñar la mezcla.
Para corregir una deficiencia, la manera más fácil de rediseñar una mezcla es cambiar la graduación de los agregados ajustando los porcentajes utilizados. Frecuentemente este ajuste es suficiente para cumplir con las especificaciones.
8.3. Evaluación y ajustes de una mezcla de diseño
8.3.1. Vacíos bajos y estabilidad baja
Para lograr vacíos altos en el agregado mineral (en consecuencia proveer de suficientes espacios, para una adecuada cantidad de asfalto y vacíos de aire), la graduación del agregado debe ajustarse mediante la adición de más agregado grueso o fino.
Disminuir el porcentaje de asfalto podrá tender a bajar la durabilidad del pavimento. Demasiada reducción en el contenido de asfalto puede ocasionar fracturación, oxidación acelerada e incremento de la permeabilidad. Si los ajustes anteriores no producen una mezcla estable, el agregado tendrá que cambiarse.
Es posible mejorar la estabilidad e incrementar el contenido de vacíos en el agregado de la mezcla, mediante el incremento del agregado grueso o reducción de la cantidad de material que pasa la malla N° 200. Con la incorporación de arena procesada, el contenido de vacíos puede mejorarse sin sacrificar la estabilidad de la mezcla.
8.3.2. Vacíos bajos y estabilidad satisfactoria
Bajos contenidos de vacíos pueden eventualmente resultar en inestabilidad debido a flujo plástico o después de que el pavimento ha sido expuesto al tránsito por un período de tiempo ante la reorientación de las partículas y compactación adicional.
Por su parte, insuficientes vacíos pueden ser producto de la cantidad requerida de asfalto para obtener una durabilidad alta en mezclas finas; sin embargo, la estabilidad es inicialmente satisfactoria por el tránsito específico.
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Una degradación de agregado pobre durante la producción de la mezcla y/o bajo la acción de tránsito puede ocasionar subsecuentemente inestabilidad y flujo si el contenido de vacíos de la mezcla no es suficiente.
8.3.3. Vacíos satisfactorios y estabilidad baja
Cuando se presente baja estabilidad y existan vacíos y gradación de agregados satisfactorios, se deberán tomar consideraciones para mejorar la forma de la partícula de los agregados utilizando material producto de trituración o incrementando el porcentaje de agregado grueso en la mezcla o posiblemente aumentando el tamaño máximo del agregado.
Partículas de agregado con textura rugosa y superficies menos redondeadas, presentan más estabilidad cuando se mantiene o incrementa el volumen de vacíos.
8.3.4. Vacíos altos y estabilidad satisfactoria
Aun cuando la estabilidad es satisfactoria, se deberán realizar ajustes para reducir los vacíos, debido a que altos contenidos de vacíos se asocian frecuentemente con mezclas con alta permeabilidad; al permitir la circulación de aire y agua a través del pavimento pueden ocasionar endurecimiento prematuro del asfalto, desprendimiento del agregado, o posible desprendimiento del asfalto en el agregado.
8.3.5. Vacíos altos y estabilidad baja
Cuando se presente esta condición, primero debe ajustarse el volumen de vacíos mediante los métodos discutidos en los puntos anteriores; segundo, si los ajustes no mejoran la estabilidad, deberá hacer una consideración de la calidad de los materiales, conforme lo anteriormente mencionado.
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ANEXOS
ANEXO A. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS EN EL COMPLEJO INDUSTRIAL NINDIRÍ (AGRENIC)
A.1. INFORME N° 1
Fecha de Realización de Ensayos: 01 de diciembre de 2012 Supervisor: Ingeniero José Rayo Tesistas: Bianka Ramos Cesia Muñiz Lugar: AGRENIC (Complejo Industrial Nindirí) Ensayo a los agregados Para la realización de pruebas a los agregados se utilizaron tres tipos de muestra:
- Grava ¾ “: Código N° 946-012-1
- Grava ½”: Código N° 946-012-2
- Material cero o ¼”: Código N° 946-012-3
Estos agregados son los que comúnmente se utilizan comúnmente para el diseño de mezcla asfáltica en frío. Ensayos Realizados
1- Granulometría (T 27 y T 11)
Introducción
La limpieza, sanidad, resistencia, forma y tamaño de las partículas son importantes en cualquier tipo de agregado. La granulometría y el tamaño máximo de agregado afectan las proporciones relativas de los agregados, pues su efecto tiene que ver en la dosificación, trabajabilidad y economía en el área en el que se utilizará.
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Objetivos
Este método establece el procedimiento para tamizar y determinar la granulometría de los agregados (grava ¾ “, grava ½” y material cero o ¼”).
Tabla A.1.1. Material y Equipo
Material Equipo
Grava ¾” Charola Grava ½” Espátula Material cero o ¼” Taras Horno 110 ± 5°C Balanza Tamices desde la malla
½” hasta la N° 200
Metodología
La metodología de ensayo para cada agregado grueso es la misma, partiendo de tres muestras por agregado para obtener mejores resultados.
- Grava ¾”
Se pesó una muestra del banco de materiales, para luego lavarla por la malla N° 200 y secarla al horno para obtener el peso seco lavado, el determinado para utilizar en la granulometría;
Figura A.1.1. Lavado de Agregado por Malla N° 200
130
Luego para la graduación de la muestra, se cribo en diversos tamices, partiendo de la malla ¾”. Obteniendo el porcentaje acumulado y retenido de las muestras.
Figura A.1.2. Tamizado de muestra
131
Resultados
Muestra Nº 1
- Grava ¾”
132
Muestra Nº 2
- Grava 1/2”
133
Muestra N° 3
- Material cero o ¼”
a. Cálculo de humedad
Se pesó una muestra de agregado en una tara que equivale al peso húmedo, luego se introdujo al horno a una temperatura de 110ºC, esto para determinar el peso seco de la misma. Luego de obtener el peso húmedo y peso seco de la muestra, se procedió a determinar la humedad de ese material.
Figura A.1.3. Muestra de Material cero
Se pesó una muestra para luego lavarla por la malla N° 200 y secarla al horno para obtener el peso seco lavado, el cual es el determinado para utilizar en la granulometría. Luego para la graduación de la muestra, se cribó en diversos tamices esto pasándolo por un tamizador, partiendo de la malla N° 4. Obteniendo el porcentaje acumulado y retenido de las muestras.
Figura A.1.4. Cribado de muestra para material cero
134
Resultados
Muestra N° 1
135
136
Resumen de Granulometrías
137
A.2. INFORME N° 2
Fecha de Realización de Ensayos: 02 de diciembre de 2012 Supervisor: Ingeniero José Rayo Técnico: Leonel Solís Tesistas: Bianka Ramos Cesia Muñiz Lugar: ITP (Instituto Técnico de Pavimentos) AGRENIC (Complejo Industrial Nindirí)
1- Peso Unitario (T 19)
Introducción
El peso unitario de los agregados se suele utilizar para determinar el uso de los mismos, puesto que es la relación del peso de la muestra sobre su volumen, determinando la gravedad específica de cada muestra.
Objetivos
Determinar los pesos unitarios y densidad específica para determinar el cumplimiento del agregado según los requerimientos necesarios para el diseño de la mezcla asfáltica.
Tabla A.2.1. Material y Equipo
Material Equipo
Grava ¾” Balanza Grava ½” Horno Material cero o ¼”
Espátula
Agua Cesta Balde Charola Tara Molde Picnómetro Bomba de
extractor de Núcleo
Vibrador Termómetro Cono Placa de vidrio Mazo
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Metodología
La metodología a seguir es la misma tanto para el agregado ¾” y ½”
a. Peso Superficialmente Seco
Se tomó una muestra significativa del cuarteo en una charola saturándolo en agua por 24 horas, se secó superficialmente con una toalla para luego pesarlo en la balanza, esto para obtener el peso superficialmente seco; Luego de este paso se sumergió en una cesta con agua y se tomó el peso de la muestra sumergido en agua, este hasta que el contenedor de agua quede estable, se sacó de la cesta de agua para luego introducirlo en el horno, y así determinar su peso seco. Este procedimiento se realizó con dos muestras, para analizar variaciones en cuanto a resultados
Figura A.2.1. Secado superficial de muestra
Figura A.2.2. Muestra en cesta de agua
139
b. Peso Suelto
Para el inicio de la prueba, se determinó el peso del molde que es igual a 6,419.40 g, con un diámetro de 6 pulgadas, y un volumen de 21.05 litros. Se tomó una muestra significativa de la muestra, se lava para que las partículas no lleven ningún tipo de material en su superficie (Suciedad) y se introduce al horno a 110º C por 24 horas. Luego se tomó la muestra de la grava para verterlo en el molde, a la altura del puño, esto para darle inclinación a la caída de la muestra y así estas se puedan acomodar, se enrasa el molde, procurando que el material quede aras de la parte superior del molde, luego se pesa la muestra y se repite el mismo procedimiento por tres veces para promediar los resultados y determinar un mejor análisis de la muestra.
Figura A.2.3. Muestra para determinar peso suelto
Datos Grava ¾”
a. Peso Superficialmente Seco
Tabla A.2.2. Datos de muestra a utilizar Grava ¾”
Muestra N° 1 Muestra N° 2
Wss = 2,032.00 g Wss = 2,046.60 g Wsa = 1,305.00 g Wsa = 1,319.50 g Wseco = 1,993.90 g Wseco = 2,008.5 g
b. Peso Suelto
Wsuelto = 9,550.00 kg
140
c. Porcentaje de Absorción
Muestra N° 1
Muestra N° 2
d. Gravedad Específica
Muestra N° 1
- Gravedad Específica Bruta GBS
- Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
- Gravedad Específica Aparente suelta Gas
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Muestra N° 2
- Gravedad Específica Bruta GBS
- Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
- Gravedad Específica Aparente suelta Gsa
142
Tabla A.2.3. Cuadro de Resumen Grava ¾”
Muestra N° 1 Muestra N° 2
Wss (g) 2,032.00 Wss (g) 2,046.60 Wsa (g) 1,305.00 Wsa (g) 1,319.50 Wseco (g) 1,993.90 Wseco (g) 2,008.50
Wsuelto (g) 9,550.00 % Absorción (%) 1.91 % Absorción (%) 1.90 GBS (kg/m3) 2,742.64 GBS (kg/m3) 2,762.34 GSS (kg/m3) 2,795.05 GSS (kg/m3) 2,814.74 GAS (kg/m3) 2,894.32 GAS (kg/m3) 2,015.09
Datos Grava ½”
a. Peso Superficialmente Seco
Tabla A.2.4. Datos de muestra a utilizar Grava ¾”
b. Peso Suelto
Wsuelto = 9,533.33 kg
c. Porcentaje de Absorción
Muestra N° 1
Muestra N° 2
Muestra N° 1 Muestra N° 2
Wss = 1,520.90 g Wss = 1,513.70 g Wsa = 979.20 g Wsa = 973.20 g Wseco = 1,493.00 g Wseco = 1,484.40 g
143
d. Gravedad Específica
Muestra N° 1
- Gravedad Específica Bruta GBS
- Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
- Gravedad Específica Aparente suelta Gsa
Muestra N° 2
- Gravedad Específica Bruta GBS
144
- Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
- Gravedad Específica Aparente Suelta Gsa
Tabla A.2.5. Cuadro de Resumen Grava ½”
Muestra N° 1 Muestra N° 2
Wss (g) 1,520.90 Wss (g) 1,513.70 Wsa (g) 979.20 Wsa (g) 973.20 Wseco (g) 1,493.00 Wseco (g) 1,484.4
Wsuelto (g) 9,553.33 % Absorción (%) 1.87 % Absorción (%) 1.97 GBS (kg/m3) 2,756.14 GBS (kg/m3) 2,746.35 GSS (kg/m3) 2,807.64 GSS (kg/m3) 2,800.56 GAS (kg/m3) 2,905.80 GAS (kg/m3) 2,903.76
145
- Material cero o ¼”
a. Gravedad Específica
Metodología Se tomó una muestra significativa del material y se metió al horno para obtener su consistencia húmeda, se vertió sobre una placa de vidrio, se le dieron 25 golpes para que esta se asentara y así después poder enrasarla. Se quitó el cono, dejando la muestra sin molde; esta se tiene que caer inmediatamente, sino lo hace quiere decir que todavía existe humedad en la muestra;
Figura A.2.4. Determinación de humedad
Luego de haber realizado la prueba del estado seco en el que se tiene que encontrar la muestra, se tomó 500 gramos de la muestra para determinar la gravedad específica de la misma. Se vertió la muestra sobre el picnómetro, para luego echar agua hasta la mitad del picnómetro, se agitó para someterla al vibrador para que la bomba extraiga las burbujas de agua que se encuentran en el envase, este procedimiento tuvo una duración de 15 minutos; La temperatura del agua debe estar a 23.5 ± 1 ºC
146
Figura A.2.5. Muestra en Picnómetro
Luego de esto, se llenó de agua todo el envase del picnómetro y se enrasa con una placa de vidrio para poder pesarla y así determinar su gravedad específica.
Figura A.2.6. Peso de muestra en Picnómetro
Tabla A.2.6. Cuadro de datos
Peso de Cápsula (g) 133.40
Peso de Cápsula + Muestra (g) 633.40 Peso de Muestra (g) 500.00 Peso de Picnómetro (g) 366.30 Peso de Picnómetro + Muestra (g) 866.50 Peso de Picnómetro + Agua + Muestra (g) 1,732.70 Peso de Picnómetro + Agua (g) 1,403.50 Peso Seco de Muestra (g) 496.80 Peso Seco de Muestra + Cápsula (g) 630.20
147
a. Porcentaje de Absorción
- Peso de Agua (Wa)
- Volumen de Agua (Va)
b. Gravedad Específica
- Gravedad Específica Bruta
- Gravedad Específica S
148
Tabla A.2.7. Cuadro de Resumen
Muestra N° 1
% Absorción (%) 0.64 GBS (kg/m3) 2,918.92 GSS (kg/m3) 2,937.72
Conclusiones
Con la determinación de los pesos unitarios y la gravedad específica, podremos saber más a fondo sobre las características de los agregados, y la utilidad que se le podrían dar a estos en dependencia de sus pesos sueltos.
149
ANEXO B. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 EN SOLUCIONES TÉCNICAS SOL, S.A. (SOLTEC)
ANEXO B.1. CERTIFICADO DE CALIDAD SOLTEC
150
ANEXO C. ESPECIFICACIONES PARA LAS EMULSIONES Y MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO
ANEXO C.1. Resumen de métodos de ensayo que se realizan en emulsiones
catiónicas
Tipo de Ensayo Designación AASHTO Designación ASTM En la Emulsión
Selección y uso R 5 D 3628 Muestreo T 40 D 140 Viscosidad Saybolt Furol a 25°C y 50°C T 59 (34-38)1 D 244 (34-38)1 Porcentaje de estabilidad de almacenamiento en 24h
T 59 (82-88)1 D 244 (82-88)1
Porcentaje de demulsibilidad en 35 ml de dioctil sulfosucinato de sodio al 0.8%
T 59 (39-44)1 D 244 (39-44)1
Recubrimiento y resistencia al agua en: Agregado seco, antes y después de lavado Agregado húmedo, antes y después de lavado
M 280
T59 (74-81)1
D 2397
D 244 (74-81)1 Porcentaje de mezclado del cementante asfáltico M 280
T 59 (51-57)1 D 2397
D 244 (51-57)1 Porcentaje retenido en el tamiz T 59 (58-63)1 D 244 (58-63)1 Tipo de carga eléctrica de la emulsión T 59 (28-33)1 D 244 (28-33)1 Destilación Porcentaje de aceite destilado Porcentaje de residuo
T 59 (11-15)1
T 59 (21-27)1
D 244 (11-15)1
D 244 (21-27)1 En el residuo de la destilación (asfalto residual)
Penetración a 25°C T 49 D 5 Ductilidad a 25°C T 51 D 113 Porcentaje de solubilidad en tricloroetileno T 44 D 2042
1Los números indicados en los paréntesis indican las secciones que aplican dentro del método de ensayo
151
ANEXO C.2. Ensayos para las mezclas asfálticas en frío
Tipo de Ensayo Designación Instituto del Asfalto
Designación AASHTO
Designación ASTM
Mezclas en Frío Muestreo MS-14 Apéndice D T 168 D 979 Especificación para mezclas en frío colocadas en frío MS-14 Apéndice A, B
y C - D 4215
Procedimiento para el diseño de Mezcla Marshall1 MS-14 Apéndice G Apéndice H
- -
Porcentaje de vacíos de aire - T 269 D 3203 Estabilidad y flujo Marshall a 22.2°C MS-14 Apéndice F.10 T 245 D 6926
D 6927 Procedimiento para el diseño de mezcla Hveem1 MS-14 Apéndice E
Apéndice F - D 1560
Estabilidad Hveem Rt a 23°C MS-14 Apéndice E.08 - - Estabilidad Hveem S a 60°C MS-14 Apéndice E.08 - - Valor de cohesión C a 23°C MS-14 Apéndice E.08 - - Valor de cohesión C a 60°C MS-14 Apéndice E.08 - - Centrifugado equivalente de keroseno (C.K.E.) MS-14 Apéndice E.05 - - Recubrimiento de las partículas MS-14 Apéndice F.07 - - Módulo Resiliente a 23°C MS-14 Apéndice E.07 - -
1Este procedimiento es distinto para mezclas preparadas con emulsión o preparadas con asfaltos rebajados
152
ANEXO D. ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS DE DISEÑO
ANEXO D.1. Especificaciones granulométricas para mantenimiento30
ANEXO E. CANTIDAD APROXIMADA DE EMULSIÓN ASFÁLTICA
ANEXO E.1. Cantidad aproximada de emulsión asfáltica31
30
Fuente: Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14. Apéndice C, página N° 59 31
Fuente: Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14. Apéndice F, página N° 107
153
ANEXO F. CANTIDAD DE GOLPES MÉTODO MARSHALL PARA MEZCLAS EN FRÍO
ANEXO F.1. Método Marshall para mezclas en frío32
32
Fuente: Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14. Apéndice F, página N° 113
154
EMULSIÓN ASFÁLTICA
Viscosidad Saybolt Furol a 25 Grados
ASTM D-2397
Residuos de la Destilación ASTM D-244
Estabilidad de Almacenamiento ASTM D-244
Carga de Partículas de Prueba ASTM D-244
Penetración ASTM D-5