i
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Influencia del porcentaje de polvo de caucho sobre las propiedades mecánicas del asfalto, Trujillo
AUTORES:
Br. Díaz Morales, Kevin Moisés Br. Guevara Meneses, Carlos Alberto
ASESOR:
Doc. Ing. Alvarado Quintana Hernán
TRUJILLO – PERÚ 2022
TESIS
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO CIVIL
______________________________
Mg. Ing. Tito Alfredo Burgos Sarmiento CIP: 82596
JURADO Presidente
______________________________
Mg. Ing. Wiston Henry Azañedo Medina CIP: 107619
JURADO Secretario
______________________________
Doc. Ing. Alvarado Quintana Hernán CIP: 40004
JURADO Asesor
iii
DEDICATORIA
A Dios por darme la vida y principalmente salud para poder afrontar cada obstáculo y lograr los objetivos de vida propuestos.
A mi familia y a mi madre Aurea, por haber dedicado su vida a formarme como una persona de bien y haber sido la fortaleza para cada paso de mi vida profesional.
Bachiller: Díaz Morales Kevin Moisés
A Dios por la salud y trazar caminos para lograr todas mis metas planificadas
A mi padre Esteban David Guevara y a mi madre Ysabel Meneses por ser los pilares de mi familia, por el apoyo constante e incondicional y por la ser mi motivación día a día.
A mis hermanos por ellos sigo alcanzando mis objetivos, gracias a su motivación y ser un ejemplo para todos.
A ti por ser una motivación para mí y por acompañarme en todo este largo camino.
Bachiller: Guevara Meneses Carlos Alberto
AGRADECIMIENTO
A Dios, por haberme acompañado en el largo proceso de formación profesional.
A mi familia, en especial a mi Madre por haber apoyarme en todo lo que he necesitado para lograr mis metas.
A mi maestro universitario y asesor el Dr. Alvarado Quintana Hernán, por las enseñanzas brindadas durante la universidad y el apoyo constante durante el desarrollo de esta investigación.
Bachiller: Díaz Morales Kevin Moisés
Agradezco a Dios de todo corazón por sus inmensas bendiciones y constante apoyo mediante todas las puertas que abre en mi vida.
Gracias a mis padres por brindarme sus consejos, ser mis guías y soportes en todas las decisiones que he tomado.
A mi asesor Doc. Ing. Alvarado Quintana Hernán, por el apoyo constante durante la elaboración de esta investigación
A la Universidad Nacional de Trujillo, por poder conocer amigos y por formarme como profesional.
Bachiller: Guevara Meneses Carlos Alberto
v
RESUMEN
La presente investigación se realizó en Trujillo, en el laboratorio de Cerámicos de la Universidad Nacional de Trujillo, cuyo objetivo fue determinar el efecto de la adición de polvo de caucho al asfalto sobre sus propiedades mecánicas se utilizó un diseño experimental con motivos puros. El muestreo fue probabilístico y la recolección de datos se realizó mediante técnicas de observación. Para la medición de resultados se utilizó una guía de observación.
Luego, se utilizaron métodos descriptivos y estadísticos para analizar los datos. Estos fueron elegidos porque pretendían probar una tesis sobre la adición de polvo de caucho al asfalto mejorando sus propiedades mecánicas, el problema radica en que los pavimentos asfálticos en la ciudad de Trujillo, fallan antes del periodo para el cual fueron diseñados por no tener propiedades mecánicas adecuadas y acorde a las solicitaciones crecientes de tránsito y las condiciones climáticas específicas existentes en nuestro territorio, ocasionando un riesgo tanto para las personas como para los vehículos, con la adición de 1.0 % de polvo de caucho a una mezcla asfáltica se obtuvo 7.9 kN de estabilidad a comparación de una muestra asfáltica convencional de 6.82 kN, así mismo se logró obtener un flujo de 13.93 mm y 16.09 mm con la adición de 0.5 % y 1.0 % de polvo de caucho respectivamente, lo cual estuvo dentro del rango permitido en el manual de carreteras EG 2013.
Palabras clave: Polvo de caucho, asfalto, propiedades mecánicas del asfalto.
ABSTRACT
The present investigation was carried out in Trujillo, in the Ceramics laboratory of the National University of Trujillo, whose objective was to determine the effect of adding rubber powder to the asphalt on its mechanical properties, an experimental design with pure motifs was obtained. Sampling was probabilistic and data collection was performed using observation techniques. For the measurement of results, an observation guide was obtained. Then, descriptive and statistical methods were used to analyze the data. These were chosen because they intended to prove a thesis on the addition of rubber powder to asphalt improving its mechanical properties, the problem is that the asphalt pavements in the city of Trujillo fail before the period for which they were designed due to not having mechanical properties. adequate territory and according to the growing traffic requests and the specific climatic conditions existing in our country, causing a risk for both people and vehicles, with the increase of 1.0 % of rubber powder to an asphalt mixture, 7.9 kN of stability compared to a conventional asphalt sample of 6.82 kN, likewise it will be advanced to obtain a flow of 13.93 mm and 16.09 mm with the reduction of 0.5 % and 1.0 % of rubber dust respectively, which was within the range allowed in the road manual EG 2013.
Keywords: Rubber powder, asphalt, mechanical properties of asphalt.
1
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTO ... iv
RESUMEN ... v
ABSTRACT ... vi
ÍNDICE GENERAL ... 1
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ... 12
1.1 Realidad problemática ... 12
1.2 Formulación del problema ... 20
1.3 Hipótesis ... 20
1.4 Justificación: ... 20
1.5 Objetivos de investigación ... 21
1.5.1 Objetivo general ... 21
1.5.2 Objetivos específicos ... 21
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO ... 23
2.1 Antecedentes ... 23
2.2 Bases teóricas ... 29
2.2.1 Marco Normativo ... 29
2.2.2 Pavimento ... 29
2.2.2.1 Definición de pavimento ... 29
2.2.2.2 Estructura de un pavimento ... 30
2.2.2.3 Clasificación de los pavimentos ... 32
2.2.3 Mezcla asfáltica ... 33
2.2.3.1 Definición de mezcla asfáltica... 33
2.2.3.2 Clasificación de mezcla asfáltica según la temperatura puesta en obra ... 34
2.2.3.3 Comportamiento de la mezcla asfáltica ... 34
2.2.3.4 Propiedades consideradas en mezclas asfálticas ... 37
2.2.3.5 Diseño de mezclas asfálticas ... 41
2.2.3.6 Diseño de mezclas asfálticas mediante el método Marshall ... 42
2.2.4 Componentes de una mezcla asfáltica en caliente ... 46
2.2.4.2 Agregados pétreos ... 50
2.2.5 Requerimientos normativos para mezclas asfáltica ... 54
2.2.6 Mezclas asfálticas adicionadas con Caucho ... 56
2.2.6.1 El caucho ... 57
2.2.6.2 Métodos de utilización ... 62
CAPÍTULO III MATERIALES Y MÉTODOS ... 67
3.1 Objetivo de estudio ... 67
3.1.1 Material de estudio ... 67
3.1.2 Tipo de investigación ... 67
3.1.2.1 De acuerdo al fin que se persigue ... 67
3.1.2.2 De acuerdo a la técnica de contrastación:... 67
3.1.3 Variables ... 67
3.1.3.1 Matriz de clasificación de variables ... 67
3.1.3.2 Matriz de operacionalización de variables ... 68
3.1.4 Población ... 70
3.1.5 Muestra ... 70
3.1.5.1 Técnica de muestreo ... 70
3.1.5.2 Tamaño de muestra... 70
3.1.6 Diseño de investigación ... 71
3.2 Métodos y técnicas ... 71
3
3.2.1 Técnicas de recolección de datos ... 71
3.2.2 Instrumentos de recolección de datos ... 72
3.2.2.1 Validación de instrumentos ... 74
3.2.3 Técnicas de análisis de datos ... 74
3.2.4 Instrumentos de análisis de datos ... 74
3.3 Procedimiento Experimental ... 76
3.4 Desarrollo de Tesis ... 77
3.4.1 Selección de Materiales ... 77
3.4.2.1 Análisis granulométrico del agregado grueso (MTC E 204)... 77
3.4.2.2 Abrasión Los Ángeles al desgaste de los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1 ½”) (MTC E 207) ... 79
3.4.2.3 Peso específico y absorción de agregados gruesos (MTC E 206) ... 82
3.4.2.4 Análisis granulométrico del agregado fino (MTC E 204) ... 85
3.4.2.5 Gravedad específica y absorción del agregado fino (MTC E 205) ... 85
3.4.2.6 Determinación límite líquido de los suelos (MTC E 110) ... 87
3.4.2.7 Determinación límite plástico e índice de plasticidad (MTC E 111) ... 88
3.4.2.8 Equivalente de arena (MTC E 114) ... 89
3.4.3 Ensayo a la combinación de agregados ... 91
3.4.3.1 Análisis granulométrico de la combinación de agregados ... 91
3.4.4 Ensayo de calidad a los adicionantes ... 92
3.4.4.1 Granulometría de Granos de neumáticos reciclados (GNR) ... 92
3.4.5 Preparación y ensayos en la Mezcla Asfáltica en caliente Convencional ... 93
3.4.5.1 Preparación de las muestras Marshall convencionales (MTC E 504) ... 93
3.4.5.2 Peso específico aparente y peso unitario de la mezcla asfáltica compactada empleando muestras saturadas con superficie seca (MTC E 514) ... 99
3.4.5.2. Resistencia de mezclas bituminosas empleando el aparato Marshall (MTC E 504)
... 100
3.4.6. Preparación y ensayos en la Mezcla asfáltica Adicionada ... 104
3.4.6.1. Elaboración de briquetas adicionadas (MTC E 504) ... 104
3.4.6.2. Peso específico aparente y peso unitario de la mezcla asfáltica adicionada compactada empleando muestras saturadas con superficie seca (MTC E 514) . 107 3.4.6.3. Resistencia de mezclas bituminosas adicionadas empleando el aparato Marshall (MTC E 504) ... 108
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 111
4.1 Resultados ... 111
4.1.1 Caracterización de agregados: ... 111
4.1.1.1 Análisis Granulométrico por tamizado (MTC - E204) ... 111
4.1.1.2 Abrasión de los Ángeles (MTC-E207) ... 112
4.1.1.3 Gravedad específica y Absorción del Agregado Grueso y Fino (MTC-E206/ASTM C127, MTC-E205/ASTM C128 respectivamente) ... 113
4.1.1.4 Límite Líquido, Límite Plástico e índice de Plasticidad (MTC-E110, MTC-E111, y ASTM D 4318) ... 113
4.1.1.5 Equivalente de Arena (MTC-E114 y ASTM D 2419) ... 113
4.1.2 Granulometría del polvo de caucho. ... 113
4.1.3 Análisis granulométrico de la combinación de agregados (MTC-E204) ... 114
4.1.4 Resumen de resultados de la caracterización de agregados ... 115
4.1.5 Ensayos de mezclas asfálticas ... 115
4.1.5.1 Gravedad específica Bulk (ASTM D2726) ... 115
4.1.5.2 Análisis de densidad y vacíos ... 116
4.1.6 Ensayo Marshall para mezcla patrón ... 119
4.1.6.1 Estabilidad Marshall ... 119
5
4.1.6.2 Flujo Marshall ... 120
4.1.7 Resumen de resultados del Ensayo Marshall para mezcla asfáltica patrón... 121
4.1.8 Ensayo Marshall para mezcla adicionada con polvo de caucho ... 122
4.1.8.1 Estabilidad Marshall ... 122
4.1.8.2 Flujo Marshall ... 123
4.1.9 Análisis estadísticos ... 125
4.1 Discusión ... 126
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 134
5.1 CONCLUSIONES ... 134
5.2 RECOMENDACIONES ... 136
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 138
APÉNDICE ... 141
APÉNDICE 1. Análisis estadísticos de datos ... 141
ANEXOS ... 143
ANEXO 01: ESPECIFICACIÓN TÉCNICA DEL CEMENTO ASFÁLTICO PEN 60/70 .. ... 143
ANEXO 02: Distribución granulométrica del agregado grueso... 144
ANEXO 03: Distribución granulométrica del agregado fino. ... 144
ANEXO 04: Datos obtenidos del Ensayo de Abrasión de los Ángeles. ... 145
ANEXO 05: Datos obtenidos del Ensayo de Gravedad Específica y absorción del agregado grueso ... 145
ANEXO 06: Datos obtenidos del Ensayo de Gravedad específica y absorción del agregado fino. ... 145
ANEXO 07: Datos obtenidos del Ensayo de obtención del Limite líquido. ... 146
ANEXO 08: Datos obtenidos del Ensayo de obtención del límite plástico. ... 146
ANEXO 09: Datos obtenidos del Ensayo de Equivalente de Arena. ... 146
ANEXO 10: Guía de observación: Análisis Granulométrico del Agregado Grueso por
tamizado ... 147
ANEXO 11: Guía de observación: Análisis Granulométrico del Agregado Fino por tamizado ... 147
ANEXO 12: Guía de observación: Abrasión de los Ángeles ... 148
ANEXO 13: Guía de observación: Gravedad específica y absorción del agregado grueso ... 148
ANEXO 14: Guía de observación: Gravedad específica y absorción del agregado fino . 148 ANEXO 15: Guía de observación: Límite Líquido ... 149
ANEXO 16: Guía de observación: Límite Plástico ... 149
ANEXO 17: Guía de observación: Equivalente de Arena ... 149
ANEXO 18: Dosificación Del Agregado Para Muestras Patrón ... 150
ANEXO 19: Pesos De Los Agregados Y El Polvo De Caucho Con El Contenido Optimo De Asfalto 5.67 % Para Una Probeta. ... 150
ANEXO 20: Ensayo De Estabilidad Y Fluencia Marshall De Muestras Patrón ... 151
ANEXO 21: Ensayo De Estabilidad Y Fluencia Marshall De Muestras Adicionadas Con Caucho ... 152
7
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Corte transversal de un pavimento ... 31
Figura 2. Estructura de un pavimento flexible ... 32
Figura 3. Vacíos en el agregado mineral ... 36
Figura 4. Vacíos en el agregado mineral ... 36
Figura 5. Ensayo de Marshall... 42
Figura 6. Parámetros volumétricos ... 45
Figura 7. Composición del asfalto ... 47
Figura 8. Composición típica de llantas ... 58
Figura 9. Composición de las llantas de caucho ... 58
Figura 10. Estructura del Neumático ... 59
Figura 11. Usos alternativos del Caucho ... 61
Figura 12. Uso de caucho molido en césped sintético ... 62
Figura 13. Esquema de fabricación de asfalto caucho por vía húmeda... 63
Figura 14. Esquema de fabricación de asfalto caucho por vía seca ... 66
Figura 15. Clasificación de la técnica de muestreo... 70
Figura 16. Esquema de diseño de Investigación... 71
Figura 17. Clasificación de la técnica de recolección de datos. ... 72
Figura 18. Método e instrumento. ... 74
Figura 19. Tipo de grafico utilizado para el análisis de datos. ... 75
Figura 20. Esta figura muestra el procedimiento de recolección de datos. ... 76
Figura 21. Agregado grueso y fino utilizado para la presente investigación... 77
Figura 22. Cuarteo del agregado grueso ... 78
Figura 23. Granulometría de los agregados ... 79
Figura 24. Abrasión Los Ángeles ... 81
Figura 25. Peso mínimo de la muestra de ensayo ... 82
Figura 26. Peso específico y absorción de agregados gruesos ... 84
Figura 27. Determinación límite líquido ... 87
Figura 28. Golpeo de la cuchara de Casagrande ... 88
Figura 29. Equivalente de arena ... 90
Figura 30. Tamizado de grano de neumáticos reciclados ... 93
Figura 31. Muestras de agregado por tamiz ... 94
Figura 32. Elaboración de las muestras en el Laboratorio de cerámicos ... 94
Figura 33. Muestras de agregado para un porcentaje de asfalto ... 95
Figura 34. Calentamiento del agregado en cocina eléctrica... 96
Figura 35. Cemento asfaltico ... 96
Figura 36. Mezcla asfáltica siendo preparada ... 97
Figura 37. Mezcla preparada vertiéndola en el molde ... 97
Figura 38. Conformado de Briquetas ... 98
Figura 39. Retirado de las muestras del eyector ... 98
Figura 40. Briquetas conformadas a distinto porcentaje de cemento asfaltico ... 99
Figura 41. Peso específico aparente y peso unitario ... 100
Figura 42. Muestras en baño maría a 60°C ... 102
Figura 43. Secado del exceso de agua ... 102
Figura 44. Colocación de muestra en el cabezal de rotura ... 103
Figura 45. Ensayo Marshall ... 103
Figura 46. Muestras ensayadas ... 104
Figura 47. Muestras con distintos porcentajes de caucho ... 105
Figura 48. Preparación de las briquetas adicionadas ... 106
Figura 49. Briquetas adicionadas con caucho ... 107
Figura 50. Peso específico aparente y peso unitario de la mezcla asfáltica adicionada ... 108
Figura 51. Baño María de las muestras adicionadas ... 109
Figura 52. Secado de las muestras adicionadas ... 109
Figura 53. Ensayo Marshall de muestras adicionadas ... 110
Figura 54. Briquetas adicionadas luego del ensayo Marshall ... 110
Figura 55. Curva Granulométrica por tamizado del agregado grueso ... 111
Figura 56. Curva Granulométrica por tamizado del agregado fino ... 112
Figura 57. Curva Granulométrica de la combinación de agregados. ... 114
Figura 58. Gravedad especifica Bulk VS % de Asfalto... 116
Figura 59. Vacíos de la mezcla VS % de Asfalto ... 117
Figura 60. Vacíos del agregado mineral VS % de Asfalto ... 118
Figura 61. Vacíos llenos de Asfalto VS % de Asfalto ... 118
9
Figura 62. Estabilidad VS % de Asfalto. ... 119
Figura 63. Flujo VS % de Asfalto. ... 120
Figura 64. Estabilidad VS % Contenido de caucho... 123
Figura 65. Flujo VS % Contenido de caucho ... 124
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Causas y efectos de una estabilidad baja ... 38
Tabla 2. Causas y efectos de durabilidad en un pavimento ... 39
Tabla 3. Causas y efectos de un pavimento asfáltico permeable ... 39
Tabla 4. Causas y efectos de problemas en la baja trabajabilidad ... 40
Tabla 5. Causas y efectos de una mala resistencia a la fatiga ... 41
Tabla 6. Causas y efectos de poca resistencia al deslizamiento ... 41
Tabla 7. Selección del tipo de cemento asfáltico ... 48
Tabla 8. Rangos de temperatura de aplicación (°C) ... 49
Tabla 9. Especificaciones del cemento asfáltico clasificado por penetración ... 50
Tabla 10. Requerimientos para los agregados gruesos ... 51
Tabla 11. Requerimientos para los agregados finos ... 52
Tabla 12. Husos granulométricos según MTC ... 54
Tabla 13. Requisitos para Mezclas asfálticas en caliente ... 55
Tabla 14. Requisitos de porcentaje de vacíos mínimos en el agregado mineral ... 55
Tabla 15. Requisitos de porcentaje de vacíos mínimos en el agregado mineral ... 56
Tabla 16. Clasificación de Variables ... 68
Tabla 17. Operacionalización de variables ... 69
Tabla 18. Formatos de laboratorio usados ... 73
Tabla 19. Gradación de las muestras de ensayo ... 80
Tabla 20. Número de esferas a usar según la granulometría ... 81
Tabla 21. Factores de estabilidad de correlación ... 101
Tabla 22. Resumen comparativo de caracterización de agregados con la normativa MTC. ... 115
Tabla 23. Resumen de resultados obtenidos del ensayo Marshall para mezcla patrón ... 121
Tabla 24. Resultados de parámetros Marshall con el contenido óptimo de asfalto. . 121
Tabla 25. Comparación de Resultados obtenidos del ensayo Marshall con los requerimientos de la Normativa MTC y los del Instituto del asfalto,1995.. ... 124
11
Tabla 26. Prueba de normalidad de los datos mediante el método Shapiro – Wilk .. 125
Tabla 27. ANAVA de los datos ... 125
Tabla 28. Resultados de la prueba de normalidad de los ensayos ... 141
Tabla 29. Resultados de la prueba de normalidad de la estabilidad ... 141
Tabla 30. Resultados de la prueba de normalidad del flujo ... 141
Tabla 31. Análisis de varianza (ANAVA) de la estabilidad del asfalto ... 142
Tabla 32. Análisis de varianza (ANAVA) del flujo del asfalto ... 142
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
1.1 Realidad problemática
No se puede exagerar la importancia económica y práctica de la pavimentación con asfalto. Es un componente crítico de la construcción, el mantenimiento e incluso el diseño de carreteras. El pavimento de asfalto maneja un vital papel en la mayoría de todas las consideraciones de la ingeniería vial (Vergara, 2015). Según el Asphalt Institute & Eurobitumen (2011) se estima que el consumo de asfalto a nivel mundial es de 102 millones de toneladas al año. Alrededor del 85 % de esto se usa como aglutinante de agregados para pavimentos, el 10
% se utiliza como material para techos y el 5 % restante se utiliza para otros fines.
Según Mantilla & Castañeda (2019) sostiene que a medida que ingresan más automóviles a Colombia cada año, el Ministerio de Transporte del país presta mucha atención a los informes anuales de tráfico. Esta información sugiere que en las calles ha aumentado el número de autos. Como resultado, la nación enfrenta nuevas complicaciones que involucran cargas de tráfico más pesadas y velocidades más rápidas. Además, esta tendencia impulsa la necesidad de nuevos materiales de pavimento e innovaciones técnicas en el hormigón asfáltico.
Según Vila & Jaramillo (2018) en el Ecuador sostiene que las propiedades de los asfaltos se ven afectadas desde la producción de las mezclas asfálticas, esto puede deberse al hecho de que las altas temperaturas y la mezcla prolongada son comunes en las condiciones de mezcla asfáltica, lo que sin duda tiene un impacto significativo en el diseño y la calidad de la estructura final, además Walker (2014) menciona que han ido ganando terreno el empleo de polímeros para el mejoramiento de ciertos problemas en las propiedades mecánicas del asfalto desde varias décadas atrás tales como deformación, fisuración térmica, fatiga y durabilidad de mezclas de
13 forma genérica, los cuales representan problemas generalizados para distintos tráficos y condiciones ambientales a nivel internacional.
Con la documentación adecuada, el asfalto convencional ha demostrado ser adecuado para una amplia variedad de trabajos y propósitos. Rodríguez (2008) afirmo que en chile el aumento del volumen de tráfico y el peso de los materiales transportados provocan con frecuencia fallas en los asfaltos convencionales. Esto se debe a que luchan por mantener la cohesión en condiciones de calor y viento. Además, luchan con el tráfico canalizado que hace que el asfalto se rompa. Los aglutinantes convencionales que se usan en las mezclas de concreto no brindan la resistencia mecánica deseada. Algunas mezclas abiertas, creadas para la comodidad y la seguridad, carecen de una adhesión cohesiva debido a una mala mezcla o bajo contenido. Esto puede resultar en una disminución de la durabilidad. Además, los nuevos métodos de construcción podrían ofrecer una mejor solución que el uso de materiales tradicionales. Una opción es usar polímeros en lugar de asfalto. Estos cambios pueden aumentar la utilidad a largo plazo de las carreteras pavimentadas y mejorar el rendimiento general del pavimento.
En España se han realizado varios estudios sobre las mezclas asfálticas y su deterioro por fatiga. Estos estudios examinan los efectos de la fatiga en las distintas propiedades y características que tiene la mezcla asfáltica, como grietas y rupturas causadas por fatiga en capas de mezcla asfáltica (Valdés & Botella, 2013). Los defectos en las capas de mezcla asfáltica causados por fatiga a menudo ocurren debido a la combinación de fuerzas del tráfico con el tiempo. La fatiga da como resultado la ruptura, inicialmente por la creación y propagación de microfracturas en el material. Eventualmente, la falla ocurre como resultado de esta progresión.
En el caso de falla por fatiga del pavimento, no se generan esfuerzos mayores a la resistencia máxima a la tracción del material en su fibra inferior.
En Brasil la problemática del deterioro de las propiedades de los pavimentos flexibles se basa en el diseño estructural, siendo este ajeno a la realidad del tránsito en este país. Según Hirooka, Vargas, Prado, & Barbosa (2019) indican que la presión de los neumáticos de 827 kPa (120 psi) representa la realidad de los vehículos de carga actuales, por lo que es importante actualizar el proceso de diseño del pavimento. Todavía se usa ampliamente ese método que considera un eje estándar de 8.2 tf con una presión de los neumáticos de 552 kPa (80 psi), que está lejos de la situación real, lo que causa un dimensionamiento incorrecto del pavimento y, de ese modo, reduce su vida útil.
Perú cuenta con una amplia red vial que atraviesa el país de sur a norte. Está formado por tres largos caminos de longitud similar; la Carretera Panamericana, Longitudinal de la Sierra y Marginal de la Selva. Son 9.600 km de carreteras en esta red, que se desglosa en vías de penetración que parten de puertos o ciudades y conducen a destinos turísticos y centros productivos. La porción de gran altitud de estos caminos de penetración tiene ciclos de calentamiento y enfriamiento y solo son accesibles para vehículos que pueden manejar grandes altitudes. Esto genera múltiples fallas en la vía provocadas por cambios de volumen en el tiempo (Rodríguez, 2008).
En Cajamarca según Crespo (2014) el crecimiento acelerado del parque automotor especialmente en cuanto a vehículos pesados, debido al mayor crecimiento de la minería en la industria en la ciudad, hace que las cargas de tránsito aumenten, afectando así las características de soporte de los pavimentos asfálticos como las deformaciones , agrietamiento, y el ahuellamiento que luego provocan baches que ocasionan la interrupción del flujo de tránsito, así
15 mismo para Pajares (2014) en su investigación menciona que otras posibles causas que afecten de manera negativa las propiedades del asfalto, siendo el eje primordial la que genera este problema es que se descuida el mantenimiento de la vía. Además, la falta de consideración de la vida útil del pavimento genera problemas en el futuro. Esto puede ser causado por mala construcción, materiales inadecuados, mal diseño de drenaje, tráfico vehicular y cambios climáticos. Varios otros problemas también pueden contribuir a este problema, incluidos los errores de construcción y las tensiones externas, como el peso del vehículo.
Según Gómez (2014) menciona que la población de la provincia de Trujillo, Perú, es de 682.834. Es la cuarta provincia más poblada del país; sin embargo, Trujillo tiene una población estimada de 788.236 habitantes. Los resultados del censo de población y vivienda de 2007 indican que la densidad promedio de Trujillo es de 7.977 habitantes por kilómetro cuadrado.
Adicionalmente, la densidad promedio de Trujillo es de 7,977 habitantes por kilómetro cuadrado. Actualmente, este aumento de la población también genera un aumento en el parque automotor y crece la demanda de vehículos, por lo que se requiere que las estructuras de los pavimentos flexibles posean propiedades mecánicas que resistan el aumento de las cargas de vehículos livianos locales como también de los vehículos pesados que vienen del Sur, sobre todo en las vías como la Av. América a la altura del Ovalo Grau donde se tiene gran concentración de ese tipo de vehículos.
A nivel nacional la entidad encargada de controlar la calidad, características y propiedades que debe tener las estructuras viales construidas de asfalto es el Ministerio de Transportes y comunicaciones, a través del Manual de Carreteras EG 2013 y la normativa que establece los parámetros y especificaciones técnicas en cuanto a las propiedades mecánicas del asfalto en zonas urbanas es la Norma C.E.010 pavimentos urbanos.
Según Rondón y Reyes (2015) menciona a otros autores que definen el ahuellamiento como la deformación vertical permanente de un pavimento provocada por el paso repetitivo de vehículos. En este caso, los neumáticos graban surcos en el asfalto de forma permanente. Si se producen surcos en una sección del pavimento, pueden causar problemas estructurales o funcionales. Sin embargo, la formación de surcos puede ocurrir en cualquier punto del pavimento. La mayoría de los surcos ocurren en la capa de asfalto, aunque algunos pueden ocurrir en cualquier parte del camino.
Según Delbono, Fencel & Curone (2015) menciona que los factores ambientales que desgastan los bordes del pavimento y las grietas lo hacen ineficaz. Esto hace que sea difícil de reparar y aún más difícil de evitar que se repita. Más comúnmente, las grietas se forman en capas de pavimento más antiguas o en juntas que se mueven a medida que se agregan capas de pavimento vecinas. Estas grietas luego se extienden junto con las existentes o saltan a capas de pavimento más jóvenes y se extienden hacia afuera. Para reducir este problema, las tendencias actuales incluyen emular la fuente del daño mediante el uso de reformas que continúan el mismo camino de deterioro.
Según una investigación de Mantilla & Castañeda (2019) sostiene que las carreteras se someten continuamente a un mayor trabajo para mantenerse funcionales. Por eso se añaden diferentes aditivos para mejorar el comportamiento de las mezclas asfálticas de las carreteras.
Esta es la primera vez que se estudia información sobre las propiedades viscoelásticas de las briquetas de asfalto. Estas briquetas contienen asfaltita y caucho de neumáticos reciclados mezclados en un solo lote. Se probaron diferentes temperaturas y frecuencias para cada mezcla.
La formulación propuesta por los investigadores intenta mejorar las propiedades físicas del material al tiempo que aborda una preocupación ambiental. Además de probar la resistencia del
17 material a la compresión, los investigadores utilizaron pruebas de rigidez axial para analizar su material. Los datos se encuentran en gran parte en el gráfico Cole-Cole y el Black Space.
Muestra que la modificación del asfalto aumenta su rigidez y elasticidad en todos los rangos de temperatura. Esto demuestra que agregar ambos componentes a la mezcla es una opción preferible para hacer capas de asfalto.
Los asfaltos en la actualidad son uno de los tipos de pavimentos más importantes tanto para infraestructura vial urbana, así como también para carreteras de gran envergadura, debido a su bajo costo y rápida construcción en comparación con otros tipos de pavimentos como son los pavimentos rígidos, por lo tanto las solicitaciones técnicas para el diseño del asfalto deberían de atender al gran volumen de tránsito que provoca cargas dinámicas repetitivas así como influye en las distintas condiciones ambientales sobre las propiedades mecánicas del asfalto, lo cual aumenta la frecuencia y el costo de mantenimiento de las estructura afectadas por estos factores, sin embargo los asfaltos son las estructuras viales que sufren más daños debido a la susceptibilidad del ligante asfáltico convencional a sufrir desgaste, deformaciones y envejecimiento y que solo cumple una función de unir a los agregados, mas no aporta estructuralmente en gran medida al pavimento.
TDM Asfaltos SAC es una empresa constructora de carreteras que utiliza polímeros para modificar el asfalto. Como resultado, pudieron pavimentar más de 400 kilómetros de carretera con 32.000 toneladas de asfalto modificado con polímeros. Estos caminos tienen grietas de contracción térmica debido a los altos gradientes de temperatura diarios. Sin embargo, los problemas de fisuración ocasionados por los áridos naturales hacen que las mezclas asfálticas puedan verse afectadas en su comportamiento y tengan tendencia a problemas de deformación y fisuración permanente. Además, los resultados de esta empresa demostraron que sus productos
cumplen con las especificaciones SUPERPAVE para grado de rendimiento y volumen de tráfico. Estos asfaltos pueden resistir estos problemas, permitiendo obtener caminos con vidas útiles más largas (TDM, 2019).
La empresa PETROPERU S.A. logró modificar el asfalto que producía para aportarle mejores propiedades al asfalto, innovo en cuanto a tipos de asfaltos modificados partiendo de asfaltos convencionales, esta empresa es una de las más reconocidas en este rubro y posee innovaciones como Asfaltos Sólidos o también conocidos como Cementos Asfálticos, Asfaltos Líquidos también conocidos como Asfaltos Cortados, Emulsiones Asfálticas, Asfaltos Modificados y Asfaltos Industriales, logro esta cantidad de variantes en muchos casos gracias a la adición de polímeros dentro de su mezcla asfáltica, lo cual le otorgó propiedades mejoradas a sus asfaltos” (PetroPeru, 2019).
El problema en los asfaltos que conforman los pavimentos flexibles es la prematura pérdida de sus propiedades mecánicas, dando lugar a la poca duración de la estructura, y generando gastos excesivos en mantenimiento, y sus causas radican en el efecto que tiene sobre la capeta de rodadura las cargas dinámicas que le transfiere los vehículos a la estructura, especialmente los vehículos pesados que son los que más daño causan, debido a la gran magnitud de las cargas transferidas, los únicos elementos que ofrecen resistencia a la mezcla asfáltica son los agregados pétreos, tales como el agregado grueso y fino, por otro lado el ligante o cemento asfáltico suele aportar propiedades de unión y cohesión entre los demás elementos permitiendo una uniformidad y no disgregación de los mismos durante la colocación de la carpeta asfáltica sobre la base del pavimento, sin embargo no aporta estructuralmente al pavimento.
19 Con el paso del tiempo y tras la repetición constante de las cargas dinámicas, este ligante asfáltico tiende a desgastarse por abrasión, ya que no posee propiedades especiales en cuanto a soportar grandes deformaciones provocadas por las cargas debido a su alta o baja densidad dependiendo del clima al que esté sometido la estructura, Además las condiciones ambientales y su efecto en los asfaltos también forman parte de las causas principales que dan origen al problema, ya que los materiales utilizados en la elaboración del asfalto no resisten estas condiciones, por ejemplo de cambios de temperatura que provoquen variaciones volumétricas (expansión y contracción del mismo) conllevando a la aparición de fisuras. Además Tarefder (1991) quien propone que las estructuras asfálticas son afectadas por tres factores principales:
la mala gradación de los agregados en la mezcla, las cargas (presión de llanta, tipo de eje) y el ambiente (temperatura, humedad, precipitación)
En la actualidad se busca investigar nuevos materiales que puedan modificar y mejorar las propiedades de los asfaltos debido a los problemas que presentan durante su vida útil, uno de estos materiales es el caucho, cuya adición como polvo de baja granulometría según Rondon (2015) indica que proporciona ventajas significativas en sus propiedades mecánicas como la resistencia al ahuellamiento, fatiga, resistencia a las deformaciones permanentes, esto debido a la propiedad de flexibilidad que le aporta el caucho a la mezcla, otorgándole un mayor rango de deformación al asfalto antes de fallar, por lo que también resistirá los cambios volumétricos producidos por los cambios de temperatura según las condiciones ambientales.
Si no se toma cartas en el asunto acerca del mejoramiento de las propiedades de los asfaltos adicionándole materiales como el caucho, el crecimiento demográfico y por ende el crecimiento del parque automotor generara un aumento en el tráfico y en las cargas transferidas a la estructura y esto generará mucho más gasto en mantenimiento que pueden evitarse, además
que la contaminación debido a los residuos de neumáticos en desuso seguirá aumentando, al no darle un valor agregado que le pueda dar utilidad a la gran cantidad de neumáticos luego de cumplir su vida útil.
1.2. Formulación del problema
¿Cuál es la influencia del porcentaje de polvo de caucho sobre las propiedades mecánicas del asfalto en Trujillo?
1.3. Hipótesis
La adición del polvo de caucho influye significativamente en las propiedades mecánicas del asfalto en Trujillo.
1.4. Justificación:
La presente investigación se justifica porque pretende desarrollar una nueva metodología en las mezclas asfálticas modificadas en nuestro país, adicionando un material que le aportara un efecto beneficioso a las propiedades mecánicas del asfalto, disminuyendo el desgaste y envejecimiento del pavimento producido por la repetición de cargas dinámicas del tránsito creciente en nuestro país y las condiciones ambientales variables que caracterizan a nuestro clima, como por ejemplo el cambio de temperatura que provoca daños estructurales, a la vez disminuirá los costos de mantenimiento que suelen ser elevados en proyectos de pavimentos flexibles, este proyecto traerá beneficios técnicos en la estructura de los pavimentos, pero además mitigará los daños ambientales a gran escala producidos por la contaminación de los neumáticos en desuso que no son reciclados, ya que se utilizará el caucho proveniente de estos neumáticos como materia prima principal del material agregado, así mismo generara beneficios directos en la población en general ya que eliminará un foco infeccioso importante de bacterias
21 y microorganismos como son los neumáticos en desuso dispersos por las ciudades, y mejorará la comodidad y confort en el tránsito de los vehículos que transiten sobre las vías pavimentadas con este tipo de mezclas modificadas. Las empresas dedicadas al rubro del transporte podrán disminuir los costos de mantenimiento de sus unidades, ya que el buen estado de los pavimentos reducirá los daños que provocan las fallas presentes en el mismo.
1.5. Objetivos de investigación 1.5.1. Objetivo general
Determinar la influencia del porcentaje de polvo de caucho sobre las propiedades mecánicas del asfalto en Trujillo.
1.5.2. Objetivos específicos
O.E.1. Determinar el porcentaje de polvo de caucho con el cual se mejorará óptimamente las propiedades de flujo y estabilidad del asfalto.
O.E.2. Calcular la relación de vacíos óptima para el mejor desempeño de la mezcla asfáltica convencional.
O.E.3. Calcular la variación de la densidad en función del contenido óptimo de asfalto en una mezcla convencional.
O.E.4. Determinar la clase de Mezcla que se utilizará según el tipo de tráfico.
O.E.5. Determinar el tipo de Gradación más adecuada según las características físicas del agregado utilizado.
O.E.6. Determinar el tipo de cemento asfáltico más a adecuado a utilizar para el clima de la ciudad de Trujillo.
O.E.7. Determinar si los agregados utilizados en la mezcla asfáltica cumplen con las especificaciones técnicas requeridas según normativa del Manual de Carreteas EG 2013.
O.E.8. Realizar el análisis estadístico de los datos obtenidos para cada dimensión, la prueba de la normalidad y la prueba ANOVA para validación de la hipótesis.
23
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes
Según Yung y Rondon (2016) mencionan que se evaluó los GCR (residuos de neumáticos triturados) que se agregaba a las mezclas de drenaje como abrasivo. Las pruebas mostraron que la adición de GCR redujo la resistencia al desgaste tanto en condiciones secas como húmedas. Estas modificaciones mejoraron la resistencia a la abrasión de las mezclas hechas con asfalto y piedra combinados a 160 grados centígrados. Una mezcla que combinó asfalto con un contenido de CA del 5 % logró el requisito mínimo de desgaste por abrasión en seco establecido por la agencia gubernamental (Invías, 2013). En condiciones húmedas, la resistencia se redujo significativamente. A 170°C, los materiales mezclados dan como resultado la mejor resistencia a la abrasión. En comparación con la temperatura de mezcla de 140 °C para el control MD, la temperatura de mezcla de 170 °C para MD-M produce una disminución del 31 % en el desgaste por abrasión seca y húmeda. Además, mezclar a 70°C para MD crea la mejor resistencia a la abrasión cuando se mezcla con asfalto. Esto se manifiesta en el material con la mayor resistencia a la abrasión, MD-M, cuando se mezcla a una temperatura de mezcla de 70 °C. El control MD actualmente recomendado por Invías (2013) requiere un contenido de asfalto de 4.5 %. La incorporación de agregados de piedra en el asfalto crea un material base más viscoso. Por lo tanto, para que una mezcla logre una fluidez óptima, la temperatura requerida para combinar cada componente debe aumentar. Esto se debe a que se requieren temperaturas más altas para crear una combinación fluida que se pueda unir bien con el agregado. Cuando se combina asfalto modificado con GCR, se usa una temperatura de 170°C
para combinar los materiales que luego se compactan a 160°C. Esto da como resultado la mejor respuesta posible al combinar estos tres componentes.
Este estudio aporta la idea de desgaste y envejecimiento del pavimento por abrasión, es decir por fricción de los cuerpos sobre la estructura, lo cual nos proporcionaría algunos datos importantes en cuanto a la relación que tiene el aporte de polvo de caucho a la mezcla asfáltica y su reacción bajo condiciones de fricciones debido a las cargas de tránsito.
Mantilla (2019) indica que tuvo como objetivo ver cómo influye de forma simultánea el caucho de miga y asfaltita en aglutinantes de asfalto, se busca caracterizar las propiedades conocidas como viscoelásticas de las briquetas de asfalto que han sido modificado con el caucho que se obtendrá de forma reciclada de llantas de carros en la misma mezcla, se analizó la rigidez de las muestras mediante pruebas de compresión axial y los resultados, muestran un incremento considerable en la rigidez y la elasticidad del asfalto modificado en todo el rango de temperaturas.
Se determinó que la combinación simultánea de estos dos materiales, en proporciones de 8 % de polímero y 10 % de asfaltita, proporciona mejoras sustanciales al asfalto, se demuestra un aumento en la resistencia a la formación de surcos, donde se aprecia un aumento en el módulo complejo; haciendo de esta mezcla un compuesto capaz de soportar cargas más altas que el asfalto convencional para una menor sensibilidad térmica en todo el rango de las temperaturas evaluadas y exhibiendo una disminución en el ángulo de fase del agente aglutinante propuesto.
Esta investigación aporta a nuestro estudio ya que proporciona información de la adición de más de un material polímero para la modificación de las mezclas asfálticas por lo que sus resultados son más favorables en cuanto al mejoramiento de las propiedades, al mismo tiempo
25 nos da una idea en cuanto al efecto de la modificación de la mezcla en sus propiedades de rigidez, elasticidad, y el mejoramiento de la susceptibilidad térmica en diferentes rangos de temperatura, así mismo su aporte investigativo se evidencia en la forma de adición del caucho a la mezcla, no como sustituto parcial de algún agregado, sino como modificador del ligante asfáltico, y los efectos que esto implica.
Vila & Jaramillo (2018) utilizaron diagramas negros para medir la viscosidad del asfalto de Refinería Esmeraldas y mezclarlo con tres polímeros diferentes. Esto llevó a los autores, que estudiaron los resultados del proceso de mezcla. El trabajo resultante se evaluó en términos de grados de rendimiento Superpave y viscosidad Superpave.
Se agregaron tres polímeros comerciales a la mezcla de asfalto de cierta refinería para cumplir con las especificaciones de la norma ASTM. Estos polímeros son caucho de neumáticos, Elvaloy y SBS. Se agregaron en porcentajes específicos para cumplir con la clasificación de la norma. En concreto se dosificó SBS al 3 % en peso, ELVALOY al 1,3 % en peso y Neumático al 5 % en peso, tras lo cual se realizó el estudio con tecnología Superpave.
Como resultado de este estudio se determinó que los asfaltos modificados tienen un mejor comportamiento ante las deformaciones plásticas que el asfalto de la refinería en estudio. Esto se debe a que Tyre rubber muestra los mejores resultados, seguido de SBS y luego de ELVALOY. De manera similar, los resultados mostraron que el comportamiento de fatiga no mejoró mucho cuando se agregaron los polímeros estudiados.
Esta investigación aporta a nuestro estudio una metodología diferente y novedosa para el análisis de las propiedades de los asfaltos, como es la metodología SUPERPAVE la cual plantea una nueva clasificación de los asfaltos para cumplir especificaciones según el grado de desempeño y no según la viscosidad como se establece convencionalmente en nuestro país.
Ramírez & Rosas (2014) indican que la tecnología GAP GRADE verifica el estado del arte en mezclas asfálticas al usar caucho asfáltico como material de grano fino para mejorar mecánicamente las mezclas asfálticas para diseñar pavimentos flexibles, y al usar caucho asfáltico como sustituto para mejorar las propiedades mecánicas de mezclas tradicionales A medida que envejecen, su vida útil puede acortarse por la exposición a factores climáticos adversos, como la alta humedad y el calor. Esto conduce a problemas de fatiga, deformación y otras propiedades.
Una mejor comprensión de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico permite que este estudio pruebe los beneficios del uso de caucho reciclado en cemento asfáltico modificado para carreteras. Esto conduce a una mayor vida útil del pavimento y menores gastos de mantenimiento. En Bogotá D.C., muchas carreteras sufren de mala calidad.
Una recomendación del Instituto Nacional de Vías o INVIAS es que el Método de Diseño de Pavimentos Asfálticos en vías de alto tráfico debe tener como base el ASSHTO-93.
Además, recomiendan usar los métodos de Shell y Asphalt Institute solo cuando otros métodos no brindan suficiente estructura. Actualmente, INVIAS considera que Asshto-93 es el único método que cumple con sus estándares.
Este estudio aporta a nuestra investigación la influencia positiva de la adición de caucho para el diseño de mezclas asfálticas, y propone un método de diseño óptimo para desarrollar este tipo de mezclas modificadas como es el diseño ASSHTO-93, en base a este estudio se puede tener en cuenta las especificaciones para el diseño estructural de pavimentos modificados con caucho y la metodología a seguir.
27 Torres (2014) indica que tuvo por objetivo determina la adición de residuos de llantas de caucho sobre las propiedades mecánicas y durabilidad del concreto, hizo una comparación de algunas propiedades mecánicas y durabilidad del concreto con la adición de residuos de llantas de caucho. Este estudio implicó considerar cómo cambian algunas mezclas de concreto cuando un porcentaje de agregado fino es reemplazado por desechos de llantas. Para ello se eligieron cuatro mezclas asfálticas. Tres de estas mezclas se modificarían con diferentes porcentajes de residuos de llantas, mientras que una permanecería sin cambios. Este proceso se llevó a cabo a través del diseño, preparación y ensayo de muestras de concreto realizadas con cuatro tipos diferentes de mezcla.
Este estudio determinó los efectos de sustituir caucho por arena en una mezcla de concreto. Los resultados mostraron que reemplazar una porción de arena con caucho tuvo un impacto significativo en la durabilidad y resistencia del concreto. Las variedades de mezclas de concreto más susceptibles a altos porcentajes de sustitución de caucho son aquellas con la menor resistencia a la compresión. En un estudio posterior, agregar 10 % o 20 % de caucho a la mezcla proporcionó resultados similares a los de la formulación original. Estos hallazgos fueron confirmados por la investigación realizada a nivel nacional e internacional. A medida que aumentaba el porcentaje de caucho en una mezcla, disminuía la resistencia a la compresión.
Agregar 10 % o 20 % de caucho a una mezcla de concreto reduce un poco la elasticidad de la mezcla. Sin embargo, agregar más del 30 % de caucho hace que la elasticidad de la mezcla disminuya significativamente. Esto se debe a que los restos de caucho tienen una rigidez significativamente menor que el hormigón circundante. La adición de 0 % de caucho hace que el hormigón tenga un módulo de elasticidad reducido.
El aporte de este estudio son las respuestas de la adición de caucho a una mezcla al ser sometida a esfuerzos de compresión, evidenciando un efecto de disminución en la resistencia a la compresión al adicionar caucho, ya que este material posee menos rigidez que el agregado por el cual se sustituyó, en este caso la arena, sin embargo, nos proporciona un nuevo enfoque en cuanto a la sustitución parcial del polvo de caucho por algún agregado que conforme la mezcla.
Salvatierra (2014) menciona que el caucho debe agregarse a las capas de asfalto de las carreteras en un porcentaje del 6 % del cemento asfáltico total. También es necesario agregar 0,5 % de caucho para hacer una capa más efectiva para lograr la tracción diagonal. Esto se descubrió a través de análisis físicos y químicos del clima de Ayacucho. Al agregar caucho, es importante hacerlo a 170 °C durante dos horas para obtener resultados óptimos. Agregar caucho al asfalto crea una capa de carretera más eficaz en comparación con la misma capa sin agregarlo.
Esto se analizó a través de los parámetros de Marshall.
Este estudio nos aporta las bases para poder determinar la granulometría óptima para el mejor desempeño del polvo de caucho en la mezcla, ya que esta investigación analiza la variación del tamaño del grano de caucho en comparación con el mejoramiento de las propiedades del ligante asfáltico.
Cervera (2016) sostiene en un estudio que comparó las relaciones de mantenimiento y costo de las mezclas tradicionales de asfalto y MAC con agregado de PCR, se encontró que la adición de Partículas de Caucho Reciclado afectó positivamente a la mezcla. Al suministrar un 50 % más de material que los MAC tradicionales, las mezclas de PCR mantuvieron la misma estabilidad de flujo con costos de mantenimiento más bajos. Además, los costos unitarios aumentaron en un 5,05 % cuando se agregó 1 % de PCR a la mezcla. Esto condujo a una
29 disminución del 8,4 % en los costos generales de mantenimiento durante 5 años en comparación con los pavimentos de asfalto tradicionales.
Esta investigación aporta datos específicos de porcentajes de adición de polvo de caucho a la mezcla asfáltica, además de la granulometría recomendada para los agregados, incluido el caucho, así mismo aporta el análisis de costos comparativos entre mezclas asfálticas convencionales y mezclas asfálticas modificadas con residuos de llantas trituradas, que nos da una idea de los beneficios económicos a largo plazo que se podría obtener mediante este tipo de mezclas.
2.2. Bases teóricas 2.2.1. Marco Normativo
• MTC (2016) Manual de Ensayos de Materiales. Lima: Ministerio de transporte y Comunicaciones.
• MTC (2013) Especificaciones Técnicas Generales para Construcción. Lima:
Ministerio de transporte y Comunicaciones.
• MTC (2014) Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos. Lima: Ministerio de transporte y Comunicaciones.
2.2.2. Pavimento
2.2.2.1. Definición de pavimento
“Un pavimento se define como una serie de capas horizontales que se apilan una encima de la otra. Estos materiales se compactan en una estructura que se coloca sobre la superficie terminada de la carretera. Un pavimento también debe soportar las cargas de tráfico para las que fue diseñado. Además, debe ser capaz de soportar la presión ejercida por el movimiento de
tierras, el punto de subrasante” (Montejo Fonseca, 2002) planteó que un pavimento debe estar diseñado para soportar estas fuerzas.
2.2.2.2. Estructura de un pavimento 2.2.2.2.1. Carpeta de rodadura
“La parte superior de un pavimento de coma le da a la infraestructura de la calle una calidad de hormigón bituminoso, flexible o cemento Portland, o adoquín. Soporta el peso de los vehículos, y también funciona como plataforma de proyectos de inversión pública” (Dirección de proyectos, 2015).
“Como evita que el agua penetre en el interior, funciona como una capa impermeabilizante. La asociación de pavimentación asfáltica de Colombia señala que esto se debe al apoyo que brinda ante los efectos externos de los vehículos y la lluvia, entre otras cosas”
(Asociación de productores de Colombia, 2004).
2.2.2.2.2. Base
“La capa de pavimento asfáltico directamente debajo de la rodante soporta, distribuye y transmite las cargas del tráfico vehicular. Esta capa puede estar formada por grava mezclada con aglutinante de alta calidad como cemento, asfalto o cal. Alternativamente, esta capa se puede tratar con un agente de pavimentación asfáltica” (CBR > 80 %) (Dirección de Proyectos de Inversión Pública, 2015). “Es por esto que la función principal de esta capa es resistir la presión vehicular y sostener la capa rodante para que pueda empujar su peso por el resto de la estructura del pavimento” (Asociación de Productores de Colombia, 2004)
31 2.2.2.2.3. Sub-Base
“Un material con un grosor específico, con un límite de diseño inferior, se coloca en capas sobre la carpeta y la base. Su función es soportar las dos piezas a la vez que actúa como conductor de humedad y capa de drenaje. Se aceptan diferentes materiales, diseños y dimensiones para omitir esta capa”. “Esta capa protectora más externa puede estar hecha de material granular que contenga más de un 40 % o tratada con asfalto, cemento o cal”. “El Departamento de Proyectos de Inversión Pública informa que esto se puede lograr mediante el uso de una técnica especial” (CBR > 40 %) (Dirección de Proyectos, 2015).
2.2.2.2.4. Sub-Rasante
“Existen varios métodos para mejorar la calidad del suelo debajo del pavimento. Algunas de estas mejoras se realizan por medios mecánicos y otras emplean productos químicos. La subrasante es la capa que soporta el pavimento; su espesor depende de la cantidad de pavimento que se haya instalado” (Asociación de productores de Colombia, 2004).
Figura 1.
Corte transversal de un pavimento
Fuente: Morales Rosales, 2007
2.2.2.3. Clasificación de los pavimentos
Según el manual de Carreteras: Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos (2014) los pavimentos se clasifican en:
2.2.1.3.1. Pavimentos flexibles
“Es una estructura compuesta por capas granulares (subbase, base) y como capa de rodadura una carpeta constituida con materiales bituminosos como aglomerantes, agregados y de ser el caso aditivos. Principalmente se considera como capa de rodadura asfáltica sobre capas granulares: mortero asfaltico, tratamiento superficial bicapa, micropavimentos, macadam asfáltico, mezclas asfálticas en frio y mezclas asfálticas en caliente” (Manual de Carreteras:
Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos, 2014) Figura 2.
Estructura de un pavimento flexible
Fuente: Montejo (2002)
33 Funciones del pavimento flexible:
“Un suelo suspendido en capas es útil para proporcionar una superficie cómoda. Esto se debe a que las capas soportan la mayor parte del peso que se les impone; además, ayudan a soportar el peso hacia el suelo o subrasante” (Asociación de productores de Colombia, 2004).
2.2.1.3.2. Pavimentos semirrígidos
“Es una estructura de pavimentos compuesta básicamente por capas asfálticas con un espesor total bituminoso (carpera asfáltica en caliente sobre base tratada con asfalto); también se considera como pavimento semirrígido la estructura compuesta por carpeta asfáltica sobre base tratada con cemento o sobre base tratada con cal. Dentro del tipo de pavimento semirrígido se ha incluido los pavimentos adoquinados” (Manual de Carreteras: Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos, 2014)
2.2.1.3.3. Pavimentos rígidos
“Es una estructura de pavimento compuesta específicamente por una capa de subbase granular, no obstante esta capa puede ser de base granular, o puede ser estabilizada con cemento, asfalto o cal, y una capa de rodadura de losa de concreto de cemento hidráulico como aglomerante, agregados y de ser el caso aditivos” (Manual de Carreteras: Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos, 2014)
2.2.3. Mezcla asfáltica
2.2.3.1. Definición de mezcla asfáltica
“El aglomerado es una mezcla de grandes agregados minerales pétreos mezclados con hidrocarbonatos. Las propiedades de los minerales determinan las propiedades físicas del aglomerado. Se puede utilizar para crear pavimento asfáltico o capas de menor desgaste. Su
objetivo principal es proporcionar una superficie duradera, cómoda y económica para las personas que utilizan las vías de comunicación. También funciona como una superficie de apoyo para los vehículos y ayuda a la ciudad a manejar la carga del tráfico al distribuirla por la explanada” (Yepes, 2014).
“Hay cinco componentes para las mezclas de asfalto; 90 % piedra y agregados finos, 5
% material de relleno mezclado con cemento asfáltico adicional y polvo de mineral y asfalto.
Las mezclas que contienen solo polvo de minerales y asfalto cuestan más y son de menor calidad que las mezclas que contienen ambos elementos” (Padilla, 2004).
2.2.3.2. Clasificación de mezcla asfáltica según la temperatura puesta en obra 2.2.3.2.1. Mezcla asfáltica en frio
“Los aglutinantes utilizan asfalto fluidizado como sustrato; utilizan emulsiones asfálticas a temperatura ambiente” (Padilla, 2004).
2.2.3.2.2. Mezcla asfáltica en caliente
“Una porción de la mezcla preparada en el laboratorio se puede analizar para determinar su rendimiento potencial. Se analizan cuatro características específicas: densidad de la mezcla, bolsas de aire, vacíos o huecos en el agregado mineral y contenido de asfalto. Estos se determinan analizando porciones de la mezcla: cada característica se determina individualmente” (Padilla, 2004).
2.2.3.3. Comportamiento de la mezcla asfáltica
“El análisis de la mezcla preparada en laboratorio puede determinar el rendimiento potencial del material. Hacer esto implica analizar la densidad de la mezcla, las bolsas de aire, los agujeros o vacíos de agregados minerales y el contenido de asfalto en la mezcla. Se analizan
35 cuatro características específicas: densidad de la mezcla, vacíos de agregados minerales y contenido de asfalto” (Asphalt Institute, 2011)
2.2.3.3.1. Densidad de la mezcla
“Para que una mezcla sea útil en un diseño de mezcla, es necesario calcular su densidad.
Esta es una medida relacionada con el peso de la mezcla por volumen. También se utiliza para controles de asfalto como compactación y asentamiento. Cuando un laboratorio mezcla cemento, asfalto y otros materiales, utiliza la densidad convencional como punto de referencia para la comparación” (Minaya & Ordóñez, 2006)
2.2.3.3.2. Vacíos de aire o vacíos
“Las mezclas convencionales requieren entre un 3 % y un 5 % de vacíos de aire en su composición. Sin embargo, cuando se mezcla en el campo, estos porcentajes suelen ser superiores al 8 %. Los vacíos de aire mantienen el aire atrapado en la mezcla haciéndola más porosa. Esto permite que la mezcla se compacte bajo el tráfico cuando se mezcla con un porcentaje menor de vacíos de aire” (Minaya & Ordóñez, 2006)
2.2.3.3.3. Vacíos en el agregado mineral
“El aire en los agregados minerales (VMA) separa el volumen de un bloque cuando se tiene en cuenta. Esto se debe a que el VMA normalmente contiene vacíos de aire que compensan el espacio ocupado por el asfalto. El proceso de diseño limita el VMA a un porcentaje específico del tamaño de un bloque determinado. Un mayor porcentaje de VMA hace que la mezcla asfáltica sea más resistente a la oxidación y hace que la película sea más delgada” (Minaya &
Ordóñez, 2006).
Figura 3.
Vacíos en el agregado mineral
Fuente: Asphalt Institute (2011)
Figura 4.
Vacíos en el agregado mineral
Fuente: Asphalt Institute (2011)
37 2.2.3.3.4. Contenido de asfalto
“Las partículas más finas necesarias deben colocarse en los espacios más pequeños dentro de la mezcla. Una película de asfalto debe cubrir la piedra y las partículas gruesas para no dejar vacíos” (Universidad Mayor de San Simón, 2004).
“Los porcentajes de mezcla asfáltica dependen de los porcentajes de material que tengan los materiales porosos o no porosos. Por ejemplo, si la superficie específica de un material poroso es superior al 2 %, entonces se requiere un mayor porcentaje de asfalto para la mezcla”
(Minaya & Ordóñez, 2006)
2.2.3.4. Propiedades consideradas en mezclas asfálticas
“Los aspectos clave del diseño de la mezcla asfáltica son la durabilidad, la impermeabilidad, la trabajabilidad, la resistencia a la fatiga y la flexibilidad. Las características adicionales hacen que las mezclas de asfalto sean más duraderas e impermeables, como la resistencia al deslizamiento y la estabilidad. Debido a que estas características son tan vitales para la calidad de la mezcla de asfalto, es importante incluirlas en cada lote” (Minaya &
Ordóñez, 2006).
2.2.3.4.1. Estabilidad
“El pavimento de asfalto debe ser capaz de mantener su forma y suavidad cuando se somete a cargas de tráfico pesado. Si el pavimento es inestable, se pueden formar baches o muescas. Asimismo, el asfalto con altos índices de estabilidad puede durar más que el asfalto con bajos índices de estabilidad. Esto se debe a que el asfalto más rígido es más duradero que el asfalto menos rígido” (Universidad Mayor de San Simón, 2004).
“Cuando una mezcla se compone de partículas con cohesión interna estable, su estabilidad aumenta con el tamaño y la textura del agregado. La fricción del agregado, o fricción entre partículas, proviene de la forma del agregado y la rugosidad de su superficie. Cuando los agregados tienen formas angulares y superficies rugosas, tienen una mayor fricción y propiedades cohesivas” (Universidad Mayor de San Simón, 2004).
Tabla 1.
Causas y efectos de una estabilidad baja
Fuente: Asphalt Institute (2011)
2.2.3.4.2. Durabilidad
“La durabilidad de un pavimento es la capacidad de resistir los cambios en las propiedades del asfalto, la descomposición de los agregados y la separación de la película. Se puede lograr una mayor durabilidad usando tanto asfalto como sea posible, usando gradaciones densas de agregado resistente a la separación y compactando la mezcla” (Asphalt Institute, 2011).
39 Tabla 2.
Causas y efectos de durabilidad en un pavimento
Fuente: Asphalt Institute (2011)
2.2.3.4.3. Impermeabilidad
“El aire no puede penetrar el pavimento impermeable; en cambio, el agua se mueve a través de él. La resistencia al paso del aire y del agua depende del contenido de vacíos de la mezcla. Es por eso que muchas discusiones sobre el diseño de mezclas mencionan la impermeabilidad” (Asphalt Institute, 2011).
Tabla 3.
Causas y efectos de un pavimento asfáltico permeable
Fuente: Asphalt Institute (2011)
2.2.3.4.4. Trabajabilidad
“Cuanto más fácilmente se puede compactar un material de pavimentación, se indica la trabajabilidad del material” (Asphalt Institute, 2011).
Tabla 4.
Causas y efectos de problemas en la baja trabajabilidad
Fuente: Asphalt Institute (2011) 2.2.3.4.5. Flexibilidad
“Un pavimento de asfalto flexible puede adaptarse fácilmente a pequeños cambios en el suelo, como asentamientos o movimientos graduales. El pavimento asfáltico de textura abierta con alto contenido de aceite es generalmente más flexible que un pavimento de concreto con bajo contenido de aceite” (Asphalt Institute, 2011).
2.2.3.4.6. Resistencia a la fatiga
“La resistencia a la fatiga del pavimento de una carretera disminuye a medida que aumenta el porcentaje de vacíos. Esto se debe a un diseño intencional o a métodos de compactación deficientes. Las carreteras de concreto con altos porcentajes de vacíos tienen una resistencia a la fatiga excepcionalmente alta, lo que significa que pueden soportar mucha flexión del tráfico sin romperse” (Asphalt Institute, 2011).
41 Tabla 5.
Causas y efectos de una mala resistencia a la fatiga
Fuente: Asphalt Institute (2011) 2.2.3.4.7. Resistencia al deslizamiento
“Cuando las ruedas de un vehículo patinan, indica un mal agarre de la carretera. Esta es la razón por la que se deben evitar las carreteras asfaltadas con poca resistencia al deslizamiento.
El asfalto sangrado o deformado puede causar problemas significativos de resistencia al deslizamiento” (Asphalt Institute, 2011).
Tabla 6.
Causas y efectos de poca resistencia al deslizamiento
Fuente: Asphalt Institute (2011)
2.2.3.5. Diseño de mezclas asfálticas
“Los estándares de diseño de mezclas de asfalto varían entre Marshall y Hveem. Uno de los objetivos clave de estas normas es combinar una cantidad específica de agregado y asfalto para producir un pavimento duradero con la trabajabilidad y el contenido de vacíos adecuados.
Estos estándares también determinan la combinación económica de los materiales que componen la mezcla asfáltica al considerar las especificaciones del proyecto. Además, estos estándares determinan cuánto asfalto se mezcla con los agregados para crear una mezcla trabajable sin porosidad” (Avellán, 2007).
2.2.3.6. Diseño de mezclas asfálticas mediante el método Marshall
“El método Marshall es un estudio de laboratorio destinado a determinar la mezcla asfáltica perfecta para una determinada combinación de grava y cemento. El propósito de este estudio es determinar la cantidad adecuada de grava y cemento en una mezcla asfáltica, que producirá un producto terminado duradero” (Avellán, 2007).
Figura 5.
Ensayo de Marshall
“Se utiliza un método específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto y agregados. Este proceso se conoce como el estándar D1559. Tanto la densidad como la estabilidad de una muestra se analizan mediante pruebas de estabilidad y análisis de vacío.
Después de mezclar, las muestras se someten nuevamente a pruebas de estabilidad antes de compactarlas. El resultado final de este proceso son muestras con una densidad constante en
