INFLUENCIA DEL ASFALTO MODIFICADO EN MEZCLAS CON DIFERENTES GRANULOMETRÍAS, EVALUADAS CON LOS ENSAYOS A
TRACCIÓN INDIRECTA Y RESISTENCIA AL DESGASTE
Autor correspondiente Dr. Saúl Castillo Aguilar Universidad Veracruzana
Coordinador del Laboratorio de Materiales
Facultad de Ingeniería Civil, zona Universitaria, CP. 91500 Xalapa, Veracruz, México Tel: 01 228 8421756
sacastillo@uv.mx, sacasa6@hotmail.com
Dr. Gilbert Francisco Torres Morales Centro de Ciencias de la Tierra
Universidad Veracruzana Xalapa, Veracruz, CP 91190 Tel: 01 228 8421700 ext 12637 gilberttorresmorales@yahoo.com.mx
I. RESUMEN
Este trabajo de investigación muestra un estudio sobre la influencia que tienen los diferentes ligantes asfalticos modificados en diferentes mezclas asfálticas con granulometría diferentes, empleando los ensayos de tracción indirecta y resistencia al desgaste, para llegar a conocer su comportamiento mecánico de cada una de las mezclas analizadas y estudiadas en el laboratorio de materiales de la facultad de ingeniería de la Universidad Veracruzana.
Se analiza en el laboratorio cada uno de los ensayos mencionados para cada tipo de mezcla que contiene el mismo agregado, mismas granulometría, contenido de asfalto, tipo de compactación, energía de compactación, misma temperatura de compactación y curado; variando solo los tipos de asfaltos convencionales y modificados con polímeros tal como: AC-20 convencional, asfalto Oxidado, Modificado con Elvax, Elvaloy y SBS, se determinaron sus características geométricas y volumétricas de todos los especímenes empleados para cada mezcla, compactados con el mismo equipo (Compactador Marshall) y fabricados a una misma temperatura (165 °C), así como el curado en condiciones normales, de acuerdo a la norma mexicana.
Se realizan los ensayos a cada una de las probetas empelando el ensayo de tracción indirecta a una temperatura de ensayo de 5°C, en condiciones en seco y húmedo, finalmente para las resistencias al desgastes se obtendrán a una temperatura de 25°C en condiciones en seco y húmedo.
Por último se demostrará que al usar una mezcla con asfalto convencional y un modificado. También se destaca, la gran importancia que tiene la temperatura de compactación, el tipo de granulometría, el tipo y cantidad de asfalto. Finalizando con un análisis comparativo de cada una de las mezclas modificadas con diferente granulometría.
II. INTRODUCCION
Una de las principales funciones de un pavimento asfálticos es de portar al usuario características estructurales y funcionales, son de suma importancia para garantizar su resistencia, durabilidad, confort y seguridad durante su periodo de servicio Las mezclas asfálticas utilizadas en la construcción de carreteras deben conseguir parámetros de calidad para su diseño. El control de calidad sobre el producto fabricado suele realizarse mediante varios métodos de diseño; tal como, el ensayo Marshall, el ensayo tracción indirecta y resistencia al desgaste, extrayendo una muestra de la planta asfáltica o también extrayendo una muestra del pavimento. Sin embargo, la calidad final del producto de la mezcla extendida y compactada, solo se controla mediante la extracción de testigos de obra, para la determinación de su densidad y comparación respecto a su densidad patrón.
Se dice que durante el proceso de transporte, extendido y compactación pueden producirse algunas irregularidades, como: escurrimiento del asfalto, segregación del pétreo grueso, trituración o machaqueo del material y el enfriamiento de la mezcla; y que pueden influir en la calidad final de la mezcla y consecuentemente en su comportamiento durante su vida útil de servicio. Uno de los factores citados que pueden producirse durante el transporte, extendido y compactación de la mezcla asfáltica, es el estudio de la influencia que tiene la temperatura de compactación en su desempeño.
En esta investigación se obtuvieron los valores sobre 5 tipos de cementos asfálticos empelados en las mezclas con granulometría Densa, Semidensa y Abierta, donde se emplearon diferentes asfaltos: uno convencional y cuatro modificados con diferentes polímeros y finalmente se ensayaron a Tracción Indirecta y Resistencia al Desgaste (Ensayo Cantabro), sobre probetas fabricadas y compactadas a una sola temperatura. Es importante mencionar que no existe un control sobre la temperatura a la que se compactan las mezclas asfálticas, ya que solo se menciona que la compactación debe concluirse antes de que la mezcla alcance una temperatura por debajo del los 110 ºC. Este criterio de aceptación es objeto de controversias debido a que se ha demostrado a través de varias investigaciones, que el cumplimiento de la densidad, no garantiza el buen comportamiento de la mezcla asfáltica.
III. ANTECEDENTES
Nuestro país es uno de los líderes en producción a nivel mundial de petróleo y a su vez por la altísima cantidad de cemento asfáltico que produce, ha convertido a las mezclas asfálticas en la principal opción para la pavimentación de carreteras. Pues bien, los concretos asfálticos son mezclas elaboradas en plantas fijas y móviles, continuas y discontinuas, en donde se calientan los agregados y el asfalto, para posteriormente mezclarse. Para el diseño de las mezclas asfálticas, el método más usado en México es el Marshall, desarrollado en 1943, el cual determina el porcentaje óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. Con relación a los controles de calidad que se realizan en el proceso de colocación y compactación de la mezcla, la normativa mexicana para la aprobación o rechazo de una carpeta asfáltica en caliente, se limita principalmente a asegurar la densidad de la mezcla asfáltica compactada sea como mínimo el 95% de la densidad promedio de las probetas elaboradas en el laboratorio y el proceso de compactación debe concluirse antes que la mezcla alcance una temperatura muy baja.
Este criterio de aceptación es objeto de controversias debido a que se ha demostrado a través de investigaciones, que su cumplimiento no garantiza los criterios
que se establecen en la norma referente a los parámetros mecánicos de estabilidad, flujo, cohesión ó algún otro parámetro mecánico, que debe tener la mezcla compactada.
Tomando en cuenta la naturaleza de la mezcla asfáltica por su condición de material viscoso; propiedad que se introduce en la mezcla por la presencia del cemento asfáltico, resulta de suma importancia controlar y verificar de modo permanente durante todo el proceso la temperatura de la mezcla, debido a que el asfalto es un material termoplástico, por lo que su consistencia varía en mayor o menor grado con la temperatura.
IV. EVALUACIÓN DE LOS ASFALTOS MODIFICADOS
Otra de las investigaciones realizadas en el laboratorio, fue la caracterización reológica de asfaltos modificados con polímeros. Se realizó la caracterización de un asfalto convencional AC-20 de Salamanca y 4 modificados con diferentes polímeros y cuyos ensayos se representan en la tabla 1.
Tabla 1.- Análisis de laboratorio de los asfaltos empleados
Tipo de Prueba AC-20
Salamanca
AC-20 Oxidado
Mod.
Elvax
Mod.
Elvaloy
Mod.
S B S
Penetración a 25°C 100 gr 5 seg (1/100 mm) 70 41 53 45 42
Penetración 4°C 200 gr 60 seg (1/100 mm) 28 56 57 26 61
Punto de Reblandecimiento 5°C/min (°C) 48 12 22 65 62
Viscosidad Brookfield a 135 °C 369 743 832 1829 1348
Posteriormente a esto, se procedió a realizar las pruebas correspondientes a los asfaltos, sobre la película delgada mediante el equipo RTFO, donde se obtuvieron los resultados de los cinco asfaltos empleados en el estudio y que fueron empleados en cada una de las mezclas en estudio. Presentando sus características en la tabla 2.
Tabla 2.- Análisis de los asfaltos del residuo de la película delgada RTFO
Tipo de Prueba AC-20
Salamanca
AC-20 Oxidado
Mod.
Elvax
Mod.
Elvaloy
Mod.
S B S Perdida de masa por calentamiento a 163°C (%) 0.68 0.51 0.20 0.44 1.37
Penetración a 25 °C 100 gr 5 seg (1/100 mm) 31 24 24 28 26
Penetración a 4 °C 200 gr 60 seg (1/100 mm) 20 19 20 16 17
Punto de Reblandecimiento 5 °C/min (°C) 56 65 66 75 70
Viscosidad Brookfield a 135 °C 643 2222 1571 4334 2301
Penetración Retenida a 25 °C (%) 44 59 45 63 62
Penetración Retenida a 4°C (%) 71 69 73 61 68
Grado de desempeño PG 64 76 76 76 76
Temperatura de falla [G*/sen δ = 2.2 KPa] 67.99 78.98 80.31 81.92 80.4 Mód. Reológico Corte Dinámico PG [G*/sen δ] (KPa) 3.63 3.02 3.41 3.52 2.94
Angulo de Fase (δ) a PG (°) 81.08 70.94 73.76 59.11 69.34
V. PREPARACION DE ESPECIMENES
Todos los especimenes fueron fabricados en laboratorio de la Universidad Veracruzana por estudiantes que realizan sus Tesis de licenciatura y posgrado, en la cual se emplearon tres tipos de granulometría, Una Densa, Una Semidensa y una Abierta, empleando un solo tipo de material pétreo de un banco de la región de cercano a la Ciudad de Xalapa, Veracruz, a este material se le realizaron todos los ensayos correspondientes de acuerdo a la normatividad mexicana, obteniendo las siguientes características representadas en la tabla 3.
Tabla 3. Características del agregado pétreo usado en el estudio Ensayos Realizados Valor obtenido Valor Especificado
Norma mexicana
Desgaste de Los Ángeles, % 28.6 30 máx.
Partículas alargadas, % 17.5 35 máx.
Partículas lajeadas, % 12.5 35 máx.
Partículas trituradas, % 100 No especificado
Absorción (agregado grueso), % 1.7 No especificado
Densidad (agregado grueso), ton/ cm3 2.32 2.4 mín.
Equivalente de arena, % 69 50 mín.
La granulometría utilizada fue la establecida en la norma mexicana N·CMT·4.04/01, 4.04/02 y 4·04/03 para una carpeta asfáltica de granulometría densa, semidensa y abierta para un número de ejes equivalentes menor de 1x106, con un tamaño máximo nominal de 19.0 mm y ajustada al límite superior. El contenido de asfalto en la mezcla fue constante e igual a 6.25%, 6.15% y 5.75% respectivamente sobre el peso de los agregados en cada una de las mezclas estudiadas, y este fue definido mediante el ensayo Marshall.
VI.1. Proceso de Fabricación
Se fabricaron especimenes para ser ensayados a tracción indirecta y resistencia al desgaste, estos especímenes para su fabricación se realizaron con un peso entre 1000 a 1150 gr de material pétreo y 65.5 hasta 62.5 gr de cemento asfáltico, con el fin de que al realizar la compactación con el equipo Marshall, esto con el fin de llegar a obtener una altura minima de 50 mm y un diámetro de 4” (10.1 cm) aproximadamente. Para lograr una buen mezclado del pétreo con el asfalto, se realizo un calentamiento del pétreo al menos de 2 hrs a 150°C en horno, posteriormente se incorpora el asfalto a la temperatura de 155 y 165 °C y se realiza la envuelta con una mezcladora, finalmente se incorpora el filler. Finalmente el mezclado se hizo mediante un equipo mecánico y la compactación con equipo Marshall aplicando 75 golpes por cara con el propósito de producir mezclas compactadas con un bajo porcentaje de vacíos según el tipo de mezcla, con el fin de obtener estas propiedades en condiciones seco y húmedo. Finalmente, con la compacidad y el contenido de cemento asfáltico óptimos, hacer un análisis comparativo de los resultados obtenidos
Esta investigación se plantea principalmente para estudiar el comportamiento mecánico de diferentes mezclas asfálticas de graduación Densa, Semidensa y Abierta para ver la resistencia que se producen a Tracción Indirecta y el ensayo Cántaro aplicando a las mezclas un porcentaje de de ligante (cemento asfáltico normal y modificados) antes mencionado y una misma compacidad.
Los objetivos principales que se plantean en esta investigación son los siguientes:
1. Estudiar el comportamiento mecánico de las diferentes mezclas contempladas en el trabajo.
2. Estudiar el comportamiento mecánicos de cada uno de los asfaltos al ser sometidos a diferentes ensayos.
3. Realizar un análisis comparativo de este estudio para cada uno de los ensayos y evaluar aquellas mezclas que tiene el mejor comportamiento mecánico.
4. Obtener valores medios de resistencia a tensión indirecta y desgaste, de cada una de las mezclas asfálticas de cada una de las granulometrías empleadas y realizar un análisis comparativo entre ellas.
VI.2 Equipos y aparatos para el ensaye
El Ensayo de tracción indirecta se emplea una prensa servo hidráulica, en la cual se aplica la velocidad Marshall (50.8 mm/min), aplicando una carga sobre distribuida sobre una barras de acero (fig. x), los módulos de resiliencia se obtienen con una prensa de carga dinámica, aplicando cargas que oscilan entre 100 y 120 kg y que oscilan entre 0.33, 0.5 y 1 Hz y finalmente el ensayo Cantabro desarrollado, se realiza con probetas tipo Marshall introducidas en el cilindro de Los Ángeles, sin esferas, se mide la perdida (en peso) del material después de 300 vueltas del cilindro, dando como resultado el porcentaje en peso del material desprendido respecto al original antes del ensayo.
Figura 1.- Ensayos realizados, a) tracción indirecta b) probeta ensayada c) Equipo
Las probetas se fabrican con el compactador giratorio y con un pisón y molde Marshall: Este equipo se utiliza para la elaboración de probetas aplicando una compactación dinámica de 75 golpes/cara para después ser ensayadas en la prueba de desgaste. Los moldes que se emplean para elaborar los especimenes tienen un diámetro interior de 10.1 cm y una altura de 8.7 cm. El molde tiene una extensión a collarín de 6.98 cm y una placa metálica estándar para apoyar el molde.
Para elaborar las probetas, previamente al momento de la mezcla el agregado pétreo y el cemento asfáltico deben mantenerse a una temperatura mínima de 120ºC y así, realizar un mezclado homogéneo entre dichos agregados. Se vierte la mezcla en el molde y con el compactador giratorio o el pisón se aplica la compacidad indicada.
Se emplea un cilindro de los Ángeles
V. ANALISIS DE RESULTADOS V.1. Resultados a Tensión Indirecta
A continuación se presentan los resultados obtenidos de cada una de las mezclas estudiadas y analizadas en el laboratorio, en la cual se emplearon dos condiciones de ensayos, en seco y en húmedo, el ensayo se realizo a una temperatura de 5°C. En la tabla 4, los valores que se presentan son el producto de realizar al menos 6 especimenes por cada una de las mezclas en el estudio, cabe mencionar que el procedimiento de curado fue el siguiente: 3 días a temperatura ambiente las de condiciones en seco y las de en húmedo, después de este proceso se dejaron bajo inmersión al menos 4 hrs a 60°C, finalmente todas reintrodujeron a una temperatura de 5°C al menos 4 horas para que finalmente se realizara el ensayo.
Resistencias a Tensión Indirecta
0 5 10 15 20 25 30 35
AC20 OX ELVAX ELVALOY SBS
Tipo de Cemento Asfáltico
Resistencias en kg/cm2
SECO HUMEDO
Figura 2.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Densa
En la figura 2 se puede apreciar de forma muy clara el comportamiento de cada una de las mezclas estudiadas con diferentes tipos de asfaltos convencional y modificados, donde tenemos dos curvas, una representa los resultados en seco y la otra en húmedo, por tal los valores obtenidos en seco son aquellos que tienen mayor resistencia, la mezcla que solo contiene AC-20 de Salamanca, es la que tiene valores más bajos que oscilan entre 26.56 y 22.68 kf/cm2, sin embargo las mezclas que se empleo un asfalto modificado con polímero son las que tienen mejores resistencias a la tracción indirecta, teniendo un mejor comportamiento la mezcla con Elvaloy, ya que sus valores oscilan en seco y húmedo, entre 32.1 y 28.14 kg/cm2 respectivamente, sin embargo es muy importante mencionar que el incremento de las resistencias de las mezclas asfálticas con asfaltos modificados, son mayores que la que tiene solo asfalto convencional.
Figura 3.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Semi abierta
Figura 4.- Resistencias a la tensión indirecta de las mezclas ensayadas, Mezcla Abierta
Figura 5.- Tendencia de los valores obtenidos en las cada una de las mezclas
V.2. Resultados de Resistencia al Desgaste
En cuanto a valores de desgaste (ensayo cantabro) para cada una de las mezclas en estudio, a estas se les realizo el ensayo a diferentes temperaturas (-5, 5, 25 y 40 °C) con el fin de conocer su comportamiento mecánico, cabe hacer mención que se ensayaron tres probetas por cada temperatura, obteniendo lo siguiente: Se aprecia en la tabla 4 cada uno de los resultados promedio obtenidos para cada temperatura y para cada una de las mezclas ensayadas.
Tabla 4.- Resultados obtenidos de resistencias al desgaste: Mezcla Densa
Temperatura AC-20 OXIDADO ELVAX ELVALOY S B S
-5 2.66 2.47 2.26 3.48 4.81
5 3.97 3.76 3.45 3.7 6.12
25 11.96 8.27 6.98 12.3 15.18
40 33.55 29.87 29.28 28.66 30.46
Figura 6.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Densa
Tabla 5.- Resistencias desgaste de mezclas asfálticas: Mezcla Semi abierta
Temperatura AC-20 OXIDADO ELVAX ELVALOY S B S
-5 7.14 7.05 5.45 7.12 5.85
5 10.25 9.45 8.47 7.95 6.5
25 16.31 13.45 10.5 12.5 9.5
40 35.6 33.2 28.9 27.8 25.1
Figura 7.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Semi abierta
Tabla 6.- Resultados obtenidos de resistencias al desgaste: Mezcla Abierta
Temperatura AC-20 OXIDADO ELVAX ELVALOY S B S
-5 15.6 13.2 11.2 9.45 8.9
5 17.5 16.5 14.5 11.9 12.3
25 21.5 19.5 17.5 15.6 16.9
40 46.1 41.2 38.1 32.2 29.9
Figura 8.- Curva Desgaste Vs Temperatura para las cinco mezclas: Mezcla Abierta
En las figuras 6, 7 y 8 se aprecian de forma muy clara el comportamiento de las mezclas estudiadas en el laboratorio, todas las curvan tienen un comportamiento
similar, sin embargo sus valores son diferentes, las curvas de la mezcla con AC-20 sus resistencias al desgaste son más elevadas en todas las temperatura con respecto a las demás mezclas, esto significa que tienen baja cohesión y que el desprendimiento de los agregados pétreos es más alto, por otro lado se puede apreciar que la curva que tiene resistencia más bajas o mejor cohesión es que en la que se empleo un asfalto Oxidado sobre todo a temperatura muy bajas, teniendo un incremento de resistencia a temperatura altas, también se puede apreciar que la mezcla con Elvaloy a temperaturas altas tiene una mejor cohesión lo cual significa que su resistencia al desgaste no sea muy elevada. También se aprecia que las mezclas que se empleo asfalto modificado a temperatura de 40°C, sus valores son muy similares, lo cual puede decirse que tiene una mejor cohesión.
VI. RELACIÓN ENTRE LOS ENSAYOS REALIZADOS
Los ensayos de tracción indirecta, resistencia al desgaste y módulos de resiliencia se realizaron completamente por separado, el único punto en común es que se utilizaron los mismos asfaltos y la misma granulometría. Se trabajó con este fin y de tal manera con un propósito de introducir la mayor objetividad a la investigación. La información presentada en este documento fue los resultados obtenidos en la reología de los asfaltos, así como la descripción y presentación de los resultados obtenidos de la cohesión de cada una de las mezclas, mediante los ensayos ya mencionados, para estos tres ensayos se ha concluido con un rankin de los resultados obtenidos, se han clasificado los asfaltos y las mezclas de mejor a peor comportamiento. Se puede apreciar en los resultados mostrados en las tabla 7 el rankin que obtienen las mezclas sobre cada ensayo realizado, por tal se aprecia que su comportamiento no es igual en ningún ensayo, por tal se puede predecir que la cohesión de las mezclas son diferentes, esto puede influir en el tipo de compactación, temperatura de fabricación y temperatura de ensayo y mezclado.
Tabla 7. Rankin de las mezclas de acuerdo al ensayo realizado
Tipo de Mezcla Tensión Indirecta Resistencia al desgaste Mod. resiliencia
Mod. Elvaloy 1 2 2
Mod. S B S 2 1 1
AC-Oxidado 4 4 4
Mod. Elvax 3 3 3
AC-20 Salamanca 5 5 5
VII. CONCLUSIONES
Una vez concluido la investigación que se resume en este artículo, ha sido posible llegar a las siguientes conclusiones:
1. Existe una buena correlación entre la información proporcionada por los métodos de caracterización reológica de asfaltos y la cohesión presentada en cada uno de los ensayos realizados, tracción indirecta y resistencia al desgaste.
2. Se confirma con el comportamiento de las mezclas asfálticas con asfalto convencional o modificado son muy similares en cada una de las mezclas ensayadas.
3. En cuanto a las mezclas ensayadas con asfalto modificado, estas presentaron mejores valores son aquellas en las que sus valores a tracción indirecta y resistencia al desgaste, fueron aquellas en donde se empleo el Elvaloy y SBS.
4. Cuando se eleva la temperatura de fabricación, de 155 a 165 °C el incremento no es mayor del 25%.
5. Los ensayos realizados a las mezclas con asfalto modificado con polímero, indican que la cohesión de cada una de ellas es muy bueno en relación a mezclas cunado se emplea un asfalto normal.
VII.- BIBLIOGRAFÍA
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5. Tesis Doctoral “Técnicas y Metodologías empleadas en el diseño y construcción de una mezcla mixta reciclada con cemento y emulsión” S.
Castillo Aguilar, R. Miro, F. Pérez. Barcelona, España. 1999.
