Método Cántabro para mezclas de granulometría abierta

En 1979 se iniciaron en el Laboratorio de Ca- minos de la Escuela Técnica Superior de In- genieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Santander, los estudios enca- minados a la caracterización de las mezclas bituminosas de granulometría abierta para su empleo en capas de rodamiento.

La caracterización de estas mezclas en labora- torio presentó problemas importantes, siendo el principal de ellos la falta de procedimientos y métodos de ensayo que permitiesen estu- diar su comportamiento mecánico. Esta falta de ensayos se debía a la diferencia de propie- dades que presentan estas mezclas respecto a los materiales convencionales empleados en la construcción de carreteras. Normalmente, la propiedad más perseguida en estos materia- les es su estabilidad y los ensayos son los que la evalúan. Igual ocurre con la mayoría de los métodos de dosificación y proyecto de mezclas, basados en la obtención de la estabilidad máxi- ma.

Sin embargo, en el caso de las mezclas porosas las propiedades buscadas nada tienen que ver con su estabilidad, puesto que interesan otras propiedades y características más acordes con los fines buscados y las solicitaciones a que van a estar sometidas. La escasa idoneidad que ofrecen los ensayos mecánicos tradiciona- les para evaluar la cohesión y resistencia a la disgregación de las mezclas porosas, motivó el desarrollo del ensayo cántabro de pérdida por desgaste. El proyecto de estas mezclas se plantea como un compromiso claro entre su permeabilidad y su resistencia a la disgregación. Una disminu- ción de los finos y del porcentaje de contenido de asfalto, lleva consigo un aumento de la per- meabilidad, pero también una disminución de su cohesión y resistencia a la disgregación. Para la determinación del contenido óptimo de asfalto en una mezcla de granulometría abierta y drenante, se prepara como mínimo tres espe- címenes por cada contenido de cemento asfal- tico, siguiendo el procedimiento de fabricación dado en el ensayo Marshall (ASTM D-1559); posteriormente, cada espécimen que es pre- parado con 50 golpes por lado, se somete al desgaste en la máquina de los ángeles a 300 revoluciones, previo a mantener los especíme- nes a una temperatura de 25ºC por seis horas. El contenido de cemento asfaltico para cada grupo de probetas varia de 0.5 %, dos pun- tos bajo y dos puntos sobre el porcentaje para este tipo de mezclas de (4 a 5 % sobre el peso del agregado). A estas se les realiza la deter- minación de la gravedad específica para mez- clas de granulometría abierta (ASTM D-3203), la gravedad especifica máxima teórica (ASTM D-2041), análisis de vacios (ASTM D-3203) en base a los parámetros anteriores, determina- ción de la pérdida por desgaste de la probetas mediante el empleo de la Máquina de los Án- geles (sin carga abrasiva), a 300 revoluciones, luego de mantener las probetas a 25ºC por el tiempo de 6 horas (ver Figura 12). Con los datos obtenidos se grafican las relacio- nes densidad, porcentaje de vacíos y porcenta- je de desgaste de los especímenes, versus por- centaje de cemento asfáltico. A continuación se presenta las graficas (ver Figuras 13, 14 Y 15) de un ejemplo del método Cántabro. Analizando los resultados se puede observar claramente que mediante el ensayo Cántabro podemos determinar qué clase de mezcla as- fáltica se está produciendo y que porcentaje de asfalto es el óptimo para esta determinada mezcla (ver Tabla 1).

mentos más durables, y minimizar los costos de conservación y operación de los vehículos que hagan uso de la infraestructura carretera. Junto con el desarrollo del sistema surgen nuevos equipos tanto para ensayes de cemen- tos asfálticos, como para la elaboración de la compactación de la mezcla asfáltica. Teniendo como fin la sustitución de los métodos antiguos de diseño de mezclas asfálticas, de ahí la im- portancia del análisis y la consideración de esta nueva metodología.

El sistema SUPERPAVE desarrolló no sólo un nuevo equipo de compactación (compactador giratorio SUPERPAVE, SGC (ver Figura 16), sino también un nuevo sistema de clasifica- ción de los cementos asfálticos mediante inno- vadores equipos de ensaye, como la Vasija de Envejecimiento a Presión PAV, (ver Figura 17), Reómetro de Corte Dinámico DSR (ver Figura 18), Reómetro de Viga en Flexión BBR (ver Fi- gura 19), ensaye de Tensión Directa IDT (ver Figura 20), y el mejoramiento de otros como el Viscosímetro Rotacional RV (ver Figura 21), y el Horno de Película Delgada Rotatoria (RTFO). 3.3.4. Tendencias del diseño de mezclas a

nivel internacional.

El método Superpave (Superior Performing Asphalt Pavement) es el resultado de las in- vestigaciones realizadas por el programa SHRP (Strategic Highway Research Program) em- prendido por la administración Federal de Ca- rreteras (FHWA) en los Estados Unidos.

Debido al surgimiento de esta práctica actual, el diseño de mezclas asfálticas en caliente, se encuentra en una etapa de redefinición, en su marco conceptual. El programa surgió con el fin de mejorar el desempeño y durabilidad de las carreteras, volviéndolas más seguras, tanto para automovilistas como para los trabajado- res de las mismas.

El sistema Superpave, representa un sistema provisto para especificar cemento asfáltico y agregado mineral, desarrollar diseños de mez- clas asfálticas, analizar y establecer prediccio- nes de desempeño del pavimento, y que tiene como objetivo final contribuir a lograr pavi-

El sistema Superpave proporciona nuevas es- pecificaciones para:  Asfaltos.  Agregados.  Nuevos métodos de diseño de mezclas as- fálticas.  Nuevos modelos de predicción del compor- tamiento. A continuación se describen las tendencias del diseño de mezclas a nivel internacional.

El sistema SUPERPAVE desarrolló un nuevo equipo de compactación (compactador girato- rio SUPERPAVE, SGC)

El sistema SUPERPAVE desarrolló un nuevo sis- tema de clasificación de los cementos asfálti- cos mediante innovadores equipos de ensaye, como la Vasija de Envejecimiento a Presión (PAV), Reómetro de Corte Dinámico (DSR), Reómetro de Viga en Flexión (BBR) y ensaye de Tensión Directa (IDT). Enfocado en producir una mezcla que se com- porte adecuadamente, el primer paso del análi- sis Superpave, involucra la selección cuidadosa de los materiales y el proporcionamiento volu- métrico de los mismos. Los niveles superiores de análisis requieren la utilización de sofisticados ensayos, gran parte de los cuales aun se encuentran siendo perfec- cionados. Estos niveles apuntan a determinar con precisión el comportamiento futuro de la estructura del pavimento ante variables como el clima y el tráfico.

El método Superpave está compuesto por tres niveles. Debido a que el análisis y el diseño de una mezcla en el sistema Superpave son complejos, la extensión del uso de esta meto- dología, depende del nivel de tránsito y de la función de la mezcla en el pavimento. A con- tinuación se presentan los distintos niveles considerados para el análisis y diseño de las mezclas asfálticas en caliente mediante dicha metodología (ver Tabla 2).

 Primer Nivel: Este nivel requiere el diseño volumétrico, el cual involucra los siguientes as- pectos: • Selección del tipo de asfalto. • Selección de las propiedades de los agre- gados. • Preparación de especímenes de ensayo. • Selección del contenido de asfalto. Esta actividad se basa en la estimación de las propiedades volumétricas de la mezcla: con- tenido de vacíos de la mezcla (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA) y vacíos llenos de asfalto (VFA).

 Nivel Intermedio: Este nivel utiliza como punto inicial el análisis volumétrico del nivel anterior. Los ensayos establecidos para el nivel intermedio de análisis son:

• Ensayo de corte.

• Ensayo de tensión indirecta.

Son realizados varios ensayos para lograr de esta manera una serie de predicciones del comportamiento de la mezcla.

 Nivel Avanzado.

Incluye la totalidad de los pasos realizados en los niveles anteriores, pero se realizan prue- bas adicionales de ensaye de corte y tensión directa, con una diversa gama de temperatu- ras. Un completo análisis de la mezcla, utiliza especímenes confinados y ofrece un mayor y más confiable nivel de predicción del compor- tamiento de la misma.

Utilizando la metodología Superpave, los resul- tados de los ensayos de comportamiento de las mezclas asfálticas permiten estimar con gran precisión el comportamiento del pavimento du- rante el transcurso de su vida útil, en términos de ejes equivalentes (ESALs). De la misma ma- nera, permite estimar la cantidad de ejes equi- valentes para alcanzar cierto nivel de resisten- cia al desplazamiento, a grietas por fatiga o a grietas por bajas temperaturas. Típicamente se utilizan pasos aislados para la selección de asfaltos y materiales agregados y dirigen los procedimientos de diseño de mez- clas para combinarlos. El diseño de mezcla de Superpave integra la selección de material y el diseño en procedimientos basados en el clima y el tráfico del proyecto.

Las propiedades de los agregados minerales son obviamente importantes para el desem- peño de la mezcla asfáltica. Sin embargo, los métodos Marshall y Hveem no incorporan los criterios de los agregados en sus procedimien- tos. Los cuales si se incorporan dentro de los diseños de Superpave. En el sistema Superpave se especifican dos ti- pos de propiedades de los agregados: de fuen- te y de consenso.

 Las propiedades de consenso son aquellas en donde las investigaciones de SHRP creen que son críticas para alcanzar un alto desem- peño de la mezcla asfáltica en caliente. Estas propiedades deben ser obtenidas a varios ni- veles dependiendo del volumen de tráfico y la posición del pavimento. Los altos niveles de tráfico y las mezclas de la superficie (posición superficial de los pavimen- tos) requieren valores más estrictos de propie- dades de consenso.

Muchas entidades encargadas del transporte, ya utilizan estas propiedades como un requeri- miento de calidad para los agregados utilizados en la mezcla asfáltica. Las propiedades de consenso son angulosidad de los agregados gruesos, angulosidad de los agregados finos, partículas alargadas y planas, y el contenido de arcilla (equivalente de are- na).

Mediante la especificación de la angulosidad de los agregados finos y gruesos, el sistema Su- perpave busca alcanzar una mezcla asfáltica en caliente con alto grado de fricción interna y así obtener mayor fuerza en las esquilas para la resistencia a las roderas.

que la mezcla no sea susceptible a fracturas durante el manejo de construcción y el tráfico. La limitación de la cantidad de arcilla hace cre- cer la adhesión entre el asfalto y los agregados.  Las propiedades del origen o fuente, son aquellas que se utilizan frecuentemente para calificar la fuente de los agregados. Mientras estas propiedades son importantes, los valo- res críticos son especificados de acuerdo a la fuente. Las propiedades de origen de Superpave son la dureza, pureza y la elasticidad de los materia- les. La dureza es medida mediante la prueba de abrasión (Desgaste Los Angeles). La pureza es medida mediante la prueba de pureza de sulfato de magnesio. La elasticidad de los ma- teriales mediante las pruebas de grumos de ar- cilla y fiabilidad. Para determinar el tipo de granulometría de los agregados, Superpave utiliza el gráfico de gra- duación de poder de 0.45, que controla los lí- mites de en una zona restringida para desarro- llar el diseño de la estructura de los agregados (ver Figura 23). Esta estructura debe pasar entre los puntos de control graduado mientras restringe la zona de graduación. La zona restringida es utilizada por Superpave para eliminar las mezclas que tie- nen una alta porción de arena fina con relación a la arena total y para evitar graduaciones que sigan la línea de máxima densidad, que nor- malmente no tienen vacíos adecuados en los agregados minerales (VAM).

En muchas instancias, la zona restringida elimi- na el uso de arena fina en una composición de agregados e incrementa el uso de arena limpia manufacturada. El diseño de la estructura de los agregados asegura que los agregados van a desarrollar un esqueleto de piedra fuerte que resista la deformación permanente mientras permite los suficientes espacios de vacíos que favorezcan la durabilidad.

Para el diseño de mezcla mediante el sistema Superpave, existen dos nuevos elementos, las

pruebas de desempeño y los diseños de com- pactación. Los diseños de compactación van acompañados del compactador giratorio de Su- perpave (SGC). El SGC comparte algunas ca- racterísticas con los compactadores actuales, pero tiene características operacionales com- pletamente nuevas. Mientras su propósito prin- cipal es la compactación de muestras, el SGC puede ofrecer información sobre la compacta- ción de una mezcla en particular mediante la captura de datos durante la compactación. El SGC, puede utilizarse para diseñar mezclas que no presenten un comportamiento delicado y que no se densifican en forma peligrosa con bajos contenidos de vacíos de aire bajo la ac- ción del tráfico.

Los procedimientos de prueba y los modelos de predicción del desempeño han sido desarro- llados de forma tal, que permita al ingeniero estimar la vida útil de la mezcla asfáltica, en términos del equivalente de ejes sencillos de carga (ESAL’s). Se han desarrollado dos nuevas pruebas de desempeño, el Probador de Esfuer- zo Cortante de Superpave (SST) y el Probador de Tensión Indirecta (IDT). La información que proporciona esta prueba es utilizada para los modelos de predicción de desempeño y esti- mar la vida útil del pavimento actual (milíme- tros de roderas).

El diseño y procedimientos de análisis de mez- cla de Superpave, dependen para su uso del nivel de tráfico para el cual son diseñados los pavimentos. El diseño volumétrico es utilizado para todos los proyectos de pavimentos y con- templa las pruebas de compactación utilizando el SGC y la selección del contenido de asfalto de acuerdo a los requerimientos volumétricos del diseño. El grado de desempeño de la mezcla asfáltica, inmediato a la construcción es influenciado por los resultados de las propiedades de la mezcla en caliente y la compactación. Consecuente- mente, un protocolo corto de envejecimiento se incorpora dentro del sistema de Superpave.

Esto está acompañado de la perdida de mues- tras de la mezcla, antes de la compactación con SGC, deben ser horneadas por cuatro horas a 135°C para simular los retrasos que pueden ocurrir durante la construcción. La metodología SUPERPAVE debe sustituir, en el corto plazo, a los métodos tradicionales para mezclas asfálticas actualmente en uso en Mé- xico (Marshall, Hveem); es por ello que resulta necesario analizar con detalle todo este nuevo conocimiento para poder adaptar las nuevas tecnologías asociadas a las necesidades espe- cificas de la región.

3.4. Diseño de mezclas de concreto hi-