ESTUDIO DEL IMPACTO DE LA INCLUSIÓN DE LOS AGREGADOS RECICLADOS DE CONCRETO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS E
HIDRÁULICAS DE UNA MEZCLA DRENANTE.
PRESENTADO POR:
SANTIAGO ROMERO MORALES CARLOS JULIAN RODRIGUEZ NAVARRETE
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ, D.C.
ESTUDIO DEL IMPACTO DE LA INCLUSIÓN DE LOS AGREGADOS RECICLADOS DE CONCRETO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS E
HIDRÁULICAS DE UNA MEZCLA DRENANTE.
PRESENTADO POR:
SANTIAGO ROMERO MORALES CARLOS JULIAN RODRIGUEZ NAVARRETE
Propuesta de grado presentada como requisito para optar al Título de Ingeniero Civil
DIRECTOR:
Msc. LAURA MARIA ESPINOSA HERMIDA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ, D.C.
4 NOTA DE ACEPTACIÓN: ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ Firma del presidente del jurado
________________________________ Firma del jurado
________________________________ Firma del jurado
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PERIODO: 2019-2
PROGRAMA ACADÉMICO: INGENIERIA CIVIL
ESTUDIANTE: SANTIAGO ROMERO MORALES CÓDIGO :506192
ESTUDIANTE. CARLOS JULIAN RODRIGUEZ NAVARRETE CÓDIGO: 506041 DIRECTOR SUGERIDO: LAURA MARIA ESPINOSA HERMIDA
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AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, a Dios por permitirnos llegar hasta aquí, a nuestros padres y demás familiares por todo el apoyo brindado en este proceso académico, a la ingeniera Laura María Espinosa y a los ingenieros Juan Gabriel Bastidas y Mario Alexander Castañeda por su asesoría y dedicación durante el proceso de generación de conocimiento a lo largo de toda la investigación y a la Universidad católica de Colombia por brindarnos la formación como estudiantes de ingeniería, a todos muchas gracias.
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RESUMEN
Las mezclas asfálticas drenantes son una alternativa para el manejo de la lámina agua formada en las estructuras de pavimento producto de la escorrentía urbana, este fenómeno es el motivo de un alto índice de accidentabilidad en las vías, ya que produce Hidroplaneo generando inestabilidad entre el contacto de la llanta y la capa asfáltica. En Colombia las investigaciones con mezclas drenantes no son muy numerosas por lo que su aplicabilidad en las vías del país no es muy conocida.
Las mezclas drenantes se caracterizan por tener un esqueleto compuesto principalmente de agregados gruesos, generando un alto contenido de vacíos en la mezcla (Entre el 20% y el 25% según el INVIAS) permitiendo así el flujo libre del agua a través de esta y hacia las distintas estructuras de drenaje del pavimento. Es de considerar que estas mezclas al tener alto un contenido de vacíos, se deben diseñar bajo unos parámetros estrictos que garanticen la resistencia de la capa asfáltica en términos de disgregación, pero que su vez permitan alcanzar el índice de permeabilidad establecido en las diferentes normas.
Por lo tanto, esta investigación nace con el objetivo de estudiar el comportamiento de estas mezclas y analizar su viabilidad en la aplicación en Colombia. A demás de caracterizar un agregado de concreto (RCA) con el fin de determinar el impacto de su inclusión en una mezcla drenante sobre el comportamiento hidráulico y mecánico de la misma, igualmente, se desea realizar una comparación entre esta mezcla con material alternativo y una con material convencional, abriendo así la puerta a mas investigaciones que permitan definir la aplicabilidad de este tipo de capas asfálticas en las estructuras de pavimento del país.
Palabras clave: Mezcla asfáltica drenante, pavimento, capa asfáltica, vacíos,
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ABSTRACT
Draining asphalt mixtures are an alternative for the management of the water sheet formed in the pavement structures as a result of urban run-off, this phenomenon is the reason for a high level of road accidents, as it produces aquaplaning generating instability in the contact produced between the tires of the vehicles and the asphalt layer. In Colombia, research with draining mixtures is not very numerous, so its applicability on the country’s roads is not well known.
The main characteristic of the draining mixtures is that their composition must have a high percentage of voids (between 20% and 25% according to INVIAS) that allow the free flow of water to the different structures of fluid discharge, so your dosage is made up of a higher content of coarse aggregate. These mixtures should be considered as having a considerably high voids content, their design should be carried out with strict parameters that guarantee the resistance of the asphalt layer in terms of disintegration, but which in turn meets the permeability index set out in the different standards and design parameters.
This research was born with the objective of studying the behavior of these mixtures and analyzing their feasibility in the application of draining asphalt layers in Colombia, in addition to characterizing a recycled material (RCA Aggregate) in order to determine their behaviour in the manufacture of draining mixtures and thus make a comparison with conventional material that allows to evaluate the performance of draining alternative mixtures and thus open the door to further investigations to define the applicability of such asphalt layers in the country’s pavement structures
Keywords: Draining asphalt mixture, pavement, asphalt layer, voids, permeability,
9 TABLA DE CONTENIDO. Pág. 1 TÍTULO ... 15 2 ALTERNATIVA ... 15 3 LINEA DE INVESTIGACIÓN ... 15 4 EJE TEMÁTICO ... 15 5 INTRODUCCIÓN ... 16 6 ANTEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ... 17 6.1 ANTECEDENTES ... 17 6.1.1 Experiencias internacionales ... 18 6.1.2 Experiencia en américa ... 19 6.2 JUSTIFICACIÓN ... 22
7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 23
8 OBJETIVOS ... 25
8.1 OBJETIVO GENERAL ... 25
8.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 25
9 MARCO DE REFERENCIA ... 26
9.1 ESTADO DEL ARTE ... 26
9.2 MARCO TEÓRICO ... 31
9.2.1 Permeabilidad y conductividad hidráulica ... 31
9.2.2 Mezclas asfálticas drenantes ... 32
9.2.3 Agregados RCD ... 35
9.3 MARCO CONCEPTUAL ... 37
10
10 ALCANCES Y LIMITACIONES ... 42
10.1 ALCANCES ... 42
10.2 LIMITACIONES ... 42
11 METODOLOGÍA ... 44
11.1 FASE 1: SELECCIÓN DEL MATERIAL DE TRABAJO Y CARACTERIZACIÓN. ... 45
11.1.1 Selección del material granular ... 45
11.1.2 Selección del ligante asfáltico ... 47
11.1.3 Caracterización material granular ... 48
11.1.4 Caracterización ligante asfáltico ... 50
11.2 FASE 2 DISEÑO Y ELABORACION DE LA MEZCLA DE CONTROL Y ALTERNATIVA. ... 50
11.2.1 Diseño de la granulometría: ... 50
11.2.2 Elaboración de probetas de mezcla asfáltica drenante ... 51
11.2.3 Preparación de la mezcla asfáltica drenante ... 52
11.3 FASE 3 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES GRAVIMÉTRICAS Y VOLUMÉTRICAS DE LAS PROBETAS Y ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA. ... 57
11.3.1 Determinación de las propiedades de las probetas convencionales y modificadas. ... 57
11.3.2 Gravedad específica teórica máxima (gmm rice) ... 57
11.3.3 Gravedad específica bulk (gmb) ... 59
11.3.4 Porcentaje de vacíos de la mezcla... 60
11.3.5 Ensayos de caracterización hidráulica. ... 62
11.4 FASE 4 ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LA MEZCLA. 64 11.4.1 Determinación del porcentaje de desgaste mediante el ensayo Cántabro ... 64
11.4.2 Determinación de la resistencia a la tensión mediante el ensayo de tracción indirecta ... 66
12 RESULTADOS Y ANALISIS ... 68
12.1 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS VOLUMÉTRICOS DE LA MEZCLA CONVENCIONAL Y MODIFICADA CON MATERIAL ALTERNATIVO (RCA) 68 12.1.1 Gravedad específica teórica Máxima (Gmm RICE) ... 68
11
12.1.3 Resultados cálculo porcentaje de vacíos de la mezcla. ... 72
13 RESULTADOS CARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA ... 76
13.1 ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN EN LA MEZCLA CONVENCIONAL Y ALTERNATIVA ... 76
14 RESULTADOS CARACTERIZACIÓN MECÁNICA ... 82
14.1 RESULTADOS Y ANALISIS DEL PORCENTAJE DE DESGASTE DE LAS MEZCLAS ASFALTICAS POR MEDIO DEL ENSAYO CÁNTABRO ... 82
14.2 RESULTADOS ENSAYO DE TRACCIÓN INDIRECTA ... 85
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INDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1 Clasificación de los residuos de construcción y demolición RCD ... 46
Tabla 2 Requisitos y ensayos realizados agregado grueso convencional y alternativo ... 49
Tabla 3 Composición Material Convencional ... 49
Tabla 4 Especificaciones y ensayos al ligante asfaltico ... 50
Tabla 5 Granulometría de la Especificación 453-13 y gradación de diseño ... 51
Tabla 6 Briquetas fabricadas según a cantidad de ensayos programados ... 52
Tabla 7 Dosificación mezcla de control para contenidos 3,5% , 4,0% y 4,5% ... 53
Tabla 8 Dosificación mezcla modificada con RCA para contenidos 3,5% , 4,0% y 4,5% ... 54
Tabla 9 Granulometría para determinar el valor Gmm teorico ... 58
Tabla 10 Densidades de los materiales ... 59
Tabla 11 Ensayos cántabro preliminares ... 65
Tabla 12 Resultados Gmm experimental ... 68
Tabla 13 Resultados Gmm método teorico ... 69
Tabla 14 Determinación porcentaje de vacíos de la mezcla convencional y alternativa (RCA) ... 72
Tabla 15 Calculo de volumen en función de la masa seca, masa sumergida y peso específico del agua. ... 73
Tabla 16 Cálculo de porcentaje de vacíos (Con aire, comunicantes e ineficaces).74 Tabla 17 Tiempos de infiltración en mezcla convencional. ... 76
Tabla 18 Tiempos de infiltración en mezcla alternativa (RCA)... 78
Tabla 19. Ensayo cántabro para mezcla convencional. ... 83
Tabla 20. Ensayo cántabro para mezcla alternativa. ... 83
Tabla 21 Resultados de resistencia de las mezclas convencional y modificada con RCA ... 89
Tabla 22 Resultados resistencia a la tracción indirecta ... 89
Tabla 23 Datos de variabilidad estadística de las mezclas. ... 89
Tabla 24 Resultados Modulo de rigidez ... 91
Tabla 25 Datos de variabilidad estadística en el módulo de rigidez de ambas mezclas. ... 91
Tabla 26 Resultados de tenacidad en la mezcla convencional y modificada con RCA ... 92
13
INDICE DE ILUSTRACIONES
Pág.
Ilustración 1 Porcentaje de reciclados en el uso total de agregados ... 21
Ilustración 2 Estructura de pavimento poroso doble capa ... 27
Ilustración 3 Comparación de las propiedades de basalto y RCA con los límites estándar de la norma Australiana . ... 30
Ilustración 4.Evaluación de la permeabilidad en carpeta asfáltica. ... 31
Ilustración 5. Estructura de un pavimento permeable ... 33
Ilustración 6 tipos de vacíos en una mezcla asfáltica drenante. ... 34
Ilustración 7. Variación de los vacíos durante la compactación de la mezcla asfáltica. ... 35
Ilustración 8 Generadores de RCD en Bogotá ... 36
Ilustración 9 Agregado pétreo convencional. ... 37
Ilustración 10 Mezcla Open Graded (Gradación abierta drenante) ... 38
Ilustración 11 Diagrama de la metodología utilizada para el desarrollo del proyecto ... 44
Ilustración 12 Material Convencional Ilustración 13 Material Alternativo - Grava de Concreto 47 Ilustración 14 Ligante asfaltico de penetración 60-70 ... 48
Ilustración 15 Dosificación mezcla de control ... 55
Ilustración 16 Dosificación mezcla modificada con RCA ... 55
Ilustración 17 Proceso de mezclado ... 55
Ilustración 18 Proceso de compactación, desencofrado y almacenamiento de las probetas ... 56
Ilustración 19 Elaboración final de las probetas ... 56
Ilustración 20 Procedimiento para determinar el Gmm de manera experimental .. 57
Ilustración 21 Procedimiento secuencia del ensayo para determinar la densidad bulk ... 59
Ilustración 22 Permeámetro Lcs ... 62
Ilustración 23 Montaje experimental prueba de permeabilidad ... 63
Ilustración 24 Montaje experimental ensayo cántabro ... 65
Ilustración 25 Montaje experimental ensayo de resistencia a la tracción indirecta. ... 66
Ilustración 26 Probetas después del ensayo de tracción indirecta ... 67
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INDICE DE GRÁFICAS
Pág.
Grafica 1 Curva Granulométrica de diseño ... 51
Grafica 2 Gravedad máxima especifica (Gmm) mezcla convencional y modificada con RCA método experimental ... 69
Grafica 3 Gravedad máxima especifica (Gmm) mezcla convencional y modificada con RCA método teórico ... 70
Grafica 4 Densidad Bulk mezcla convencional y alternativa modificada RCA ... 71
Grafica 5 Porcentaje de vacíos mezcla convencional y mezcla alternativa. ... 73
Grafica 6 Porcentaje de vacíos comunicantes de las mezclas. ... 75
Grafica 7. Porcentaje de vacíos ineficaces de la mezcla. ... 75
Grafica 8 Infiltración para 3.5 % de asfalto (Mezcla convencional) ... 77
Grafica 9 infiltración para 4.0% de asfalto (Mezcla convencional) ... 77
Grafica 10 Infiltración para 4.5% de asfalto (Mezcla convencional) ... 78
Grafica 11 Infiltración para 3.5% de asfalto (Mezcla alternativa RCA) ... 79
Grafica 12 Infiltración para 4.0% de asfalto (Mezcla alternativa RCA) ... 79
Grafica 13 Infiltración para 4.5% de asfalto (Mezcla alternativa RCA). ... 80
Grafica 14 Tiempo de infiltración para mezcla convencional y alternativa. ... 81
Grafica 15. Ensayo de desgaste en briquetas preliminares. ... 82
Grafica 16 Ensayo de desgaste en briquetas definitivas. ... 84
Grafica 17 Resultados Resistencia a la tracción indirecta briquetas 3,5% convencionales ... 85
Grafica 18 Resultados Resistencia a la tracción indirecta briquetas 4,0% convencionales ... 86
Grafica 19 Resultados Resistencia a la tracción indirecta briquetas 4,5% convencionales ... 86
Grafica 20 Resultados Resistencia a la tracción indirecta briquetas 3,5% Modificadas con RCA ... 87
Grafica 21 Resultados Resistencia a la tracción indirecta briquetas 4,0% Modificadas con RCA ... 87
Grafica 22 Resultados Resistencia a la tracción indirecta briquetas 4,5% Modificadas con RCA ... 88
Grafica 23 Comparación resistencia a la tracción indirecta mezcla convencional y modificada con RCA ... 90
Grafica 24 Modulo de rigidez mezcla convencional y modificada con RCA ... 91
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1 TÍTULO
Estudio del impacto de la inclusión de los agregados reciclados de concreto en las propiedades mecánicas e hidráulicas de una mezcla drenante.
2 ALTERNATIVA
Según lo establecido en el acuerdo 213 art. 2, el presente anteproyecto obedece a la alternativa 3.3. Correspondiente a trabajo de investigación.
3 LINEA DE INVESTIGACIÓN
Asfaltos Modificados.
4 EJE TEMÁTICO
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5 INTRODUCCIÓN
El pavimento es una estructura multicapa que tiene por función global proporcionar una superficie estructuralmente sólida y duradera. Cada una de las capas que lo componen tiene una función estructural que es distribuir la carga de la rueda del vehículo del subsuelo al suelo y soportar el tráfico durante la vida de diseño del pavimento. La capa de rodadura, es la capa más superficial, por lo tanto posee relevancia e importancia dado su contacto directo con las cargas transmitidas por los vehículos, por lo tanto el diseño de esta capa superior es el más riguroso debido a que debe cumplir con todas las especificaciones técnicas establecidas en las normas de diseño de pavimentos, en este caso INVIAS, para obtener una estructura de calidad que sea capaz de resistir todos factores que afecten el comportamiento de un pavimento (transito, aspectos climatológicos, entre otros). En función del material con el cual este construida la capa de rodadura los pavimentos se dividen en dos categorías: Rígidos, los cuales poseen una placa de concreto hidráulico como capa de rodadura; y Flexibles, en los que está constituida por una mezcla asfáltica y en los que se centra el estudio desarrollado en este trabajo de grado.
Las mezclas asfálticas a su vez, se pueden dividir en diferentes categorías en función al volumen y características de cada uno de sus componentes (asfalto, agregados y vacíos). Entre los diferentes tipos de mezclas, este trabajo se centra específicamente en las mezclas drenantes. Mezclas caracterizadas por su alto porcentaje de vacíos, entre 20% y 25%, y por lo tanto por su alta permeabilidad. Los altos contenidos de agregado grueso de estas mezclas permiten entonces una mejor adherencia entre las llantas del vehículo y el asfalto, inhibiendo fenómenos como el hidroplaneo que es causado por la formación de una película de agua sobre la superficie del pavimento. Consecuentemente, una de las grandes ventajas de este tipo de mezcla es que brinda una mayor seguridad y confort al usuario.
Por otra parte, en el campo de las mezclas drenantes se han realizado investigaciones alrededor del comportamiento de la mezcla ante la inclusión de materiales modificados o materiales alternativos, como es el caso de la presente investigación donde se trabajará con RCA (Grava Reciclada de concreto) que a us vez es un tipo de residuo de recolección y demolición el cual se usará como parte del volumen de agregados en el diseño de la mezcla drenante alternativa.
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6 ANTEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
6.1 ANTECEDENTES
Las mezclas asfálticas drenantes forman parte de la estructura de un pavimento poroso y tiene como característica principal una conductividad hidráulica mayor en comparación a las mezclas tradicionales cuyo diseño debe contar con un sistema de drenaje en la carretera, este tipo de pavimento permite la infiltración de aguas provenientes de escorrentía urbana que luego son evacuadas a un sistema natural.
Dado que el agua es el mayor enemigo de los pavimentos, las carreteras se ven beneficiadas gracias al drenaje rápido del fluido que permiten las mezclas OGFC (Open Graded Friction Course). Su estructura de gradación “abierta” permite que la escorrentía se drene directamente a través de conducción o de fricción a un curso intermedio impermeable por debajo y hacia las cunetas de la carretera, esto elimina la pulverización del neumático y el hidroplaneo, mejora la fricción en el pavimento húmedo, aumenta la reflectividad de la superficie, y reduce el ruido del tráfico, lo que genera un pavimento más seguro.
Este tipo de pavimento tuvo sus orígenes en la década de 1950 en los Estados Unidos como una alternativa para mejorar la resistencia a la fricción de la superficie de los pavimentos asfálticos, siendo este país pionero en desarrollar estudios sobre este tipo de mezclas de gradación abierta. A principios de la década de 1970, muchos estados del oeste de los Estados Unidos comenzaron a colocar este tipo de mezcla en respuesta al programa de la Administración Federal de Carreteras (FHWA) para mejorar la resistencia general a la fricción de las superficies de las carreteras del país.(Kandhal, 2002)1
Debido a problemas de durabilidad del diseño de mezcla, muchos estados descontinuaron el uso en comienzos de la década de 1980. Dicha problemática se debía principalmente a 2 fenómenos, el primero conocido como “Raveling” o desmoronamiento, cuya característica es la desintegración progresiva de una capa de asfalto de mezcla caliente desde la superficie hacia abajo como resultado del desprendimiento de partículas agregadas, todo esto debido a que a la cantidad de vacíos de la estructura permite una mayor exposición al aire y a los elementos
1 KANDHAL, Prithvi. Design construction and maintenance of open-graded asphalt friction courses.
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que las mezclas densas tradicionales, de tal forma en el transcurso de un año, un pavimento con muy poca dificultad podría deteriorarse rápidamente. La otra problemática que presentaban este tipo de mezclas era el fenómeno “Draindown” cuya característica principal era el escurrimiento del asfalto durante el verano, el cemento asfáltico líquido fluiría debido a la exposición a altas temperaturas durante un largo periodo de tiempo, lo que ocasionaba que la película de asfalto de derritiera y por ende el agregado se empezara a separar generando disgregación entre sus partículas.(Taylor, 2014)2
Una gran deficiencia es su alto costo de material. El costo de material de la mezcla porosa es usualmente 20-40% más alto que el de las mezclas convencionales usadas en la construcción de carreteras El mantenimiento en invierno es otro problema grave en comparación con el pavimento convencional, el pavimento con gradación abierta tiene una formación de hielo más temprana y más frecuente debido a su baja conductividad térmica causada por una estructura porosa vacía.(Hernandez-Saenz et al., 2016)3.
6.1.1 Experiencias internacionales 6.1.1.1 Experiencia europea
A principios de la década de 1990, la práctica europea era utilizar mezclas porosas como capas de rodadura. Gradación más gruesa con mayor agregado de tamaño superior se utilizó y se colocó en capas con mayores espesores. Aditivos y modificadores en el asfalto se utilizaron para lograr recubrimientos de película gruesa y obtener contenidos más altos de cemento asfaltico (CA) en la mezcla para aumentar la durabilidad.
En Francia, el uso de asfalto poroso comenzó en 1976, pero su uso se formalizo y aumento hasta 1990 pero llego a un punto en el que los organismos de punto decidieron suspender el uso debido a la dificultad de mantenimiento en épocas de invierno. Sin embargo, abogan fuertemente el uso de aglutinante polimerizado con el fin de mejorar este tipo de mezclas con el fin de limitar fenómenos como el “Draindown”. Las autoridades francesas también sugieren que las mezclas Abiertas (OGFC ) pueden ser utilizadas en carreteras de alta velocidad (Nielsen, 2006)4
2 TAYLOR, Gregory J. Open-Graded Friction Courses (OGFC) Open-Graded Friction Courses (OGFC) ,2014, vol. 769.
3 HERNANDEZ-SAENZ, Maria A., CARO, Silvia, ARÁMBULA-MERCADO, Edith y EPPS MARTIN, Amy, Mix design, performance and maintenance of Permeable Friction Courses (PFC) in the United States: State of the Art. Construction and Building Materials [en línea], 2016. vol. 111, p. 358-367.
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Las mezclas abiertas de una sola capa “zeer open asfaltbeton” (zoab) como se conocen en Bélgica y Países Bajos se introdujeron en estos países en la década de 1980 debido a la naturaleza segura de tráfico de este revestimiento. Debido a la estructura abierta del material y la buena resistencia a la deformación permanente (sin surcos), no se generaba lámina de agua en la superficie de la carretera. Como resultado, no se producia aquaplaning y el tráfico no sufría de poca visibilidad debido a las salpicaduras de agua. También se observó una mejoría en la reducción de ruido, propiedades que mejoraron a medida que se utilizaban granos de menor tamaño en la mezcla. (Leuven, 2000)5
Debido a su considerable reducción de ruido, este tipo de mezclas se han utilizado como un medio estratégico para cumplir con las regulaciones de ruido ambiental en Europa
6.1.2 Experiencia en américa
En Brasil a partir de la década de los 80 el uso de mezclas drenantes tuvo un inicio experimental debido a la necesidad, ya que el clima en la mayoría del país es tropical causando largas temporadas de lluvia en diferentes regiones ocasionado diferentes problemas e índices altos de accidentalidad. Su primer aplicación en proyectos de infraestructura vial fue en el diseño y construcción de vías para aeropuertos, teniendo como primer registro histórico el aeropuerto “Fronteras” en Belo Horizonte en 1983 donde se aplicó un revestimiento asfaltico drenante, utilizando cemento asfaltico modificado con polímero (Oliveira, 2003)6
Al noroeste de Brasil en Bahía también se implementaron proyectos donde la aplicación de capas asfálticas drenantes se llevó a cabo en tramos de carretera de doble calzada usando un revestimiento de cemento CAP-20 modificado con un porcentaje del 4% de polímero SBS, todo esto influyo en una mejor adherencia e infiltración, solucionando en gran medida el índice de accidentalidad y volcamiento de vehículos en este país.
En Colombia, la aplicación de este tipo de capas asfálticas aún se encuentra en una fase de investigación y factibilidad, siendo Medellín la primera ciudad que realizó pruebas con este tipo de asfaltos modificados; sin embargo, algunos países de Suramérica ya han implementado este tipo de tecnologías en la estructura de los pavimentos de su malla vial, siendo Chile uno de los países pioneros en hacer pruebas con este tipo de
5 LEUVEN, Katholieke Universitiet, Duurzaamheid van zeer open beton,2000
20
carpetas asfálticas. Como lo explica Campos (Campos, 2008)7,la primera aplicación de este tipo de pavimentos se estableció en 1996 cuando la Unidad de Carreteras de la División el Teniente de Codelco Chile, construyó un tramo de 1500 m2 utilizando una capa asfáltica drenante, esta capa tenía un espesor de 4 cm la cual se comportó de una manera adecuada en términos funcionales y estructurales, por lo que se decidió seguir experimentando con estas mezclas hasta el punto de que en el año 2000 se construyó una capa de 10000 m2 con un espesor de 5 cm compactada sobre una estructura de pavimento existente. Los resultados de estas investigaciones fueron tan buenos que las concesiones encargadas del desarrollo de vial del país empezaron a implementar este tipo de tecnología en la repavimentación de algunos tramos de las vías nacionales.
En cuanto a la experiencia de agregados reciclados y pavimentos encontramos avances un estudio realizado por el autor William Turley de la Asociación de Reciclaje de Materiales de Construcción de Lisle, Illinois, quien afirma que aproximadamente 100 millones de toneladas de concreto se reciclan anualmente en agregados utilizables. Los agregados producidos a partir de concreto reciclado suministran aproximadamente el 5 por ciento del mercado total de agregados el resto es suministrado por agregados de fuentes naturales como piedra triturada, arena y grava.
Los agregados reciclados representan entre un 6% y 8% del total de agregados utilizados en Europa, con diferencias significativas entre países. Los principales usuarios son el Reino Unido, Holanda, Bélgica, Suiza y Alemania. Se estima que en el año 2000 un 5% de los agregados utilizados en Estados Unidos fueron agregados reciclados(US.Geological Survey, 2000)8
7 CAMPOS, Jaime, Seguimiento Y Comparación Del Comportamiento De Tramos Con Mezcla Drenante, Según Zona Geográfica Y Condiciones Locales. , 2008. p. 120.
21
Ilustración 1 Porcentaje de reciclados en el uso total de agregados
Fuente: UEPG 2005
La mayor parte de los agregados reciclados a partir de concreto, se estima que el 68 por ciento, se utiliza como base de carreteras. El resto se usa para nuevas mezclas de concreto (6 %), mezclas calientes de asfalto (9 por ciento), rasgaduras de alto valor (3 %), productos de bajo valor como relleno general (7 por ciento) y otros (7%)(Goonan, 1998)9
En los estados unidos desde finales de 1970 a través de la década de 1990, la grava reciclada de concreto (RCA) fue utilizada como agregado grueso para pavimentos en más de 20 proyectos realizado inicialmente en el estado de Minnesota, aunque hoy en día los criterios y especificaciones de diseño indican que la proyección de la vida útil para autopistas de alto volumen debe ser de al menos 60 años y de 35 años para todas las demás carreteras con garantías asociadas. Estos factores han hecho que muchos constructores hayan renunciado al su uso de este tipo de agregado en la elaboración de pavimentos debido a que se debe hacer un mejor tratamiento a este tipo de árido para que pueda ser utilizable lo que genera un aumento en el costo.(Qasrawi, Marie y Tantawi, 2012)10
9 GOONAN, David R. Wilburn &.Thomas G., Aggregates from Natural and Recycled Sources Economic Assessments for Construction Applications — A Materials Flow Analysis ,1998, vol. First.
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6.2 JUSTIFICACIÓN
Las mezclas asfálticas drenantes han ganado popularidad en los últimos años debido a los beneficios en términos de permeabilidad superficial de carreteras, resistencia al deslizamiento o reducción del ruido el tráfico. La creación y proliferación del uso de este tipo de mezclas ha sido posible gracias a las investigaciones realizadas por distintos autores a nivel mundial, siendo los Estados Unidos uno de los pioneros países (a mediados de los 50) en mostrar interés sobre este tipo de mezcla porosa como una alternativa ante las mezclas densas tradicionales.
A partir de las investigaciones realizadas las mezclas drenantes han mostrado ciertas desventajas con respecto a las mezclas convencionales. Si bien es cierto que, al ser una mezcla con alto índice de vacíos, también presentan complicaciones en cuanto a durabilidad, adherencia y colmatación, por tanto a las investigaciones realizadas se le han dado un enfoque experimental extra y es el proceso de modificar la mezcla a partir de la implementación de materiales como fibras, polímeros, resinas o residuos con la finalidad de evaluar el comportamiento y por ende observar soluciones a estas fallas.
En Colombia las mezclas drenantes se encuentran dentro de una fase de conocimiento y experimentación por tanto las investigaciones realizadas al respecto aún no se ven reflejadas en un ámbito real a gran escala. Por otro lado, las investigaciones realizadas con RCA son pocas y la mayoría se han enfocado hacia el uso de este material en la construcción de bases y subrasantes como en el caso de la ciudad de Bogotá D.C donde a través de la resolución 1115 de 2012 obliga a los constructores a utilizar al menos el 25% de este tipo de material reutilizado como lo hace el Instituto de desarrollo urbano (IDU) en la ejecución de sus proyectos. Sin embargo, no se han llevado al campo de las mezclas asfálticas, y como bien es sabido los residuos de desecho son una problemática ambiental ya que su tratamiento y reutilización resulta costos en muchas ocasiones
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7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En las últimas décadas se han realizado investigaciones enfocadas a la innovación de nuevas tecnologías aplicadas a mezclas asfálticas con el fin de determinar mejores comportamientos a partir de la aplicación de distintos componentes o materiales como polímeros, fibras o aditivos. Esto, con el objeto de no solo mejorar sus características y propiedades respecto a una mezcla convencional sino además reducir problemas comunes que se presentan en calles urbanas y corredores viales como el caso del suceso denominado “hidroplaneo acuaplaning” el cual es un fenómeno en el cual se presenta la formación de una lámina de agua provocado pérdidas de tracción entre el neumático y la superficie del pavimento ocasionando deslizamientos y a su vez accidentes. Por tal razón en las últimas décadas las mezclas asfálticas drenantes han ganado popularidad ya que debido a su alto porcentaje de vacíos proporciona alta permeabilidad, incremento en la seguridad vial y reducción en los niveles de ruido. Por otra parte, este tipo de mezcla toma importancia debido a que los estudios investigativos realizados se han enfocado en hacer análisis de pruebas con materiales adicionados con el fin de modificar sus propiedades y de esta manera determinar sus propiedades ante factores externos que afectan las capas asfálticas.
Actualmente los autores a nivel mundial tienen dos tipos de enfoque para abordar las mezclas abiertas o porosas; la primera se basa en la implementación de polímeros de uso convencional y la segunda toma una orientación medio ambiental, usando como materia prima productos reciclados los cuales al ser sometidos a una fase de tratamiento optimo pueden ser usados como material alternativo para su posterior aplicación en distintas ramas, como la ingeniería de pavimentos.
Uno de los materiales que han sido objeto de estudio principalmente en países europeos como España han sido los residuos de desecho y construcción RCA. Como es sabido estos residuos generan una problemática tanto en el ámbito de la construcción como en el ambiental, generando gran preocupación en los dos sectores. Desde el ámbito de la construcción, se fundamenta en que actualmente se están agotando los vertederos utilizados para el desecho de estos escombros, la falta de alternativas para el aprovechamiento o reutilización de estos puede considerarse un gran problema medio ambiental. Por tal razón se han creado alternativas en las cuales sea beneficioso su uso, implementando residuos como materiales opimos de relleno para estabilizar subrasantes o bases, ya que la composición de estas dos capas no requiere de un material con altas especificaciones como en el caso de la carpeta asfáltica.
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las desventajas que también presentan este tipo de mezclas como la disgregación y la duración de su periodo de vida útil.
Teniendo en cuenta esto se pretende realizar un enfoque y evaluación de la infiltración en mezclas abiertas en caliente analizando el comportamiento de la mezcla a partir del uso de RCA como porcentaje de agregado de la mezcla. Para esto, se realizaron ensayos de caracterización, hidráulicos y mecánicos que nos permitan conocer el comportamiento de este material, por lo tanto, el interrogante a plantear en la investigación es
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8 OBJETIVOS
8.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar el comportamiento de una mezcla abierta en caliente como función del porcentaje del agregado virgen reemplazado con RCA, comparando su desempeño con una mezcla fabricada en laboratorio con agregado convencional.
8.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Proponer un protocolo de obtención de muestras representativas de RCA para
mezclas abiertas en caliente
2. Realizar una caracterización física del agregado RCA con el fin de usarlo como
agregado para mezclas asfálticas drenantes
3. Definir las mezclas a ser evaluadas con relación al grupo de control
4. Evaluar mediante ensayos Hidráulicos de infiltración el comportamiento la
mezcla modificada con RCA y comparar con el comportamiento de la mezcla convencional
5. Evaluar la respuesta hidráulica de las mezclas en términos de volumen de
Infiltración
6. Evaluar mediante ensayos mecánicos de resistencia la mezcla modificada con
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9 MARCO DE REFERENCIA
9.1 ESTADO DEL ARTE
El pavimento permeable o drenante está diseñado para que el agua penetre en el pavimento través del espacio entre los agregados, mientras que el pavimento normal tiene una estructura que evita que el agua penetre en el pavimento esto con el fin de evitar el deterioro y la durabilidad de la calzada debido a la infiltración del agua de lluvia. El pavimento tiene una estructura que permite que el agua de lluvia penetre debajo del lecho de la carretera, por esta razón, el pavimento permeable puede recargar el agua subterránea y reducir la cantidad de escorrentía hacia las instalaciones de drenaje, lo que se puede esperar que reduzca el flujo de agua de lluvia.
Desde la implementación de las mezclas abiertas en los estados unidos a mediados de la década del 50, distintos países han implementado el uso de estas mezclas como alternativa a las mezclas densas tradicionales por sus beneficios en cuanto a permeabilidad y confort a la hora de transitar sobre estas, sin embargo problemáticas presentadas como el “Raveling” (Disgregación de las partículas) , el fenómeno “Draindown” (Escurrimiento del cemento asfaltico) y su susceptibilidad a la obstrucción de sus poros debido a agentes contaminantes que se quedan atorados deteriorando la vida útil del pavimento .Esto hizo que se encaminaran investigaciones hacia como prevenir estas problemáticas de tal manera países como Estados Unidos, Japón, China y los Países Bajos han sido las principales naciones que han realizado estudios en este tipo de mezcla dando como resultado diversas publicaciones relacionadas con la implementación y mejora de este tipo de pavimento.
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La mayor parte del ruido de la carretera proviene de la fricción generada entre el pavimento y el neumático, especialmente cuando la velocidad del tráfico es superior a 72 km / hora. El ruido puede convertirse en una molestia para los seres humanos, lo que lleva a impactos negativos en la calidad de vida.
Los estudios existentes indican que los usos de mezclas de gradación abierta reducen el ruido del neumático / pavimento en 3–6 decibeles (Db), lo que equivale a disminuir el volumen de tráfico en un 50% o comparable a la construcción de una pared de barrera contra el ruido, además señalaron que la escorrentía de agua generada a partir de la superficie abierta era de mejor calidad que la de las superficies de las mezclas densas convencionales y tenía una concentración significativamente menor de sólidos suspendidos totales, metales totales y fósforo.(Bernhard y Wayson, 2005)11
El departamento de obras bituminosas de Holanda (Vakgroep Bitumineuze Werken (VBW)) ha sido uno los mayores exponentes a nivel europeo con sus contribuciones caracterizadas por buscar una mayor resistencia de estas mezclas de la mano con el cuidado del medio ambiente, realizo un estudio para la implementación de dos capas de rodadura que buscaban no solo mejorar la resistencia si no también su vida útil, la estructura más común de dos capas de hormigón comprende una capa gruesa de hormigón muy abierta y una capa superior delgada de asfalto de poros finos como se observa en la siguiente ilustración
Ilustración 2 Estructura de pavimento poroso doble capa
Fuente (Vakgroep Bitumineuze Werken, 2012)
Las cavidades gruesas de base proporcionan un almacenamiento y la escorrentía del agua de lluvia lateral incluida la contaminación. La capa superior delgada produce principalmente como una caja de absorción de sonido, el efecto de reducción de sonido en parte debido a la textura y la plenitud.(Vakgroep Bitumineuze Werken, 2012)12
11 BERNHARD, Robert y WAYSON, Rl, An introduction to tire/pavement noise of asphalt pavement. Institute of Safe, Quiet … [en línea], 2005. p. 26.
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Como conclusión de estos estudios se realizaron las primeras implantaciones de dos capas en vías de ese país cuyos resultados fueron los siguientes respecto al uso de una sola capa de rodadura.
Tanto a velocidades altas y a velocidades bajas (<70 km / h) la reducción de ruido en la estructura dos capas fue mayor que la de una sola capa. Esto es causado principalmente por la textura más fina de la capa superior (reducción de las vibraciones del neumático) y del mayor espesor de la capa (más grande de absorción de sonido).
Mejora en la capacidad para absorber la suciedad en la capa superior (efecto de tamiz) de manera que la suciedad no va filtrar más abajo en la estructura.
Mejoramiento en la capacidad de la vida útil, presentando mejoras en cuanto al fenómeno de “Raveling” conocido comúnmente como disgregación ya que el desgaste solo se produce en la capa superior, produciendo un ahorro en material, tiempo y por lo tanto los costes.
La capa inferior tiene una capacidad de descarga más grande que una sola capa y como resultado el drenaje lateral del agua de lluvia es significativamente mayor.
Finalmente, las construcciones de dos capas de asfalto poroso tienen una capacidad de almacenamiento de agua más grande que de una sola capa Por otra parte, las investigaciones no solo se han centrado en la mejora del ligante, sino que también han buscado la sostenibilidad como un nuevo eje en la construcción de pavimentos. En los últimos años, los métodos de construcción que utilizan materiales reciclados, como la escoria de alto horno, se han puesto en práctica, además de los productos que utilizan materiales como agregados naturales como arena y piedra triturada y materiales de desecho de vidrio que son estables en resistencia. Sin embargo, los pavimentos permeables están obstruidos con suciedad y polvo, y la permeabilidad al agua tiende a disminuir, por lo que es necesaria una limpieza regular.
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El concreto el segundo material más utilizado la mayoría de estructuras se hacen a partir del concreto debido a su considerable duración y conservación a través del tiempo por cientos de años en muchas aplicaciones. Sin embargo, las necesidades cambian y se generan desechos un estimado de más de 900 millones de toneladas por año tan solo en Europa, los estados Unidos y Japón, y otro tanto desconocido en el resto del mundo. El concreto puede ser recuperado y posteriormente ser triturado y reutilizado como agregado en nuevos proyectos Su uso más común es como subbase vial esto se debe a que los agregados reciclados generalmente tienen mejores propiedades de compactación y requieren menos cemento como subbase y por lo general es más económico de obtener que la materia de agregado virgen. Pero también puede ser utilizado en concreto nuevo. (Oikonomou, 2005)13
Se ha encontrado que, cuando se utiliza como base y subbase, el material granular de proveniente de agregados de concretos reciclados presenta una cohesión superior a la de los agregados vírgenes finos, de manera que se mejora la fuerza brindando una muy buena base de construcción para nuevo pavimento. Estudios en Minnesota y california han declara que el uso de RCA en esta estructura del pavimento puede mejorar la resistencia debido a que proporciona una mejor unión del material de base, por encima de la proporcionada con los finos en agregado virgen, sin embargo se observó que cuando se utiliza RCA como material de base, se requieren procedimientos de manipulación especiales para asegurar un transporte, colocación y compactación es necesario humedecer el material con el fin de evitar que las partículas de polvo se dispersen en el aire al igual que cualquier otro material base que contenga polvo.(FHWA, 2005)14
A nivel de mezclas asfálticas el centro de Ingeniería de Infraestructura, de la Universidad Western Sídney, Australia realizo un estudio denominado “Investigaciones de laboratorio sobre la utilización de RCA en mezclas de asfalto” cuyo objetivo era investigar la viabilidad de la aplicación de RCA en mezclas de asfalto. Al ser una investigación de laboratorio incluyó la medición de la RCA resistencia a la compresión, forma de las partículas, absorción de agua, el valor de trituración, partículas débiles, la variación de resistencia en húmedo / seco y en comparar su comportamiento con materiales naturales RCA, los estudios incluyeron análisis las propiedades físicas y mecánicas a través de una serie de pruebas en RCA y la mezcla de RCA con el fin de utilizar RCA como parte de agregados gruesos en el asfalto de grado denso
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Lo resultados y conclusiones a los ensayos fueron las siguientes:
La prueba de absorción indicó que la estructura de estos agregados tiene un alto índice de poros, el agregado utilizado en una mezcla asfáltica debe ser denso y de baja porosidad, este material al tener grandes volúmenes de poros hace que el agregado sea más susceptible a la degradación o rotura bajo los ciclos repetidos de congelación y descongelación o humectación y secado. El valor de absorción fue del 2% de su masa lo que es un valor aceptable en comparación del agregado común ya que de superar el 4% probablemente sería descartado para ser usado en la elaboración de la mezcla densa el agregado poroso hará que la absorba el aglutinante asfaltico dando como resultado una mezcla de asfalto seco y menos cohesiva lo que podría causar el desmoronamiento y extracción de aglutinante de asfalto a partir de agregados.(Tahmoorian y Samali, 2018)15 Posteriormente se le realizaron los ensayos de densidad del material, 10%
de finos y angulosidad y se comparó con el otro material que en este caso es basalto, los resultados y la discusión del autor se encuentran a continuación:
Ilustración 3 Comparación de las propiedades de basalto y RCA con los límites estándar de la norma Australiana .
Para concluir se determinó que la alta absorción de agua de RCA puede resultar en una alta absorción bitumen en mezclas asfálticas, y por lo tanto desempeñar un papel importante en el diseño de mezcla de asfalto.
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Además, aunque la variación de resistencia en seco / húmedo de RCA cumple los requisitos de los estándares australianos, los resultados de las pruebas muestran que su resistencia en húmedo / seco está relacionada con las principales propiedades mecánicas que se requieren para los agregados de asfalto, es de gran importancia en ya que los agregados deben tener una resistencia adecuada al aplastamiento bajo el rodillo durante la construcción, y una resistencia adecuada a la abrasión superficial.
De acuerdo con ello, la cantidad de RCA en las mezclas de asfalto y su combinación con otros agregados deben ser investigadas cuidadosamente con el fin de diseñar una mezcla asfáltica adecuada. La utilización de RCA como agregado grueso es particularmente prometedor ya que el 65% de mezclas de asfalto están hechos de agregados gruesos, y enormes cantidades de construcción y demolición están disponibles en varios sitios de disposición, teniendo en cuenta que a nivel mundial las canteras de agregado virgen se han ido reduciendo el uso de este agregado es una gran alternativa.
9.2 MARCO TEÓRICO
Una mezcla asfáltica drenante ofrece muchas ventajas en la aplicación de pavimentos flexibles debido a que por su composición volumétrica ofrece una mayor resistencia al deslizamiento al tener una alta permeabilidad, y además aumenta la fricción entre el punto de contacto de los neumáticos de los vehículos con el asfalto.
9.2.1 Permeabilidad y conductividad hidráulica
La permeabilidad conocida como la capacidad de un material de permitir el paso de un flujo sin alterar su estructura interna, es la característica principal de este tipo de mezclas, para determinar esta condición existen varios ensayos de laboratorio; en el ámbito nacional, el INVIAS 16 (Instituto Nacional de Vías,2013) dentro de su manual de normas de ensayos de materiales para carreteras, especifica varios ensayos o procedimientos que permiten determinar la permeabilidad de mezclas asfálticas porosas:
- I.N.V.E – 796 13 Permeabilidad in situ de capas asfálticas drenantes con el permeámetro LCS (Laboratorio de la escuela de caminos de Santander, España)
.
Ilustración 4.Evaluación de la permeabilidad en carpeta asfáltica.
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Fuente Ruezga, I, Prueba de permeabilidad en carpeta asfáltica, (2013)
Una metodología para medir la permeabilidad de la mezcla asfáltica se basa en la realización de un ensayo de laboratorio haciendo uso del permeámetro de carga constante, el cual nos permitirá evaluar esta propiedad en un espécimen cilíndrico realizado mediante compactación en el laboratorio o un núcleo extraído “IN SITU” de una carpeta asfáltica. Este ensayo permite la determinación del coeficiente de permeabilidad de la mezcla relacionando otros factores como el área de la sección transversal por el cual pasa el flujo y el volumen de agua que se infiltra entre los vacíos que contiene la mezcla. Varios estudios realizados con esta metodología han encontrado que los resultados de la permeabilidad en laboratorio varían considerablemente con el coeficiente de permeabilidad determinado “IN SITU”, esto se debe básicamente a que la metodología de laboratorio solo tiene en cuenta el flujo del agua en dirección vertical, pero descuida el flujo del agua en las direcciones transversales (Chen, Wang y Zhu, 2017)17.
La conductividad hidráulica es otro concepto que se debe tener en cuenta cuando se habla de la infiltración de agua en un material, esta se conoce como la facilidad con que el medio deja pasar un fluido a través de una sección transversal a la dirección del flujo. De acuerdo a esto, la conductividad hidráulica es una propiedad fundamental de un pavimento permeable, cuyo concepto tiene una base sólida en la ley de Darcy para el caso de flujo laminar y la ecuación modificada de Darcy para flujo turbulento(Chu y Fwa, 2019)18. Esta ley permite establecer el comportamiento de un fluido en un medio poroso mediante el desarrollo de experimentos en laboratorio.
9.2.2 Mezclas asfálticas drenantes
Para lograr un adecuado drenaje del agua proveniente de la escorrentía en una estructura de pavimento, la capa asfáltica que va a servir de rodadura debe tener un porcentaje de vacíos que permita el paso del flujo hacia las distintas obras
17 CHEN, Jun, WANG Hao, ZHU, Hongzhou. Investigation of permeability of open graded asphalt mixture considering effects of anisotropy and two dimensional flow. Construction and Building materials 145 318-325. 2017. ElSEVIER.
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hidráulicas que contenga la estructura. Este porcentaje de vacíos, según el INVIAS, debe estar entre el 20% y el 25. Para alcanzar este nivel de vacíos, el material bituminoso usado en la mezcla debe ser cemento asfaltico modificado con polímeros que garanticen una adecuada resistencia mecánica a las cargas impuestas por el tránsito y un correcto drenaje de las aguas lluvias que contribuya a evitar el hidroplaneo de los vehículos y disminuya el ruido impuesto por el paso del tránsito en el pavimento. En la ilustración 5 se puede apreciar una estructura de pavimento permeable que permite la infiltración del agua.
Al implementar una capa drenante en una estructura de pavimento además de hacer un diseño que cumpla los parámetros de permeabilidad, se debe garantizar que la mezcla tenga una resistencia adecuada que brinde seguridad al usuario. Para ello se debe tener en cuenta el porcentaje de disgregación de la mezcla haciendo uso del ensayo de caracterización de las mezclas asfálticas abiertas por medio del ensayo cántabro de perdida por desgaste; este método permite tener un estimativo empírico de la resistencia a la disgregación de la mezcla ante los efectos de impacto y abrasión generados por el nivel de tránsito. Dicha prueba de laboratorio se fundamenta en el uso de probetas cilíndricas tipo Marshall compactadas a 50 golpes por cada cara, las cuales se introducen en la máquina de ensayo de Los Ángeles y se hacen girar a una velocidad de 30 a 33 rpm hasta completar las 300 vueltas, después se registra el peso final de la briqueta y de esta manera se determina el porcentaje de desgaste de esta.(INVIAS,2013)19
Ilustración 5. Estructura de un pavimento permeable
Fuente: FC MIXTURES OVERVIEW
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El porcentaje de vacíos de una mezcla drenante puede tener tres clasificaciones según (Batidas, 2017)20:
1. Vacíos comunicantes o efectivos: Este tipo de vacíos permiten completamente el paso del agua y su almacenamiento.
2. Vacíos semi-efectivos: Permiten el almacenamiento del agua pero impiden el flujo libre de esta.
3. Vacíos ineficaces: No permiten el paso ni el almacenamiento del agua. En la ilustración 6 se puede observar el comportamiento de cada tipo de vacíos:
Ilustración 6 tipos de vacíos en una mezcla asfáltica drenante.
Fuente: ASFALTOS E MISTURAS MODIFICADAS COM MATERIAIS ALTERNATIVOS. 2017.
El proceso de compactación toma importancia ya que determina el porcentaje de vacíos de la mezcla. Los vacíos entre las partículas de los agregados se van ocupando con asfalto a medida que se va compactando la mezcla. En la ilustración 7 se puede observar la variación de los vacíos en el proceso de compactación de una briqueta de concreto asfaltico:
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Ilustración 7. Variación de los vacíos durante la compactación de la mezcla asfáltica.
Fuente: Caracterización hidráulica de mezclas asfálticas abiertas mediante la técnica de Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). 2017
9.2.3 Agregados RCD
Para lograr una mezcla drenante que cumpla con todas las especificaciones se debe usar unos componentes adecuados y una gradación que permita el porcentaje de vacíos establecido en el INVIAS. Uno de los propósitos de este trabajo es determinar si los agregados RCD mediante un procedimiento y tratamiento adecuado son viables como agregados en la implementación de una mezcla asfáltica porosa.
Se entiende por RCD (Residuos de Construcción y Demolición) a los residuos provenientes de las actividades de construcción, demolición y rehabilitación de estructuras civiles. Este tipo de residuos agudizan la contaminación ambiental a medida que el sector de la construcción crece, dado a las malas prácticas por parte de las entidades generadoras de estos residuos terminan agudizando un problema ambiental que va creciendo a medida que el sector de la construcción también lo hace.
Un estudio realizado en Bogotá (Castaño et al., 2013)21 determinó que el IDU y las entidades privadas son los mayores productores de este tipo de residuos en esta ciudad, a continuación, se puede observar la gráfica completa con la información de esta investigación:
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Ilustración 8 Generadores de RCD en Bogotá
Fuente Gestión de residuos de construcción y demolición (RCD) en Bogotá: Perspectivas y limitantes.
.
Actualmente hay varios usos que se le puede dar a los RCD con el fin de mitigar el impacto ambiental ocasionado por el mal vertimiento de dichos residuos, en Bogotá existen plantas de procesamiento de RCD que se encargan de tratar este material proveniente de las construcciones y transformarlo para reutilizarlo en otras actividades relacionadas con el campo de la construcción.22
Sin embargo, se han llevado a cabo investigaciones experimentales para determinar cómo varían las resistencias del concreto hecho de agregado natural, agregado de lote de concreto rechazado, agregado de edificios demolidos de 8 años y 16 años y también la factibilidad de cada uno. Se tomaron diferentes proporciones de cada tipo de agregados reciclados junto con los agregados naturales para determinar cómo varía la resistencia obteniendo como resultado la razón por la cual el concreto compuesto de agregado natural tiene una resistencia tan baja es que tenía una alta relación de vacío. Además, tenía muchos agregados de un tamaño, es decir, 10 mm, por lo que el concreto solo podía dar una resistencia máxima de 68 kN. La razón probable por la cual los agregados reciclados de la planta de procesamiento tenían una mejor resistencia es decir la fuente de donde provienen influyen en la resistencia de este tipo de agregados(Sabhnan y Mohanan, 2019)23
22 Ibíd., P. 126 23
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9.3 MARCO CONCEPTUAL
Ligante bituminosos: Material que contiene betún (bitumen) el cual es un
hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). Entre los materiales bituminosos se encuentran el Asfalto y el Alquitrán.
Asfalto: Material aglomerante de color marrón oscuro a negro de resistencia
variable, constituido principalmente por betunes. El asfalto pude ser de origen natural u obtenido por refinación del petróleo
Alquitrán: Producto hidrocarbonado semisólido o liquido resultante de la
destilación de la hulla. Su contenido de betún es menor que el de los asfaltos. Presenta buena adherencia con los agregados y resiste el ataque de los derivados del petróleo, pero presenta alta susceptibilidad térmica y ligero envejecimiento.
Agregado pétreo: Conglomerado de partículas inertes de gravas, arenas, finos, o
filler (Naturales o Triturados) utilizados en la fabricación de mezclas asfálticas, concretos hidráulicos, materiales estabilizados, construcción de capas de terraplén, afirmados, subbases granulares o bases granulares. Los agregados pétreos utilizados en mezclas asfálticas deben tener requisitos más exigentes en cuanto a durabilidad, textura y resistencia mecánica ya que de la calidad del agregado dependerán los mecanismos de daño a los que se someta la mezcla asfáltica.(Reyes-Ortiz, Camacho-Tauta y Londoño León, 2013)24
Ilustración 9 Agregado pétreo convencional.
Fuente Ciprecon Ingeniería y Prefabricados
Mezclas Open Graded: Las mezclas “Open Graded” tienen una gradación
relativamente uniforme y están constituidas por un ligante de cemento asfaltico o
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ligante modificado, estas mezclas tienen como función principal representar una capa drenante en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento.
Open Graded Friction Course: Este tipo de mezcla es utilizada como una
superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir la formación de láminas de agua, además reduce salpicaduras de las llantas.(Minaya y Ordoez,2006)25
Ilustración 10 Mezcla Open Graded (Gradación abierta drenante)
Fuente Congreso Mexicano del Asfalto
Mezcla base permeable: Este tipo de mezcla comprende una gradación uniforme
de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC ya que el diámetro del agregado varía entre 0,75 pulgadas y 1 pulgadas. Su uso va enfocado en drenar el agua que ingres desde la superficie hasta la subrasante.
Mezcla asfáltica abierta en caliente: Este tipo de mezclas es comúnmente
conocido por el INVIAS con las siglas” MAC -75, MAC-63 Y MAC-50” este número indica el tamaño máximo de partícula del agregado pétreo de la mezcla en mm. Esta es una mezcla similar a las MAF (Mezcla Asfáltica en Frio), la diferencia radica en que esta mezcla usa como ligante cemento asfaltico. Adicionalmente son mezclas que se deben preparar a temperaturas elevadas que oscilan entre los “100° C y 120° C”
Mezcla asfáltica convencional: Son mezclas constituidas por un 90 % de
agregados pétreos grueso y fino, un 5% de polvo mineral (filler) y otro 5% de ligante asfáltico. Estos componentes mencionados anteriormente son los que garantizaran un correcto funcionamiento del pavimento, la falta calidad en alguno de estos materiales hace que la estructura de pavimento pierda nivel de calidad y
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confiabilidad. El ligante asfáltico y el polvo mineral son los dos elementos que más influyen en la calidad de dicha mezcla.(Fonseca,2006)26
Mezcla asfáltica drenante: Mezcla comúnmente conocida en Colombia como
MD, son mezclas cuyo porcentaje de vacíos varía entre el 20% y 25%, esta condición permite que el agua se filtre con una velocidad considerable evacuándola hacia las obras de drenaje de la vía. Debido a su alta porosidad genera una superficie de textura rugosa que genera una adecuada fricción entre el neumático y la rasante del pavimento.(Lizcano-Reyes,Rondon-Quintana,2015)27
Ensayo cántabro: Método usado en el diseño de mezclas asfálticas drenantes el
cual evalúa la resistencia al desgaste por abrasión de briquetas tipo Marshall compactadas a 50 golpes por cara, esta prueba permite tener una valoración clara del nivel de disgregación de la mezcla que se requiere ensayar.
Ensayo de tracción indirecta: El ensayo de tracción indirecta es una prueba de
laboratorio que permite imitar la respuesta d un pavimento flexible ante la aplicación de cargas cíclicas. Este ensayo permite obtener la carga ultima antes de que la mezcla falle, consiste en someter a compresión una probeta tipo Marshall aplicando una carga uniforme a lo largo de dos líneas opuestas hasta alcanzar la rotura de la probeta.(Garrote,2006) 28
Mezcla asfáltica modificada: Los asfaltos modificados son aquellos que
provienen de la incorporación de un aditivo o polímero al material asfaltico, estos componentes tienen por objeto mejorar las propiedades del pavimento permitiendo una mejor resistencia, adherencia y durabilidad en el tiempo, además de mejorar su desempeño ante bruscos cambios de temperatura, mejorando distintas propiedades como la cohesión, respuesta elástica, resistencia al agua y al envejecimiento, esfuerzos a tensión, deformaciones y agrietamientos. Las sustancias que modifican el asfalto son adicionadas antes de mezclar el ligante con el agregado.
Impermeabilidad Resistencia al paso de aire y agua hacia el interior de un
pavimento, o a través de él. Esta característica está con el contenido de vacíos de la mezcla compactada.
Permeámetro LCS (Laboratorio Caminos de Santander): Equipo que permite
medir la capacidad de drenaje de una superficie porosa en función del tiempo que necesita dicha superficie para infiltrar una altura de agua determinada que se
26 FONSECA, Alfonso Montejo. Ingeniería de pavimentos. Universidad Católica de Colombia, 2006.
27 LIZCANO, Fredy Reyes; QUINTANA, Hugo Rondón. Pavimentos: materiales, construcción y diseño. ECOE ediciones, 2015.p39-p103
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encuentra sobre ella, con el fin de determinar una constante de infiltración y obtener un % de vacíos del pavimento a ensayar in situ. 29
Hidroplaneo: También conocido como “acuaplaning” es el fenómeno producido
por la formación de una lámina de agua del pavimento, ocasionando una pérdida de tracción y fricción del automóvil con la rasante del pavimento.
Filler: Sustancias finamente divididas que pueden ser solubles o dispersas en el
asfalto, son usadas como un medio para mejorar las propiedades mecánicas del pavimento. Pueden ser sustancias minerales, cal cemento, entre otras; la incorporación de estas sustancias al pavimento permite una notable reducción de la deformación de la mezcla además de una optimización de las demás propiedades de esta.
9.4 MARCO LEGAL
A continuación, se presenta la normativa trabajada durante la realización den ensayos de laboratorio en la investigación.
I.N.V.E – 218 Resistencia a la degradación de los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1 ½) por medio de la máquina de los ángeles.
I.N.V.E – 238 Determinación de la resistencia del agregado grueso a la degradación por abrasión utilizando el aparato micro-deval.
I.N.V.E – 224 Determinación del valor del 10% de finos.
I.N.V.E – 220 Solidez de los agregados frente a la acción de soluciones de sulfato de sodio o magnesio.
I.N.V.E – 126 Limite plástico e índice de plasticidad de los suelos. I.N.V.E – 125 Determinación del límite liquido de los suelos.
I.N.V.E – 133 Equivalente de arena de suelos y agregados finos. I.N.V.E – 235 Valor del azul de metileno en agregados finos.
I.N.V.E – 240 Proporción de partículas planas, alargadas o planas y alargadas en agregados gruesos.
I.N.V.E – 227 Porcentaje de partículas fracturadas en un agregado grueso. I.N.V.E – 706 Penetración de los materiales bituminosos.
I.N.V.E – 712 Punto de ablandamiento d materiales bituminosos (aparato de anillo y bola)
I.N.V.E – 724 Índice de penetración de los cementos asfalticos.
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I.N.V.E – 716 Determinación de la viscosidad del asfalto empleando viscosímetros de capilares de vacío.
I.N.V.E – 702 Ductilidad de los materiales asfalticos.
I.N.V.E – 709 Puntos de inflamación y de combustión mediante la copa abierta de Cleveland.
I.N.V.E –796 Permeabilidad in situ de capas asfálticas drenantes con el permeámetro LCS (Laboratorio de la escuela de Caminos de Santander, España)
I.N.V.E – 760 Caracterización de las mezclas asfálticas abiertas por medio del ensayo cántabro de pérdida por desgaste.
I.N.V.E – 725 Evaluación de la susceptibilidad al agua de las mezclas de concreto asfaltico utilizando la prueba de tracción indirecta.
I.N.V.E – 748 Estabilidad y flujo de las mezclas asfálticas en caliente empleando el aparato Marshall.
I.N.V.E – 735 Gravedad especifica máxima de mezclas asfáltica para pavimentos.
I.N.V.E – 734 Gravedad especifica BULK y densidad de mezclas asfálticas compactadas absorbentes empleando especímenes recubiertos con una película de parafina.
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10 ALCANCES Y LIMITACIONES
10.1 ALCANCES
El alcance de esta investigación se centra en la determinación del comportamiento mecánico e hidráulico de una mezcla drenante modificada con agregado RCA, comparándola con el desempeño de una mezcla asfáltica convencional. Para cumplir con el alcance del proyecto se definieron 3 contenidos de asfalto para cada tipo de mezcla (3.5%, 4.0% y 4.5%) y se fabricaron 6 briquetas por cada porcentaje de ligante, de las cuales 3 se usaron para determinar el porcentaje de desgaste mediante el ensayo cántabro y las otras 3 se destinaron para evaluar el comportamiento de la mezcla mediante el método de la tracción indirecta. Además, se evaluó la permeabilidad de las mezclas mediante el ensayo de infiltración con el permeámetro LCS haciendo una relación entre el porcentaje de vacíos y el tiempo de infiltración para distintos volúmenes de agua. Para la fabricación de las briquetas se caracterizaron los materiales dispuestos para la elaboración de la mezcla, en esta fase se elaboraron ensayos de laboratorio que permitieron obtener una mezcla que cumpliera las especificaciones designadas en el INVIAS para el diseño de mezclas drenantes. Dentro del alcance del proyecto se determinaron las recomendaciones y conclusiones pertinentes, haciendo los respectivos análisis de los resultados obtenidos a lo largo de la investigación, con el fin de establecer el desempeño del agregado alternativo en su aplicación a las mezclas asfálticas drenantes.
10.2 LIMITACIONES
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mezcla debido a una posible baja cohesión entre el ligante bituminoso y el agregado.
Dentro del desarrollo del proceso investigativo en las fases de fabricación de los especímenes, una circunstancia que genero un cambio en la programación de los ensayos de laboratorio, fue la falla que tuvo la compactadora del laboratorio, motivo por el cual se decidió iniciar con las fase 3 y 4 de la investigación, realizando la caracterización hidráulica y mecánica de las briquetas que se habían fabricado hasta el momento, una vez reparada la compactadora se procedió a fabricar las ultimas briquetas que faltaban para complementar los resultados propuestos en el alcance del proyecto.
Una limitación a nivel general dentro del trabajo está relacionada con el hecho de que la investigación solo se desarrolló en una fase experimental de laboratorio, por ende se necesitarán estudios más enfocados a la práctica profesional que aporten y den validez a nuestra investigación en cuanto al comportamiento del RCA en su uso para mezclas asfálticas porosas o drenantes, y de esta forma sea viable su implementación en campo a futuro, ya que de ser posible será una gran alternativa en el campo ingenieril y un beneficio en el ámbito medio ambiental.
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11 METODOLOGÍA
Ilustración 11 Diagrama de la metodología utilizada para el desarrollo del proyecto
Fuente: Autores M E T O D O L O G IA DE L A N V E S T IG A C IO N Fase investigatIva Busqueda de informacion sobre el tema Fase Experimental FASE 1 SELECCIÓN DEL MATERIAL DE TRABAJO Y CARACTERIZACION FASE 2 Articulo 400,453 y seccion 200 INVIAS DISEÑO Y ELABORACION DE LA MEZCLA DE CONTROL Y ALTERNATIVA. INV E‐ 748‐13 INV E ‐ 734‐13 INV E ‐ 735‐13 RESULTADIS Y ANALISIS RESULTADOS Y ANALISIS FASE 3 DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES GRAVIMETRICAS Y VOLUMETRICAS DE LAS PROBETAS Y ENSAYOS DE CARACTERIZACION HIDRAULICA INV E – 796‐13 RESULTADIS Y ANALISIS
FASE 4 CARACTERIZACION ENSAYOS DE MECANICA. INV E 760‐13 INV E 725‐13 RESULTADOS Y ANALISIS ANALISIS DE
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11.1 FASE 1: SELECCIÓN DEL MATERIAL DE TRABAJO Y CARACTERIZACIÓN.
Esta fase consiste en la selección del material de trabajo a utilizar en la realización de la investigación y su respectiva caracterización tomando en cuenta los requisitos generales expuestos en la normativa del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) de acuerdo con el Capítulo 4 de las Especificaciones Generales de Construcción de carreteras, específicamente los artículos 400 y 453 los cuales fueron los principales referentes a tener en cuenta en el desarrollo del trabajo , el cual también se basó en la normativa Instituto de desarrollo Urbano (IDU).
11.1.1 Selección del material granular
Para el desarrollo de la investigación se tuvo en cuenta el uso de dos tipos de material granular, el primero, un material convencional el cual es usado comúnmente en la elaboración de las mezclas asfálticas en general y el segundo un material alternativo el cual está compuesto por Residuos de Construcción y Demolición (RCD).
De acuerdo con los aspectos generales de la normativa consignados en el artículo 400.2.1.2 el material granular utilizado debe ser de alta calidad y no será susceptible de ningún tipo de meteorización o alteración físico-química apreciable bajo las condiciones más desfavorables que presumiblemente se puedan dar en la zona de empleo.
En el caso del material convencional se seleccionó una sola fuente de producción en este caso el agregado grueso, fino y la llenante mineral fueron obtenidos mediante la empresa Conncrescol S.A. Esto se debe a que el material suministrado por esta empresa cumple con los requisitos de los numerales: 400.2.1.2.1, donde se expresa que el agregado grueso debe proceder de trituración de roca y/o grava; el 400.2.1.2.2, donde se indica que el agregado fino debe estar constituido por arena de trituración cuyos granos deberán ser duros, limpios y de superficie rugosa y angular; y el numeral 400.2.1.2.3, donde se estable que el llénate mineral deberá proceder del proceso de trituración y la clasificación de los agregados pétreos.
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Tabla 1 Clasificación de los residuos de construcción y demolición RCD
Fuente: Guía para la elaboración del Plan de Gestión de Residuos de Construcción y Demolición RCD en obra, 2015
