Variación de temperatura de los componentes de una mezcla densa en caliente tipo 3 con cemento asfáltico 80 100

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(1)VARIACIÓN DE TEMPERATURA DE LOS COMPONENTES DE UNA MEZCLA DENSA EN CALIENTE TIPO 3 CON CEMENTO ASFÁLTICO 80-100. ELKIN GARZÓN ÁLVARO CÁRDENAS. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2013.

(2) VARIACIÓN DE TEMPERATURA DE LOS COMPONENTES DE UNA MEZCLA DENSA EN CALIENTE TIPO 3 CON CEMENTO ASFÁLTICO 80-100. ELKIN GARZÓN ÁLVARO CÁRDENAS. Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil. Director LUIS ÁNGEL MORENO ANSELMI Ingeniero Civil. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2013.

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(4) Nota de aceptación. ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________. ______________________________________ Director de Investigación Ing. Luis Ángel Moreno Anselmi. ______________________________________ Asesor Metodológico Ing. Juan Carlos Ruge Cárdenas. ______________________________________ Jurado. Bogotá D.C., junio de 2013.

(5) CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN. 12. 1. 1.1. ANTECEDENTES INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y NIVEL DE ENERGÍA DE COMPACTACIÓN EN LAS PROPIEDADES DINÁMICAS DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA FENÓMENO DE ENVEJECIMIENTO DE ASFALTOS FISURACIÓN POR BAJA TEMPERATURA (LOW TEMPERATURA RANKING) INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA, LA GRANULOMETRÍA Y EL AGUA EN LA COHESIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y NIVEL DE ENERGÍA DE COMPACTACIÓN EN LAS PROPIEDADES DINÁMICAS DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EFECTO DE LA PRESIÓN DE CONTACTO Y LA TEMPERATURA EN EL AHUELLAMIENTO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA EVALUACIÓN DEL EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO DEL CEMENTO ASFALTICO 80-100 EN EL HORNO DE LA PELÍCULA DELGADA SOBRE EL COMPORTAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO EN MDC-2. 14. 2. 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2. GENERALIDADES ASFALTO FUNCIONES DEL ASFALTO CLASIFICACIÓN DE LOS ASFALTOS Asfaltos para pavimentación Especificaciones de los cementos asfálticos. 19 19 19 20 20 22. 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.3 3.4. MATERIAL GRANULAR TIPOS DE AGREGADOS PÉTREOS Agregados naturales Agregados de trituración Agregados artificiales Agregados marginales OBTENCIÓN DE MATERIAL PÉTREO Proceso CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS SEGÚN LAS NORMAS INVIAS 2007. 24 24 24 24 24 24 24 24 25. 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8. 14 14 15 15 16 17. 18. 26.

(6) pág. 3.5 3.6. MATERIALES BIOCLIMATICOS LA ADMINISTRACIÓN DE LOS CONSTRUCCIÓN. 27 MATERIALES. EN. LA 28. 4. 4.1 4.1.1 4.1.2. MEZCLAS ASFÁLTICAS CARACTERÍSTICAS DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS Mezclas densas en caliente (MDC) Factores que influyen en la adherencia agregado-asfalto. 29 29 30 33. 5. 5.1 5.2. MÉTODO DE DISEÑO MARSHALL INVIAS 2007 ELABORACIÓN DE PROBETAS DEL MARSHALL DETERMINACIÓN DE LA ESTABILIDAD Y EL FLUJO. 35 35 38. 6.. EQUIPOS A UTILIZAR PARA LOS ENSAYOS. 40. 7.. FASE EXPERIMENTAL. 43. 8. 8.1 8.2 8.3 8.4. PROCEDIMIENTO HORNO NEVERA ELABORACION DE BRIQUETAS PRUEBAS Y ENSAYOS REALIZADOS A LAS BRIQUETAS. 44 44 45 45 49. 9. 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6. ANALISIS DE RESULTADOS MUESTRA CONVENCIONAL MUESTRA 1 MES NEVERA MUESTRA 1 MES HORNO MUESTRA 2 MESES NEVERA MUESTRA 2 MESES HORNO RESUMEN DATOS. 52 52 55 57 60 63 66. 10.. CONCLUSIONES. 68. BIBLIOGRAFÍA. 69.

(7) LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Tabla 11. Tabla 12. Tabla 14. Tabla 15. Tabla 16. Tabla 17. Tabla 18. Tabla 19. Tabla 20.. Rangos de penetración estándar Especificaciones para cementos asfálticos Determinación de las relaciones de aplanamiento y de alargamiento, de los agregados que se van a emplear en la construcción de vías TAMIZ (mm/U.S.Standard) Criterios de selección del cemento asfáltico Diseño de mezcla y obtención de la fórmula de trabajo Dosificación briquetas Muestra convencional Muestra convencional: Análisis Verificación de cumplimiento de los parámetros exigidos en el artículo 450-07 Muestra 1 mes nevera Muestra 1 mes nevera: Análisis Verificación de cumplimiento de los parámetros exigidos en el artículo 450-07 Muestra 1 mes horno Muestra 1 mes horno: análisis verificación de cumplimiento de los parámetros exigidos en el artículo 450-07 Muestra 2 meses nevera Muestra 2 meses nevera: Análisis Verificación de cumplimiento de los parámetros exigidos en el artículo 450-07 Muestra 2 meses horno Muestra 2 meses horno: Análisis Verificación de cumplimiento de los parámetros exigidos en el artículo 450-07 Resumen de datos. 21 23 27 31 31 32 45 52 52 55 55 57 58 60 61 63 64 67.

(8) LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Figura 8. Figura 9. Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13. Figura 14. Figura 15. Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19. Figura 20. Figura 21. Figura 22. Figura 23. Figura 24. Figura 25. Figura 26. Figura 27. Figura 28. Figura 29. Figura 30. Figura 31. Figura 32. Figura 33. Figura 34. Figura 35. Figura 36. Figura 37. Figura 38. Figura 39. Figura 40.. Bandejas de asfalto Clasificación del material granular Bandejas de asfalto expuestas a 60ºC temperatura Bandejas de asfalto expuestas a -14ºC temperatura Clasificación material granular Dosificando el material granular sin asfalto Dosificación asfalto muestra convencional Dosificación asfalto Temperatura de mezclado Mezcla homogénea asfalto material granular Compactación de briquetas Briquetas Toma altura briquetas Peso briquetas en el aire Peso briquetas en el agua Peso briquetas parcialmente húmedas Baño de maría de las briquetas a 40ºC Determinación de estabilidad y flujo Estabilidad vs % Asfalto de la muestra convencional Flujo vs % Asfalto de la muestra convencional Rigidez Marshall vs % Asfalto De la muestra convencional Peso unitario vs % Asfalto De la muestra convencional Vacíos de agregados vs % Asfalto De la muestra convencional Vacíos llenos asfalto vs % asfalto de la muestra convencional Peso especifico vs % asfalto de la muestra convencional Vacíos mezcla vs % Asfalto De la muestra convencional Estabilidad vs % Asfalto de la muestra 1 mes Nevera Flujo vs % Asfalto de la muestra 1 mes Nevera Rigidez Marshall vs % Asfalto De la muestra 1 mes Nevera Peso unitario vs % Asfalto De la muestra 1 mes Nevera Vacíos agregados vs % Asfalto De la muestra 1 mes Nevera Vacíos lleno asfalto vs % Asfalto De la muestra 1 mes Nevera Peso especifico vs % Asfalto De la muestra 1 mes Nevera Vacíos mezcla vs % Asfalto De la muestra 1 mes Nevera Estabilidad vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Flujo vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Rigidez Marshall vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Peso unitario vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Vacíos agregados vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Vacíos lleno asfalto vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Peso especifico vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno. 44 44 45 46 46 46 47 47 48 48 49 49 50 50 50 51 51 53 53 54 54 54 54 54 54 56 56 56 56 57 57 57 57 59 59 59 59 60 60 60.

(9) pág. Figura 41. Figura 42. Figura 43. Figura 44. Figura 45. Figura 46. Figura 47. Figura 48. Figura 49. Figura 50. Figura 51. Figura 52. Figura 53. Figura 54. Figura 55. Figura 56. Figura 57. Figura 58. Figura 59. Figura 60.. Vacíos mezcla vs % Asfalto De la muestra 1 mes Horno Estabilidad vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Flujo vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Rigidez Marshall vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Peso unitario vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Vacíos agregados vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Vacíos llenos asfalto vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Peso específico vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Vacíos mezcla total vs % Asfalto De la muestra 2 meses Nevera Estabilidad vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Flujo vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Rigidez Marshall vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Peso unitario vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Vacíos agregados vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Vacíos llenos de asfalto vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Peso especifico vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Vacíos mezcla vs % Asfalto De la muestra 2 meses Horno Estabilidad vs % Asfalto con 4 dosificaciones Flujo vs % Asfalto con 4 dosificaciones Rigidez Marshall vs % Asfalto modificado con 4 dosificaciones. 60 62 62 62 62 63 63 63 63 65 65 65 65 65 65 66 66 66 66 67.

(10) LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Anexo B.. Temperatura ambiente Laboratorios de material granular. 71 73.

(11) GLOSARIO AGREGADO PÉTREO: 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 se usan tanto en las capas de base granular como para la elaboración de la mezcla asfáltica. 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. ENSAYO MARSHALL: Es un procedimiento consiste en la fabricación de probetas cilíndricas de 101.6 mm (4") de diámetro y 63.5 mm (2½") de altura, preparadas como lo describe la norma INV E-748-07, rompiéndolas posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y deformación. Si se desean conocer los porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se determinarán previamente las gravedades específicas de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del ensayo de rotura, de acuerdo con las normas correspondientes. MEZCLA ASFÁLTICA: Una mezcla asfáltica en general es una combinación de asfalto y agregados minerales pétreos en proporciones exactas. Las proporciones relativas de estos minerales determinan las propiedades físicas de la mezcla y, eventualmente, el desempeño de la misma como capa terminada para un determinado uso. MEZCLA DENSA EN CALIENTE: Una mezcla asfáltica 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. PAVIMENTO: Los pavimentos son estructuras construidas por capas de diversos materiales seleccionados, superpuestas, colocadas y compactadas sobre la superficie del terreno está concebida especialmente para la circulación del tráfico automotor..

(12) INTRODUCCIÓN En la actualidad, la principal característica que se busca en un pavimento es la de proporcionar una superficie de rodamiento cómoda y segura al tránsito de los vehículos, soportando y distribuyendo las cargas que se apliquen en él, sin que se creen deformaciones permanentes para ofrecer seguridad y comodidad, garantizando que la calidad y durabilidad del pavimento sea igual o superior a la diseñada inicialmente. Durante los últimos años se han realizado investigaciones a nivel mundial, incluyendo a Colombia1, con el fin de estudiar el comportamiento que tienen los asfaltos a diferentes cambios de temperatura, estos cambios de temperatura 2 están afectando a las mezclas asfálticas debido a diferentes factores, siendo los más importantes la resistencia a la deformación permanente a altas temperaturas y el resquebrajamiento o fisuración a bajas temperaturas. La temperatura es considerada uno de los agentes que influyen de manera directa en el comportamiento de los pavimentos, 3 modificando su rigidez debido a las características del material que constituye las capas asfálticas de los pavimentos y que ha sido materia de estudio en varias investigaciones como el “análisis de varianza de algunos factores que influyen en la deformación permanente de mezclas asfálticas” desarrollada por el instituto mexicano del transporte y soportadas en el principio que a medida que se aumenta la temperatura, las capas de pavimento asfáltico se vuelven menos rígidas y cuando ésta disminuye se incrementa su rigidez. Los asfaltos convencionales ya utilizados en la construcción de las vías tienen propiedades y características que en la actualidad pueden llegar a ser insuficientes para satisfacer las necesidades de uso, debido principalmente a los cambios climáticos y la variación de la temperatura ambiente, por esta razón se buscan soluciones que ayuden a mejorar las características de los asfaltos y su comportamiento a diferentes temperaturas. En este contexto, el proyecto de investigación se desarrolló en el laboratorio de la Universidad Católica de Colombia, ubicando briquetas a variación de temperatura, que simulara los cambios climáticos a que puede ser sometido un pavimento, con el fin de encontrar y mejorar sus características mecánicas y reológicas, lo que se 1. REYES-RONDÓN, M. Influencia de las condiciones ambientales de la ciudad de Bogota sobre el comportamiento mecánico de una mezcla asfáltica. En: Revista Ingeniería de construcción. Agosto 2009, vol.24, p. 195-207 2. PABÓN, J.D. Historia del clima de Colombia: El tiempo y el clima en el territorio colombiano, Santafé de Bogotá: Kimpress, 2006, p.. 38-86. 3. ROBERTS, F., et al. Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction. 2 ed. Washington: NAPA Education Foundation, 1996. p. 46.. 12.

(13) pretende conseguir con esta variación de temperatura es observar el comportamiento de la rigidez por el método Marshall. Para realizar este proyecto se compactaron 104 briquetas de MDC-3 C.A. 80-100 con asfalto mezclado a una temperatura de 140°C, mediante golpes del martillo Marshall, tomando una nuestra inicial o patrón de 24 briquetas, con estas briquetas iniciales comparamos otras muestras que fueron sometidas a variación de temperatura, para determinar los cambios de la MDC-3 C.A. 80-100, se tomó una muestra al mes de 40 briquetas que fueron distribuidas en 20 briquetas a 14ºC y 20 briquetas a 60ºC y se volvió a tomar otra muestra a los 2 meses de la variación de temperatura y se repitió el proceso del primer mes utilizando el ensayo Marshall, teniendo en cuenta las especificaciones técnicas de construcción del instituto nacional de vías INVIAS (2007). En el contenido del presente documento se encuentran registrados los antecedentes y generalidades de la variación de la temperatura en los componentes de una MDC, una completa descripción de la fase experimental y el procedimiento desarrollado en esta investigación y finalmente el análisis de resultados y las conclusiones desarrolladas por los autores.. 13.

(14) 1. ANTECEDENTES 1.1 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y NIVEL DE ENERGÍA DE COMPACTACIÓN EN LAS PROPIEDADES DINÁMICAS DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA El estudio de las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas calientes se han estudiado ampliamente y todas conducentes a obtener combinaciones de materiales más económicos y resistentes. En el pasado se han realizado grandes esfuerzos para establecer índices o factores que relacionen empíricamente (una relación empírica es uno basado exclusivamente en la observación más que teoría, requiere sólo datos de confirmación con independencia del fundamento teórico) la temperatura del asfalto con su penetración, densidad, estabilidad, viscosidad y punto de ablandamiento. Investigaciones recientes realizadas en Estados Unidos y Francia han podido demostrar que un cambio en la temperatura de una mezcla asfáltica genera problemas de segregación, resistencia y fatiga. Steve Read, en 1996, detectó este problema en la construcción de varias vías en Estados Unidos. 1.2 FENÓMENO DE ENVEJECIMIENTO DE ASFALTOS Por su parte, X. A. Vargas (2007) y X. A. Vargas et al. (2008) Relacionaron cambios estructurales de muestras de asfalto sometidas a procesos termo oxidativos in situ a temperaturas elevadas en un reo reactor con cambios en sus propiedades visco elásticas para obtener información acerca de la evolución de la estructura compleja de los asfaltos inducidos por el envejecimiento a partir del seguimiento de propiedades fáciles de determinar, como las propiedades visco elásticas del material. En la investigación se propuso una nueva metodología de envejecimiento de asfaltos bajo agitación continua en un reo reactor mediante la cual fue posible hacer un seguimiento in situ del cambio de la viscosidad del asfalto a medida que se iba envejeciendo bajo condiciones controladas.* Este proceso de envejecimiento in situ en el reo reactor permitió simular los procesos de mezclado en caliente del asfalto bajo condiciones controladas próximas a la realidad. El autor encontró que la respuesta visco elástica del asfalto inicial y envejecido pudo ser representada por primera vez en la ventana de frecuencia experimental por una ley de potencia cuyos valores decrecientes del exponente ‘n’ sugirieron el grado de envejecimiento alcanzado por el asfalto. En esta investigación se demostró que la variación de los valores de dicho exponente ‘n’ es un indicador de la evolución de la estructura del asfalto promovida por el envejecimiento y por el descenso de la temperatura, que inducen un cambio en el comportamiento visco elástico del asfalto. El nuevo modelo reológico representa el *. Cfr. INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 30 No. 3, 42 DECEMBER 2010 (27-44). 14.

(15) incremento de la conectividad entre las moléculas de asfalto termo envejecido. Un punto de ‘psedo-gel’ y un exponente de relajación crítico ‘n’ análogo al observado en los polímeros mediante el denominado criterio de Winter-Chambón, fueron observados por primera vez en las muestras de asfalto termo oxidadas en el reo reactor. El mínimo del ángulo de fase observado en el diagrama Black del asfalto envejecido manifestó una relajación hacia una mayor estructuración del asfalto debida al envejecimiento4 1.3 FISURACIÓN POR BAJA TEMPERATURA (LOW TEMPERATURA RANKING) Como su nombre lo indica, la fisuración por baja temperatura es un deterioro causado más por las condiciones adversas del medio ambiente que por la aplicación de las cargas del tránsito. Se caracteriza por fisuras transversales (es decir, perpendiculares a la dirección del tránsito) intermitentes que se producen con un espaciamiento notablemente uniforme Las fisuras por baja temperatura se forman cuando una capa de pavimento asfáltico se contrae en climas fríos. Cuando el pavimento se contrae, se originan tensiones de tracción dentro de la capa. En algún lugar a lo largo del pavimento, la tensión de tracción excede la resistencia de tracción y la capa asfáltica se fisura. Así, las fisuras por baja temperatura ocurren principalmente a partir de un ciclo de baja temperatura. Algunos ingenieros, no obstante, también creen que es un fenómeno de fatiga debido al efecto acumulativo de varios ciclos climáticos fríos. Ambos grupos concuerdan en que el ligante asfáltico juega el rol central en la fisuración por baja temperatura. En general, los ligantes asfálticos duros son más propensos a la fisuración por baja temperatura que los blandos. Los ligantes asfálticos excesivamente oxidados, sea por excesiva propensión a la oxidación o por pertenecer a una mezcla con muy alto porcentaje de vacíos, o por ambas causas, son más susceptibles al fisuramiento por baja temperatura. Así, para evitar la figuración por baja temperatura, los ingenieros deben usar un ligante blando, un ligante no muy propenso al envejecimiento, y controlar en situ el contenido de vacíos de aire de forma tal que el ligante no resulte excesivamente oxidado.5 1.4 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA, LA GRANULOMETRÍA Y EL AGUA EN LA COHESIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS Este estudio tiene como objeto principal estudiar la influencia de la temperatura del agua y de la granulometría en la cohesión de las mezclas asfálticas. El estudio se 4. AFANASIEVA, N. y ÁLVAREZ, M. Estudio del Envejecimiento de los Asfaltos Bajo la Acción de Algunos Factores Climáticos. Bucaramanga: UIS, 2004. p. 46. 5 RIVERA ESCALANTE, Gustavo. Emulsiones Asfálticas. 3 ed. México: Representaciones y Servicios de Ingeniería, 1987. p. 26.. 15.

(16) realizó mediante la ejecución del ensayo Caracterización Universal de Ligantes (UCL), en seco y húmedo. Se inició con la caracterización del material granular y de tres asfaltos con comportamiento diferente (60/70, 85/100 y modificado con polímero SBS). Las curvas granulométricas empleadas corresponden a las denominadasmd10 y md12, del Instituto de Desarrollo Urbano. Se determinó el porcentaje óptimo de asfalto con el aparato de Marshall en muestras sin relleno, según un procedimiento del ensayo UCL. Se construyeron muestras con el porcentaje óptimo de asfalto y se ensayaron en la máquina de los Ángeles, a diferentes temperaturas características de Colombia, en estado seco y húmedo (curva de estado). Entre los resultados obtenidos se determinó que el asfalto modificado presenta mayor cohesión que los asfaltos convencionales, que el agua disminuye la cohesión entre las partículas y el asfalto, sin importar el tipo que se use y que la granulometría md12 presenta mayores pérdidas que la md10. La temperatura es una variable muy importante en las obras civiles y, más aún, en aquellas que están en constante uso, recibiendo todo tipo de cargas y efectos climatológicos, como es el caso de las vías. Por lo tanto, al tener en cuenta que este factor incide en el comportamiento de los pavimentos, la vida útil de estos también se ve afectada. La mezcla asfáltica debe deformarse sin romperse a recibir esfuerzos debidos a las cargas que varían de acuerdo con su magnitud; por esto se estudia la resistencia al corte, considerando la fricción y la cohesión, esta última elemental y definitiva en el momento de evaluar el comportamiento de la mezcla asfáltica.6 1.5 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y NIVEL DE ENERGÍA DE COMPACTACIÓN EN LAS PROPIEDADES DINÁMICAS DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA La temperatura de las mezclas asfálticas varía significativamente desde su producción en la planta hasta la conformación de la estructura de pavimento, especialmente en el proceso de compactación. Estas diferencias de temperatura de la mezcla de un punto a otro, generan segregación, micro fisuras, superficies onduladas, desgarramientos y especialmente cambios en las propiedades mecánicas y dinámicas de la mezcla. En este estudio de laboratorio se determinó el efecto en el módulo dinámico, densidad, estabilidad y flujo de una mezcla asfáltica con granulometría 0/10 y asfalto con penetración 60/70, al variar la temperatura de compactación. Se establece que al compactar muestras entre 100 y 150 ºC existe descenso del orden de 30% en el módulo dinámico, 5% en la densidad y 50% en la estabilidad.. 6. REYES-ORTIZ, Óscar Javier y MILLÁN-MONTEJO, Sebastián. Influencia de la temperatura, la granulometría y el agua en la cohesión de mezclas asfálticas. En: Ingeniería y Universidad. Juliodiciembre, 2009, no. 13, p. 13-26.. 16.

(17) Las mezclas asfálticas en caliente son las más empleadas en muchas partes del mundo, debido a su flexibilidad, duración, uniformidad, resistencia a la fatiga y economía entre otras características, generando por ende investigaciones y desarrollos para mejorar sus propiedades mecánicas y dinámicas. Muchas de los adelantos se han enfocado en el proceso constructivo de la conformación de las carpetas de rodadura, prueba de ello es la utilización de equipos costosos que mantienen la temperatura constante en el proceso de extendido y compactación El objetivo principal de esta investigación, se fundamentó en determinar el efecto en el módulo dinámico, estabilidad, densidad y flujo al cambiar la temperatura de compactación entre 100 y 150 ºC, en intervalos de 10 ºC7 1.6 EFECTO DE LA PRESIÓN DE CONTACTO Y LA TEMPERATURA EN EL AHUELLAMIENTO DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA Este trabajo consistió en determinar el efecto de la presión de contacto y la temperatura en el ahuellamiento de una mezcla asfáltica cerrada con granulometría 0/10, con asfalto CA60/70, a partir del estudio de la presión y temperatura normalizada a 0.9 MPa y 60ºC. El estudio se inició con la caracterización del material granular y el asfalto; a continuación se determinó el porcentaje óptimo de asfalto mediante el ensayo Marshall y terminó con la ejecución de ensayos de ahuellamiento en el equipo de la Pontificia Universidad Javeriana, variando la presión de contacto desde 0,18 MPa hasta 0,9 MPa, en incrementos de 0.18 MPa y la temperatura desde 40ºC hasta 70ºC, en intervalos de 10ºC. Los resultados indican que existe un efecto de la presión de contacto y la temperatura en la deformación permanente; dicho efecto se ajusta a una función exponencial en las dos variables evaluadas. En el caso de las mezclas asfálticas, se ha demostrado que los principales factores que determinan la formación de huellas son la magnitud y frecuencia de la aplicación de carga y las condiciones climatológicas (por ejemplo, la temperatura). Adicionalmente, se ha comprobado que las características reológicas del ligante asfáltico de la mezcla también influyen significativamente en el comportamiento plástico de estos materiales.8. 7. ORTIZ REYES, Óscar Javier. CAMACHO TAUTA, Javier Fernando y LIZCANO, B. Freddy. Influencia de la Temperatura y Nivel de Compactación en las Propiedades Dinámicas de un mezcla Asfáltica. En: Ingeniería y Universidad. Octubre-noviembre, 2005, no. 3, p. 48-63. 8 REYES ORTIZ, Oscar Javier, REYES LIZCANO, Fredy Alberto, TRONCOSO RIVERA, Juan Ricardo. Efecto de la presión de contacto y la temperatura en el ahuellamiento de una mezcla asfáltica. En: Ingeniería y Universidad. Enero-junio, 2006, no. 10, p. 29-44.. 17.

(18) 1.8 EVALUACIÓN DEL EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO DEL CEMENTO ASFALTICO 80-100 EN EL HORNO DE LA PELÍCULA DELGADA SOBRE EL COMPORTAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO EN MDC-2 Este artículo presenta resultados de ensayos de laboratorio para evaluar el efecto del asfalto envejecido (corto plazo) en el desempeño estático y dinámico de mezclas asfálticas tipo MDC-2. Este envejecimiento ocurre durante el proceso de producción y colocación de mezclas asfálticas. Para ello se envejeció el cemento asfáltico 80-100 mediante el ensayo rotatorio de película delgada (rollingthin film oven [RTFO]) y se fabricaron especímenes de mezcla asfáltica para determinar sus propiedades mecánicas con ensayos estáticos y dinámicos. Se ensayaron dos mezclas, una fabricada con asfalto original y otra con asfalto envejecido. De acuerdo con los resultados, el comportamiento estático de ambas mezclas es diferente. La estabilidad de la mezcla con asfalto envejecido tuvo un incremento del 18% en comparación con la de asfalto original. El comportamiento dinámico de las dos mezclas fue diferente en los ensayos de módulo dinámico ante carga axial (diferencias del 10,5%) y en los ensayos de módulo resiliente por (diferencias del 21%) para la misma frecuencia y temperatura. En el ensayo de deformación permanente por carga repetida, la mezcla con asfalto envejecido presentó una reducción del 34% en deformación respecto a la mezcla con asfalto original. En los ensayos de fatiga los resultados para ambas mezclas fueron similares. Surge entonces la necesidad de estudiar las mezclas con asfalto envejecido elaboradas con materiales encontrados en el medio colombiano para evaluar la incidencia del asfalto envejecido en las propiedades estáticas y dinámicas de las mezclas asfálticas9. 9. VACCA-GÁMEZ, Hermes Ariel, LEÓN-NEIRA, María Patricia y RUIZ, Daniel Mauricio. Evaluación del efecto del envejecimiento del cemento asfaltico 80-100 en el horno de la película delgada sobre el comportamiento estático y dinámico en MDC-2. En: Ingeniería y Universidad. Enero-junio, 2006, no. 10, p. 6-28.. 18.

(19) 2. GENERALIDADES 2.1 ASFALTO “El asfalto, es un mineral de color oscuro, que presenta propiedades ligantes y aglutinantes, conformado por una serie muy compleja de elementos y compuestos en los que sobresalen los hidrocarburos; soluble en gran parte en desulfuro de carbono, presenta consistencia semisólida a las temperaturas ambientes ordinarias pero tiende rápidamente a la liquidez al incrementarse la temperatura”.10 El asfalto se refina para eliminar impurezas en forma que satisfaga las especificaciones para la mezcla asfáltica se le denomina cemento asfáltico, que se abrevia C.A. a temperaturas ordinarias tiene la forma de un semisólido, en el que el grado de solidez se mide por la prueba de penetración. Los asfaltos pertenecen al grupo de las sustancias bituminosas, que encuentran en la naturaleza en estado sólido, líquido o gaseoso, además es componente del petróleo en los que se encuentra en solución, que mediante proceso de refinación las secciones volátiles se aíslan dando como resultado tipo de residuo denominado Asfalto.11. se un un un. Los asfaltos de petróleo pueden tener base asfáltica o base nafténica. Los de la base asfáltica son los que poseen mejores características para su empleo en pavimentación por sus propiedades ligantes y de resistencia a la meteorización. Los de bases parafínicas se oxidan paulatinamente al exponerse al aire dejando un producto pulverulento sin poder ligante. 2.2 FUNCIONES DEL ASFALTO “Según la Asopac:(Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos de Colombia), el asfalto cumple las siguientes funciones: • Impermeabilizar la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de la precipitación. • Proporcionar una íntima unión y cohesión entre agregados, capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos. • El asfalto tiene propiedades tales como consistencia, adhesividad, impermeabilidad y durabilidad. Estas propiedades lo hacen ideal para la 10. ARENAS LOZANO, Hugo León. Tecnología del cemento asfáltico. 5 ed. Popayán: Litocencoa. 2006. p.17. 11 LARSON, Thomas. Concretos de Cementos Portland y Asfálticos. 2 ed. México: Compañía editorial continental. 1977. p. 189.. 19.

(20) construcción de pavimentos flexibles, como también para bases estabilizadas, emulsiones asfálticas, etc. • ‘En su mayoría, los asfaltos se comportan como sólidos o semisólidos a una temperatura ambiente y su comportamiento varía dependiendo a la temperatura a la que se lo someta, al aumentarle la temperatura se ablanda y se vuelve fluido, permitiendo así recubrir los agregados durante el proceso de fabricación de una mezcla asfáltica.’12 2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ASFALTOS “Se clasifica de acuerdo a su aplicación. • Asfalto para pavimentación. • Asfalto para uso industrial. 2.3.1 Asfaltos para pavimentación. Se dividen en tres grupos de ligantes asfálticos: • Emulsiones Asfálticas: No se encuentran entradas de índice. Están compuestas por dos elementos: Agua y Cemento, cada uno de ellos con una participación porcentual del 30-40% y 60-70% respectivamente. Se utilizan en tratamientos superficiales, riegos de adherencia, mezclas abiertas, estabilización de suelos y lechadas asfálticas. De acuerdo a la velocidad de rotura de la emulsión se pueden dividir en: ¾ ¾ ¾. De rompimiento rápido. De rompimiento medio. De rompimiento lento.. • Asfalto Líquido. Se les conoce también con el nombre se asfaltos rebajados o “cut backs”, estos a su vez, están compuestos por una base asfáltica (cemento asfáltico) y un fluidificante volátil que puede ser bencina, kerosene o aceite. El solvente se aplica con el fin de aportar al asfalto la viscosidad necesaria poderlo mezclar con los agregados y trabajar a bajas temperaturas o temperaturas ambiente, habiendo elaborado la mezcla los fluidificantes se evaporan permaneciendo el residuo asfáltico que rodea y aglutina los agregados. La forma como se evapora el solvente es lo que determina si el tiempo de curado es lento (SC), medio (MC) o rápido (RC). ¾ SC: Asfaltos rebajados de curado lento. 12. ASOCIACIÓN DE PRODUCTORES Y PAVIMENTADORES ASFÁLTICOS DE COLOMBIA. Cartilla del pavimento asfáltico. Popayán: ASOPAC, 1994. p.16.. 20.

(21) ¾ MC: Asfaltos rebajados de curado medio ¾ RC: Asfaltos rebajados de curado rápido • Cemento asfáltico: Asfalto que resulta del proceso de la refinación del crudo, posee propiedades de aglutinamiento, flexibilidad y resistencia, además goza de una viscosidad apropiada para los trabajos de pavimentación. Se designa con las letras AC dependiendo de su penetración. Es excelente para la elaboración de mezclas asfálticas en caliente. Son los más utilizados en pavimentación, y se pueden sub-clasificar bajo tres sistemas diferentes: viscosidad antes y después de envejecimiento y penetración. Se preparan comercialmente en grados o rangos de consistencia, de acuerdo con el ensayo de penetración, siendo este uno de los ensayos más comunes en la caracterización del asfalto; como ejemplo de su designación se tienen estos tres tipos de asfaltos: AC 70-90, AC-60- 80, AC 80-100, donde los números indican la penetración en décimas de milímetro.” 13 En el país, son principalmente empleados los cementos asfálticos con un rango de penetración 60-70 para climas cálidos y 80-100 para climas templados o fríos, puesto que tras estudios realizados como por el de Mario Álvarez Cifuentes titulado Evolución del comportamiento visco elástico del asfalto inducido bajo termo oxidación in situ en un reoreactor Colombia,( Dyna ISSN: 0012-7353, 2008 vol:6 fasc: 155 págs: 32 - 38)y el estudio de Natalia Afanasieva, Jorge Calderón Vargas, Sonia Duarte Cely, Mario Álvarez Cifuentes titulado Caracterización del Proceso de Preparación de Mezclas Asfalticas en caliente en Santander Colombia, (Ion ISSN: 0120-100X, 2000 vol:16 fasc: 1 págs: 45 - 54 )y basados en la experiencia, se ha podido definir que cuando se registran temperaturas elevadas, entre mayor sea el índice de penetración de este, los pavimentos flexibles tienden a desarrollar fallas por ahuellamiento. Tabla 1. Rangos de penetración estándar. Penetracion estandar Rango (0,01 mm) AC 40-50 40-50 AC 60-70 60-70 AC 85-100 85-100 AC 120-150 120-150 AC 200-300 200-300 Fuente. MONTEJO, Alfonso. Ingeniería de Pavimentos para Carreteras. Bogotá: Universidad Católica de Colombia, 2001. p. 422 13. MONTEJO, Alfonso. Ingeniería de Pavimentos para Carreteras. Bogotá: Universidad Católica de Colombia, 2001. p. 422.. 21.

(22) 2.3.2 Especificaciones de los cementos asfálticos. Para determinar la calidad de un cemento asfáltico y caracterizarlo, es necesario realizar una serie de ensayos normalizados por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS), que muestran el comportamiento a escala real del material. Esto son los ensayos efectuados a los cementos asfálticos: • Penetración (250C, 100 g, 5 s) (0.1 mm): Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E 706 07). Este ensayo establece la consistencia de los materiales asfálticos sólidos o semisólidos en los cuales el único o el principal componente es un asfalto. La penetración se limita como la distancia, enunciada en décimas de milímetro hasta la cual penetra verticalmente en el material una aguja estándar en circunstancias definidas de carga, tiempo y temperatura. Habitualmente, el ensayo se ejecuta a 25°C (77°F) durante un tiempo de 5 s y con una carga móvil total, incluida la aguja, de 100 g, no obstante se pueden utilizar otras condiciones que con antelación hayan sido definidas. • Índice de penetración: Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E - 724 – 07). Este valor de IP, creado por Pfeiffer y Van Doormal, se evalúa a partir de los valores de la penetración y del punto de ablandamiento, aportando de esta temperatura que se usan durante su aplicación manera un criterio de medida de la susceptibilidad del material a los cambios de temperatura, así como su comportamiento reológico. • Viscosidad absoluta (60° C) P: Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E – 716 – 07).Estos ensayos establecen el estado de fluidez del asfalto, en el nivel de temperaturas que se usan durante su aplicación. • Ductilidad (cm): Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E – 702 – 07). Este ensayo tiene por objeto la determinación de la ductilidad de los materiales asfálticos, de consistencia sólida y semisólida. El procedimiento consiste en someter una probeta del material asfáltico a un ensayo de tracción, en condiciones determinadas de velocidad y temperatura, en un baño de agua de igual densidad, definiéndose la ductilidad como la distancia máxima en cm que se estira la probeta hasta el instante de la rotura. • Contenido de agua (%): Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E – 704 – 07). Busca determinar el contenido de agua de los materiales asfálticos; este proceso está basado en la destilación a reflujo de una muestra del material asfáltico, conjuntamente con un solvente volátil no miscible con el agua, el cual al evaporarse, facilita el arrastre del agua presente, separándose de ella al condensarse. • Punto de ignición mediante copa abierta de Cleveland (ºC): Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E – 709 – 07). Con este ensayo se busca obtener el punto de llama, 22.

(23) mediante la copa abierta de Cleveland, de productos de petróleo y de otros líquidos con excepción de los aceites combustibles y de los materiales que tienen un punto de ignición, en copa abierta de Cleveland, por debajo de 79°C (175°F). • Pérdida por calentamiento en película delgada en movimiento (163oc, 75 min), (%): Norma INVIAS 2007 (I.N.V.E – 709 – 07). Este ensayo se realiza para medir el efecto del calor y del aire, sobre una lámina delgada en movimiento, de materiales asfálticos semisólidos. Los efectos de este procedimiento se determinan a partir de la medición de ciertas propiedades del asfalto, antes y después del ensayo. El procedimiento consiste en alentar la película de material asfáltico en movimiento en un horno a 163°C (325°F), durante 75 minutos. Los efectos del calor y del aire son determinados a partir de los cambios, en los valores de los ensayos físicos efectuados antes y después del tratamiento en el horno. • Solubilidad en tricloroetileno (%): Norma INVIAS 200714 (I.N.V.E – 713 - 07).El ensayo permite la determinación del grado de solubilidad en tricloroetileno de materiales asfálticos que posean poco material mineral o que carezcan de él. Tabla 2. Especificaciones para cementos asfálticos. CARACTERISTICAS Penetracion 25ºc, 100 g, 5s Indice de penetracion Viscosidad adsoluta (60ºC) Ductilidad (25ºC, 5cm/min) Solubilidad en tricloroetileno Conteniddo de agua Punto de ignicion mediante copa abierta de Cleveveland Perdida por calentamiento en pelicula delgada (163ºC, 5h) Penetracion del residuo luego de la perdida por calentamiento, en % de la penetracion original. NORMA DE ENSAYO INV 0,1 mm E-706 E-724 P E-716 cm E-702 % E-713 % E-704. 60 70 80 100 mín máx mín máx 60 70 80 100 -1 1 -1 1 1500 1000 100 100 99 99 0,2 0,2. ºC. E-709. 230. -. 230. -. %. E-721. -. 1.0. -. 1.0. %. E-706. 52. -. 48. -. Fuente. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Articulo 400. Bogotá: INVIAS, 2007. p.6.. 14. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS INVIAS. Artículo 400 – 07. Especificaciones generales de construcción de carreteras. p.6. 23.

(24) 3. MATERIAL GRANULAR Los agregados pétreos son minerales inertes y duros, empleados en fragmentos para la construcción de pavimentos. Se utilizan también en la construcción de base y sub - base granular sirviendo como estructura de soporte a los pavimentos; a su vez, se combina en tamaños gruesos (gravas), tamaño fino (arenas) y un llenante mineral (filler). Los factores a tener en cuenta son la granulometría, la composición mineralógica, la humedad del agregado, la textura superficial, la porosidad, la absorción, la forma de la partícula, la resistencia al desgaste y la durabilidad. 3.1 TIPOS DE AGREGADOS PÉTREOS El tipo de agregado pétreo se puede determinar, de acuerdo a la procedencia y a la técnica empleada para su aprovechamiento, se pueden clasificar en los siguientes tipos: 3.1.1 Agregados naturales. Son aquellos que se utilizan solamente después de una modificación de su distribución de tamaño para adaptarse a las exigencias según su disposición final. 3.1.2 Agregados de trituración. Son aquellos que se obtienen de la trituración de diferentes rocas de cantera ó de las granulometrías de rechazo de los agregados naturales. Se incluyen todos los materiales canterables cuyas propiedades físicas sean adecuadas. 3.1.3 Agregados artificiales. Son los subproductos de procesos industriales, como ciertas escorias o materiales procedentes de demoliciones, utilizables y reciclables. 3.1.4 Agregados marginales. Los agregados marginales engloban a todos los materiales que no cumplen alguna de las especificaciones vigentes. 3.2 OBTENCIÓN DE MATERIAL PÉTREO Los materiales pétreos se obtienen a partir de las rocas. Estas rocas se encuentran como bloques, losetas, gránulos y fragmentos de distinto tamaño. Se utilizan para construcciones arquitectónicas o de obra civil, ornamentación, etc. 3.2.1 Proceso. Algunos materiales pétreos se utilizan sin apenas transformación. Podríamos resumir el proceso de obtención en los pasos siguientes, que en muchos casos se realizan en la misma cantera: 24.

(25) • Extracción. Las rocas se arrancan de la corteza terrestre en la cantera, con máquinas o explosiones controladas. • Trituración. Se consiguen trozos homogéneos. • Cortado. Los bloques demasiado grandes se cortan para darles el tamaño adecuado. • Desbaste. Las rocas se pulen. • Acabado. Se eliminan irregularidades que hayan podido quedar. • Almacenamiento. Se guardan las rocas. • Transporte. Las rocas se llevan hasta la fábrica transformadora 3.3 CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS Los agregados pétreos que son utilizados en la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente, deben contar con propiedades específicas, que al emplear una capa del material asfáltico, ésta no se desprenda por la acción combinada del agua y del tránsito. Agregado grueso. Se llama agregado grueso a la porción del agregado retenida en el tamiz de 4,75 mm (No.4). Este agregado deberá provenir de la desintegración de roca, de grava o por una combinación de ambas; sus fragmentos deberán ser limpios, resistentes y durables, sin presencia exagerada de partículas planas, alargadas, blandas, deberá estar exento de polvo, tierra, terrones de arcilla u otras sustancias que puedan impedir la adhesión completa del asfalto o afecten adversamente la durabilidad de la mezcla compactada. Agregado fino. Se llama agregado fino a la porción del agregado comprendida entre los tamices No. 4 y N 200. “Deberá proceder en su totalidad de la trituración de piedra de cantera o de grava natural, o parcialmente de fuentes naturales de arena. La proporción de arena natural no podrá exceder del quince por ciento (15 %) de la masa total del agregado combinado, cuando el tránsito de diseño sea superior a cinco millones (> 5*106) de ejes equivalentes de 80 kN en el carril de diseño, ni exceder de veinticinco por ciento (25 %) para tránsitos de menor intensidad. En todo caso, la proporción de agregado fino no triturado no podrá exceder la del agregado fino triturado”.15 Llenante Mineral. El llenante mineral es la porción del agregado que pasa el tamiz de 75 μm (No.200), este será de polvo de piedra caliza, cenizas de carbón o de fundición, cemento Portland u otro material mineral inerte. Debe estar seco y libre de terrones.. 15. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Articulo 450. Bogotá: INVIAS, 2007. p.6.. 25.

(26) “Estos agregados pétreos no serán susceptibles de ningún tipo de meteorización o alteración físico - química apreciable bajo las condiciones más desfavorables que presumiblemente puedan darse en la zona de empleo. Tampoco podrán dar origen, con el agua, a disoluciones que puedan causar daños a estructuras o a otras capas del pavimento, o contaminar corrientes de agua.”16 El agregado fino puede proceder de un proceso de trituración de piedra de cantera o de grava natural, o de fuentes naturales de arena. La llenante mineral o filler puede provenir de los agregados pétreos, sometiéndolos a un proceso de tamizado y posterior clasificación. 3.4 ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS SEGÚN LAS NORMAS INVIAS 2007 • Análisis granulométrico de agregados gruesos y finos I.N.V.E- 213. Tiene como fin determinar la distribución de tamaños de los agregados pétreos, estos son separados por medio de unos tamices predeterminados por el diseño de la mezcla asfáltica. • Peso específico y absorción de agregados finos I.N.V.E- 222. Describe el proceso que debe seguirse para determinar El peso específico aparente y real, así como la absorción que presentan a las 24 horas de estar sumergidos en agua. • Peso específico y absorción de agregados gruesos I.N.V.E- 223. Este método describe el proceso por medio del cual se determina el peso específico aparente y nominal, así como la absorción que presentan a las 24 horas de estar sumergidos en agua, esta caracterización se realiza con agregados que sean retenidos por el tamiz de 4,75mm o Nº4. • Resistencia al desgaste de los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1½") por medio de la máquina de Los Ángeles I.N.V.E - 218. El proceso describe el sometimiento a desgaste por medio de la máquina de Los Ángeles de los agregados gruesos máximo de 1 ½” por medio de una carga abrasiva colocada en la máquina. • Porcentaje de caras fracturadas en los agregados I.N.V.E - 227. Determina qué porcentaje en peso del agregado pétreo presenta una o más de las caras fracturadas. • Equivalente de arena de suelos y agregados finos I.N.V.E- 133. 16. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Articulo 450. Bogotá: INVIAS, 2007. p.2.. 26.

(27) Este ensayo presenta el objetivo de determinar la cantidad de polvo arcilloso en la parte de agregado fino. Debido a que este tipo de suelos es nocivo para las mezclas. • Índice de aplanamiento y de alargamiento de los agregados para carreteras I.N.V.E- 230. Describe el procedimiento que debe seguirse, para la determinación de las relaciones de aplanamiento y de alargamiento, de los agregados que se van a emplear en la construcción de vías.17 Tabla 3. Determinación de las relaciones de aplanamiento y de alargamiento, de los agregados que se van a emplear en la construcción de vías. ENSAYO Composición Granulometria Dure z a Desgaste en la maquina de los angeles (Grado A) Enseco. 500 revoluciones (%) Enseco. 500 revoluciones (%) Despues de 48 horas de inmersión, 500 revoluciones (%) Relacion humedo/seco 500 revoluciones Desgaste en el equipo Micro-Deval (%) Evaluación de la resistencia mecánica por el método del 10% de Valor en seco. (KN) Relación húmedo/seco (%) Contenido de terrones de arcilla y partículas deleznables (%) Durabilidad Pérdidas en el ensayo de solidez en sulfatos Sulfato de sodio (%) Sulfato de magnesio (%) Limpie z a Límite líquido (%) Índice de plasticidad (%) Equivalente de arena (%) Valor de azul de metileno (1) Contracción lineal Ge ome tría de las partículas Índices de alargamiento y aplanamiento (%) Porcentaje de caras fracturadas (una cara) Angularidad de la fracción fina (%) Re siste ncia de l mate rial CBR (%) Nota : Porcentaje asociado al valor mínimo especificado de la densidad seca, medido en una muestra sometida a cuatro días de inmersión Método D.. NORM A DE ENSAYO AFIRM ADO INV E-213. NT1 SUBBASE GRANULAR. BASE GRANULAR. AFIRM ADO. T abla 311.1. T abla 320.1. T abla 330.1. ≤50. ≤50. ≤40 ≤8 ≤55 ≤2. E-218. -. E-238 E-224. -. E-221. -. BASE GRANULAR. T abla 311.1. T abla 320.1. T abla 330.1. T abla 320.1. T abla 330.1. ≤50. ≤50. ≤40 ≤8 ≤55 ≤2 ≤30. ≤50. ≤35 ≤7 ≤50 ≤2 ≤25. -. -. -. ≤2. ≤2. E-220. ≤12 ≤18. ≤12 ≤18. ≤12 ≤18. ≤12 ≤18. E-225 E-226 E-233 E-235 E-127. ≤40 4-9. ≤40 ≤6 ≥25. ≤40 ≤3 ≥30. ≤40 4-9. Artículo 311. E-230 E-227 E-239. E-148. -. ≥15. -. Artículo 311. -. ≤35 ≥50. ≥30. -. ≤35. -. ≤2. ≥70 ≥75 ≤2. ≤2. ≥90 ≥75 ≤2. ≤12 ≤18. ≤12 ≤18. ≤12 ≤18. ≤12 ≤18. -. -. -. ≤40 ≤6 ≥25. ≥15. -. ≥30. ≤30 -. -. -. -. -. ≥80. NT3 SUBBASE BASE GRANULAR GRANULAR. NT2 SUBBASE GRANULAR. 0 ≥30 ≤10. ≤40 ≤6 ≥25 -. ≤35 ≥50 ≥35. ≥80. -. -. ≥30. 0 ≥30 ≤10 ≤35 ≥60 ≥35. ≥100. Fuente. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Articulo 300. Bogotá: INVIAS, 2007. p.6 3.5 MATERIALES BIOCLIMATICOS Es necesario impulsar materiales y procedimientos de construcción que garanticen la conservación del medioambiente y las mejores condiciones de habitabilidad en cada tipo de clima, además de que preserven la imagen tradicional de los poblados. se presentan comparaciones entre los materiales tradicionales, semiindustriales y con alto grado de industrialización, así como las características térmicas de los mismos, lo que permitirá conocer sus potencialidades y limitaciones. 17. INVIAS. Art. 450 – 07. Especificaciones técnicas para los agregados y llenante mineral para mezclas densas en caliente. INVIAS. P.2. 27.

(28) 3.6 LA ADMINISTRACIÓN DE LOS MATERIALES EN LA CONSTRUCCIÓN La actividad de construir consiste en utilizar el trabajo del ser humano y de las máquinas para transformar materiales en obras de ingeniería y de arquitectura. La administración de los materiales incluye los procesos de planeación, negociación, pedido, recepción, almacenamiento, uso, resurtido, pago y control. Esta diversidad de procesos, la gran variedad de materiales, la información que se genera y la participación de muchas empresas ajenas a la constructora, hace que la administración de los materiales sea compleja, por lo que es importante comprender el fenómeno y contar con procedimientos sistematizados. El objetivo del presente escrito es proporcionar una guía para la ejecución de los procesos necesarios para la administración de los materiales en la construcción.18. 18. SOLÍS CARCAÑO, R., ZARAGOZA GRIFÉ, N. y GONZÁLEZ FAJARDO, A. La administración de los materiales en la construcción Ingeniería. [En linea]. Disponible en Internet: <URL: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=46712187008>. [Citado: 27 de junio de 2013].. 28.

(29) 4. MEZCLAS ASFÁLTICAS Generalmente una mezcla es el resultado de la combinación de cemento asfáltico y agregados pétreos en unas proporciones exactas y predeterminadas; se pueden fabricar en caliente o en frío, siendo más usuales las Mezclas densas en caliente. Se conocen una serie de procedimientos para calcular las cantidades de cada material en la mezcla en caliente, siendo el procedimiento Marshall uno de los métodos más usados y confiables. Sirve como agente cementante que fija los agregados en la posición adecuada para transmitir las cargas aplicado a las capas inferiores. Los agregados son por lo general piedra partida, grava, arenas, etc., se pueden usar combinados o aisladamente.19 4.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS Las siguientes son características más notables en una mezcla asfáltica son: • 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. • Durabilidad: Es la capacidad para resistir la acción de los agentes climáticos y del tránsito, que se observa en desintegración del agregado, cambios en las propiedades del asfalto y separación de las películas de asfalto. • Impermeabilidad: Es la resistencia al paso de aire y agua hacia el interior del pavimento. • Flexibilidad. Es la capacidad del pavimento para acomodarse agrietamientos, a movimientos y asentamientos graduales de la subrasante.. sin. • Resistencia a la fatiga. Es la resistencia a la flexión repetida bajo las cargas de tránsito. Expresa la capacidad de la mezcla a deformarse repetidamente sin fracturarse. • Resistencia al deslizamiento. Capacidad de proveer suficiente fricción para minimizar el deslizamiento o resbalamiento de las ruedas de los vehículos, particularmente cuando la superficie está mojada20.. 19. RONDON QUINTANA, Hugo. Serie de guías: Fundamentos 1. 1 ed. Bogota D.C. Universidad Católica de Colombia. 2009. p. 45 20 ASOCIACIÓN DE PRODUCTORES Y PAVIMENTADORES ASFÁLTICOS DE COLOMBIA. Cartilla del pavimento asfáltico. Popayán: ASOPAC, 1994. p.21.. 29.

(30) Según las especificaciones del INVIAS (2007). Se muestran algunos tipos de mezclas como: Mezcla densa en frío, Mezcla abierta en frío, Mezcla densa en caliente, Mezcla abierta en caliente, entre otras. Conforme sea la gradación de la mezcla, así mismo será la utilidad que preste, es decir, se puede emplear como bases o carpetas de rodadura. Las mezclas asfálticas pueden ser clasificadas dependiendo del tipo de asfalto, la cantidad de agregados en la mezcla, la gradación de los materiales y el proceso de fabricación. En cuanto a la fabricación, las mezclas calientes se elaboran en una planta de mezclas asfálticas y las mezclas en frío se pueden fabricar in situ. 4.1.1 Mezclas densas en caliente (MDC). Estas mezclas están conformadas por materiales pétreos, ligante bituminoso y eventualmente agua y adiciones. Puede ser colocada como capa de base o de rodadura; esta última capa tiene la responsabilidad de brindar durabilidad, comodidad y seguridad de los usuarios y además es la que va a soportar de manera completa las cargas aplicadas tanto verticales como horizontales. Para que las mezclas sean de alta calidad deben tener drenabilidad, buena adherencia, agregado o ligante, buena resistencia a la deformación plástica y homogeneidad. Cada capa de rodadura debe cumplir con las funciones de eliminar las vibraciones molestas a elevadas velocidades. Las mezclas asfálticas en caliente son las más empleadas en muchas partes del mundo, debido a su flexibilidad, duración, uniformidad, resistencia a la fatiga y economía entre otras características, generando por ende investigaciones y desarrollos para mejorar sus propiedades mecánicas y dinámicas. Muchos de los adelantos se han enfocado en el proceso constructivo de la conformación de las carpetas de rodadura, prueba de ello es la utilización de equipos costosos que mantienen la temperatura constante en el proceso de extendido y compactación. De otra parte, el acelerado desarrollo automotriz y el intercambio de bienes y servicios han conducido a construir vías que soportan mayor número de ejes equivalentes y cargas con el empleo de materiales 21 modificados y estricto control de obra.. Estas mezclas densas en caliente son utilizadas normalmente como carpeta de rodadura. ‘’Se obtiene por medio de una composición de agregados gruesos triturados, agregado fino y llenante mineral, uniformemente mezclados en caliente, con cemento asfáltico, en una planta especializada, con métodos de control que. 21. ORTIZ REYES, Óscar Javier, CAMACHO TAUTA, Javier Fernando y LIZCANO, B. Freddy. Influencia de la Temperatura y Nivel de Compactación en las Propiedades Dinámicas de un mezcla Asfáltica. En: Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, 2006. p.126.. 30.

(31) permiten asegurar la correcta dosificación de los componentes, o en laboratorio para determinar sus cualidades. MDC1, MDC-2, MDC-3”.22 Tabla 4. TAMIZ (mm/U.S.Standard). TAMIZ (mm/U.S.Standard) TIPO DE 37,5 25 19 12,5 9,5 4,75 2 425 MEZCLA 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" No. 4 No. 10 No. 40 % PASA 100 80-95 67-85 60-77 43-59 29-45 14-25 MDC-1 100 80-95 70-88 49-65 29-45 14-25 DENSA MDC-2 100 65-87 43-67 16-29 MDC-3. 0,18 0,075 No. 80 No. 200 8.0-17 4.0-8 8.0-17 4.0-8 9.0-19 5.0-10. Fuente: Instituto Nacional de Vías, INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Artículo 450. 2007. p.3 Los tipos de mezclas densas en caliente son definidos por el Instituto Nacional de vías INVIAS (2007) y estas a su vez deben tener diferentes adiciones de agregados pétreos. La selección del cemento asfáltico a utilizar en una mezcla asfáltica en caliente está sujeta a dos parámetros de diseño como son: las características climáticas de la zona y las condiciones de operación de la vía, dichas características son: Tabla 5. Criterios de selección del cemento asfáltico. TIPO DE CAPA Rodadura e intermedia Base Mezcla discontinua en caliente para capa de rodadura. Mezcla drenante Alto modulo. NT2 NT3 NT1 TEMPERATURA MEDIA ANUAL PONDERADA DE LA REGION (ºC) >24 15-24 <15 >24 15-24 <15 >24 15-24 <15 60-70 u 60-70 u 60-70 60-70 60-70 60-70 80-100 60-70 80-100 80-100 80-100 TIPO III TIPO II TIPO I 60-70 u 60-70 u 60-70u * * * 80-100 60-70 80-100 80-100 80-100 80-100 TIPO II TIPO II TIPO II TIPO II TIPO II TIPO II * * * TIPO III TIPO III TIPO III TIPO III TIPO III TIPO III TIPO I TIPO I TIPO I TIPO I TIPO I TIPO I * * * TIPO II TIPO II TIPO II TIPO II TIPO II TIPO II * * * * * * TIPO V TIPO V TIPO V. Fuente. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Articulo 400. 2007. “El Instituto nacional de vías INVIAS (2007), como ente promovedor y regulador del desarrollo vial en el país, establece como método para el diseño de mezclas densas en caliente el método de diseño Marshall (I.N.V.E -748), salvo de justificarse lo contrario o de especificarse otro método. En la Tabla 6, se muestran. 22. MARTINEZ Y ABELLA, Comportamiento de mezclas asfálticas densas en caliente MDC-2 sometidas a cambios de temperatura. Trabajo de grado, Ingeniero Civil. Bogotá D.C: Universidad Católica de Colombia. Facultad de ingeniería. Programa de ingeniería Civil. 2008. P. 35.. 31.

(32) los valores límites a los que están sujetas las características propias de las mezclas en caliente, dependiendo del tipo de mezcla y del nivel de tránsito.” Tabla 6. Diseño de mezcla y obtención de la fórmula de trabajo. CARACTERISTICA Compactacion (golpes/cara) Estabilidad minima (kg) Flujo (mm) Rodadura Vacios con aire (Va)*% Intermedia Base Mezcla 0 Vacios en los Mezcla 1 agregados minerales Mezcla 2 (VAM)% Mezcla 3 % de vacios llenos de asfalto (VFA) (volum en de asfalto efectivo/vacios en los agregados m inerales)*100 capas de rodadura e interm edia. Relacion llenante /asfalto efectivo, en peso. Concentracion de llenate valor maximo. NORMA MEZCLA DENSA, SEMIDENSAS Y GRUESAS MEZCLA CATEGORIA DE TRANSITO DE ALTO ENSAYO MODULO INV NT1 NT2 NT3 E -748 50 75 75 75 E -748 500 750 900 1500 E -748 2.0-4 2.0-4 2-3,5 2.0-3 3.0-5 3.0-5 4.0-6 * E-736 o 4.0-8 4.0-8 4.0-7 4.0-6 E-799 * 5.0-9 5.0-8 * * ≥13 ≥13 ≥13 ≥14 ≥14 ≥14 ≥14 E-799 * ≥15 ≥15 ≥15 * ≥16 ≥16 ≥16 E-799. 65-80. E-799 E-745. 65-78 0,8-1,2 Valor critico. 65-75. 63-75 1,2-1,4. Fuente. Instituto Nacional de Vías, INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras, Artículo 450. 2007. p.9. • Resistencia. ‘’El artículo 450 - 07 del INVIAS, decreta la verificación de briquetas (probetas) de asfalto, con un mínimo de dos para cada lote de producción con el fin de verificar en el laboratorio su resistencia en el ensayo Marshall (I.N.V.E - 748)’’.17 La estabilidad media de las probetas (Em) deberá ser como mínimo, igual al noventa por ciento (90%) de la estabilidad de la mezcla de la fórmula de trabajo (Et). Em ≥ 0,9 Et Además, la estabilidad de cada probeta (Ei) deberá ser igual o superior a ochenta por ciento (80%) del valor medio de estabilidad, admitiéndose solo un valor individual por debajo de ese límite. Ei ≥ 0,8 Em Adicionalmente, con un mínimo de dos (2) muestras por lote de la mezcla elaborada, se moldearán probetas (tres por muestra), para verificar en el laboratorio la resistencia de la mezcla ante la acción del agua mediante el ensayo de inmersión - compresión (INVIAS E-738). Tres de las probetas se curarán en seco y tres bajo condición húmeda y se determinará la resistencia promedio de cada grupo. La pérdida de resistencia por efecto de la inmersión, no podrá exceder de veinticinco por ciento (25 %). 32.

(33) El incumplimiento de al menos una de estas exigencias implica el rechazo del lote representado por las muestras. El flujo medio de las probetas sometidas al ensayo de estabilidad (Fm) deberá encontrarse entre el ochenta y cinco por ciento (85%) y el ciento quince por ciento (115%) del valor obtenido en la mezcla aprobada como fórmula de trabajo (Ft), pero no se permitirá que su valor se encuentre por fuera de los límites establecidos en el aparte 450.4.2. Si el flujo medio se encuentra dentro del rango establecido en el aparte 450.4.2, pero no satisface la exigencia recién indicada en relación con el valor obtenido al determinar la fórmula de trabajo, el Interventor decidirá, al compararlo con las estabilidades, si el lote debe ser rechazado o aceptado.23 4.1.2 Factores que influyen en la adherencia agregado-asfalto. • Tensión superficial. Puede ser líquido o sólido. En el líquido sobretodo la capa próxima a la superficie del líquido actúan fuerzas normales a ella dirigidas hacia el interior, es decir que la capa superficial ejerce sobre el líquido una presión que se llama tensión molecular, lo que ocasiona fuerza repulsivas y equilibra la compresión originada por la capa superficial. Si una masa de líquido no recibe fuerzas exteriores adopta una forma esférica (por la presión de la fuerza molecular) teniendo así por su forma menos superficie y esto es análoga a la que se producirá si la superficie del líquido fuera una película estirada que tiende a contraerse. Por lo tanto la tensión superficial de un líquido influye en el fenómeno de la adherencia, ya que la fuerza y la intensidad presentada influye en mayor o menor facilidad para que el líquido realice el mojado del agregado. La tensión superficial liquido – sólido se evidencia si se presenta una fuerza de superficie ente el límite de un líquido y un sólido, donde hay un estado de tensiones en la superficie del líquido. Se puede considerar una línea situada en el límite donde la sustancia que se encuentra a un lado de la línea ejerce atracción sobre la situada al otro lado. • Angulo de contacto. Este se presenta entre un líquido y un solidó cuando el asfalto entra en contacto con el agregado pétreo, se deben tener en cuenta las fuerzas que actúan entre las moléculas de ambos, pudiendo ocurrir dos cosas. La primera que hace que la fuerza del asfalto líquido sea mayor que las del agregado 23. INVIAS. Op.Cit; p.9. 33.

(34) pétreo; cuando se presenta esto el líquido no moja el sólido, ya que la fuerza está dirigida al líquido. En condiciones de reposo el líquido se dispone perpendicularmente a la fuerza, resultando que el líquido que no moja toma junto a la pared vertical sólida forma de ángulo de contacto o de capilaridad. La segunda hace referencia a las fuerzas intermoleculares del asfalto (cohesión) que son menores que las que actúan entre sus moléculas y las del cuerpo sólido (adherencia). En este caso el líquido moja el cuerpo solidó, la fuerza está dirigida hacia el solidó y como resultado la superficie del líquido toma junto a la pared vertical la posición de ángulo agudo o nulo, el líquido moja perfectamente cuando es igual a 0. • Viscosidad. Es la resistencia que ofrece el cemento asfáltico a la deformación por el rozamiento de las moléculas por lo cual a más elevada sea la viscosidad más lento será el movimiento. El asfalto debe actuar como adhesivo entre el agregado pétreo que conforma la carpeta de rodadura y por ser termoplásticos, ya que al calentarse disminuye su consistencia y endurece cuando se enfrían. Si se aumenta la viscosidad la cobertura del agregado es más lenta y puede ser perjudicial porque el ligante no alcanza la superficie del agregado pétreo en especial cuando tiene polvo ya que esta es la que va a ser recubierta por el asfalto y no el agregado.24. 24. BACCA PRIETO, Iván Eduardo y RIVERA VEGA, Álvaro. Modificación de mezclas densas en caliente tipo 2 (MDC-2) con desechos de caucho- cuero provenientes de una remontadora de calzado cemento asfaltico 60-70 y agregado de rio. En: Ingeniería y Universidad. Enero-abril, 2006, no. 8, p. 23-38.. 34.

(35) 5. MÉTODO DE DISEÑO MARSHALL INVIAS 2007 El Método de diseño Marshall está regulado por la norma INVIAS 2007 (I.N.V.E748 – 07), medidas que se refieren al procedimiento que debe emplearse para fijar la resistencia a la deformación plástica de las mezclas bituminosas para la pavimentación. Este método puede emplearse tanto para mezclas en laboratorio como para la inspección en obra de las mismas. Las etapas abarcadas básicamente en el método Marshall son: • Definir las especificaciones acerca de la granulometría y el porcentaje de asfalto empleado. • Caracterizar los agregados y el cemento asfaltico. • Fabricar las briquetas. • Determinar el peso específico bulk o densidad bulk de las briquetas. • Analizar la estabilidad y flujo de las briquetas. • Determinar por medio de las curvas obtenidas el porcentaje óptimo de cemento asfaltico en la mezcla. • Determinar los criterios de diseño. El procedimiento consiste en la fabricación de probetas cilíndricas de 101,6 mm (4") de diámetro y 63,5 mm (2½") de altura, preparadas como se describe en esta norma, rompiéndolas posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y deformación. ‘’Si se desean conocer los porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se determinarán previamente los pesos específicos de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del ensayo de rotura, de acuerdo con las normas correspondientes’’25. 5.1 ELABORACIÓN DE PROBETAS DEL MARSHALL Este método inicia con la elaboración de probetas de prueba, para lo cual los materiales planteados deben cumplir con las especificaciones de granulometría y demás, establecidas para el proyecto. Sumado a esto, deberá establecerse con antelación el peso específico aparente de los agregados, así como el peso específico del asfalto, y el análisis de Densidad-Vacíos. 25. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Resistencia de mezclas asfálticas en caliente empleando el aparato Marshall: I.N.V. E. - 748 - 2007. [En línea]. Disponible en Internet: <ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_INV07/Normas/Norma INV E-748-07.pdf>. [Citado: mar., 12, 2013].. 35.

(36) Para determinar el porcentaje óptimo de asfalto de la mezcla para una gradación de agregados específica, se deberá elaborar una serie de probetas con distintos porcentajes de asfalto, de tal manera que al graficar los valores obtenidos después de ser ensayadas, permitan encontrar ese valor óptimo. El aparato para moldear probetas consiste básicamente en una placa de base plana, con molde y collar de extensión cilíndricos. El molde debe tener un diámetro interno de 101,6 mm (4") y altura promedio de 76,2 mm (3"); la placa de base y el collar de extensión deberán ser intercambiables, lo que indica que se pueden ajustar por cualquiera de los dos lados del molde. El Extractor de Probetas es un aparato de acero en forma de disco con diámetro de 100 mm (3,95") y 12,7 mm (1/2") de espesor, utilizado para sacar la probeta compactada del molde, con la ayuda del collar de extensión. Como equipo de compactación se cuenta con un Martillo de acero conformado de una base plana circular de 98,4 mm (37/8") de diámetro y un pisón de 4,54 kg (10 lb) de peso total, montado en forma que proporcione una altura de caída de 457,2 mm (18"). Así mismo se cuenta con la presencia de un Pedestal de Compactación que consiste de una pieza prismática de madera resistente con una base cuadrada de aproximadamente 200,3 mm de lado y 457,2 mm de altura (8" x 8" x 18") y dotada en su parte superior de una platina cuadrada de acero de 304,8 mm de lado x 25,4 mm de espesor (12" x 12" x 1"), fijamente sujeta en la misma. Conviene que la madera corresponda a un roble u otra clase cuya densidad seca sea de 670 a 770 kg/m3 (42 a 48 lb/pie3). El aparato como tal debe descansar sólidamente sobre una base de concreto, la platina de acero quedara en posición horizontal. El Soporte para molde es un dispositivo con resorte de tensión diseñado para centrar rigurosamente el molde de compactación encima del pedestal. Deberá asegurar el molde completo en su lugar entretanto se esté realizando la compactación. Para realizar el ensayo se contara con los siguientes elementos: • Mordaza: Consiste en dos piezas de forma cilíndrica, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2"), con un acabado fino. La parte inferior, que terminará en una base plana, irá provista de dos varillas perpendiculares a la base y que se utilizan de guía al segmento superior. Se debe contar con un medidor de deformación que corresponderá a un Deformímetro de lectura final fija y separación en centésimas de milímetro, debe estar firme y sujeto al segmento superior cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza la prueba, en una palanca graduable ensamblada a la parte inferior. 36.