CARACTERIZACIÓN DEL RAP E IDENTIFICACIÓN DE SU INFLUECIA EN EL
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
AUTORES
Juan Felipe Buitrago Zarabanda
Ashley Nataly Paola González Méndez
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica
Ingeniería Civil
Bogotá D.C.
CARACTERIZACIÓN DEL RAP E IDENTIFICACIÓN DE SU INFLUECIA EN EL
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
AUTORES
Juan Felipe Buitrago Zarabanda
Ashley Nataly Paola González Méndez
Trabajo final para optar el título de Ingeniería Civil
Monografía
Director:
MsC. Hernando Villota Posso
Codirector:
PhD. Hugo Rondón
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica
Ingeniería Civil
Bogotá D.C.
NOTA DE ACEPTACIÓN
_________________________________________
_________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________
_________________________________________ Firma del jurado
DEDICATORIA
A nuestros padres, a quienes amamos profundamente y son nuestra fortaleza, orgullo y razón de seguir mejorando día a día, que han brindado su apoyo incondicional y siempre han tenido fe en nosotros. A nuestros hermanos, de quienes hemos aprendido y nunca dejaron de apoyarnos y creer en nosotros. Y en general a nuestros familiares, amigos y buenos profesores que nos acompañaron y fueron esenciales en nuestro proceso de formación.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al ingeniero Hernando Villota, director del trabajo, y al Ingeniero Hugo Rondón, codirector, por su apoyo incondicional, conocimientos compartidos, guía y aportes realizados. Además se agradece a la Ingeniera Carol Murillo, profesora de la Universidad Nacional de Colombia, por su colaboración prestada en los trabajos realizados en esta universidad. Sin el apoyo de ellos, difícilmente se hubiera podido llevar a cabo el trabajo.
Los autores agradecen a la Universidad Nacional de Colombia por permitir el uso de los equipos del laboratorio de pavimentos, y a sus laboratoristas por el apoyo prestado. También a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a sus laboratoristas.
RESUMEN
En los últimos años se ha buscado la implementación de métodos que reduzcan los costos y los daños ambientales que generan las diferentes técnicas de construcción y rehabilitación vial, dentro de los cuales se puede encontrar el reciclado de pavimentos asfalticos (RAP).
El RAP es un material que día a día es más usado en mezclas asfálticas nuevas pero su manejo se ha hecho de forma empírica, teniendo en cuenta que no se conocen a ciencia cierta las propiedades de este, ya que es un material muy variable y presenta diferentes características que dependen de diferentes factores que influyen en su comportamiento y manejo para la obtención de una determinada mezcla asfáltica nueva. Actualmente se carece de estudios que profundicen en las propiedades y características de este material, razón por la cual no es posible unificar la forma de trabajo y manejo del mismo.
En esta investigación se realiza la caracterización del RAP encontrado en la ciudad de Bogotá D.C., se identifican sus propiedades y se establece las principales variaciones que se presenta entre diferentes muestras. Posteriormente se identifica la influencia del contenido y grado de envejecimiento del asfalto presente en el material reciclado, en una mezcla asfáltica nueva en caliente con diferentes porcentajes de adición del mismo.
diseñó una mezcla óptima MDC-19 de control por el método Marshall y se elaboraron mezclas con adición del RAP simulado en diferentes porcentajes. Finalmente se evaluó su comportamiento en comparación con la mezcla óptima.
La caracterización realizada muestra un alto grado de heterogeneidad en el RAP y una influencia del contenido de asfalto y su grado de envejecimiento significativo en el comportamiento de la mezcla asfáltica en caliente en que se adicione, obteniendo que mezclas asfálticas en caliente con adición de RAP con contenidos de asfalto elevados o cercanos al usado en la mezcla óptima, no cumplen con la norma INVIAS, mientras que con contenidos de asfalto en el RAP cercanos al promedio obtenido en la caracterización realizada al RAP (6.74%) se cumplen todos los requisitos y se presentan las mejores condiciones mecánicas.
Además en esta investigación se demuestra que el cloruro de metileno (disolvente permitido por el INVIAS para recuperación de asfalto) presenta efectos sobre el asfalto recuperado, disminuyendo su rigidez y aumentando su fluidez. Se demuestra también que los procedimientos STOA (Short Term Oven Aging) y LTOA (Long Term Oven Aging) permiten obtener mezclas envejecidas con condiciones similares a las reales.
CONTENIDO
6.1.3 Clasificación de las mezclas asfálticas por temperatura ... 18
6.1.4 Pavimento asfáltico reciclado (RAP) ... 19
6.1.5 Técnicas de reciclado de pavimento asfáltico ... 20
6.1.6 Envejecimiento de mezclas asfálticas ... 22
6.1.7 Envejecimiento de mezclas asfálticas por los métodos STOA y LTOA 24 6.2 CAMPAÑA EXPERIMENTAL ... 25
6.2.1 Materiales utilizados en la investigación ... 25
6.2.2 Caracterización pavimento asfáltico reciclado (RAP) ... 26
6.2.4 Mezcla asfáltica óptima con materiales nuevos ... 31
6.2.5 Fabricación rap y adición del mismo en mezclas asfálticas nuevas ... 31
6.2.6 Métodos para la evaluación de las mezclas realizadas ... 33
7 RESULTADOS ... 39
7.1 CARACTERIZACIÓN PAVIMENTO ASFALTICO RECICLADO (RAP) ... 39
7.1.1 Extracción de asfalto en centrífuga ... 39
7.1.2 Análisis granulométrico de los agregados pétreos ... 40
7.1.3 Caracterización asfalto recuperado ... 43
7.2 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL CLORURO DE METILENO EN EL ASFALTO ... 47
7.3 DISEÑO MEZCLA ÓPTIMA CON MATERIALES NUEVOS ... 48
7.3.1 Porcentaje de vacíos de aire ... 48
7.3.2 Estabilidad ... 49
7.3.3 Flujo ... 50
7.3.4 Relación Estabilidad/Flujo ... 51
7.3.5 Porcentaje óptimo ... 51
7.4 DISEÑO MEZCLA ASFÁLTICA CON ADICIÓN DE RAP ... 52
7.4.1 Caracterización asfalto del RAP simulado ... 52
7.4.2 Fabricación mezclas nuevas con adición de RAP ... 52
8 ANÁLISIS DE RESULTADOS. ... 77
8.1 CARACTERIZACIÓN DEL RAP ... 77
8.2 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL CLORURO DE METILENO EN EL ASFALTO ... 83
8.3 RECUPERACION ASFALTO DE RAP SIMULADO ... 84
8.4.1 Porcentaje de vacíos de aire ... 85
8.4.2 Estabilidad ... 89
8.4.3 Flujo ... 92
8.4.4 Relación Estabilidad/Flujo ... 96
8.4.5 Adición 20% RAP – 80% mezcla nueva ... 99
8.4.6 Adición 40% RAP – 80% mezcla nueva ... 102
8.4.7 Adición 60% RAP – 80% mezcla nueva ... 105
9 CONCLUSIONES ... 109
10 RECOMENDACIONES ... 114
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Granulometría admisible para el reciclaje de pavimentos [Artículo 450,
especificaciones técnicas del IDU 2011] ... 20
Tabla 2. Caracterización agregados pétreos Concrescol S.A. [Rondón; Fernández; Zafra, 2016]... 26
Tabla 3. Caracterización asfalto Concrescol S.A. realizado en este trabajo ... 26
Tabla 4. Envejecimientos ejercidos al RAP simulado ... 32
Tabla 5. Porcentaje de asfalto de cada muestra de RAP ... 39
Tabla 6. Punto de ignición y punto de llama de asfalto de muestras de RAP ... 44
Tabla 7. Ductilidad de asfalto de muestras de RAP ... 44
Tabla 8. Penetración de asfalto de muestras de RAP ... 45
Tabla 9. Punto de ablandamiento de asfalto de muestras de RAP ... 45
Tabla 10. Viscosidad de asfalto de muestras de RAP ... 46
Tabla 11. Porcentaje retenido de penetración e índice de envejecimiento de asfalto de muestras de RAP ... 47
Tabla 12. Caracterización de asfalto disuelto en cloruro de metileno ... 47
Tabla 13. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos para el diseño de la
Tabla 16. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo para el diseño de la mezcla asfáltica óptima ... 51
Tabla 17. Resultados de mezcla asfáltica óptima con 5.1% de asfalto ... 52
Tabla 19. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 53
Tabla 20. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 54
Tabla 21. Resumen de resultados de flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 54
Tabla 22. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 55
Tabla 23. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 56
Tabla 24. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 57
Tabla 25. Resumen de resultados de flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 58
Tabla 26. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 59
Tabla 27. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 60
Tabla 28. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 61
Tabla 29. Resumen de resultados de flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 62
Tabla 30. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 63
Tabla 31. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 64
Tabla 32. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 65
Tabla 34. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 67
Tabla 35. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 68
Tabla 36. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 69
Tabla 37. Resumen de resultados de flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 70
Tabla 38. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 71
Tabla 39. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 72
Tabla 40. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 73
Tabla 41. Resumen de resultados de flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 74
Tabla 42. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 75
Tabla 43. Porcentaje retenido de penetración e índice de envejecimiento de asfalto de muestras de RAP ... 82
Tabla 44. Comparación características de asfalto virgen Vs asfalto disuelto en cloruro de metileno ... 83
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de flujo caracterización muestras de reciclado de pavimento
asfáltico (RAP) ... 13
Figura 2. Diagrama de flujo influencia de las propiedades del RAP en una mezcla asfáltica en caliente nueva ... 14
Figura 3. Vista en microscopio de un asfalto. Tomada de ensayo ‘’determinación de las fracciones SARA de asfaltos colombianos envejecidos al medio ambiente empleando cromatografía líquida en columna’’... 17
Figura 4. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 1 de RAP ... 40
Figura 5. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 2 de RAP ... 41
Figura 6. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 3 de RAP ... 41
Figura 7. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 4 de RAP ... 42
Figura 8. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 5 de RAP ... 42
Figura 9. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 6 de RAP ... 43
Figura 10. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica óptima ... 48
Figura 11. Estabilidad de mezcla asfáltica óptima ... 49
Figura 12. Flujo de mezcla asfáltica óptima ... 50
Figura 13. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica óptima ... 51
Figura 14. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 53
Figura 16. Flujo de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 55
Figura 17. Relación estabilidad/flujo de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1 ... 56
Figura 18. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 57
Figura 19. Estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 58
Figura 20. Flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 59
Figura 21. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 1 ... 60
Figura 22. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 61
Figura 23. Estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 62
Figura 24. Flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 63
Figura 25. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 1 ... 64
Figura 26. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 65
Figura 27. Estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 66
Figura 28. Flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 67
Figura 29. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 2 ... 68
Figura 31. Estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de
asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 70
Figura 32. Flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 71
Figura 33. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 6.74% del envejecimiento 2 ... 72
Figura 34. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 73
Figura 35. Estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 74
Figura 36. Flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 75
Figura 37. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 7.57% del envejecimiento 2 ... 76
Figura 38. Variación en el porcentaje de asfalto de las muestras de Rap ... 77
Figura 39. Variación en la ductilidad del asfalto de las muestras de RAP ... 79
Figura 40. Variación en la penetración del asfalto de las muestras de RAP ... 80
Figura 41. Variación en el punto de ablandamiento del asfalto de las muestras de RAP ... 81
Figura 42. Porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06%, 6.74% y 7.57% en dos envejecimientos ... 85
Figura 43. Porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06% en dos envejecimientos ... 87
Figura 44. Porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 6.74% y 7.57% en dos envejecimientos ... 88
Figura 45. Estabilidad de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06%, 6.74% y 7.57% en dos envejecimientos ... 89
Figura 47. Estabilidad de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 6.74% y 7.57% en dos envejecimientos ... 91
Figura 48. Flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06%, 6.74% y 7.57% en dos envejecimientos ... 92
Figura 49. Flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06% en dos envejecimientos ... 93
Figura 50. Flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 6.74% en dos envejecimientos ... 94
Figura 51. Flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 7.57% en dos envejecimientos ... 95
Figura 52. Relación estabilidad/flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06%, 6.74% y 7.57% en dos envejecimientos ... 96
Figura 53. Relación estabilidad/flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 5.06% en dos envejecimientos ... 97
Figura 54. Relación estabilidad/flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 6.74% en dos envejecimientos ... 98
Figura 55. Relación estabilidad/flujo de mezclas asfálticas con adición de RAP contenido de asfalto 7.57% en dos envejecimientos ... 99
Figura 56. Porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas con adición de 20% de RAP ... 100
Figura 57. Estabilidad de mezclas asfálticas con adición de 20% de RAP ... 101
Figura 58. Flujo de mezclas asfálticas con adición de 20% de RAP ... 102
Figura 59. Porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas con adición de 40% de RAP ... 103
Figura 60. Estabilidad de mezclas asfálticas con adición de 40% de RAP ... 104
Figura 61. Flujo de mezclas asfálticas con adición de 40% de RAP ... 105
Figura 62. Porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas con adición de 80% de RAP ... 106
Figura 63. Estabilidad de mezclas asfálticas con adición de 80% de RAP ... 107
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A. RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIOS EJECUTADOS PARA LA CARÁCTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS DE RECICLADO DE PAVIMENTO ASFÁLTICO (RAP) ... 119
ANEXO B. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA DENSA EN CALIENTE MDC-19 ... 132
ANEXO C. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN
CALIENTE CON ADICIÓN DE RAP ... 140
ANEXO D. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE ETAPA DE CARACTERIZACIÓN DE
LAS MUESTRAS DE RAP ... 174
1 1 INTRODUCCIÓN
El pavimento de una carretera está sujeto a la acción continua del tráfico y de la meteorología, factores que sumados a las propiedades intrínsecas del material generan un proceso de deterioro del mismo que conlleva a perder la vida útil. Hoy día causa de algunas características de los materiales usados, de procesos constructivos o de la calidad de mano de obra, los pavimentos tienden a disminuir el tiempo de servicio, causando que las adecuaciones en la vías sean más frecuentes aumentado los costos y recursos necesarios para la rehabilitación, reconstrucción y construcción de vías, a su vez generando un aumento componentes iniciales de la mezcla de la que provienen, del tiempo que lleva en servicio, la cantidad de tráfico que ha soportado, el estado de envejecimiento del mismo, el contenido de asfalto, la granulometría, entre otros factores, que influyen en su comportamiento y manejo para la obtención de una determinada mezcla asfáltica nueva en la que se adicione.
2 gradación de agregados, y contenido y tipo de ligante. Actualmente se realizan ensayos empíricamente hasta obtener el porcentaje óptimo de RAP a utilizar en una mezcla asfáltica, pero no se tiene suficiente información acerca de la influencia que tiene la composición y condición en la que se encuentra el RAP, en el comportamiento de la misma.
Con este trabajo se busca realizar una evaluación de las principales variables presentes en el RAP, como el porcentaje de asfalto y su grado de envejecimiento, e identificar como influye cada una de ellas en el comportamiento de una mezcla asfáltica en caliente con adición del mismo, para con esto tener una percepción de cómo se debe trabajar con este material dependiendo de sus características. Se elige una mezcla de control MDC-19 para tráfico 3 y capa de rodadura, de acuerdo a la norma INVIAS y se fabrica RAP en el laboratorio con el fin de controlar las variables en estudio.
La investigación realizada se lleva a cabo en el laboratorio de pavimentos de la Universidad Nacional de Colombia y en el laboratorio de suelos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, en los que se lleva a cabo el desarrollo de la campaña experimental planteada.
De esta forma se espera obtener como resultado de la investigación un documento que sirva de guía para el manejo del RAP en mezclas densas en caliente, en el que se identifique la variación en el comportamiento de las mezclas con adición de RAP para diferentes características en diferentes porcentajes de adición en la mezcla. Además se busca incentivar el uso adecuado de este método con el fin de disminuir el daño ambiental y los costos generados por las técnicas actuales, sin perder calidad en las soluciones planteadas.
3 establece una base teórica en la que dan los conceptos clave y se describe la campaña experimental desarrollada en la investigación.
4 2 ANTECEDENTES
La implementación de reciclado de pavimento, es un método que se conoce en el mundo aproximadamente desde 1917, puesto en práctica por Estados Unidos hacia la década de los 70’s. Posteriormente fue popularizándose, debido a las grandes ventajas que ofrece tanto económicas como ambientales, siendo actualmente utilizado en varios países del mundo como Canadá, Alemania, Australia, Holanda, Dinamarca, Brasil, España, entre otros [Alarcón Ibarra], llegando a grandes producciones con reciclado de pavimentos.
Actualmente el uso del RAP se establece de acuerdo a la normatividad y experiencias de cada país, por lo cual la adición de este material en una mezcla nueva varía entre el 10% y el 50%, en algunos países se adiciona en bajos porcentajes, debido a su calidad y la influencia en la seguridad vial [Patino; Reyes-Ortiz; Camacho Tauta, 2015]. En países como Hungría, Irlanda, Portugal Reino Unido, España se admite únicamente mezclas con adición del 10% de material reciclado, en otros países como Suecia y Polonia se admite el 20%. Aunque es frecuente encontrar porcentajes admitidos del 25-40%, como por ejemplo en Bélgica, Dinamarca, Estados Unidos, Colombia e incluso en Austria y Alemania se permite su adición hasta el 100%. Estos porcentajes hacen referencia al uso en carpeta de rodadura, y según el empleo de la mezcla estos porcentajes permitidos aumentan para capas intermedias y capas base. [Fernández; Rubio, Baltasar; González, Ana, 2011].
5 En Colombia esta técnica se ha implementado aproximadamente desde el año 1995, según Herrera, 2014, fue incluida por el Instituto de Desarrollo Urbano (IDU) desde el año 2005, a través de sus especificaciones Técnicas cuyo soporte normativo es la resolución 1959 del 18-5-2006, en sus secciones 450 y 454, donde describe los temas del reciclado de pavimentos asfálticos con el tratamiento o estabilización con emulsión asfáltica, asfalto espumado y cemento portland. Así mismo, el interés por este método ha incrementado en los últimos años siendo base de estudio de diversas universidades de Colombia, y de entidades como el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) y el IDU, con el fin de documentar y difundir su uso de tal manera que se implemente en mayor cantidad en las vías.
Desde el punto de vista ambiental y de aprovechamiento de materiales, las técnicas de reciclado son altamente beneficiosas, sin embargo el reciclado de mezclas bituminosas en caliente en planta ha sido un procedimiento comúnmente poco empleado en Colombia hasta este momento. El IDU ha aumentado la implementación del uso de material reciclado en los últimos años, llevando a cabo su uso en varios tramos viales de Bogotá incentivando la puesta en práctica de esta técnica. [Herrera, 2014].
De esta forma el IDU consecuente con su objetivo estratégico institucional ha realizado la aplicación del reciclaje de pavimento asfáltico en los proyectos: Troncal NQS norte tramo II (calle 92 – calle 68), Contratos Mantenimiento IDU, Intervención de la brigada IDU-SOP y Convenio IDU-IDIPRON.
6 mantenimiento de las carreteras colombianas, lo que representa economía en el mantenimiento y rehabilitación de los pavimentos en servicio, conservando así el patrimonio vial, [INVIAS, 2012].
Otras experiencias en Colombia se tienen en las vías terciarias de Medellín, en las cuales se ha utilizado material reciclado para su mantenimiento, llegando a ser usado en casi un 60% de las vías, con reducción de costos de 20 a 30%. [Méndez, 2015].
7 3 JUSTIFICACIÓN
El desarrollo de un país está basado en diferentes sectores de la economía, la educación y la tecnología, siendo un factor principal para cualquier país el estado y acceso a las vías terrestres, ya que son el punto principal para el comercio, y el transporte del mercado que mueve la economía del país. En Colombia se ha llevado a cabo la construcción de miles de carreteras, vías primarias, secundarias y terciarias, que han permitido la comunicación entre los diferentes departamentos.
Dentro de este entorno, un factor clave es el mantenimiento que debe realizarse a las vías, que últimamente a causa de algunas características de los materiales usados, de procesos constructivos o de la calidad de mano de obra, tienden a perder su vida útil en menor tiempo, aumentado los costos y recursos necesarios para la rehabilitación, reconstrucción y construcción de vías. Debido a esto se ha hecho necesario buscar nuevas alternativas que proporcionen una disminución de costos y que a su vez presenten condiciones óptimas de resistencia y calidad, para lo cual un de las alternativas es el reciclado de pavimentos (RAP).
8 reciclado, así pues, se desconoce los factores que influyen en el comportamiento del RAP dentro de la mezcla.
Así pues se han realizado varios estudios acerca del manejo y comportamiento del reciclado en diferentes condiciones, que en su mayoría evalúa la cantidad de asfalto adecuada en la mezcla incluyendo el aportado por el RAP, se agregan los agregados pétreos necesarios para obtener una granulometría adecuada y en algunos casos la cantidad de diferentes agentes rejuvenecedores. Sin embargo estas condiciones no representan en su totalidad las condiciones reales en cuanto al manejo de RAP, puesto que generalmente se utilizan muestras cualquiera de RAP y no se tiene en cuenta sus propiedades intrínsecas como el grado de envejecimiento, el contenido de asfalto y la granulometría. De lo anterior se infiere que se carece de estudios que profundicen en las propiedades y características de este material, razón por la cual no es posible unificar la forma de trabajo y manejo del mismo.
9 4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar una caracterización del RAP e identificar la influencia de la heterogeneidad del material en el comportamiento mecánico de las mezclas en caliente.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar una caracterización de diferentes muestras de RAP, evaluando para cada una las propiedades del asfalto y la granulometría de los agregados pétreos.
Analizar los resultados obtenidos de la caracterización del RAP con el fin de identificar para cada una el contenido y grado de envejecimiento del asfalto.
Diseño de una mezcla óptima en caliente MDC-19 con materiales nuevos y evaluación de su comportamiento mecánico por medio del ensayo MARSHALL.
10
11 5 METODOLOGÍA
La metodología aplicada en el desarrollo de la investigación se divide en tres etapas principales, en la primer etapa se realizó una recolección de la información y revisión bibliográfica que permitió la contextualización del tema y estableció el estado de arte correspondiente al tema de estudio.
En la segunda etapa se lleva a cabo la campaña experimental, en la cual inicialmente se toman 3 muestras de RAP del acopio en planta y 3 muestras directamente del tramo de la vía, y se procede a realizar la caracterización de las mismas. Para ello se realiza la separación de los agregados pétreos y el asfalto presente en las mismas por medio de la extracción por centrifuga usando como disolvente cloruro de metileno y posteriormente se obtiene el asfalto recuperado por medio de la destilación en el rotavapor.
Luego se obtiene la granulometría de los agregados obtenidos del RAP y al asfalto recuperado de cada muestra se le practican los ensayos de Punto de ignición y de llama, penetración, ductilidad, viscosidad y punto de ablandamiento, con el fin de evaluar el grado de envejecimiento que se tiene para cada muestra.
Se evalúa la influencia del cloruro de metileno en el asfalto recuperado por medio del análisis del comportamiento mecánico del asfalto antes y después de ser diluido en el cloruro, para lo cual el asfalto se somete a los mismos ensayos realizados al asfalto recuperado de las muestras de RAP.
12 usando los resultados obtenidos en la primera etapa de caracterización del mismo, manteniendo la granulometría de la mezcla óptima.
Con el fin de verificar el estado de envejecimiento del RAP simulado, se realiza el procedimiento de extracción en centrifuga (INV E-732-07) y destilación en rotavapor (INV E-759-07) aplicado a las muestras de RAP iniciales. El asfalto recuperado se someterá a los ensayos de punto de ignición y punto de llama, ductilidad, penetración, punto de ablandamiento y viscosidad.
Posteriormente se realizan mezclas asfálticas adicionando el RAP simulado, en porcentajes de 20, 40 y 60 en relación a la masa total de la mezcla, es decir la mezcla se compondrá de dos partes, una mantendrá las condiciones establecidas en el diseño de mezcla óptima con materiales nuevos y la otra será el material reciclado. Estas mezclas se someten a un análisis de resistencia a la deformación plástica (MARSHALL).
13
14
15 6 MARCO TEÓRICO
.
6.1 MARCO CONCEPTUAL
6.1.1 Asfalto
El asfalto es un material viscoso, que usualmente se utiliza como cementante en mezclas de concreto asfáltico, cuyo principal uso es en la construcción de pavimentos.
El asfalto se constituye de diferentes compuestos, que según la teoría S.A.R.A., se clasifican en 4 fracciones, que aunque son diferentes, presentan propiedades químicas similares. Dichas fracciones son: saturados (S), aromáticos (A), Resinas (R) y asfaltenos (A); estos a su vez se agrupan como maltenos o asfaltenos.
Maltenos
El grupo compuesto por los saturados, los aromáticos y las resinas, se les denomina maltenos, que son compuestos de baja polaridad. Los maltenos son los compuestos que le dan propiedades de liga y trabajabilidad al asfalto.
Saturados: Son aceites que brindan consistencia al asfalto, y a su vez, son los compuestos más ligeros del asfalto, y los más susceptibles al cambio de temperaturas. Los saturados son líquidos incoloros y componen entre el 5% al 15% del total del asfalto.
16 encuentran en mayor cantidad, pues presentan cantidades entre el 30% al 45% del total del asfalto
Resinas: Son los compuestos encargados de dar la capacidad de liga al asfalto, pues son aquellos que aglutinan y estabilizan a los asfaltenos; y a su vez, las resinas son las que mejoran la ductilidad del asfalto. Las resinas componen entre el 30% al 45% del total del asfalto, y es un sólido de color negro a determinada temperatura, con propiedades similares a los asfaltenos (de menor peso molecular, y en algunos casos, de mayor polaridad)
Asfaltenos
Estos por su parte, son los compuestos más pesados del asfalto y presentan alta polaridad; son los compuestos que le proporcionan dureza y viscosidad al asfalto. Es la fracción de compuestos con más alto peso molecular (entre 800 y 3500 gr/mol) y menor susceptible a los cambios de temperatura.
17
Figura 3. Vista en microscopio de un asfalto. Tomada de ensayo ‘’determinación
de las fracciones SARA de asfaltos colombianos envejecidos al medio ambiente empleando cromatografía líquida en columna’’.
El comportamiento del asfalto se ve enormemente influenciado por el contenido y la naturaleza de sus componentes, y aunque actualmente poco se conoce sobre la forma como cambia su composición química, cuando se expone a la intemperie, debido a los procesos de oxidación y el envejecimiento, el conocimiento sobre la pérdida de compuestos químicos permite entender el cambio de las propiedades fisicomecánicas que experimentan las mezclas asfálticas en el pavimento.
6.1.2 Mezcla asfáltica
Es el material más común en los proyectos de construcción de vías de carreteras, vías urbanas, aeropuertos y parqueaderos. La mezcla asfáltica es una mezcla en proporciones exactas de asfalto (ligante hidrocarbonato), y materiales minerales compuestos por diferentes tamaños de áridos y finos.
18 proporcionar una capa de rodadura cómoda y segura a los usuarios que la utilicen. Estas mezclas garantizar resistencia al tráfico demandante, impermeabilidad para que el agua no desestabilice la estructura vial, y debe ser trabajable para que sea factible su instalación en obra.
El comportamiento de las mezclas asfálticas, depende de su composición en primera medida, y de agentes externos como la duración de la carga y la temperatura a la que va a estar expuesta.
6.1.3 Clasificación de las mezclas asfálticas por temperatura
Mezcla Asfáltica en Caliente
Son las mezclas asfálticas más utilizadas, y consisten en la combinación de un ligante, agregados y en algunos casos aditivos. Su proceso de producción se realiza con asfaltos a temperaturas alrededor de 150°C a 160°C, dependiendo de su viscosidad, con el fin de darle trabajabilidad a la mezcla y garantizar el total recubrimiento de todas las partículas del agregado.
Estas mezclas asfálticas son utilizadas tanto en capas de rodadura como en capas inferiores de la estructura vial. Su instalación se realiza a elevadas temperaturas.
Mezcla Asfáltica en frío
19 Estas mezclas se caracterizan por su trabajabilidad, incluso durante semanas, y se utilizan principalmente para vías secundarias en las cuales no se presente mucho tráfico.
Mezcla Asfáltica en tibio:
Las mezclas asfálticas en tibio son muy parecidas a las mezclas asfálticas en caliente, con diferencia en que se producen e instalan a temperaturas inferiores. Para lograr esto, se utilizan aditivos en la mezcla, que permiten una reducción de la viscosidad a menores temperaturas y un óptimo recubrimiento de los agregados.
El objetivo de la utilización de estas mezclas, es el de reducir el consumo de energía y la emisión de gases, en los procesos de producción e instalación de las mezclas asfálticas en caliente.
6.1.4 Pavimento asfáltico reciclado (RAP)
El pavimento asfáltico reciclado es un material que se produce a partir de los procedimientos de fresado de las carpetas asfálticas. En el caso particular de estudio, estos residuos son transportados hasta un lugar de disposición temporal hasta que se requieran para ser reutilizados en estructuras de pavimento nuevas o en rehabilitaciones.
20 Considerando que el RAP se compone principalmente de cemento asfáltico y material granular que en algún momento conformaron una mezcla asfáltica, la cual después de envejecer fue sometida al procedimiento de fresado, debe caracterizarse desde dos puntos de vista distintos. El primero será la caracterización granulométrica del RAP, con el objetivo de compararlo con otros agregados utilizados en otro tipo de mezclas, y el segundo será la caracterización del asfalto recuperado del RAP, una vez llevado a cabo el debido procedimiento de extracción y recuperación del cemento asfáltico. Esto último con el objetivo de establecer el grado de oxidación del asfalto de la mezcla, con lo cual puede conocerse que tan envejecida se encontraba la mezcla al momento de haber sido fresada.
Tabla 1. Granulometría admisible para el reciclaje de pavimentos [Artículo 450, especificaciones técnicas del IDU 2011]
6.1.5 Técnicas de reciclado de pavimento asfáltico
21
Reciclado in situ en caliente
Se reutilizan los materiales de la estructura envejecida mediante un tratamiento a altas temperaturas en el lugar de la obra, se calienta mediante unos quemadores y este material se mezcla con agentes químicos rejuvenecedores y con nueva mezcla, que al final se extiende y compacta según el espesor requerido.
Reciclado in situ en frío con cemento
Procedimiento que se fundamenta en el fresado en frío de un cierto grosor del pavimento envejecido y el mezclado de este material con un conglomerante hidráulico como el cemento utilizado normalmente. El nuevo material se extiende y se compacta definiendo una sólida base para posteriores refuerzos.
Reciclado in situ en frío con emulsiones bituminosas
Esta técnica, reutiliza la totalidad de los materiales extraídos del pavimento envejecido. El procedimiento usual y básico consiste en el fresado en frio de cierto espesor del pavimento, este material se mezcla con una proporción determinada de emulsión y otros aditivos. El nuevo material se extiende y se compacta, seguido del curado de la capa reciclada y por último la extensión de una capa delgada de rodadura a base de mezcla caliente.
Reciclado en planta
22 material envejecido relativamente bajo, esta metodología permite corregir problemas graves de dosificación o calidad de los materiales. En el presente trabajo de investigación se utiliza esta técnica de reciclado de pavimentos.
Los estudios realizados por entidades comparando el uso de pavimentos reciclados bajo diferentes parámetros de análisis, han mostrado resultados favorables independientemente de la técnica de reciclado. [Méndez, 2015].
El empleo de RAP en mezclas asfálticas pueden resultar en ahorros económicos apreciables, asociados a la disminución de los requerimientos de agregados. Cabe aclarar que si en el análisis costo beneficio se tienen en cuenta otros factores externos como los derivados del ahorro energético y el ahorro de recursos, los resultados son cada vez más positivos. [Méndez, 2015].
6.1.6 Envejecimiento de mezclas asfálticas
23
La volatilización
Consiste en la evaporación de los solventes más livianos en función de la temperatura. La volatilización no contribuye al envejecimiento del asfalto a largo plazo, ya que ocurre por las altas temperaturas utilizadas en los procesos de fabricación e instalación de la mezcla asfáltica.
La polimerización
Es una combinación de moléculas que forman grandes cadenas de enlaces carbono-carbono, que ocasiona un endurecimiento progresivo del asfalto, aunque no es un factor relevante en su envejecimiento.
La tixotropía
24 El proceso de envejecimiento del asfalto es uno de los daños superficiales que contribuyen al deterioro en el tiempo de las mezclas asfálticas, y depende de la composición de la mezcla y su proceso de producción e instalación.
6.1.7 Envejecimiento de mezclas asfálticas por los métodos STOA y LTOA
Los métodos de envejecimiento de mezclas asfálticas STOA y LTOA, son métodos utilizados para simular el envejecimiento que sufre la mezcla asfáltica desde su fabricación, puesta en sitio y a lo largo de su prestación de servicio.
STOA (Short Term Oven Aging)
Este ensayo se utiliza para simular el envejecimiento que sufre una mezcla asfáltica en su proceso de fabricación e instalación en la vía, es decir, su envejecimiento a corto plazo. Este ensayo consiste en someter una muestra recién preparada y en estado suelto a un calentamiento en estufa con circulación forzada de aire mantenida a 135ºC, durante 4 horas.
LTOA (Long Term Oven Aging)
25 6.2 CAMPAÑA EXPERIMENTAL
6.2.1 Materiales utilizados en la investigación
RAP (Reciclado de Pavimento Asfáltico)
Para realizar la evaluación del reciclado de pavimento asfáltico se toman 6 muestras representativas, de las cuales 3 (muestra 4, 5 y 6) son tomadas en el acopio de RAP de la planta de producción de mezclas asfálticas de la UMV (Unidad de Mantenimiento Vial) localizada en Parque Industrial Minero km 4 vía San Joaquín, Mochuelo Bajo, localidad Ciudad Bolívar de la ciudad de Bogotá D.C. y las otras 3 muestras (muestra 1,2 y 3) son obtenidas de carpetas asfálticas levantadas en las siguientes direcciones.
26
Tabla 2. Caracterización agregados pétreos Concrescol S.A. [Rondón; Fernández; Zafra, 2016]
Tabla 3. Caracterización asfalto Concrescol S.A. realizado en este trabajo
6.2.2 Caracterización pavimento asfáltico reciclado (RAP)
6.2.2.1 Extracción de asfalto en centrifuga
Se realiza la extracción de asfalto por el método de centrífuga con recuperación de asfalto basado en la norma INV E-732-07, para lo cual se usa como disolvente cloruro de metileno realizando lavados de 300ml cada uno y no menos de tres por muestra, variando esta cantidad según se lograra tener como residuo de la
CARACTERÍSTICA DE LOS AGREGADOS PÉTREOS VALOR
Desgaste en la máquina de los Ángeles (%) 24,6
Degradación por abrasión en el equipo Micro‐Deval (%) 22,3
Resistencia mecánica por el método del 10% de finos. Relación
húmedo/seco, mínima (%) 83
Pérdidas en ensayo de solidez en sulfato de magnesio, agregados
27 centrifuga líquido no más oscuro que un color ligero de paja. Se utilizan filtros de papel de poca ceniza y el equipo de extracción es una centrífuga de alta velocidad de flujo continuo. Cabe aclarar que el residuo líquido de la centrífuga es la mezcla del disolvente con el asfalto presente en cada muestra, obteniendo aparte el agregado pétreo de las mismas.
6.2.2.2 Análisis granulométrico de los agregados pétreos
Inicialmente los agregados pétreos obtenidos mediante la extracción del asfalto en la centrífuga, son lavados sobre un tamiz No. 200 con el fin de remover las pequeñas partículas de asfalto o disolvente, y para determinar el porcentaje de finos pasa No. 200 que componen la granulometría de la mezcla..
Una vez conocido el porcentaje de finos pasa No. 200, por cuarteo se toma una muestra representativa de 6000gr de agregados pétreos para ser tamizados y obtener la granulometría del diseño de mezcla de cada una. En este ensayo son utilizados los tamices 1’’, ¾’’, ½’’, 3/8’’, #4, #10, #40, #80 y #200.
6.2.2.3 Recuperación del asfalto de una solución utilizando el rotavapor
28 6.2.2.4 Caracterización asfalto recuperado
Punto de ignición y de llama mediante la copa abierta Cleveland
Se realiza el ensayo basado en la norma INV 709-07 para determinar el punto de ignición y el punto de llama de cada una de las muestras de asfalto, teniendo en cuenta que cuando se calienta un asfalto libera vapores que son combustibles, y el punto de ignición es la temperatura a la cual puede ser calentado con seguridad un asfalto sin que se produzca la inflamación instantánea de los vapores liberados en presencia de una llama libre. Esta temperatura generalmente es menor que la temperatura en la cual el material entra en combustión permanente, llamada punto de llama. Se realiza este ensayo con el fin de identificar las temperaturas dentro de las cuales se podrá trabajar de manera segura con el material en una mezcla en caliente. arrastre de 50mm por minuto. De acuerdo a los tiempos, temperaturas y procesos especificados en la norma se procede a realizar el ensayo.
Penetración
29 milímetro (aproximación 0.1mm) con una masa total de vástago más aguja de penetración de 50gr y una masa adicional de 50gr, utilizando un cronometro para regular el tiempo de penetración (5 segundos). De acuerdo a los tiempos, temperaturas y procesos especificados en la norma, se procede a realizar el ensayo.
Punto de ablandamiento
Se realiza el ensayo de punto de ablandamiento basado en la norma INV E-712-07. Para llevar a cabo este procedimiento se utiliza agua destilada y el equipo de anillo y bola en el que se vierte el asfalto previamente calentado. Una vez se tiene preparada la muestra de ensayo como lo indica la norma, se procede a calentar el agua a una rata de crecimiento de 5°C/min y se toman las lecturas de temperaturas en las cuales se obtiene el punto de ablandamiento del asfalto.
Viscosidad
Este ensayo se realiza con base en la norma INV E-717-07, haciendo uso de un viscosímetro rotacional cuyos moldes son llenados de asfalto previamente calentado para conseguir fluidez del mismo. El ensayo se realiza en dos temperaturas diferentes de acuerdo a las especificaciones dadas por la norma, sometiendo la muestra a una rotación de la aguja del equipo a una velocidad de 20rpm. Finalmente se registran los resultados tomados por el equipo en tres medidas de viscosidad con intervalos de 1 minuto.
Grado de envejecimiento
30
La obtención de estos parámetros se basa en la comparación de la penetración y viscosidad del asfalto recuperado envejecido versus la penetración y viscosidad del mismo asfalto en condiciones iniciales, que no pueden conocerse, por lo cual se decide tomar como punto de referencia los datos promedio para un asfalto 60-70.
Los datos obtenidos se analizan en relación a los límites establecidos en la norma INVIAS artículo 410-13, para el índice de envejecimiento del asfalto a 60°C. Para un asfalto de penetración 60-70 se tiene que este índice debe ser máximo 4.
6.2.3 Evaluación de la influencia del cloruro de metileno en el asfalto
En este trabajo se realiza una evaluación de los cambios que el cloruro de metileno puede ocasionar en el comportamiento reológico del asfalto cuando actúa en su destilación en el ensayo de rotavapor. Lo anterior se hace debido a que aunque este ensayo es un método avalado por la norma INVIAS, no se conoce con certeza la influencia del cloruro de metileno sobre el asfalto, lo que puede alterar los resultados obtenidos de la caracterización realizada a las muestras de RAP.
31 establecidas) en este disolvente y posteriormente se realiza su destilación por el ensayo de rotavapor. Una vez se obtiene el asfalto destilado, se procede a realizar los ensayos planteados en este trabajo para la caracterización del mismo. Finalmente se comparan dichos resultados con los del asfalto virgen y se analizan los resultados.
6.2.4 Mezcla asfáltica óptima con materiales nuevos
Para estudiar la influencia del porcentaje de asfalto y el envejecimiento del RAP en el comportamiento mecánico en mezclas asfálticas en caliente, se realiza inicialmente el diseño de una mezcla densa en caliente MDC-19 para un nivel de tráfico 3 y de uso en capa de rodadura, obteniendo el porcentaje óptimo de asfalto con el análisis de la resistencia a la deformación plástica mediante el aparato MARSHALL. Se tiene así un punto de comparación para las mezclas asfálticas a realizar posteriormente con adición de RAP.
Se realiza el diseño de mezcla para una gradación de agregados de acuerdo a la norma INVIAS-13, en la cual se toma la curva central de la granulometría permitida por la misma para una mezcla asfáltica densa MDC-19. Se procede a fabricar probetas con 4 contenidos de asfalto (4.5%, 5.0%, 5.4% y 6.0%) y se realizan 4 probetas por cada contenido de asfalto. Además para el diseño de mezcla se establece la temperatura de mezclado 150ºC-160ºC y la temperatura de compactación 130ºC-135ºC.
6.2.5 Fabricación rap y adición del mismo en mezclas asfálticas nuevas
32 corto plazo que tiene lugar durante el mezclado en planta y la construcción de la carretera, para ello se realiza el mezclado normal a la temperatura especificada (150-160ºC) y se lleva la mezcla en estado suelto al horno a una temperatura de 135ºC por 4 horas; el segundo hace referencia al envejecimiento de las mezclas asfálticas a largo plazo que tiene lugar durante la vida de servicio, para el cual se compactan las mezclas sueltas provenientes del STOA y se llevan al horno a una temperatura de 85ºC por un tiempo determinado.
El RAP se simula variando el porcentaje de asfalto, usando los resultados obtenidos en la primera etapa de caracterización del mismo, y se mantiene la granulometría de la mezcla óptima.
Para la evaluación de la influencia que tiene el envejecimiento del RAP en una mezcla nueva, se someten las mezclas de RAP a dos estados de envejecimiento diferentes. En el primero se lleva a cabo el procedimiento LTOA por 5 días y en el segundo por 10 días, sometiendo los dos al mismo envejecimiento por el método STOA. Para cada envejecimiento se tiene:
Tabla 4. Envejecimientos ejercidos al RAP simulado
ENVEJECIMIENTO TIEMPO EN EL STOA TIEMPO EN EL LTOA
ENVEJECIMIENTO 1 4 HORAS 5 DÍAS*
ENVEJECIMIENTO 2 4 HORAS 10 DÍAS
*Según Bell et al. (1994) un tiempo de 5 días en el procedimiento de LTOA simularía un envejecimiento que una mezcla sufre después de 7 a 10 años de servicio.
33
Con el fin de verificar el estado de envejecimiento del RAP simulado, se realiza el procedimiento de extracción en centrifuga (INV E-732-07) y destilación en rotavapor (INV E-759-07) aplicado a las muestras de RAP iniciales. El asfalto recuperado se someterá a los ensayos de punto de ignición y punto de llama, ductilidad, penetración, punto de ablandamiento y viscosidad.
6.2.6 Métodos para la evaluación de las mezclas realizadas
La evaluación del comportamiento de las mezclas asfálticas realizadas se obtiene mediante el análisis de los resultados de deformación plástica y porcentaje de vacíos. La deformación plástica se evalúa por medio del método del aparato Marshall, mientras que para el análisis de vacíos se obtienen previamente las gravedades específicas y densidades de los materiales utilizados y de las probetas compactadas.
6.2.6.1 Resistencia de mezclas asfálticas en caliente empleando el aparato Marshall
El procedimiento aplicado comienza con la preparación de 4 probetas de diámetro 101.6mm y de altura 63.5mm de la mezcla asfáltica a evaluar, compactada con 75 golpes del martillo de compactación por cada cara. Luego se fallan dichas probetas en la prensa MARSHALL y se determina su estabilidad y deformación o flujo.
34 de la norma INVIAS-13 la estabilidad para un nivel de tráfico 3 debe estar entre 9.000 y 33.000 N.
Finalmente para el flujo se toma el valor de deformación (reducción del diámetro de las probetas) obtenido en el medidor de flujo una vez falladas las probetas. El flujo de la mezcla asfáltica se toma como el promedio de los 4 resultados obtenidos. Los límites de flujo establecidos en la norma INVIAS-13 para el nivel de tráfico 3 son 2.0 y 3.5mm.
Se aplica el mismo procedimiento para evaluar la resistencia a la deformación plástica y análisis de vacíos de las mezclas con adición de RAP en diferentes porcentajes. Con los datos obtenidos se realiza un análisis para determinar la influencia del uso del RAP en una mezcla asfáltica nueva.
6.2.6.2 Gravedad específica máxima teórica y densidad de mezclas asfálticas para pavimentos
Se determina la gravedad específica máxima teórica de acuerdo al procedimiento descrito en la norma INVIAS E 735-07, para lo cual se usa una muestra de mezcla asfáltica suelta, seca al horno, con una masa determinada, que es sometida en estado sumergido a la aplicación de vibración y un vacío gradual con el fin de retirar aire atrapado y se encuentra el volumen de la muestra a una temperatura dada. Con estos datos de temperatura, masa y volumen se determina la gravedad específica a 25ºC.
Se obtiene la densidad máxima teórica para cada porcentaje de asfalto de acuerdo a la siguiente ecuación.
Gravedad Específica Máxima Teórica = A
35 Dónde:
A= Masa en el aire de la muestra seca en el horno. D= Masa del recipiente lleno con agua a 25°C.
E= Masa del recipiente lleno con agua y muestra a 25°C.
En caso de que la temperatura de ensayo este por fuera del límite comprendido entre 22.2°C y 26.7°C, se debe corregir la gravedad específica máxima teórica por efectos de temperatura de la siguiente forma:
Gravedad Específica Máxima Teórica = A
(A + F) − (G + H)∗ dw 0.9970
Dónde:
A= Masa en el aire de la muestra seca en el horno.
F= Masa del recipiente lleno con agua a la temperatura de ensayo.
G= Masa del recipiente lleno con agua y muestra a la temperatura de ensayo. H= Corrección por expansión térmica del asfalto. (Figura 5 Norma INV E-735-07) 0.9970= Densidad de agua a 25°C.
dw= Densidad del agua a la temperatura de ensayo. (Curva D en la Figura 6 Norma INV E-735-07)
36 6.2.6.3 Gravedad específica bulk y densidad de mezclas asfálticas compactadas
no absorbentes para pavimentos
Se determina la gravedad específica bulk de acuerdo al procedimiento descrito en la norma INVIAS E 733-07, para lo cual se obtiene el peso seco al aire, el peso superficialmente seco después de ser sumergido en un baño de maría a 25ºC y el peso sumergido en agua a una temperatura de 25ºC, de las probetas compactadas. La gravedad específica se calcula a partir de estas masas y la densidad se obtiene multiplicando esta gravedad por la densidad del agua.
Los datos de gravedad específica bulk está dada como la relación entre la masa (peso seco en aire) de un volumen de material a una temperatura dada, y la masa de un volumen igual de agua destilada libre de gas a la misma temperatura. Este dato se usa para obtener el porcentaje de vacíos con aire en la mezcla asfáltica.
Se obtienen los datos correspondientes para determinar la densidad específica bulk que corresponden a la siguiente ecuación:
Gravedad Específica Bulk = A
𝐵 − 𝐶
Dónde:
A= Masa en el aire del espécimen seco.
B= Masa en el aire del espécimen saturado y superficialmente seco. C= Masa del espécimen en agua.
En caso de que la temperatura de ensayo difiera de 25°C en menos de 3°C, se determina la gravedad específica bulk con la siguiente expresión:
37 Dónde:
K= Factor de corrección. (Tabla 1 Norma INV E-733-07)
Si la temperatura de ensayo difiere de 25°C en más de 3°C, se hace necesaria la siguiente corrección:
Corrección = ΔT ∗ Ks ∗ (B − C)
Dónde:
ΔT = 25°C menos la temperatura del ensayo.
Ks= Coeficiente promedio de expansión térmica cúbica del concreto asfáltico. (6*10⁻⁵ ml/ml/°C)
6.2.6.4 Porcentaje de vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas densas y abiertas
Se realiza un análisis de porcentaje de vacíos de aire (bolsas de aire entre las partículas cubiertas con asfalto) en una mezcla asfáltica compactada respecto al volumen total con los datos obtenidos de acuerdo al procedimiento descrito en la norma INVIAS E 736-13, en el cual se usan la gravedad específica bulk y la gravedad específica máxima teórica obtenidas previamente.
Se obtiene el porcentaje de vacíos de aire en cada mezcla compactada con respecto al volumen total con las siguientes expresiones:
Va = 100 − %Gmm
%Gmm = Gmb
38 Dónde:
Va= Porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada respecto al volumen del espécimen.
B= Gravedad específica máxima teórica.
C= Gravedad específica bulk del espécimen compactado. %Gmm= Grado de compactación del espécimen.
39 7 RESULTADOS
En este capítulo se muestran los resultados obtenidos de los ensayos y procedimientos llevados a cabo en laboratorio. Los cálculos realizados se encuentran en los anexos A, B y C.
7.1 CARACTERIZACIÓN PAVIMENTO ASFALTICO RECICLADO (RAP)
7.1.1 Extracción de asfalto en centrífuga
Los contenidos de asfalto obtenidos para las muestras de reciclado de pavimento asfáltico son:
Tabla 5. Porcentaje de asfalto de cada muestra de RAP
Muestra 1
6,98%
Muestra 2
6,96%
Muestra 3
7,57%
Muestra 4
6,67%
Muestra 5
6,35%
Muestra 6
5,06%
40 De acuerdo a los resultados obtenidos de la caracterización del RAP se toman como puntos representativos de contenido de asfalto el mínimo encontrado, el máximo y un promedio de los demás, siendo estos 5.06%, 7.57% y 6.74% respectivamente. Posteriormente se procede a simular rap en el laboratorio con estos porcentajes de asfalto, para ser incluido en mezclas asfálticas nuevas en 3 porcentajes de adición con las siguientes proporciones (%RAP:%Mezcla Nueva): 20:80, 40:60 y 60:40, e identificar la influencia de esta característica del rap en el comportamiento mecánico de dicha mezcla.
7.1.2 Análisis granulométrico de los agregados pétreos
Los resultados obtenidos en este ensayo son los siguientes.
Muestra 1: (Tramo vial)
Figura 4. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 1 de RAP
41 Muestra 2: (Tramo vial)
Figura 5. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 2 de RAP
Muestra 3: (Tramo vial)
42 Muestra 4: (Acopio)
Figura 7. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 4 de RAP
Muestra 5: (Acopio)
43 Muestra 6: (Acopio)
Figura 9. Curva granulométrica de los agregados pétreos de la muestra 6 de RAP
7.1.3 Caracterización asfalto recuperado
Una vez recuperado el asfalto proveniente de las muestras de RAP, se realizaron los ensayos de punto de ignición y punto de llama, ductilidad, penetración, punto de ablandamiento y viscosidad. A continuación se muestran los resultados obtenidos para cada uno de estos ensayos.
7.1.3.1 Puntos de ignición y de llama mediante la copa abierta Cleveland
44
Tabla 6. Punto de ignición y punto de llama de asfalto de muestras de RAP
7.1.3.2 Ductilidad
A continuación se presentan los resultados de ductilidad para el asfalto de cada muestra de reciclado de pavimento asfáltico.
Tabla 7. Ductilidad de asfalto de muestras de RAP
7.1.3.3 Penetración
Los resultados de penetración obtenidos del asfalto de cada muestra de reciclado de pavimento asfáltico, son los siguientes.
45
Tabla 8. Penetración de asfalto de muestras de RAP
7.1.3.4 Punto de ablandamiento
A continuación se presentan los resultados obtenidos de punto de ablandamiento para cada una de las muestras.
Tabla 9. Punto de ablandamiento de asfalto de muestras de RAP
7.1.3.5 Viscosidad
A continuación se muestran los resultados obtenidos para el ensayo de viscosidad para cada una de las muestras evaluadas. Se decide tomar lecturas de viscosidad
46 a 110°C, puesto que el asfalto se encuentra envejecido y el viscosímetro no arroja valores a menores temperaturas.
Tabla 10. Viscosidad de asfalto de muestras de RAP
Nota: Se toman lecturas de viscosidad a 120°C para las muestras que no registran valores de viscosidad a 110°C.
7.1.3.6 Grado de envejecimiento
En la siguiente tabla se muestran los resultados para el porcentaje retenido de penetración e índice de envejecimiento. La penetración de referencia es de 65 y la viscosidad es de 350 centiPoises a 135°C.
47
Tabla 11. Porcentaje retenido de penetración e índice de envejecimiento de asfalto de muestras de RAP
7.2 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL CLORURO DE METILENO EN EL ASFALTO
En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos de la caracterización del asfalto destilado después de su disolución en cloruro de metileno.
48 7.3 DISEÑO MEZCLA ÓPTIMA CON MATERIALES NUEVOS
A continuación se presentan los resultados obtenidos para las mezclas asfálticas fabricadas con los 4 porcentajes de asfalto (4.5%, 5.0%, 5.5% y 6.0%) utilizados para determinar la mezcla óptima.
7.3.1 Porcentaje de vacíos de aire
Se obtiene el porcentaje de vacíos de aire en cada mezcla compactada con respecto al volumen total.
Tabla 13. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos para el diseño de la mezcla asfáltica óptima
Figura 10. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica óptima
Asfalto (%) 4,5 5,0 5,5 6,0
49 7.3.2 Estabilidad
Se obtuvo la estabilidad para cada porcentaje de asfalto:
Tabla 14. Resumen de resultados de estabilidad para el diseño de la mezcla asfáltica óptima
Figura 11. Estabilidad de mezcla asfáltica óptima
Asfalto (%) 4,5 5,0 5,5 6,0
50 7.3.3 Flujo
Se obtuvo el flujo para cada porcentaje de asfalto.
Tabla 15. Resumen de resultados de flujo para el diseño de la mezcla asfáltica óptima
Figura 12. Flujo de mezcla asfáltica óptima
Asfalto (%) 4,5 5,0 5,5 6,0
51 7.3.4 Relación Estabilidad/Flujo
Se obtiene la relación estabilidad/flujo para cada porcentaje de asfalto.
Tabla 16. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo para el diseño de la mezcla asfáltica óptima
Figura 13. Relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica óptima
7.3.5 Porcentaje óptimo
Se obtiene 5.1% como porcentaje de asfalto óptimo, puesto que cumple con todos los límites especificados por la norma INVIAS (ART. 450-13). Para este porcentaje de asfalto en la mezcla se obtienen los siguientes valores.
Asfalto (%) 4,5 5,0 5,5 6,0
52
Tabla 17. Resultados de mezcla asfáltica óptima con 5.1% de asfalto
7.4 DISEÑO MEZCLA ASFÁLTICA CON ADICIÓN DE RAP
7.4.1 Caracterización asfalto del RAP simulado
A continuación se exponen los resultados de caracterización del asfalto recuperado del RAP simulado con el envejecimiento LTOA por 5 días.
Tabla 18. Caracterización del asfalto recuperado del RAP simulado
7.4.2 Fabricación mezclas nuevas con adición de RAP
53 7.4.2.1 Envejecimiento 1 y porcentaje de asfalto de 5.06% en RAP
Porcentaje de vacíos de aire
Tabla 19. Resumen de resultados de porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Figura 14. Porcentaje de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Adición RAP (%) 20,0 40,0 60,0
54
Estabilidad
Tabla 20. Resumen de resultados de estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Figura 15. Estabilidad de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Flujo
Tabla 21. Resumen de resultados de flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Adición RAP (%) 20,0 40,0 60,0
Estabilidad (N) 14420,83 15463,79 18035,4
Adición RAP (%) 20,0 40,0 60,0
55
Figura 16. Flujo de vacíos de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Relación estabilidad/flujo
Tabla 22. Resumen de resultados de relación estabilidad/flujo de mezcla asfáltica con adición de RAP con contenido de asfalto 5.06% del envejecimiento 1
Adición RAP (%) 20,0 40,0 60,0
