ESTUDIO DEL EFECTO CAUSADO AL MÁSTICO POR LA INCORPORACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FILLER MEDIANTE EL MÉTODO UCL

(1)

1

ESTUDIO DEL EFECTO CAUSADO AL MÁSTICO POR LA INCORPORACIÓN DE

DIFERENTES TIPOS DE FILLER MEDIANTE EL MÉTODO UCL

®

Ing. Mario Francisco Álvarez Loya

Estudiante de la Maestría en Infraestructura del Transporte de la UMSNH

Dr. Jorge Alarcón Ibarra Dr. Carlos Chávez Negrete Profesores e investigadores de la UMSNH

Oribel Peregrino Maldonado Carlos Alberto Reyes Negrete

Antonio Silva Reyes

(2)

2

ESTUDIO DEL EFECTO CAUSADO AL MÁSTICO POR LA INCORPORACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FILLER MEDIANTE EL MÉTODO UCL®

RESUMEN

Son conocidas las potenciales ventajas del uso de algunos polvos minerales en las mezclas asfálticas, en lo que a resistencia al envejecimiento se refiere. Sin embargo, a menudo no se toman en cuenta otros efectos que éste provoca en la mezcla, como lo es en el mejoramiento de las condiciones del medio continuo en el asfalto, donde puede incrementar la magnitud de la resistencia a la deformación de la mezcla, sin modificar la naturaleza viscosa del mismo; mejorar la adherencia y con ello proveer un mayor espesor a la lámina de asfalto que recubre a los agregados pétreos, permitiendo de este modo incrementar la durabilidad de la mezcla frente a la acción del desplazamiento por el agua.

Es evidente que este efecto no se logra mediante el empleo de cualquier polvo mineral o filler, puesto que la interfaz filler-asfalto influye en el comportamiento mecánico que la mezcla tendrá, y que se ve afectada principalmente por las propiedades físicas y químicas del filler con que se mezcle.

Dada la gran variedad y características de materiales que pueden ser empleados como polvo mineral o filler (ya sea de aportación o de recuperación), el presente estudio tiene como objetivo general evaluar la calidad del mástico (filler-asfalto) mediante la aplicación del Método Universal de Caracterización de Ligantes UCL®, y así comprobar el efecto que diferentes polvos minerales generan en las propiedades del asfalto, mediante la valoración de propiedades fundamentales como: susceptibilidad térmica, efecto de la humedad y envejecimiento.

(3)

3

I. INTRODUCCIÓN

El diseño, implementación y construcción de estructuras de pavimentos flexibles es la alternativa de pavimentación más económica de infraestructura vial utilizada en México, sin embargo y a pesar de esta consideración, dichas obras desarrollan fallas que generan una disminución considerable de la efectividad y durabilidad, trayendo como consecuencia un incremento en los costos de operación para los usuarios que utilizan estas vías, debido a que la calidad de la superficie es inadecuada en gran parte de la Red de carreteras del País.

Pese a la importancia que tiene la cohesión proporcionada por el asfalto a la mezcla, que puede considerarse tan básica y fundamental como la resistencia a la compresión del concreto hidráulico, no ha sido tomado en cuenta de manera importante, hasta ahora, en la caracterización de los materiales asfálticos. Esto puede deberse, en gran medida, a la falta de ensayos que permitan evaluar esta característica de forma sencilla.

El Método Universal de Caracterización de Ligantes (UCL®) fue desarrollado en la Universidad Politécnica de Cataluña por los doctores Félix Pérez Jiménez y Rodrigo Miró Recasens. Basado en la aplicación del Ensayo Cántabro, es un procedimiento directo y sencillo que evalúa las propiedades funcionales de los asfaltos a partir de la determinación del grado de cohesión que proporciona a una mezcla patrón y de la observación de cómo esta cualidad varía con la temperatura, la acción del agua y el envejecimiento.

El Método resulta fácil de desarrollar y ofrece ser una excelente herramienta para clasificar y cotejar distintos asfaltos, ya que permite diferenciar el comportamiento de ellos, incluso en aquellos que poseen propiedades similares según la caracterización tradicional y, además, manifestar las diferencias entre diversos asfaltos modificados entre sí, y entre éstos y los convencionales.

El procedimiento recibe el nombre de Universal por la capacidad de ser aplicable a cualquier asfalto. El principio del ensayo es comparar directamente las respuestas de estos materiales como parte integrante de una mezcla asfáltica, exaltando sus diferencias relativas y las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos, evaluando cuatro propiedades que los asfaltos han de aportar al comportamiento de las mezclas: cohesión, susceptibilidad térmica, adhesividad y resistencia al envejecimiento.

(4)

4

¤ Cohesión-temperatura: Curva de estado del asfalto

Variando la temperatura a la que se realiza el ensayo puede obtenerse la curva de estado del asfalto, que puede considerarse como su curva de identidad, ya que define la variación de su comportamiento, desde inconsistente, a altas temperaturas, a frágil, a bajas temperaturas. La mayor o menor pendiente de esta curva de estado nos indica la susceptibilidad del asfalto a los cambios de temperatura y está relacionada con su índice de penetración.

¤ Envejecimiento

La valoración del envejecimiento por el Método UCL® se basa en determinar la evolución de la resistencia a la disgregación de la mezcla, a medida que se va produciendo el envejecimiento del asfalto. Dada la alta porosidad de la granulometría empleada, el asfalto envuelve las partículas de agregado con una película muy fina, que es la que se somete a un proceso de oxidación a 163°C, durante diferentes periodos de tiempo.

¤ Adhesividad

El asfalto, además de ser capaz de envolver los agregados dando cohesión a la mezcla, debe resistir la acción de desenvuelta del agua. Por efecto del agua, el asfalto tiende a separarse del agregado y en consecuencia disminuye la cohesión de la mezcla. Mediante el Ensayo Cántabro se puede evaluar la adhesividad agregado-asfalto, determinando las pérdidas de la mezcla cuando ésta se ensaya en seco tras haber permanecido cierto tiempo sumergida en agua. El incremento de las pérdidas está directamente relacionado con la mejor o peor adhesividad del asfalto al agregado.

El Método UCL® puede evaluar también el efecto del filler sobre las propiedades del Mástico Asfáltico, tanto determinando las pérdidas a distintas temperaturas (susceptibilidad térmica), como mediante la determinación de las perdidas en seco y tras inmersión (adhesividad) o las ocurridas tras el envejecimiento, de ahí la aplicación para este estudio.

(5)

5

II. ETAPA EXPERIMENTAL Y RESULTADOS

Basado en los fundamentos anteriores, en la presente investigación se propuso evaluar el efecto causado al Mástico Asfáltico por la incorporación de diferentes tipos de filler, mediante la determinación del efecto que cada uno proporciona en una mezcla patrón sometida a cambios de temperatura, a la acción del agua y al envejecimiento mediante el Método UCL®. Como consecuencia de los alcances anteriores, se propuso emplear doce tipos de filler para formar el mástico a evaluar, pretendiendo con esta cantidad de muestras y empleando un asfalto tipo AC-20 de la Refinería de Salamanca, lograr resultados representativos.

Los materiales fueron seleccionados de tal manera que se lograra contar con una amplia gama de éstos, y que se pudieran abarcar los diferentes tipos y calidades de filler que comúnmente suelen estar presentes en la elaboración de las mezclas asfálticas en el centro del País, por tal motivo, se eligieron materiales partiendo desde los que presentan una excelente calidad y control en el proceso de su elaboración (materiales de origen industrial), pasando por los materiales naturales comúnmente empleados en dicha región (material de recuperación), hasta el que es indeseable por su desempeño y características como la arcilla.

Clave Nomenclatura Lugar de Obtención Fuente

1 Banco Los Federales Guadalajara, Jal.

Material de recuperación (origen mineral)

2 Banco Cerritos Morelia, Mich.

3 Banco Chapala Guadalajara, Jal.

4 Banco AGC Morelia, Mich.

5 Banco San Martin Guadalajara, Jal.

6 Banco La Vega Guadalajara, Jal.

7 Arcilla Morelia, Mich.

8 Cal Producto comercial. Material de aportación (origen industrial) 9 Hidróxido de Calcio (Q90) 10 Hidróxido de Calcio (Q95) 11 Polvo Calizo

12 Cemento Portland Ordinario

Tabla 1 Tipos de filler seleccionados para el presente trabajo.

En la Tabla 1 y en particular en la columna de “Fuente”, como material de recuperación nos referimos al polvo mineral o filler que está presente en los agregados pétreos y que se obtuvo mediante cribado para separarlo del resto de las partículas. El material de aportación es el producto de origen comercial y de naturaleza pulverulenta, el cual no requiere de un proceso de cribado para su separación.

(6)

6

Identificación y clasificación de los diferentes tipos de filler empleados

A fin de conocer y corroborar que los diferentes tipos de filler a emplear para el presente estudio son de naturaleza y características diferentes, se determinaron sus estados de consistencia para ubicarlos dentro de la carta de plasticidad.

Para el desarrollo de esta prueba, se siguieron las recomendaciones y procedimientos indicados por el manual M·MMP·1·07/07, Límites de Consistencia, de la normativa de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) y los resultados obtenidos se muestran en la Figura 1.

Figura 1 Carta de plasticidad para los diferentes tipos de filler.

Como observamos gráficamente, tenemos materiales que abarcan las cuatro zonas de la carta de plasticidad, lo que indica que tenemos filler con diferentes calidades. Los materiales de los bancos Cerritos, Los Federales y el Cemento Portland, no aparecen en la carta de plasticidad debido a que por sus características y el resultado obtenido para este ensayo, se definen como materiales no plásticos.

―

Los materiales de los bancos Cerritos y Los Federales, así como el Cemento Portland, no aparecen debido a que por sus características se definen como materiales no plásticos.

COMPARACIÓN DE LOS FÍLLERES EN LA CARTA DE PLASTICIDAD

NOTA:

U niv e rsidad M ich oacana de San Nicolás de Hidalgo

F ac u ltad de In g e n i e r í a c i vi l

Lab or ator i o de M ate r i ale s " In g . Lu i s Si lva R u elas" LÍMITES DE CONSISTENCIA 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ÍN DI CE P LÁ ST IC O LÍMITE LÍQUIDO

Sn Martín Quimex 90 Quimex 95 La Vega Chapala

Caliza Cal Arcilla CU AGC

ML ó OL OH ó MH CH C.L 4 7 C.L - ML ML MUESTRAS CARTA DE PLATICIDAD

(7)

7

Método Universal de Caracterización de Ligantes (Método UCL®)

Para el análisis del comportamiento del mástico asfáltico elaborado con un mismo tipo de asfalto y con diferentes tipos de filler pero una misma proporción, sometida a temperaturas variables, la acción del agua y envejecimiento, se llevó a cabo el desarrollo experimental empleando el Método UCL®, obteniéndose las correspondientes curvas de estado. Para lo anterior, se emplearon materiales con las características y proporciones marcadas en la tabla 2 para formar cada probeta UCL®.

PROPORCIÓN MATERIAL PROPORCIÓN POR PROBETA

80 % FRACCIÓN GRUESA (2.38 mm a 4.75 mm) 720 gr 20% FRACCIÓN FINA (0.59 mm a 2.38 mm) 180 gr FILLER --- = 0.61 ASFALTO ASFALTO 41 gr FILLER 25 gr

Tabla 2 Características y proporciones de los materiales empleados para fabricar las probetas UCL®

Para que el Método evaluara el efecto del filler, previo a la fabricación de las probetas UCL®, la fracción gruesa y fina del agregado patrón fue lavada y secada, con la finalidad de evitar la presencia de partículas finas o una película de polvo en estos agregados que pudiera afectar a los resultados obtenidos.

Las probetas UCL® se fabricaron utilizando los moldes y un compactador Marshall, aplicando una energía de compactación de 50 golpes por cara.

Las temperaturas de ensayo para la evaluación de la susceptibilidad térmica y el efecto del agua fueron: -15, 5, 25, 40, 55 y 70°C ± 2°C, mientras que los períodos de envejecimiento abarcados fueron de 0, 2, 4, 8, 16 y 32 horas, a 165°C ± 1°C. Para cada una de estas temperaturas y periodos de envejecimiento, se ensayaron tres probetas por cada tipo de filler, lo que implicó fabricar y ensayar un total de 612 probetas UCL®.

(8)

8

Durante el ensayo de susceptibilidad térmica, las probetas se introducen al horno o refrigerador

(según la temperatura de ensayo) durante 4 hrs, después de este periodo de tiempo se registra su peso e introducen a la Máquina de los Ángeles (sin carga abrasiva) y se aplican 300 revoluciones a una velocidad de 32 revoluciones por minuto. Después del efecto de impacto y abrasión producido por la Máquina de los Ángeles, se registra el peso para evaluar el porcentaje de perdidas correspondientes a la temperatura de ensayo y el filler evaluado.

Para la evaluación del efecto del agua, las probetas UCL® se someten a un baño maría durante 24 hrs a 60°C ± 2°C, posteriormente, se ensayan con las diferentes temperaturas mediante el mismo proceso empleado para evaluar la respuesta a la susceptibilidad térmica.

La evaluación del efecto por envejecimiento, implica someter las probetas UCL® a una temperatura de 165°C ± 1°C durante los periodos de prueba anteriormente citados; Con el objetivo de evitar escurrimientos y acumulación del asfalto en la base de la probeta, estas son volteadas cada 2 hrs para evitar escurrimientos que implicarían perdidas de asfalto. Una vez sometidas a los periodos de envejecimiento, las probetas se pesan y se introducen a la Máquina de los Ángeles hasta cumplir con 300 revoluciones, posteriormente se vuelven a pesar para de este modo realizar el cálculo de las perdidas correspondientes.

Una vez realizados los ensayos con todas las muestras y los cálculos correspondientes a las pérdidas, se obtuvieron los siguientes resultados:

(9)

9 ― TEMPERATURA 1 : TEMPERATURA 2 : TEMPERATURA 3 : - 15 °C 5 °C SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA 25 °C

Arcilla de CU (ACIA) 18.69 Banco la Vega (VGA) 20.38

Cal (CAL) 40.39 Banco los Federales (FDLS) 45.45

Polvo Calizo (CLZA) 42.86 Hidróxido de Calcio (Q90) 38.54

Cemento (CMTO) 38.05 Hidróxido de Calcio (Q95) 39.64

Banco Cerritos (CRTO) 43.71 Banco Sn. Martin (SMTN) 38.04

FILLER % perdidas FILLER % perdidas

Banco AGC (AGC) 18.22 Banco Chapala (CHLA) 16.83

Banco Cerritos (CRTO) 14.78 Banco Sn. Martin (SMTN)

Hidróxido de Calcio (Q95) 44.89

Banco Sn. Martin (SMTN) 46.87

% perdidas FILLER 46.76 49.55 44.72 50.41 45.8 48.66

Banco Cerritos (CRTO)

Cemento (CMTO)

Polvo Calizo (CLZA)

Cal (CAL)

Arcilla de CU (ACIA)

Banco AGC (AGC)

FILLER % perdidas

Banco Chapala (CHLA) 47.71

Banco la Vega (VGA) 48.64

Banco los Federales (FDLS) 42.33

Hidróxido de Calcio (Q90) 44.13

14.82

(10)

10 TEMPERATURA 4 : TEMPERATURA 5 : TEMPERATURA 6 : ― TEMPERATURA 1 : 51.92 Banco Sn. Martin (SMTN) 58.19

Banco Cerritos (CRTO)

Cemento (CMTO) 33.44 Hidróxido de Calcio (Q95) 51.44 Banco Cerritos (CRTO) 22.35 Banco Sn. Martin (SMTN) 32.03

Polvo Calizo (CLZA) 48.09 Hidróxido de Calcio (Q90) 33.26 Banco Cerritos (CRTO) 10.31 Banco Sn. Martin (SMTN) 9.85

Polvo Calizo (CLZA) 11.66 Hidróxido de Calcio (Q90) 15.41 Cemento (CMTO) 13.09 Hidróxido de Calcio (Q95) 21.58

Banco AGC (AGC) 14.09 Banco Chapala (CHLA) 14.36 Arcilla de CU (ACIA) 9.24 Banco la Vega (VGA) 14.87 Polvo Calizo (CLZA) 10.22 Hidróxido de Calcio (Q90) 20.96 Cemento (CMTO) 11.44 Hidróxido de Calcio (Q95) 16.01 Banco Cerritos (CRTO) 11.01 Banco Sn. Martin (SMTN) 11.18

40 °C

Banco AGC (AGC) 11.72 Banco Chapala (CHLA) 9.93 Arcilla de CU (ACIA) 12.8 Banco la Vega (VGA) 11.8

70 °C

55 °C

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD

- 15 °C

Polvo Calizo (CLZA) 56.52 Hidróxido de Calcio (Q90) 58.38 Cemento (CMTO) 51.06 Hidróxido de Calcio (Q95) 58.71 Arcilla de CU (ACIA) 64.24 Banco la Vega (VGA) 55.33

(11)

11

Es importante comentar que durante el desarrollo de las prueba de susceptibilidad a la humedad, no se evaluaron las pérdidas para las temperaturas de 5 y 40 °C.

TEMPERATURA 2 :

TEMPERATURA 3 :

TEMPERATURA 4 :

Cemento (CMTO) 80.44 Hidróxido de Calcio (Q95) 79.6 Banco Cerritos (CRTO) 83.83 Banco Sn. Martin (SMTN) 82.87 Arcilla de CU (ACIA) 86.99 Banco la Vega (VGA) 84.36

54.43 Hidróxido de Calcio (Q95) 57.47

59.65 Arcilla de CU (ACIA) 68.77 Banco la Vega (VGA) 65.38

―CONTINUA SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD . . .

25 °C

55 °C

Banco AGC (AGC) 69.39 Banco Chapala (CHLA)

Cemento (CMTO) 56.46 Hidróxido de Calcio (Q95) 60.08 Banco Cerritos (CRTO) 67.77

70 °C

Banco Sn. Martin (SMTN) 67.2

Polvo Calizo (CLZA) 78.64 Hidróxido de Calcio (Q90) 53.95 Cemento (CMTO)

(12)

12 ― TIEMPO 1 : TIEMPO 2 : TIEMPO 3 : TIEMPO 4 : 57.81 Banco AGC (AGC) 51.41 Banco Chapala (CHLA) 42.77 Arcilla de CU (ACIA) 48.45 Banco la Vega (VGA)

Polvo Calizo (CLZA) 47.49 Hidróxido de Calcio (Q90) 39.03 Cemento (CMTO) 45.02 Hidróxido de Calcio (Q95) 36.55 Banco Cerritos (CRTO) 42.51 Banco Sn. Martin (SMTN) 38.3 Banco AGC (AGC) 39.53 Banco Chapala (CHLA) 39.21 Arcilla de CU (ACIA) 47.97 Banco la Vega (VGA) 40.95

Cemento (CMTO) 17.4 Hidróxido de Calcio (Q95) 20.39 Banco Cerritos (CRTO) 14.78 Banco Sn. Martin (SMTN) 14.82

2 Hrs.

0 Hrs.

SUSCEPTIBILIDAD POR ENVEJECIMIENTO

32.36 Banco Chapala (CHLA) 25.96

8 Hrs.

Banco los Federales (FDLS) 30.2 Polvo Calizo (CLZA) 34.07 Hidróxido de Calcio (Q90) 33.55 Cemento (CMTO) 43.37 Hidróxido de Calcio (Q95) 34.97 Banco Cerritos (CRTO) 23.88 Banco Sn. Martin (SMTN) 17.04

4 Hrs.

Polvo Calizo (CLZA) 49.4 Hidróxido de Calcio (Q90) 41.72 Arcilla de CU (ACIA) 30.26 Banco la Vega (VGA) 38.45

Cal (CAL) 30.93

Banco AGC (AGC)

(13)

13

Con estos datos obtenidos, y para visualizar y comparar los resultado de una manera más sencilla, se graficaron y obtuvieron las curvas de estado para cada filler y efecto evaluado como se muestra en las figuras siguientes.

TEMPERATURA 2 :

TIEMPO 6 :

― CONTINUA SUSCEPTIBILIDAD AL ENVEJECIMIENTO . . .

16 Hrs.

32 Hrs.

% perdidas FILLER % perdidas

(14)

14

Figura 2 Curvas de estado para el efecto de susceptibilidad térmica

(15)

15

Figura 4 Curvas de estado para el efecto de susceptibilidad al envejecimiento

III. CONCLUSIONES

Con las curvas de estado obtenidas en este ensayo, se observa que el tipo de filler influye directamente en las propiedades del Mástico Asfáltico.

Con relación a la susceptibilidad térmica, se observa que a temperaturas inferiores a los 40°C el tipo de filler no influye considerablemente en el porcentaje de perdidas; en cambio, cuando la temperatura comienza a incrementarse, empieza a observarse todo lo contrario y es muy marcado el hecho de que el tipo de filler influye considerablemente en el porcentaje de pérdidas que pueden presentarse, este fenómeno se entiende ya que a bajas temperaturas, el asfalto tiene mayor influencia en el comportamiento mecánico, pero conforme aumenta la temperatura el filler asume una parte cada vez mayor de esta responsabilidad y ahí es en donde se nota la diferencia entre cada uno de ellos.

También se afirma el efecto que el agua produce sobre la mezcla, ya que las curvas de estado obtenidas después del pre-acondicionamiento en agua, presentan una mayor cantidad de pérdidas que antes de éste.

(16)

16

En la evaluación del efecto del agua, se observa que en función del tipo de filler se presentan variaciones considerables en las pérdidas al Cántabro entre los 20 y 60°C, fuera de dicho intervalo, el comportamiento tiende a ser uniforme sin importar el tipo de filler.

Con relación al envejecimiento, se reafirma el efecto que el tipo de filler infiere en la resistencia del mástico, gráficamente es posible observar que las diferencias en las pérdidas obtenidas por cada filler comienzan a verse más marcadas en comparación con las otras pruebas.

Quizá la conclusión más importante, es que a pesar de que los materiales de origen industrial presentan la menor cantidad de perdidas ante las distintas condiciones aquí evaluadas, se identifica que estos no siempre son la mejor opción, ya que fácilmente algunos filler de recuperación de tipo mineral pueden igualar su comportamiento, aunque solo sea bajo condiciones muy específicas (presencia de agua e intervalo de temperaturas de trabajo principalmente).

Por último, se debe mencionar que este trabajo corresponde a una pequeña parte de un estudio muy amplio que se está llevando a cabo con la finalidad de determinar la influencia que el tipo de filler tiene sobre el comportamiento de las mezclas asfálticas, para buscar métodos de selección que nos permitan garantizar mezclas asfálticas mejores y más durables.

IV. BIBLIOGRAFÍA

1. Alfonso Rico Rodríguez, Hermilo del Castillo, La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres, carreteras, ferrocarriles y aeropistas, Tomo I, editorial Limusa.

2. Juárez Badillo, Rico Rodríguez (1985), Mecánica de Suelos, Tomo I fundamentos de la mecánica de suelos, tercera edición.

3. Rodrigo Miro Recasens, Metodología para la Caracterización de Ligantes Asfálticos Mediante el Empleo del Ensayo Cántabro.

4. Manual de la SCT M.MMP.4.04.002/02 Granulometría de Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas.

5. Manual de la SCT M.MMP.1.07/07 Límites de Consistencia.

6. Manual de la SCT M.MMP.4.04.010/03 Desgaste Mediante la Prueba de los Ángeles de Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas.