Mezcla asfáltica permeable como parte de la estructura de pavimento a partir del uso y modificación de una mezcla drenante aplicado a vías rurales

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(1)MEZCLA ASFÁLTICA PERMEABLE COMO PARTE DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO A PARTIR DEL USO Y MODIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DRENANTE APLICADO A VÍAS RURALES. JESSICA BRIGETH MENESES ROA DIEGO ALBERTO PÁEZ BOCANEGRA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ 2017.

(2) MEZCLA ASFÁLTICA PERMEABLE COMO PARTE DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO A PARTIR DEL USO Y MODIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DRENANTE APLICADO A VÍAS RURALES. Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Civil. Director del Proyecto: I.C. MSc HERNANDO VILLOTA POSSO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ 2017 2.

(3) AGRADECIMIENTOS Al Ingeniero Hernando Villota, por su decidido compromiso con el presente trabajo de investigación. Por orientar de manera clara y paciente el desarrollo técnico de cada una de las etapas de la investigación. Al Ingeniero Wilson Vásquez, por su orientación y colaboración en la ejecución y desarrollo de gran parte de los ensayos de laboratorio que lograron ser realizadas en los laboratorios de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. A nuestras familias por el soporte moral y apoyo incondicional durante toda la etapa de formación profesional. Sin ellos, esto no habría sido posible.. 3.

(4) CONTENIDO INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 10 1.. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .................................................................................... 11 1.1. DESCRIPCIÓN ......................................................................................................... 11. 1.2. FORMULACIÓN ...................................................................................................... 11. 1.3. IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES ............................................................................. 12. 1.3.1. Variables Dependientes: .................................................................................... 12. 1.3.2 2.. 3.. 5.. Variables Independientes: ............................................................................. 12. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 13 2.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................... 13. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................ 13. JUSTIFICACIÓN............................................................................................................... 14 4.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................. 16. 4.2. MARCO CONTEXTUAL ............................................................................................ 23. 4.3. MARCO LEGAL O NORMATIVO .............................................................................. 23. 4.4. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL ............................................................................ 24. MÉTODO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................ 30 5.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................ 30. 5.1.1. Experimental .................................................................................................. 30. 5.1.2. Cuantitativo.................................................................................................... 30. 5.2. DISEÑO METODOLÓGICO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................. 30. 5.2.1.1. Fase 1. Recolección de materiales pétreos, cemento asfáltico y aditivo. 30 4.

(5) 5.2.2. Fase 2. Caracterización de los materiales granulares ................................... 31. 5.2.3. Fase 3. Dosificación de la mezcla asfáltica. ................................................... 35. 5.2.4. Fase 4. Análisis de resultados ........................................................................ 37. 5.3. POBLACIÓN Y MUESTRA ........................................................................................ 38. 5.4. INSTRUMENTOS ..................................................................................................... 39. 6.. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS .................................................................................. 43 6.1. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA MEZCLA. PERMEABLE DE ESTUDIO .................................................................................................. 43 6.1.1. Caracterización y granulometría de los agregados....................................... 43. 6.1.2. Caracterización del Cemento Asfáltico ......................................................... 48. 6.1.3. Caracterización del aditivo Zycotherm. ........................................................ 48. 6.2. Diseños de mezcla permeable Patrón, con Granulometría Bailey y con Adición del. aditivo Zycotherm: ............................................................................................................ 49 6.2.2. Diseño Mezcla Permeable ............................................................................. 49. 6.2.3. Tablas de resultados de las tres mezclas permeables: Mezcla patrón,. mezcla Bailey y mezcla zycotherm. .............................................................................. 54 6.3 7. Resultados ensayo de permeabilidad .................................................................... 56. ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................................................................. 58 7.1. CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS ............................................................... 58. 7.2. ANÁLISIS DE PORCENTAJE DE VACÍOS ....................................................................... 58. 7.3. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD ......................................................................................... 59. 7.4. VALORES DE FLUJO .................................................................................................... 60. 7.5 8. PERMEABILDIAD DE LA MEZCLA ............................................................................ 61. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................ 64 5.

(6) 8.1. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 64. 8.2. RECOMENDACIONES .............................................................................................. 66. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 68. 6.

(7) LISTA DE TABLAS. Tabla 1 Marco Legal o Normativo ......................................................................... 23 Tabla 2 Ensayos a Material Granular Fuente: (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015) .. 32 Tabla 3 Instrumentos Fuente: (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015) ....................... 39 Tabla 4 Tabla comparativa de resultados caracterización de agregados. Fuente: Elaboración propia. ............................................................................................... 44 Tabla 5 Franja Granulométrica para mezcla drenante. Fuente: (INVIAS, 2013) ... 45 Tabla 6 Resultados granulometría y especificación. Fuente: Elaboración propia. 46 Tabla 7 Granulometría bailey y especificación INVIAS 453-13 .............................. 50 Tabla 8 Porcentaje de asfalto para cada variación. Fuente: Elaboración propia ... 52 Tabla 9 Porcentaje de vacíos. Fuente: Elaboración Propia ................................... 54 Tabla 10 Bulk. Fuente: Elaboración Propia ........................................................... 54 Tabla 11 Estabilidad de las mezclas. Fuente: Elaboración propia ........................ 55 Tabla 12 Flujo de las mezclas. Fuente: Elaboración Propia .................................. 55 Tabla 13 Permeabilidad mezcla central. Fuente: Elaboración propia. ................... 56 Tabla 14 Permeabilidad mezcla Bailey. Fuente: Elaboración propia. .................... 57 Tabla 15 Permeabilidad mezcla zycotherm. Fuente: Elaboración propia. ............. 57 Tabla 16 Especificación Estabilidad y Flujo. Fuente: INVIAS 450 (2013) ............. 60. 7.

(8) LISTA DE ILUSTRACIONES. Ilustración 1 Concreto Poroso. Fuente: (Laura Portugal, 2009) ............................ 20 Ilustración 2 Funcionamiento de un Concreto Poroso. Fuente: (Arango, 2015) .... 22 Ilustración 3 Resultados Granulometría Fuente: Elaboración propia .................... 46 Ilustración 4 Clasificación del agregado Fuente: Elaboración Propia. ................... 46 Ilustración 5 Curva granulométrica. Fuente: Elaboración propia. .......................... 47 Ilustración 6 Curva granulométrica Bailey. Fuente: Elaboración propia. ............... 51 Ilustración 7 Especímenes en horno. Fuente: Elaboración Propia ........................ 53 Ilustración 8 Retiro de baño de María ................................................................... 53 Ilustración 9 Porcentaje de Vacíos. Fuente: Elaboración Propia ........................... 58 Ilustración 10 Estabilidad de las mezclas. Fuente: Elaboración Propia ................. 59 Ilustración 11 Flujo de las mezclas. Fuente: Elaboración Propia .......................... 61 Ilustración 12 Permeabilidad de las mezclas. Fuente: Elaboración Propia ........... 62. 8.

(9) RESUMEN EJECUTIVO La presente investigación se desarrolla con el objetivo de diseñar y adaptar una mezcla asfáltica permeable, de tal manera que pueda ser utilizada como parte de la estructura del pavimento flexible. Para tal fin se toma como referencia la normatividad actual vigente del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) en su capítulo cuatro, donde se analizan cuatro variables en el comportamiento de la misma, de la siguiente manera: En cuanto a la capacidad de drenaje se evalúan las variables de permeabilidad y relación de vacíos de acuerdo con las especificaciones técnicas descritas en el artículo número 453-13, el cual reglamenta la elaboración y compactación de las mezclas asfálticas drenantes. En cuanto a la capacidad de resistencia y deformación plástica se evalúan las variables de estabilidad y flujo según el artículo 450-13 el cual reglamenta las mezclas asfálticas en caliente de gradación continua por el método Marshall. El análisis de las cuatro variables mencionadas se llevará a cabo mediante una investigación experimental desarrollada por dos estudiantes de la. Universidad. Distrital Francisco José de Caldas, por medio de la realización de ensayos de laboratorio. a. materiales. pétreos y briquetas que. logren. cumplir las. especificaciones técnicas para implementar las mezclas asfálticas permeables diseñadas. Del éxito del diseño depende su implementación en la infraestructura vial de Bogotá y posteriormente en Colombia, para dar solución a diferentes patologías que se vienen presentando en el pavimento asfáltico debido a la pérdida de humedad natural de la subrasante.. 9.

(10) INTRODUCCIÓN. En la presente investigación se pretende adaptar una mezcla asfáltica permeable, de tal manera que pueda ser utilizada como parte de la estructura del pavimento flexible ya que en la actualidad existen las mezclas asfálticas drenantes que son utilizadas únicamente como tratamiento superficial, para la evacuación del agua generada por la lluvia o escorrentía evitando el hidroplaneo de los automóviles y se implementan en espacios sometidos a poco tráfico como parqueaderos, parques o andenes, pero estas no cuentan con capacidad estructural, por lo que surge la necesidad de crear una mezcla asfáltica permeable capaz de proporcionar resistencia a la capa de rodadura y por lo tanto a la estructura de pavimento flexible. Adicionalmente, en los últimos años se han venido registrando altas temperaturas debido al cambio climático y olas de calor presentes en ciertas temporadas del año, provocando que las especies arbóreas adyacentes a algunos segmentos viales, profundicen sus raíces en busca de agua, afectando la humedad natural de la subrasante generando una contracción de los materiales limo-arcillosos allí contenidos, causando el agrietamiento de la estructura de los pavimentos locales, estos casos se han venido presentando en las vías rurales Bogotá – Chía, Bogotá – Melgar, Bogotá – Anapoima, entre otras, de tal manera que este es un motivo más para el desarrollo de la presente investigación adelantada por dos estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, para optar al título de ingenieros civiles.. . 10.

(11) 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 1.1 DESCRIPCIÓN Según registros del IDEAM, en la ciudad de Bogotá la temperatura promedio es de 14 °C, pero debido al fenómeno del niño, en el mes de enero del año 2016, se registró que este mes ha sido el más caluroso en los últimos 5 años, alcanzando temperaturas de hasta 23 °C, adicionalmente, se han reducido las precipitaciones, provocando que se declare alerta roja por riesgo de incendio.. Estos cambios han afectado notablemente las condiciones de los suelos ya que están perdiendo su humedad y las especies arbóreas con el objetivo de sobrevivir a dichos cambios climáticos extienden sus raíces a mayor profundad en busca de agua, absorbiendo la humedad natural del suelo provocando contracciones en los materiales limo-arcillosos. Esto se ve reflejado en las superficies de los pavimentos al observar diferentes patologías en la carpeta asfáltica, tales como agrietamientos, piel de cocodrilo, y ondulaciones.. Esta problemática se observa a lo largo de varios segmentos viales, ocasionando deficiencia en la movilidad y haciendo día a día más notorio el deterioro de la infraestructura vial. 1.2 FORMULACIÓN ¿Es viable la implementación de una mezcla asfáltica permeable que cumpla con características estructurales, a partir de la modificación de una mezcla asfáltica drenante convencional, para ser utilizada en la capa de rodadura de pavimentos flexibles para vías rurales?. 11.

(12) 1.3 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES 1.3.1 Variables Dependientes:. Las variables dependientes para la presente investigación corresponden a dos aspectos que no se encuentran considerados en la INV-453-13, los cuales son el comportamiento mecánico y desgaste de la mezcla asfáltica drenante para que estas hagan parte de la estructura de un pavimento flexible. Para determinarlo se realizan los ensayos de cántabro y Marshall. 1.3.2 Variables Independientes: Caracterización de los agregados pétreos, propiedades del asfalto Tipo II A y del aditivo Zycotherm.. 12.

(13) 2. OBJETIVOS. 2.1 OBJETIVO GENERAL Evaluar la posibilidad de adaptar una mezcla asfáltica permeable como parte de la estructura del pavimento flexible, mediante ensayos experimentales, para mejorar su resistencia, sin afectar sus propiedades de permeabilidad de acuerdo con el capítulo 4 de la norma INV- 453–13 y la norma INV. E45013. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS . Realizar ensayos de caracterización a los agregados e identificar si cumplen con las especificaciones técnicas descritas en la norma INVIAS Artículo 453-13, para ser utilizados en la elaboración de mezclas asfálticas drenantes.. . Establecer el contenido óptimo de asfalto y la dosificación apropiada que permita cumplir con los parámetros fijados por la normatividad aplicable para mezclas asfálticas drenantes.. . Elaborar una muestra asfáltica drenante de control, que se ajunte a las especificaciones. técnicas. requeridas. para. ser. utilizada. en. la. comparación para dos tipos de mezclas modificadas: configuración en la granulometría mediante el método bailey y adición de un aditivo zycotherm. . Determinar una configuración a la granulometría utilizando el método bailey, de tal manera que logre proporcionar acomodación entre partículas otorgando mayor estabilidad a las muestras diseñadas sin perder su capacidad de drenaje.. . Realizar ensayos de permeabilidad a las mezclas drenantes diseñadas en cada una de sus modificaciones, verificando la capacidad de drenaje de las mismas, de tal manera que cumplan con lo dispuesto en la norma INVIAS Artículo 453-13. 13.

(14) . Ejecutar ensayos de estabilidad, flujo y desgaste a las mezclas diseñadas, determinando si pueden ser usadas en vías rurales.. 3. JUSTIFICACIÓN La necesidad de vincular nuevas alternativas de progreso y desarrollo tecnológico en los mecanismos con los que se adelantan los trabajos de la red vial en Colombia es inminente; motivación por la cual se adelanta la. presente. investigación, permitiendo el análisis del comportamiento de las mezclas asfálticas permeables que darían solución a la problemática descrita anteriormente en el país. Es de gran importancia mitigar los problemas de averías en los pavimentos rurales ya que la mejoría de las vías representa desarrollo para una ciudad y la nación. Con la presente investigación se pretende contribuir al mejoramiento de la infraestructura de las vías rurales de Bogotá, mediante la implementación de una mezcla asfáltica permeable que permita el paso de agua hacia la subrasante para que esta recupere su humedad natural y de esta manera evitar diferentes patologías en la carpeta asfáltica. El uso de una mezcla asfáltica permeable se propone en lugar de implementar un concreto poroso para drenaje de pavimentos, ya que las propiedades de confort que ofrece una superficie terminada en asfalto son superiores las que proporciona una superficie en concreto hidráulico, sin mencionar que los costos son superiores y que el nivel de dificultad en el proceso constructivo de lozas en concreto poroso es mayor. Por esta razón se hace necesaria la investigación para crear una mezcla asfáltica permeable que cumpla con las propiedades de resistencia de una mezcla densa en caliente y que además posea las propiedades de permeabilidad de una mezcla drenante.. 14.

(15) 15.

(16) 4. MARCO DE REFERENCIA. 4.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN A continuación se presentan algunas referencias a documentos que han contribuido con el tema de las mezclas porosas para el drenaje de pavimentos, que principalmente son usadas para mitigar el fenómeno de hidroplaneo pero que no son consideradas como capa estructural dentro de la estructura del pavimento.. Los pavimentos convencionales son diseñados soportar el paso de una cantidad “X” de ejes equivalentes a vehículo de diseño para un periodo de diseño de “Y” años. Por lo general, estos pavimentos se constituyen una o más capas de material de pavimento compactado y sellado haciéndolo impermeable. Un aspecto integral de diseño de pavimento convencional consiste en impedir la entrada de agua en el suelo, a través del sello o las juntas de pavimentación, para proteger la integridad de la capa base y sub-base (Lucke, Beecham, Boogaard, & Myers, 2013). Los pavimentos son una parte esencial del desarrollo urbano, sin embargo son los generadores de los excesos de caudal debido a su capa impermeable, que normalmente vienen contaminados con metales pesados e hidrocarburos. Estos excesos de caudal y de contaminantes se pueden evidenciar con mayor impacto, aguas abajo o en ecosistemas naturales ya que se recibe la mayor cantidad de agua y las propiedades que presenta (Lucke, Beecham, Boogaard, & Myers, 2013). Debido a esta acumulación de aguas contaminadas se debe buscar técnicas alternativas al drenaje que logren filtrar y evitar la acumulación de aguas sobre las calzadas de las vías.. 16.

(17) Uno de los sistemas de drenaje alternativos son los pavimentos porosos, los cuales son básicamente una mezcla de agregados gruesos uniformemente gradados, con muy bajo contenido de arena y un cementante, que puede ser una mezcla bituminosa o cemento portland, logrando un porcentaje de vacíos entre 15% y 20% (Reyes & Torres, 2002). Los pavimentos permeables se dividen principalmente en dos tipos: Pavimentos con revestimiento drenante y pavimentos con revestimiento impermeable. Estos dos tipos de pavimentos porosos pueden ser de evacuación distribuida (pavimentos drenantes de infiltración) y/o de evacuación localizada (pavimentos drenantes de retención) (Azzout, Barraud, Cres, & Alfakih, 1994).. Estos son una técnica de infiltración soportada por un material con alto contenido de agregados gruesos los cuales proporcionan una mayor porosidad (Torres, Ortega, & Daza, 2011). Lo anterior permite que la escorrentía de agua lluvia se infiltre en la tierra a través de una superficie permeable de pavimento o de otro tipo de superficie permeable (EPA, 1999).. Esta alternativa ha traído beneficios y resultados exitosos en cuanto al manejo de aguas lluvias, ya que es posible reducir gastos en obras de drenaje y aumentar la seguridad. de. los. vehículos. en. circulación,. proporcionando. tiempos de. concentración más elevados que los pavimentos convencionales (Gómez González, Rodríguez Benavides, & Torres, 2010). Por otro lado, estos ayudan a reducir significativamente la cantidad y la calidad del agua superficial (Torres, Ortega, & Daza, 2011), además de ayudar a mitigar los aumentos de temperatura y de ahorrar agua mediante el reciclaje de esta (Miklas Scholz, 2006).. Las mezclas asfálticas drenantes son aquellas mezclas asfálticas cuyo porcentaje de vacíos es lo suficientemente alto para permitir que a través de ellas se filtre el 17.

(18) agua con rapidez y pueda ser evacuada hacia las bermas, cunetas u otros elementos de drenaje, evitando así su permanencia en la superficie de la vía (capa de rodadura), incluso bajo precipitaciones intensas y prolongadas (Perez Cely & Juyar Mora, 1998).. En cuanto a las investigaciones realizadas, para que una mezcla asfáltica pueda ser considerada como drenante, esta debe tener un contenido inicial de vacíos del 16%, el cual permite una permeabilidad adecuada en este tipo de mezclas. Para que la capacidad de drenaje mantenga durante un periodo de tiempo razonable, lo aconsejable es partir de una mayor relación de vacíos de la mezcla con el fin de aumentar la permeabilidad.. Las mezclas drenantes pueden construirse tanto en caliente como en frío, empleando como ligantes betunes puros o las emulsiones asfálticas, modificadas o no. De hecho, las mezclas en frio fabricadas tradicionalmente en España, con un contenido nulo o casi nulo de arena, son drenantes en sentido estricto con porcentajes de vacíos presentes en la mezcla asfáltica del orden del 25%, sin embargo, la técnica de las mezclas drenantes ha adquirido un auge espectacular en los últimos años debido al avance de sistemas de diseño e instalación en obra como mezcla bituminosa en caliente (Perez Cely & Juyar Mora, 1998).. Adicional a lo anterior, en cuanto a mezclas porosas, tenemos el caso particular de los concretos porosos para el drenaje de pavimentos, que de acuerdo con el ACI522R, el concreto permeable es un material de estructura abierta con revenimiento cero, compuesto por cemento Portland, agregado grueso, poco o nada de finos, aditivos y agua. La combinación de estos ingredientes produce un material endurecido con poros interconectados, cuyo tamaño varía de 2 a 8 mm lo que permite el paso de agua. El contenido de vacíos puede variar de un 18 a un 35 por 18.

(19) ciento, con resistencias a compresión típicas de 2.8 a 28 MPa. Su velocidad de drenaje depende del tamaño del agregado y de la densidad de la mezcla, pero generalmente varía en el rango de 81 a 730 L/min/m2.. En general, como ya se ha comentado, se emplean los mismos materiales que en el concreto convencional; es decir, materiales cementantes, agregados grueso y fino, aditivo y agua. Sin embargo, el agregado fino está limitado a pequeñas cantidades o se elimina de la composición de la mezcla. Si bien, al añadir agregado fino se incrementa la resistencia puede reducir el contenido de vacíos y por lo tanto la permeabilidad del concreto, la cual es la principal característica de estos concretos. (Aire, 2010). Las mezclas drenantes tanto en concreto poroso como en asfalto, han tenido una gran acogida en países desarrollados por sus principales ventajas de mantener seca la superficie que está en contacto con los neumáticos de los vehículos. Se obtiene una mayor resistencia al deslizamiento bajo la lluvia y se elimina o reduce el fenómeno de hidroplaneo. (aquaplaning): al presentarse el fenómeno de. hidroplaneo se produce una pérdida total del control sobre la dirección del vehículo, al existir una película de agua entre los neumáticos y la capa de rodadura. La capacidad de la mezcla para mantener el pavimento libre de agua depende de su capacidad permeable y su espesor.. 19.

(20) Ilustración 1 Concreto Poroso. Fuente: (Laura Portugal, 2009). Adicionalmente, las mezclas drenantes producen una mejora en la macrotextura del pavimento y así mismo en la adherencia entre el neumático y la carpeta de rodadura. En. general,. los. pavimentos. porosos. pueden. ser. utilizados. en. los. estacionamientos, carreteras y otras áreas pavimentadas; son particularmente útiles para las calles y calzadas de zonas residenciales y en áreas de estacionamiento en áreas comerciales; no es efectivo en las áreas que reciben escorrentía con altas cantidades de sedimentos debido a la tendencia de los poros a obstruirse (Miklas Scholz, 2006) Mientras que hay muchos materiales diferentes disponibles comercialmente, los pavimentos permeables se pueden dividir en tres tipos básicos: asfalto poroso bituminoso, concreto permeable, y pavimento de mortero permeable entrelazado. Estos tipos de pavimentos se pueden clasificar como pavimentos porosos o pavimentos permeables. Aunque la función de ambos tipos de pavimentos sea alcanzar los mismos beneficios, difieren considerablemente en su forma de operar y en su apariencia. (Miklas Scholz, 2006). El principio general del sistema de pavimento permeable es simplemente para recoger, tratar e infiltrar libremente cualquier escorrentía superficial para apoyar la 20.

(21) recarga de las aguas subterráneas. Tienen muchos beneficios potenciales, tales como la reducción de la escorrentía, la recarga de las aguas subterráneas, el ahorro de agua mediante el reciclaje y la prevención de la contaminación. Por otro lado, los pavimentos porosos han sido desarrollados para reducir las tasas de escorrentía y crecientes volúmenes de agua de lluvia recogida en las zonas urbanizadas. Estos pavimentos deben cumplir con las demandas de agua de eventos pico mientras proporcionan una superficie resistente para ser utilizado en zonas urbanas (Miklas Scholz, 2006).. Las principales aplicaciones de los pavimentos porosos son las siguientes: •. Acceso vehicular: accesos residenciales, servicios y caminos de acceso, cunetas, cruces y sendas de fuego.. •. Estabilización de taludes y control de erosiones.. •. Campos deportivos.. •. Parqueaderos.. •. Accesos peatonales.. •. Senderos de bicicletas y ecuestres.. El uso de las mezclas drenantes en Chile tuvo su inicio el año 1996 cuando la Unidad de Carreteras de la División El Teniente de Codelco Chile construyó un tramo experimental de aproximadamente 1.500 [m2] (Campos Canessa, 2008). Esta carpeta poseía 4 [cm] y fue confeccionada con cemento asfáltico modificado, y se instaló sobre una capa de graduación densa nivelante y con un bombeo de 1,0%. Durante su vida útil, este tramo se comportó de muy buena forma en términos funcionales y estructurales, por lo que se siguió experimentando con estas mezclas y el año 2000 se realizó un tramo de 10.000 [m2], donde esta vez la capa drenante aplicada fue de 5 [cm] de espesor y construida sobre un pavimento 21.

(22) existente, el cual fue tratado previamente por una capa de lechada asfáltica. (Campos Canessa, 2008). La Dirección de Vialidad, teniendo en cuenta los resultados de los tramos mencionados previamente (tanto en el ámbito de su aplicación como su comportamiento en servicio), decidió realizar más tramos experimentales con el propósito de evaluar el comportamiento en distintas condiciones geográficas.. El año 1999 se introducen en los contratos de repavimentación de la Ruta S-20 y 207, ubicados en la Región de la Araucanía y Región de Los Ríos respectivamente, donde se destinaron tramos con carpeta drenante, además de un pequeño tramo de 300 [m] de longitud en Concón, Ruta 60-CH. Este último desapareció debido a un nuevo proyecto que funcionará en poco tiempo en dicha zona. (Campos Canessa, 2008) Ilustración 2 Funcionamiento de un Concreto Poroso. Fuente: (Arango, 2015). 22.

(23) 4.2 MARCO CONTEXTUAL. Este proyecto se desarrolló por el grupo de estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en su programa de formación de pregrado de Ingeniería Civil, mediante la implementación de ensayos realizados en las instalaciones del laboratorio de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital y en préstamo, colaboración, orientación y asistencia durante la realización de ensayos de laboratorio de las instalaciones del laboratorio Concrescol y su personal.. 4.3 MARCO LEGAL O NORMATIVO Todos los ensayos requeridos en la investigación se realizaron de acuerdo a la Normatividad Colombiana del Instituto Nacional de Vías INVIAS, como se muestra en la siguiente tabla.. MATERIAL PÉTREO. Tabla 1 Marco Legal o Normativo. I.N.V. E-218 "Resistencia a la degradación de los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1 1/2") por medio de la máquina de los Ángeles" I.N.V. E-238 “Determinación de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasión utilizando el aparato micro-deval” I.N.V. E-224 “Evaluación de la resistencia mecánica de los agregados gruesos por el método de 10% de finos” I.N.V. E-220 “Sanidad de los agregados frente a la acción de las soluciones de sulfato de sodio o de magnesio” I.N.V. E-237 “Determinación de la limpieza superficial de las partículas de agregado grueso” I.N.V. E-133 “Equivalente de arena de suelos y agregados finos” I.N.V. E-235 “Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales” I.N.V. E-240 “Método para determinar partículas planas, alargadas o planas y alargadas en agregados gruesos” I.N.V. E-227 “Porcentaje de caras fracturadas en los agregados” I.N.V. E-757 “Efecto del agua sobre mezclas asfálticas sueltas (método 23.

(24) MEZCLA ASFÁLTICA. rápido de campo)” I.N.V. E-774 “ adhesividad de los ligantes bituminosos a los agregados finos (Método Riedel-Weber)” I.N.V. E-748 "Estabilidad y Flujo de mezclas asfálticas en caliente empleando el equipo Marshall" I.N.V. E-734 "Gravedad específica Bulk y densidad de mezclas asfálticas compactadas absorbentes empleando especímenes recubiertos con una película de parafina" INV E‐736 “Porcentaje de vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas densas y abiertas” INV E‐760 “Caracterización de las mezclas bituminosas abiertas por medio del ensayo cántabro de pérdida por desgaste”. 4.4 MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL. A continuación se presentan los conceptos teóricos fundamentales requeridos para la comprensión de del contexto temático de la investigación. Los conceptos presentados fueron extraídos de la investigación que constituye el principal antecedente que dio origen al presente proyecto de investigación. Estos conceptos serán utilizados durante el desarrollo del proyecto, los cuales sirven como guía para el buen entendimiento del mismo:. Adherencia: Es la resistencia del asfalto a despegarse del agregado pétreo, se consigue cuando el agregado se encuentra impregnado del material asfaltico, para lo cual debe existir una correlación que permite la unión entre los materiales que participan en la adherencia. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Agregados: Son materiales granulares sólidos inertes que se emplean en los firmes de las carreteras con o sin adición de elementos activos y con 24.

(25) granulometrías adecuadas; se utilizan para la fabricación de productos artificiales resistentes, mediante su mezcla con materiales aglomerantes de activación hidráulica (cementos, cales, etc.) o con ligante asfálticos. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Agregado Grueso: Deberá proceder de la trituración y clasificación de roca y/o grava; 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 u otras sustancias objetables que puedan impedir la adhesión completa del asfalto. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). 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. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Asfalto: Es un material altamente impermeable, adherente y cohesivo, capaz de resistir altos esfuerzos instantáneos y fluir bajo la acción de cargas permanentes, se usa como aglomerante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras o autopistas. Está presente en el petróleo crudo y compuesto casi por completo de bitumen. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Densidad: Se realiza esta determinación para comprobar el grado de compactación en rellenos compactados artificialmente. Es muy útil en el caso de suelos sin cohesión (gravas y arenas), los cuales, por lo general no permiten obtener muestras inalteradas, y por medio de la densidad in situ se puede. 25.

(26) reproducir el suelo natural en la densidad natural a partir de una muestra alterada. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Densidad Bulk: Es la masa de la mezcla asfáltica por metro cubico del material a una determinada temperatura, generalmente a 25° C. Durabilidad: Es la forma de cuantificar la capacidad de la mezcla asfáltica a soportar la degradación y envejecimiento del que es víctima producto del intemperismo y las cargas a las que se les somete por tráfico. Lo ideal es que las mezclas asfálticas posean una durabilidad mayor o mínimo igual al periodo de diseño sin sufrir patologías tempranas. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Ensayo Marshall: Es un método ideado para dosificar las mezclas asfálticas empleando asfaltos sólidos y material granular que no supere un tamaño máximo de 2.54 cm. Mediante la prueba, se obtiene la cantidad apropiada de asfalto para poder garantizar la suficiente Estabilidad y así mismo las exigencias del servicio sin desplazamientos o distorsiones, un buen recubrimiento de partículas para obtener un pavimento durable incluyendo el factor de la compactación.. El propósito del método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica en agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente, y establece densidades y contenidos óptimos de vacío que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Estabilidad: Es la capacidad para resistir la deformación bajo las cargas del tránsito. Un pavimento inestable presenta ahuellamientos, corrugaciones y otras señas que indican cambios en la mezcla. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015) 26.

(27) La Estabilidad del espécimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un espécimen 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 espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de Estabilidad. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Flujo: Deformación total en el espécimen en la determinación de la Estabilidad (0.01 pulgadas). (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Granulometría: Este ensayo tiene por objeto determinar la granulometría de los áridos de hasta 90 mm mediante su división y separación con una serie de tamices en fracciones granulométricas de tamaño decreciente. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). La norma se refiere a la determinación cuantitativa de la distribución de los tamaños de las partículas mayores de 75 μm, retenidas en el tamiz No. 200, se determina por tamizado, mientras que la distribución de los tamaños de partículas menores de 75 μm, se determina por un proceso de sedimentación empleando un hidrómetro. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Tamizado: Es un método físico para separar mezclas, el cual consiste en hacer pasar una mezcla de partículas de diferentes tamaños por un tamiz, Las partículas de menor tamaño pasan por los poros del tamiz atravesándolo y las grandes quedan retenidas por el mismo. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). 27.

(28) Llenante Mineral: Podrá provenir de los procesos de trituración y clasificación de los agregados pétreos o podrá ser de aporte como producto comercial, generalmente cal hidratada o cemento hidráulico. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Mezcla Densa en Caliente: Consiste en la combinación uniforme de agregados gruesos triturados, finos y mineral con cemento asfáltico, en una planta especializada, mediante métodos de control que permiten asegurar la correcta dosificación de los componentes, o en laboratorio para determinar sus características. (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). Mezclas Asfálticas Modificadas: Es la adición de polímeros a las mezclas asfálticas convencionales con el fin de mejorar sus características mecánicas, es decir, su resistencia a las deformaciones por factores climatológicos y del tránsito. Porcentaje de Vacíos: es el porcentaje de bolas de Aire que se encuentra entre las partículas de agregados cubiertos con asfalto, en una mezcla asfáltica compactada (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015).. Mezclas Asfálticas Drenantes: son aquellas mezclas asfálticas cuyo porcentaje de vacíos es lo suficientemente alto para permitir que a través de ellas se filtre el agua con rapidez y pueda ser evacuada hacia las bermas, cunetas u otros elementos de drenaje, evitando así su permanencia en la superficie de la vía (capa de rodadura), incluso bajo precipitaciones intensas y prolongadas (Perez Cely & Juyar Mora, 1998).. Pavimentos permeables: Los pavimentos permeables nacen como una forma alternativa de mitigación de la escorrentía superficial y los caudales pico (generadores de inundaciones), en las zonas urbanizadas en las cuales la cuenca 28.

(29) ha perdido su permeabilidad. El objetivo de estos sistemas es generar zonas donde el agua se infiltre o se almacene amortiguando la cantidad de agua lluvia precipitada y aumentando los tiempos de concentración de la misma. Se recomienda su uso en zonas de baja pendiente, con poco tráfico tales como estacionamientos, vías con tráfico ligero u ocasional, y andenes, entre otros, en los que su nivel freático se encuentre muy por debajo del fondo de la zona de almacenamiento para que este no interfiera ni disminuya el volumen de acopio (Legret et al., 1999; EPA, 1999).. 29.

(30) 5. MÉTODO DE INVESTIGACIÓN 5.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN. 5.1.1 Experimental Dentro de la investigación, se van a desarrollar ensayos para determinar. las. características mecánicas y físicas de una mezcla drenante convencional para posteriormente diseñar dos tipos de modificaciones a la misma, una mezcla modificadas con aditivo Zycotherm y con la otra con granulometría Bailey, para obtener así, una mezcla permeable resistente y con propiedades drenantes. 5.1.2 Cuantitativo El enfoque de nuestra investigación será cuantitativo porque se van a calcular numéricamente los valores con los ensayos planteados y que a su vez servirán de información base para el análisis de datos, conclusiones y recomendaciones. 5.2 DISEÑO METODOLÓGICO DE LA INVESTIGACIÓN. El diseño metodológico se encuentra comprendido por 4 fases correspondientes a recolección de materias primas, caracterización de materiales granulares, dosificación de la mezcla asfáltica, ejecución de ensayos y análisis de resultados; las cuales se llevaron a cabo según las normas INV-2013, dando cumplimiento a cada una de las especificaciones técnicas requeridas. 5.2.1.1. Fase 1. Recolección de materiales pétreos, cemento asfáltico y. aditivo.. 5.2.1.2. Material pétreo: El material pétreo a utilizar debe contar con las. especificaciones descritas en la norma INVIAS artículo 453-13 en su numeral 453.2 de tal manera que su caracterización y granulometría se ajusten a los requisitos mencionados allí, para proceder a la elaboración de las mezclas asfálticas permeables. 30.

(31) 5.2.1.3. Cemento asfáltico: El material bituminoso para elaborar la mezcla. drenante será cemento asfáltico modificado con polímeros, que corresponda a los tipos I o II del Artículo 414 (INVIAS, 2013), cuya caracterización debe contar con resultados en ensayos de penetración, punto de ablandamiento, ductilidad y peso específico. 5.2.1.4. Aditivo:. 5.2.2 Fase 2. Caracterización de los materiales granulares. 5.2.2.1. Material Granular:. Se realizó la caracterización de los materiales pétreos en cuanto a los ensayos de dureza, durabilidad, limpieza de agregados, degradación por abrasión, geometría de partículas para los agregados gruesos y finos y Adhesividad, de acuerdo a la normatividad vigente.. 31.

(32) Tabla 2 Ensayos a Material Granular Fuente: (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). 32.

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(35) 5.2.3 Fase 3. Dosificación de la mezcla asfáltica. 5.2.3.1. Temperatura de mezclado y compactación:. Teniendo en cuenta el rango de viscosidad establecido en las especificaciones técnicas, la temperatura para mezclado de cemento asfáltico y agregados será entre el rango de 160-169ºC, y la temperatura de compactación de briquetas Marshall será de 144-150ºC. 5.2.3.2. Diseño de la mezcla asfáltica drenante: Diseño Marshall y Cántabro. Se utilizó el proceso estipulado por el método Marshall, definido de acuerdo a la norma I.N.V.E-748/13 y el método Cántabro de la norma INVIAS 760/13, para establecer el contenido óptimo de asfalto y la dosificación apropiada que permita 35.

(36) cumplir con todos los parámetros fijados por la normatividad aplicable para cada tipo de mezcla. La preparación de las briquetas se realizó en el laboratorio conforme a lo indicado en la norma INV E-748/13 y 760/13. La norma desgaste por Cántabro INVIAS 760/13 describe el procedimiento que se debe seguir para la determinación del valor de la pérdida por desgaste de las mezclas asfálticas empleando la máquina de Los Ángeles. El procedimiento se aplica a las mezclas asfálticas fabricadas en caliente. de. granulometría abierta, como mezclas drenantes, mezclas gruesas cuyo tamaño máximo sea inferior a 25 mm. El ensayo permite valorar directamente la cohesión, trabazón, así como la resistencia a la disgregación de la mezcla, ante los efectos abrasivos y de succión originados por el tráfico. Se prepararon cuatro juegos de briquetas para cuatro diferentes contenidos de cemento asfáltico, los cuales se sometieron a ensayo de acuerdo a las normas INVIAS, encontrando un conjunto de resultados los cuales muestran valores definidos y representativos estadísticamente; además, con base en la fórmula de trabajo y los porcentajes retenidos, se procedió a definir las cantidades exactas de cada uno de los materiales necesarios para producir 1050 gr. de mezcla asfáltica por briqueta elaborada. Se aplicó una energía de compactación de 50 golpes por cara, teniendo en cuenta las especificaciones del método Marshall y el método cántabro INVIAS 760/13, temperaturas y demás parámetros del ensayo.  La mezcla fue elaborada para una categoría de tráfico NT3.  Los incrementos en los porcentajes de asfalto se realizaron de 0,5%, de acuerdo a la especificación con un valor mínimo fue de 4,5% hasta llegar a 6,0%. 36.

(37) Se realizaron las curvas de variación de asfalto requeridas por el método Marshall y el método Cántabro, escogiendo el contenido de asfalto de manera que la mezcla cumpla con los parámetros establecidos en la especificación IINVIAS ARTICULO 453-13. Con el análisis de los datos arrojados en los ensayos a las briquetas, se determinó el porcentaje de cemento asfáltico óptimo, el cual cumple con todos los requerimientos exigidos por la especificación INVIAS.. 5.2.4 Fase 4. Análisis de resultados Los resultados obtenidos de los ensayos de caracterización de los agregados, y a la mezcla asfáltica se registraron en tablas en las cuales se puede verificar el cumplimiento de las especificaciones técnicas INVIAS vigentes requeridas.. Para proceder con el análisis de los resultados obtenidos se toma como referencia la muestra de control para desarrollar comparaciones con los dos tipos de modificaciones que se llevaron a cabo, la primera es una modificación a la granulometría mediante la implementación del método Bailey, y la segunda es una modificación a la mezcla con la adición del aditivo zycotherm.. En esta fase se consultara la bibliografía existente para la interpretación de los resultados que arrojen las pruebas de laboratorio con respecto a las variables estudiadas, por lo que se compararan los resultados obtenidos de las dos mezclas modificadas, con los obtenidos en la muestra control y de esta manera sacar conclusiones y recomendaciones.. 37.

(38) 5.3 POBLACIÓN Y MUESTRA. POBLACIÓN: En total se realizaron 36 Probetas, una muestra corresponde a 3 especímenes, por cada grupo de mezcla permeable se elaboraron 4 muestras, variando el porcentaje de asfalto para encontrar el óptimo, son 3 tipos de mezclas permeables, el primero es la muestra de control que se elaboró centralizando la granulometría de acuerdo con el capítulo 4 de la norma INV- 453–13, para el segundo grupo se utilizó el método Bailey; el cual, hace una configuración a la granulometría de tal manera que se puedan obtener mejores resultados a favor de la estabilidad de la muestra, el tercer grupo fue elaborado con aditivo zicotherm el cual en sus especificaciones técnicas, entre otras, dice aumentar en un 30% la estabilidad Marshall.. 38.

(39) 5.4 INSTRUMENTOS Tabla 3 Instrumentos Fuente: (Trujillo, Valero, & Lozano, 2015). 39.

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(41) 41.

(42) 42.

(43) 6. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. 6.1 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA MEZCLA PERMEABLE DE ESTUDIO. Los criterios contemplados en la especificación para el diseño de una mezcla asfáltica permeable, hacen referencia a la calidad y propiedades de los agregados, propiedades del cemento asfáltico, composición de la mezcla y el comportamiento drenante de la misma, colocada y compactada bajo las cargas de servicio. 6.1.1 Caracterización y granulometría de los agregados Para la obtención del diseño Marshall, se clasificaron dos materiales mediante la curva granulométrica, grava y arena provenientes del rio Coello en el Tolima. 6.1.1.1. Requisitos generales de caracterización. Respecto a la caracterización de los agregados, se llevó a cabo según la tabla 453–1 de la INV 453-13, donde se relacionan los requisitos de los agregados para mezcla drenante, cuya especificación técnica está dada para los niveles de transito NT2 Y NT3. Dicha caracterización se determinó a partir de la ejecución de los siguientes ensayos: . Desgaste máquina de los ángeles, Norma INV E-218,. . Resistencia por abrasión al degaste por medio del equipo de Micro-deval Norma INV E-238,. . Resistencia mecánica por medio del 10% de finos Norma INV E-224,. . Pérdidas en ensayo de solidez en sulfato de sodio, agregados fino y grueso Norma INV E-220,. . Equivalente de arena, Norma INV E-133,. . Valor de azul de metileno, Norma INV E-235,. . Partículas planas y alargadas, relación 5:1, Norma INV E-240, 43.

(44) . Limpieza superficial de las partículas de agregado grueso, I.N.V. E–237,. . Caras fracturadas, Norma INV E-227, y. . Angularidad de la fracción fina, método A, Norma E-239.. A continuación se relaciona una tabla donde se muestra la especificación requerida y los resultados obtenidos en la presente investigación. Tabla 4 Tabla comparativa de resultados caracterización de agregados. Fuente: Elaboración propia.. ENSAYO Desgaste en la máquina de los ángeles en seco 500 Rev. Micro Deval 10% Finos (valor en seco) (Relación húmedo/seco) Solidez en sulfato de sodio Partículas fracturadas mecánicamente a 1/2 caras Partículas planas y alargadas en agregados gruesos. Limpieza superficial de las partículas de agregado grueso. PARÁMETRO ESPECIFICACIÓN AGREGADO GRUESO. NORMA. RESULTADO. CRITERIO DE ACEPTACIÓN. I.N.V.E-218-13. ≤25%. 25%. CUMPLE. I.N.V.E-238-13. ≤20% >110 KN >75%. 11% 229.06KN 89 %. CUMPLE CUMPLE CUMPLE. I.N.V.E-220-13. <18%. 10,1%. CUMPLE. I.N.V.E-227-13. >100%. 99%. NO CUMPLE. I.N.V.E-240-13. <10%. 2,9%. CUMPLE. I.N.V. E–237-13. ≤0,5%. 0,36. CUMPLE. 11,7%. CUMPLE. NP-NL 63% 3,3. CUMPLE CUMPLE. I.N.V.E-224-13. AGREGADO FINO Solidez en sulfato de magnesio Índice de plasticidad % Equivalente de arena Azul de metileno Peso unitario aparente, determinado por el ensayo de sedimentación en tolueno, g/cm³ Vacíos del llenante seco compactado. I.N.V.E-220-13. <18. I.N.V.E-126-13 NP-NL I.N.V.E-133-13 >50% I.N.V.E-235-13 <10 LLENANTE EN TOLUENO I.N.V.E-225-13. 0,5-0,8. 0,71. CUMPLE. INV E-229/13. >35%. 40. CUMPLE. 44.

(45) Como se puede apreciar, en cuanto a la caracterización de los agregados y lo requerido por la Norma INVIAS-13, el único factor desfavorable para la continuación de la investigación, es el porcentaje de caras fracturadas de los agregados, cuyo ensayo de laboratorio, arrojo que el 99% del material granular presenta caras fracturadas y la especificación requiere de un 100%. Dado que la diferencia de porcentajes es mínima y que los recursos suministrados para la presente investigación no son suficientes para realizar un cambio en el material granular por tan insignificante valor, esta diferencia de porcentaje será despreciable dentro del desarrollo del proyecto. Finalmente, los agregados propuestos cumplieron con los requisitos de calidad referidos a: Dureza, Limpieza, Durabilidad, Peso Unitario y Forma. El resultado de los ensayos que evalúa cada una de las propiedades enunciadas se presenta de manera detallada en los anexos del documento. 6.1.1.2. Granulometría. Para la selección de una curva granulométrica se utiliza una Figura semilogarítmica donde las ordenadas representan el porcentaje de material que pasa cierto tamiz y las abscisas indican las aberturas de las mallas en mm en escala logarítmica. Para el caso de una mezcla drenante, se requieren los siguientes intervalos: Tabla 5 Franja Granulométrica para mezcla drenante. Fuente: (INVIAS, 2013). Los resultados y curva granulométrica obtenidos en laboratorio con respecto a la granulometría del material se relacionan a continuación:. 45.

(46) Ilustración 3 Resultados Granulometría Fuente: Elaboración propia. Ilustración 4 Clasificación del agregado Fuente: Elaboración Propia.. Tabla 6 Resultados granulometría y especificación. Fuente: Elaboración propia. PULG. mm. 1". 25. 3/4". 19. 1/2". 12.5. 3/8". 9.5. No. 4. 4.75. No. 10. 2. No. 40. 0.43. No. 200. 0.075. GRANULOMETRÍA MATERIAL Y ESPECIFICACIÓN INVIAS 453-13. %PASA 100 100 85 62.5 23.5 14.5 8.5 5. mínimo. máximo. 100. 100 100 100 75 32 20 12 7. 100 70 50 15 9 5 3. 46.

(47) Ilustración 5 Curva granulométrica. Fuente: Elaboración propia.. CURVA GRANULOMÉTRICA CENTRAL 100 90. 70 60 50 40 30. Porcentaje que Pasa%. 80. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 0. 20 10. 0 100. 10. 1. 0,1. 0,01. Abertura del tamiz (mm). Con respecto a la anterior imagen, la línea punteada es la que corresponde a la granulometría del material usado para la presente investigación, las líneas paralelas a esta corresponden a la franja granulométrica para mezcla drenante según la especificación técnica relacionada en la anterior tabla número 5, como se puede observar, la granulometría del material usado se encuentra de los límites de la franja, cumpliendo con la gradación requerida.. 47.

(48) 6.1.2 Caracterización del Cemento Asfáltico. La empresa proveedora del cemento asfaltico Tipo II A y la caracterización del mismo, fue MPI (Manufacturas y Procesos Industriales) el cual cuenta con las siguientes propiedades: . Peso específico del asfalto sólido (I.N.V. E-711/96): Cuenta con un valor de 1,007 gr/cm3; este dato es utilizado para el cálculo del ensayo Marshall.. . Penetración de los materiales asfálticos (I.N.V. E-706/13): Teniendo en cuenta las especificaciones técnicas del INVIAS de acuerdo a las solicitaciones de carga del tráfico NT3 se toma un asfalto Tipo II A para la ciudad de Bogotá, contando con un valor de 58 décimas de milímetro. El valor obtenido cumple con la especificación que establece el rango de mínimo 55 y máximo 70 décimas de milímetro para el asfalto Tipo II A.. . Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola) (I.N.V E-712/13): El asfalto adquirido Tipo II A cuenta con un punto de ablandamiento de 64,4°C, para la especificación de mínimo 58ºC.. . Recuperación elástica por torsión a 25ºC: Cuenta con un dato de 50% cumpliendo con la especificación de mínimo 40%.. 6.1.3 Caracterización del aditivo Zycotherm.. El aditivo escogido fue Zycotherm, es un aditivo para asfalto de última generación, a base de organsilanos a escala manométrica que proporciona una mayor duración del concreto asfaltico al tiempo que mejora los procesos de fabricación, extendido y compactado. 48.

(49) Los organosilanos son moléculas puente reactivas que modifican de forma permanente la superficie del agregado (inorgánico) en una superficie alkyl que es extremadamente compatible con el asfalto que queda unido mediante enlace químico al mismo. La nueva interacción entre asfalto y agregado expulsa el aire formando una unión total, de modo que el agua en forma de vapor no es capaz de delaminar. Entre sus beneficios se encuentran:              . Incremento multiplicativo de adherencia agregado-asfalto. Fabricación de mezclas semicalientes. Mejora la durabilidad del concreto asfaltico. Reduce la oxidación de la mezcla. Mejora la trabajabilidad. Reducción del contenido de filler de aportación. Compatible con polímeros, SBS, Elvaloy, NFU. Permite reducir temperatura de fabricación entre 10 – 15 °C. Mejor compactación incluso a baja temperatura (hasta 90°C). Permite aumentar las distancias en la obra. Mezcla más homogénea y sin segregación térmica. Permite incrementar en contenido de RAP. Mantiene la planta, equipo extendido y compactador más limpios. Asfalto más negro y resistente al agua.. Su dosificación es de 0.025 - 0.1% sobre el ligante bituminoso. (OPTIMA SOIL , 2016). 6.2 Diseños de mezcla permeable Patrón, con Granulometría Bailey y con Adición del aditivo Zycotherm:. 6.2.2 Diseño Mezcla Permeable. La metodología escogida para el diseño de la mezcla asfáltica consistió en la preparación de los especímenes según la especificación INVIAS en su artículo 453, donde todos los materiales propuestos deben garantizar la granulometría 49.

(50) (agregados gruesos y finos) y los porcentajes óptimos de mezcla (contenido de asfalto) para así establecer el peso unitario, el porcentaje de vacíos y los valores de estabilidad y flujo, necesarios para la obtención y comparación de resultados con las especificaciones y valores mínimos de una mezcla asfáltica en caliente de gradación continua en cuanto a estabilidad y flujo en el Articulo 450-13. Por lo anterior, se explica a continuación el procedimiento y ensayos realizados en esta investigación para el diseño de la mezcla asfáltica permeable. 6.2.2.A. Distribución Granulométrica:. La Granulometría creada para la elaboración de las probetas de mezcla permeable, fue la siguiente:  Para la mezcla asfáltica permeable de control y la mezcla permeable con aditivo zycotherm, se utilizó la granulometría mostrada en el numeral 6.1.1.2.  Para una de las mezclas asfálticas permeables, llamada mezcla asfáltica permeable bailey se utilizó una configuración a la granulometría utilizando un método de dosificación Bailey. Esta se relaciona a continuación con su respectiva curva granulométrica.. Tabla 7 Granulometría bailey y especificación INVIAS 453-13. GRANULOMETRÍA BAILEY Y ESPECIFICACIÓN INVIAS 453-13 PULG. mm. %PASA GRANULOMETRIA. mínimo. máximo. 1" 3/4" 1/2" 3/8" No. 4 No. 10 No. 40 No. 200. 25 19 12.5 9.5 4.75 2 0.43 0.075. 100 100 82 60 31 19 8 4. 100 100 70 50 15 9 5 3. 100 100 100 75 32 20 12 7. 50.

(51) Ilustración 6 Curva granulométrica Bailey. Fuente: Elaboración propia.. CURVA GRANULOMÉTRICA BAILEY 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8". No. 4. No. 40 No.50 No. 80 No.100 No. 200. No. 10 No.16. 100 90. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 0. 70 60 50 40 30. Porcentaje que Pasa%. 80. 20 10. 37,5 25,0 19. 12,5 9,5. 0 4,75. 2,00. 1,18. 0,43 0,3. 0,18 0,15. 0,075. Abertura del tamiz (mm). Con respecto a la anterior imagen, la línea punteada es la que corresponde a la granulometría del material con el método de dosificación Bailey, las líneas paralelas a esta corresponden a la franja granulométrica para mezcla drenante, como se puede observar, la granulometría Bailey entre los límites de la franja, cumpliendo con la gradación requerida.. 51.

(52) 6.2.2.B. Porcentaje de contenido de asfalto:. Para el desarrollo de la investigación, se trabajó con 4 contenidos de asfalto para cada modificación a la mezcla, y se tomó el mejor contenido de asfalto para comprar entre sí con cada una de las modificaciones y con la mezcla patrón. Se realizó los ensayos como se muestra en la siguiente Tabla:. Tabla 8 Porcentaje de asfalto para cada variación. Fuente: Elaboración propia. Mezcla Drenante. Mezcla con. Mezcla con. Gradación Bailey. Zycotherm. Contenido de. 4,5%. 4,5%. 4,5%. Asfalto. 5,0%. 5,0%. 5,0%. 5,5%. 5,5%. 5,5%. 6,0%. 6,0%. 6,0%. Tanto para la mezcla patrón, como para las modificaciones realizadas, se llevó un estricto control del procedimiento tal como se describe en la metodología Marshall; control de las temperaturas tanto de la mezcla de los agregados como la del cemento asfaltico y la compactación hecha a los especímenes de prueba fue de 75 golpes por cada cara según artículo I.N.V. - 450-13 para el tráfico de mayor exigencia tipo NT3, manteniendo en óptimas condiciones los equipos y herramientas utilizados de acuerdo a como se especifican en la norma I.N.V. E 748-13. Elaboradas las briquetas se procedió con las pruebas de laboratorio iniciando con la determinación de la densidad Bulk y el porcentaje de vacíos para cada serie de muestras asfálticas, mediante el cálculo y análisis de los diferentes pesos y volúmenes (Normas INV E -734, 735 y 736 del 2013). Seguido se realizaron las pruebas de Estabilidad y Flujo en la prensa Marshall, no sin antes someterlas al baño de María por un periodo de 30 minutos a una temperatura de 60 °C y de inmediato aplicar la carga a una velocidad de 50 ± 5 mm/min hasta llegar a la carga máxima (se produce la rotura) y también determinar la medida de deformación en que se dio a dicha carga (Norma INV E-748-13). 52.

(53) Ilustración 7 Especímenes en horno. Fuente: Elaboración Propia. Ilustración 8 Retiro de baño de María. 53.

(54) 6.2.3 Tablas de resultados de las tres mezclas permeables: Mezcla patrón, mezcla Bailey y mezcla zycotherm.. El porcentaje de vacíos con aire en una mezcla asfáltica es uno de los criterios utilizados tanto en los métodos de diseño, como en la evaluación de la compactación alcanzada en proyectos de pavimentos asfálticos. En las siguientes figuras se presentan los gráficos de los valores resultantes de % de vacíos vs. % de asfalto. Aplicando la norma INV E-736-13 – “Porcentaje de vacíos en mezclas asfálticas compactadas densas y abiertas”, se determinó para cada condición el porcentaje de vacíos con aire de las mezclas asfálticas, obteniendo los siguientes resultados: Tabla 9 Porcentaje de vacíos. Fuente: Elaboración Propia. % VACÍOS EN LAS MEZCLAS Patrón. Bailey. Zycotherm. Porcentaje asfalto. 23,14%. 20,33%. 22,74%. 4,5%. 21,98%. 18,75%. 21,87%. 5,0%. 20,42%. 17,69%. 20,31%. 5,5%. 19,90%. 16,89%. 19,75%. 6,0%. Asociado con el anterior parámetro volumétrico se encuentra el criterio mecánico (resistencia) de la adecuada combinación de los mismos y con la ayuda de las Figuras se adopta una primera aproximación al porcentaje óptimo de asfalto. En las siguientes figuras se presentan los gráficos de los valores resultantes de densidad bulk vs. % de asfalto. Tabla 10 Bulk. Fuente: Elaboración Propia. Patrón (gr/cm3) 1,90 1,92 1,94 1,94. DENSIDAD BULK DE LAS MEZCLAS Bailey Zycotherm Porcentaje (gr/cm3) (gr/cm3) asfalto 1,97 1,92 4,5% 1,99 1,92 5,0% 2,00 1,95 5,5% 2,01 1,95 6,0% 54.

(55) Del ensayo de Estabilidad se obtiene uno de los parámetros más relevantes para el diseño y selección de la mezcla asfáltica, como lo es la resistencia bajo carga monotónica. Aplicando la norma INV E-748 “Estabilidad y Flujo de mezclas asfálticas en caliente empleando el equipo de Marshall”, se obtuvo para cada condición el valor de la Estabilidad de la mezclas en referencia a una mezcla asfáltica densa en caliente convencional. Tabla 11 Estabilidad de las mezclas. Fuente: Elaboración propia. ESTABILIDAD DE LAS MEZCLAS Patrón (Kg). Bailey (Kg). Zycotherm (Kg). Porcentaje asfalto. 593. 847. 789. 4,5%. 598. 861. 863. 5,0%. 619. 943. 863. 5,5%. 608. 953. 842. 6,0%. Aplicando la norma INV E-748 “Estabilidad y Flujo de mezclas asfálticas en caliente empleando el equipo de Marshall”, se determinó para cada condición el valor de Flujo de las mezclas. A continuación se muestran los valores de deformación (Flujo) que se presentaron antes de la falla con las cargas del ensayo de Estabilidad presentados en las figuras anteriores respectivamente: Tabla 12 Flujo de las mezclas. Fuente: Elaboración Propia. FLUJO Patrón (mm). Bailey (mm). Zycotherm (mm). Porcentaje asfalto. 4,1. 4,4. 4,4. 4,5%. 4,2. 5,2. 5,2. 5,0%. 4,3. 5,6. 5,6. 5,5%. 5,1. 6,6. 6,6. 6,0%. 55.

(56) Aplicando la norma INV E-748 “Estabilidad y Flujo de mezclas asfálticas en caliente empleando el equipo de Marshall”, se determinó para cada condición el valor de la relación Estabilidad/Flujo de las mezclas. A continuación se muestran los valores de la relación Estabilidad/Flujo que se obtuvieron analíticamente producto de los ensayos de estabilidad y flujo presentados en las figuras anteriores respectivamente: Tabla 13 Relación Estabilidad/Flujo. Fuente: Elaboración Propia. RELACIÓN ESTABILIDAD/FLUJO Patrón (KN/mm) 1,40. Bailey (KN/mm) 1,89. zycotherm (KN/mm) 1,66. Porcentaje asfalto 4,5%. 1,39. 1,64. 1,67. 5,0%. 1,41. 1,66. 1,59. 5,5%. 1,17. 1,42. 1,25. 6,0%. 6.3 Resultados ensayo de permeabilidad El ensayo de permeabilidad se realizó para medir la capacidad de drenaje de las mezclas asfálticas diseñadas en cada una de sus modificaciones, esta se llevó a cabo siguiendo la especificación técnica de la norma INV 453-13, utilizando 100 ml de agua que se vertieron sobre cada una de las probetas para calcular el tiempo que tarda el agua en atravesar la muestra, el cual no debe exceder de 15 segundos. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:. Tabla 14 Permeabilidad mezcla central. Fuente: Elaboración propia.. Granulometría central MD-UNICA con Asfalto tipo II-a Porcentaje de asfalto 4.5. Masa Inicial 1031.8. Diámetro cm 10.16. Espesor cm 6.68. 5. 1045.9. 10.16. 5.5 6. 1053.6 1049.6. 10.16 10.16. 56. 1.905. Tiempo (s) 8. 6.74. 1.914. 11. 6.66 6.69. 1.951 1.935. 10 18. Densidad.

(57) Tabla 15 Permeabilidad mezcla Bailey. Fuente: Elaboración propia.. Granulometría Bailey MD-UNICA con Asfalto tipo II-a Porcentaje de asfalto. Masa Inicial. Diámetro cm. Espesor cm. Densidad. Tiempo (s). 4.5 5 5.5 6. 1033.6 1025.9 1052.3 1044.6. 10.16 10.16 10.16 10.16. 6.49 6.39 6.46 6.42. 1.964 1.980 2.009 2.007. 10 8 12 20. Tabla 16 Permeabilidad mezcla zycotherm. Fuente: Elaboración propia.. Granulometría Centrada MD-UNICA con Asfalto tipo II-a con aditivo Zycotherm Porcentaje de asfalto. Masa Inicial. Diámetro cm. Espesor cm. Densidad. Tiempo (s). 4.5 5 5.5 6. 1053.6 1040.9 1045.5 1033.5. 10.16 10.16 10.16 10.16. 6.78 6.65 6.64 6.53. 1.917 1.931 1.942 1.952. 11 12 11 15. Figura 1 Ensayo de permeabilidad. Fuente: Elaboración propia.. 57.

(58) 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 7.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS Como se pudo observar en el capítulo anterior, las granulometrías utilizadas para las mezclas asfálticas permeables que se diseñaron en la presente investigación cumplieron con la especificación técnica descrita en la norma INVIAS 453-13, ya que la curva granulométrica central y bailey se encontraban dentro de la franja granulométrica para mezcla drenante.. 7.2 ANÁLISIS DE PORCENTAJE DE VACÍOS. A partir de las tabla anteriores se elaboró la siguiente gráfica la cual representa los valores arrojados para las mezclas asfálticas con los diferentes porcentajes de asfalto trabajados, según cada condición comparada con los rangos aceptados por las especificaciones de la norma INVIAS y los resultados obtenidos para la mezclas. Ilustración 9 Porcentaje de Vacíos. Fuente: Elaboración Propia. % de Vacios 25,00% 23,00% 21,00% 19,00% 17,00% 15,00% 4,0%. 4,5%. 5,0%. 5,5%. 6,0%. 6,5%. Porcentaje de Asfalto Patrón. Bailey. zycotherm. Norma. Norma. Al presentar los resultados agrupándolos por contenido de asfalto dentro de las briquetas de mezcla patrón, mezcla con granulometría Bailey y mezcla adicionada 58.

(59) con Zycotherm, podemos inferir que las muestras con porcentajes de asfalto superior, tienden a tener un porcentaje de vacíos inferior al permitido según la normatividad INVIAS (% de vacíos entre el 20 y 25 %). Teniendo en cuenta que las muestras que fueron adicionadas con Zycotherm tuvieron un comportamiento similar al de la mezcla patrón, y que la mezcla con granulometría tipo Bailey fue la que menor porcentaje de vacíos tuvo entre los grupos, se descarta el uso de una granulometría tipo Bailey para formar una mezcla porosa que permita el paso del agua.. 7.3 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD. A partir de los resultados se presentan en capitulo anterior, se presenta gráficamente los valores alcanzados para las mezclas para cada condición comparados con los rangos de aceptación de las especificaciones INVIAS al igual que con el resultado obtenido para la mezcla patrón. Ilustración 10 Estabilidad de las mezclas. Fuente: Elaboración Propia. Estabilidad 1000 Kilogramos. 900 800 700 600 500 4,0%. 4,5%. 5,0%. 5,5%. 6,0%. porcentaje de asfalto Patrón (Kg). Bailey (Kg). zycotherm (Kg). Norma NT1. Norma NT2. Norma NT3. 59. 6,5%.

(60) Los mejores valores de Estabilidad se obtuvieron con las mezclas asfálticas con una granulometría configurada con el método Bailey, sin embargo y teniendo en cuenta que la granulometría configurada con el método Bailey no cumple con el porcentaje mínimo de vacíos requeridos para que la mezcla sea drenante, se descarta la implementación de la misma dentro de una capa de rodadura permeable. En cuanto a la mezcla adicionada con zycotherm, la cual presenta valores favorables de porcentajes de vacíos y de resistencia, esta solo podría ser implementada máximo para una categoría de trafico NT2, ya que su estabilidad promedio máxima para un porcentaje de asfalto de 5,5% equivale a 8466N. Teniendo en cuenta que los valores de estabilidad entre espécimen varían de acuerdo a sus condiciones de fabricación y error humano, sólo es conveniente afirmar que la mezcla permeable con porcentajes de asfalto entre 4,5% y 5,5% adicionada con zycotherm cumple con los valores de estabilidad para implementar en una categoría de transito NT1. Tabla 17 Especificación Estabilidad y Flujo. Fuente: INVIAS 450 (2013). 7.4 VALORES DE FLUJO. A partir de las tablas del anterior capitulo, se elaboró la siguiente gráfica la cual representa los valores de flujo arrojados para las mezclas asfálticas con los diferentes porcentajes de asfalto trabajados, según cada condición comparada 60.