UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

(1)

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

TESIS

PRESENTADO POR:

Bach. ARTURO CÉSAR CABALLERO GARCÍA

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL

HUANCAYO – PERÚ 2021

“EFECTO DEL PIGMENTO INORGÁNICO EN LAS PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS Y MECÁNICAS DE LA

MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE, LIMA 2019”

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ASESOR

MSC. ING. AUGUSTO ELÍAS GARCÍA CORZO

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DEDICATORIA

A mis padres Godofredo Caballero Gonzales y Erbelinda García Castro, por su gran amor expresado con sacrificio por mi educación y formación personal con ética y moral.

A mi novia, por compartir a mi lado todos los momentos de mi vida desde que la conocí; por su aliento y apoyo para seguir adelante.

A la memoria de mis abuelos, porque he visto en ellos el anhelo de superación expresado con esfuerzo y perseverancia en cada momento de sus vidas.

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, agradecer a Dios por estar a mi lado durante los momentos más felices y difíciles de mi vida, porque a su lado y debido a esos momentos, sigo aprendiendo a vivir de la mejor manera.

En segundo lugar, agradecer a mis padres su amor y sacrificio por mi educación y formación profesional. A mis hermanos, por compartir algunos momentos de carencias, pero llenos de bondad, unión, amor y perseverancia.

A mi asesor, Msc. Ing. Augusto Elías García Corzo por su dedicación y apoyo en el proceso de elaboración de la presente tesis de investigación.

Asimismo, agradecer a la Concesionaria Rutas de Lima S.A.C. por brindarme los materiales y laboratorio, sin ellos no hubiera sido posible realizar esta tesis, en especial al Ing. Jonathan Vera por brindarme las facilidades para el desarrollo de esta investigación.

Quiero también expresar mi agradecimiento a la empresa italiana Iterchimica, quienes me proporcionaron los pigmentos y el acompañamiento técnico, sin ellos no hubiera sido posible realizar esta tesis, en especial a la Ing. Blanca Durand por su seguimiento y apoyo para el desarrollo de esta investigación.

Por último, agradecer a mis profesores de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional del Centro del Perú por haber impartido sin limitaciones sus conocimientos y experiencias para mi formación profesional.

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ÍNDICE GENERAL

ASESOR ... ii

DEDICATORIA ... iii

AGRADECIMIENTOS ... iv

ÍNDICE GENERAL ... v

ÍNDICE DE TABLAS ... viii

ÍNDICE DE FIGURAS ...xii

SIGLAS O ABREVIATURAS ... xvi

RESUMEN ... xvii

ABSTRACT ... xix

INTRODUCCIÓN ... xxi

CAPÍTULO I ... 1

PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ... 1

1.1 Planteamiento del Problema ... 1

1.2 Formulación del Problema ... 4

1.2.1 Problema general ...4

1.2.2 Problemas específicos ...4

1.3 Objetivos de la Investigación ... 4

1.3.1 Objetivo general ...4

1.3.2 Objetivos específicos ...4

1.4 Justificación de la Investigación ... 5

1.4.1 Justificación práctica ...5

1.4.2 Justificación metodológica ...5

1.4.3 Justificación social ...6

1.4.4 Justificación técnica - económica ...6

1.5 Formulación de Hipótesis ... 6

1.5.1 Hipótesis general ...6

1.5.2 Hipótesis específicos ...6

1.6 Delimitación de la investigación ... 7

1.6.1 Delimitación espacial ...7

1.6.2 Delimitación temporal ...7

1.6.3 Delimitación conceptual ...7

1.7 Viabilidad del Estudio ... 7

1.8 Variables ... 7

1.8.1 Variable Independiente ...7

1.8.2 Variables Dependientes ...7

1.9 Operacionalización de Variables ... 8

CAPÍTULO II ... 9

MARCO TEÓRICO ... 9

2.1 Antecedentes de la Investigación ... 9

2.1.1 Antecedentes nacionales ...9

2.1.2 Antecedentes internacionales ... 11

2.2 Bases Teóricas ... 16

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2.2.1 Pavimento... 16

2.2.2 Pavimento flexible o asfáltico ... 17

2.2.3 Mezclas asfálticas ... 20

2.2.4 Asfalto ... 22

2.2.5 Agregado ... 28

2.2.6 Mezcla asfáltica en caliente (MAC o HMA) ... 33

2.2.7 Composición volumétrica de las mezclas asfálticas ... 36

2.2.8 Comportamiento mecánico de las mezclas asfálticas ... 48

2.2.9 Especificaciones técnicas para mezclas asfálticas en caliente ... 55

2.2.10 Diseño de mezcla asfáltica por el método Marshall ... 57

2.2.11 Mezclas asfálticas pigmentadas ... 61

2.2.12 Color y medida del color ... 78

CAPÍTULO III ... 88

MARCO METODOLÓGICO ... 88

3.1 Método de Investigación ... 88

3.2 Enfoque de Investigación ... 89

3.3 Tipo de Investigación... 89

3.4 Nivel de Investigación ... 89

3.5 Diseño de Investigación ... 90

3.6 Población y Muestra ... 91

3.6.1 Población ... 92

3.6.2 Muestra ... 92

3.7 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos ... 94

3.7.1 Técnicas ... 94

3.7.2 Instrumentos ... 94

3.8 Procesamiento y Análisis de Datos ... 95

CAPÍTULO IV ... 96

DESARROLLO METODOLÓGICO DE LA INVESTIGACIÓN ... 96

4.1 Selección y Caracterización de Materiales ... 98

4.1.1 Agregados ... 98

4.1.2 Cemento asfáltico ... 110

4.1.3 Pigmento inorgánico rojo ... 111

4.2 Selección de la Gradación y Combinación de Agregados ... 113

4.3 Determinación de la Temperatura de Mezcla y Compactación ... 115

4.4 Diseño Marshall de la Mezcla Asfáltica Convencional - Patrón... 117

4.4.1 Definición de parámetros iniciales de diseño... 117

4.4.2 Resumen de resultados... 118

4.4.3 Contenido óptimo de asfalto ... 119

4.5 Preparación de Especímenes de Mezcla Asfáltica Mediante el Aparato Marshall ... 120

4.5.1 Equipos para preparación de especímenes ... 120

4.5.2 Especímenes de ensayo ... 124

4.6 Medida del Color ... 137

4.6.1 Equipo de ensayo ... 138

(7)

4.6.2 Procedimiento... 138

4.6.3 Cálculos... 140

4.7 Determinación de Propiedades Volumétricas ... 141

4.7.1 Ensayo de gravedad específica bulk (Gmb) ... 142

4.7.2 Ensayo Rice - gravedad específica teórica máxima (Gmm) ... 145

4.7.3 Análisis volumétrico ... 150

4.8 Determinación de Propiedades Mecánicas ... 152

4.8.1 Ensayo de estabilidad y flujo Marshall ... 152

CAPÍTULO V ... 156

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 156

5.1 Resultados Mezcla Asfáltica Patrón ... 156

5.1.1 Resultados de propiedades volumétricas ... 156

5.1.2 Resultados de propiedades mecánicas ... 157

5.1.3 Resultados de colorimetría ... 158

5.2 Resultados Mezcla Asfáltica Modificada con Pigmento ... 159

5.2.1 Resultados de propiedades volumétricas ... 159

5.2.2 Resultados de propiedades mecánicas ... 173

5.2.3 Resultados de colorimetría ... 182

5.3 Análisis de Resultados ... 189

5.3.1 Análisis del efecto del pigmento en las propiedades volumétricas ... 189

5.3.2 Análisis del efecto del pigmento en las propiedades mecánicas ... 199

5.3.3 Análisis del efecto del pigmento en el color ... 204

5.4 Contenido Óptimo de Pigmento Inorgánico ... 211

5.5 Validación de Hipótesis ... 214

5.5.1 Hipótesis de investigación N°1: Propiedades volumétricas ... 214

5.5.2 Hipótesis de investigación N°2: Propiedades mecánicas ... 225

5.5.3 Hipótesis de investigación N°3: Contenido óptimo de pigmento inorgánico ... 232

5.6 Discusión de Resultados ... 232

CAPÍTULO VI ... 234

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 234

6.1 Conclusiones ... 234

6.2 Recomendaciones ... 237

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 238

ANEXOS ... 242

(8)

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Cuadro de operacionalización de variables ...8

Tabla 2. Clasificación de las mezclas asfálticas ... 20

Tabla 3. Tipos de mezclas asfálticas en caliente ... 35

Tabla 4. Selección del tipo de cemento asfáltico ... 55

Tabla 5. Requerimientos para husos granulométricos... 55

Tabla 6. Requerimientos para gradación de mezclas densas ... 56

Tabla 7. Requisitos para mezcla de concreto bituminoso ... 56

Tabla 8. Vacíos mínimos en el agregado mineral (VMA) ... 57

Tabla 9. Vacíos llenos de asfalto (VFA) ... 57

Tabla 10. Clasificación del tráfico para el diseño Marshall ... 61

Tabla 11. Diferencia entre pigmentos orgánicos e inorgánicos ... 64

Tabla 12. Comparación del desempeño de los principales pigmentos inorgánicos ... 65

Tabla 13. Composición química de algunos pigmentos más comunes ... 65

Tabla 14. Comparación de varios ligantes ... 71

Tabla 15. Diseño muestral de la investigación ... 93

Tabla 16. Instrumentos de recolección de datos de la investigación ... 94

Tabla 17. Agregados y ubicación de canteras ... 98

Tabla 18. Medida de las muestras ... 99

Tabla 19. Cantidad mínima de muestra de agregado grueso ... 101

Tabla 20. Serie de tamices ... 102

Tabla 21. Resultados de Granulometría – Piedra chancada 3/4" ... 104

Tabla 22. Resultados de Granulometría – Piedra chancada 1/2" ... 106

Tabla 23. Resultados de Granulometría – Arena chancada ... 107

Tabla 24. Resultados de Granulometría – Arena Natural ... 109

Tabla 25. Selección del tipo de cemento asfáltico ... 110

Tabla 26. Ficha técnica - Cemento asfáltico PEN 60/70 ... 110

Tabla 27. Ficha técnica - Pigmento inorgánico rojo ... 111

Tabla 28. Huso granulométrico D-5 ASTM D-3515 ... 113

Tabla 29. Proporción en peso de los agregados en la mezcla asfáltica ... 113

Tabla 30. Combinación teórica de agregados – Gradación D-5 ASTM D-3515 ... 114

Tabla 31. Requisitos para mezcla asfáltica en caliente – tráfico pesado ... 117

Tabla 32. Resultados del diseño Marshall de la mezcla asfáltica convencional ... 118

Tabla 33. Parámetros Marshall de la mezcla asfáltica convencional ... 120

Tabla 34. Fracciones de tamaño del agregado para la mezcla asfáltica ... 125

Tabla 35. Gradación del agregado para preparación de especímenes ... 126

Tabla 36. Cálculos de pesos retenidos de cada fracción de tamaño del agregado ... 127

Tabla 37. Pesos de los materiales para la preparación de especímenes de mezcla asfáltica convencional o patrón... 128

Tabla 38. Pesos de los materiales para la preparación de especímenes de mezcla asfáltica modificada con pigmento inorgánico rojo ... 129

Tabla 39. Tamaño de la muestra para ensayo Rice ... 146

Tabla 40. Resultados de Gmm de la MAC modificada con pigmento inorgánico rojo 149 Tabla 41. Análisis estadístico de los resultados de Gmm ... 150

Tabla 42. Factores de corrección de estabilidad ... 155

Tabla 43. Propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica patrón ... 157

Tabla 44. Propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica patrón ... 157

Tabla 45. Propiedades volumétricas y mecánicas de mezcla asfáltica patrón (0.0% pigmento) ... 158

(9)

Tabla 46. Colorimetría de la mezcla asfáltica patrón ... 158 Tabla 47. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 0.50 % de pigmento 159 Tabla 48. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 0.75 % de pigmento 160 Tabla 49. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 1.0 % de pigmento .. 160 Tabla 50. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 1.25 % de pigmento 161 Tabla 51. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 1.50 % de pigmento 161 Tabla 52. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 1.75 % de pigmento 162 Tabla 53. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 2.0 % de pigmento .. 162 Tabla 54. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 2.25 % de pigmento 163 Tabla 55. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 2.50 % de pigmento 163 Tabla 56. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 2.75 % de pigmento 164 Tabla 57. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 3.0 % de pigmento .. 164 Tabla 58. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 3.25 % de pigmento 165 Tabla 59. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 3.50 % de pigmento 165 Tabla 60. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 3.75 % de pigmento 166 Tabla 61. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 4.0 % de pigmento .. 166 Tabla 62. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 4.50 % de pigmento 167 Tabla 63. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 5.0 % de pigmento .. 167 Tabla 64. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 5.50 % de pigmento 168 Tabla 65. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 6.0 % de pigmento .. 168 Tabla 66. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 6.50 % de pigmento 169 Tabla 67. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 7.0 % de pigmento .. 169 Tabla 68. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 7.50 % de pigmento 170 Tabla 69. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 8.0 % de pigmento .. 170 Tabla 70. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 8.50 % de pigmento 171 Tabla 71. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 9.0 % de pigmento .. 171 Tabla 72. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 9.50 % de pigmento 172 Tabla 73. Propiedades volumétricas de la MAC modificada con 10.0 % de pigmento 172 Tabla 74. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 0.50% de pigmento ... 173 Tabla 75. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 0.75% de pigmento ... 173 Tabla 76. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 1.0% de pigmento ... 173 Tabla 77. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 1.25 % de pigmento .... 174 Tabla 78. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 1.50 % de pigmento .... 174 Tabla 79. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 1.75 % de pigmento .... 174 Tabla 80. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 2.0 % de pigmento ... 175 Tabla 81. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 2.25 % de pigmento .... 175 Tabla 82. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 2.50 % de pigmento .... 175 Tabla 83. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 2.75 % de pigmento .... 176 Tabla 84. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 3.0 % de pigmento ... 176 Tabla 85. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 3.25 % de pigmento .... 176 Tabla 86. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 3.50 % de pigmento .... 177 Tabla 87. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 3.75 % de pigmento .... 177 Tabla 88. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 4.0 % de pigmento ... 177 Tabla 89. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 4.50 % de pigmento .... 178 Tabla 90. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 5.0 % de pigmento ... 178 Tabla 91. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 5.50 % de pigmento .... 178 Tabla 92. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 6.0 % de pigmento ... 179 Tabla 93. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 6.50 % de pigmento .... 179 Tabla 94. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 7.0 % de pigmento ... 179 Tabla 95. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 7.50 % de pigmento .... 180

(10)

Tabla 96. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 8.0 % de pigmento ... 180

Tabla 97. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 8.50 % de pigmento .... 180

Tabla 98. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 9.0 % de pigmento ... 181

Tabla 99. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 9.50 % de pigmento .... 181

Tabla 100. Propiedades mecánicas de la MAC modificada con 10.0 % de pigmento .. 181

Tabla 101. Colorimetría de la MAC modificada con 0.5 % de pigmento ... 182

Tabla 128. Propiedades volumétricas a diferentes % de pigmento en la MAC ... 190

Tabla 129. Propiedades mecánicas a diferentes % de pigmento en la MAC ... 199

Tabla 130. Colorimetría a diferentes % de pigmento en la MAC... 204

Tabla 131. Rango de dosificación de pigmento inorgánico rojo ... 211

Tabla 132. Diseño óptimo de MAC modificada con pigmento inorgánico rojo ... 213

Tabla 133. Prueba de normalidad para el peso unitario (kg/cm3) – IBM SPSS versión 23 ... 215

Tabla 134. Prueba de normalidad para vacíos de aire (%) – IBM SPSS versión 23 .... 216

Tabla 135. Prueba de normalidad para VMA (%) – IBM SPSS versión 23... 217

Tabla 136. Prueba de normalidad para VFA (%) – IBM SPSS versión 23 ... 218

Tabla 137. P-valor para el peso unitario (kg/cm3) – IBM SPSS versión 23 ... 219

Tabla 138. P-valor para los vacíos de aire (%) – IBM SPSS versión 23 ... 219

Tabla 139. P-valor para VMA (%) – IBM SPSS versión 23 ... 220

Tabla 140. P-valor para VFA (%) – IBM SPSS versión 23 ... 220

Tabla 141. Evaluación del estadístico de prueba para la hipótesis N°1 ... 220

Tabla 142. Dosificaciones con diferencia significativa del peso unitario (kg/cm3) - IBM SPSS versión 23 ... 221

(11)

Tabla 143. Dosificaciones con diferencia significativa de los vacíos de aire (%) - IBM

SPSS versión 23 ... 222

Tabla 144. Dosificaciones con diferencia significativa del VMA (%) - IBM SPSS versión 23 ... 223

Tabla 145. Dosificaciones con diferencia significativa del VFA (%) - IBM SPSS versión 23 ... 224

Tabla 146. Prueba de normalidad para la estabilidad (kg) – IBM SPSS versión 23... 226

Tabla 147. Prueba de normalidad para el flujo (mm) – IBM SPSS versión 23 ... 227

Tabla 148. P-valor para la estabilidad (kg) – IBM SPSS versión 23 ... 228

Tabla 149. P-valor para el flujo (mm) – IBM SPSS versión 23 ... 229

Tabla 150. Evaluación del estadístico de prueba para la hipótesis N°2 ... 229

Tabla 151. Dosificaciones con diferencia significativa de la Estabilidad (kg) - IBM SPSS versión 23... 230

Tabla 152. Dosificaciones con diferencia significativa del flujo (mm) - IBM SPSS versión 23 ... 231

(12)

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema de la estructura de un pavimento flexible convencional... 18

Figura 2. Variación del esfuerzo vertical con la profundidad de un pavimento flexible 18 Figura 3. Capa superficial asfáltica en ejecución en un pavimento flexible ... 19

Figura 4. Productos y temperaturas típicas de destilación... 23

Figura 5. Composición de crudos de Petróleo ... 24

Figura 6. Cemento asfáltico PEN 60/70 ... 25

Figura 7. Diagrama del ensayo de penetración ... 26

Figura 8. Viscosímetro rotacional Brookfield para medir la viscosidad del asfalto ... 27

Figura 9. Esquema del análisis químico del asfalto: saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos (SARA)... 28

Figura 10. Muestra de agregado compuesto por piedra triturada TM 1/2“ ... 28

Figura 11. Gradaciones típicas de los agregados ... 29

Figura 12. Ejemplo de la representación de un análisis granulométrico ... 31

Figura 13. Temperatura de mezcla asfáltica en caliente ... 33

Figura 14. Esquema de una planta tipo discontinua o por lotes ... 34

Figura 15. Imagen de una planta de asfalto tipo discontinua o gravimétrica ... 35

Figura 16. Curvas granulométricas de diferentes mezclas asfálticas en caliente ... 36

Figura 17. Componentes principales de la mezcla asfáltica compactada ... 37

Figura 18. Propiedades volumétricas de una mezcla asfáltica compactada ... 38

Figura 19. Vacíos de aire en el concreto asfáltico. ... 38

Figura 20. Vacíos en el agregado mineral (VMA); se componen del asfalto y vacíos de aire, áreas en blanco y negro. ... 40

Figura 21. Relación entre vacíos llenos de asfalto, VFA y VMA. ... 40

Figura 22. Determinación del peso en agua de una muestra compactada de HMA... 41

Figura 23. Diagrama de una muestra de mezcla suelta que se satura al vacío ... 43

Figura 24. Diagrama de componentes de una mezcla compactada de HMA ... 44

Figura 25. Dependencia tiempo – temperatura del cemento asfáltico ... 48

Figura 26. Comportamiento viscoelástico del asfalto ... 49

Figura 27. Comportamiento del agregado a la carga de corte ... 50

Figura 28. Dilatación de dos partículas de agregado cuando están sometidas a esfuerzo de corte ... 50

Figura 29. Esquema de aplicación de la carga ... 52

Figura 30. Curva típica de estabilidad versus contenido de asfalto ... 53

Figura 31. Curva típica de flujo versus contenido de asfalto ... 54

Figura 32. Compactador y prensa Marshall ... 54

Figura 33. Ejemplo de compactadores Marshall ... 59

Figura 34. Gráfica de resultados de la prueba Marshall ... 60

Figura 35. Clasificación de los pigmentos según su origen... 62

Figura 36. Pigmentos de origen mineral (inorgánico) ... 63

Figura 37. Algunos pigmentos inorgánicos para colorear mezclas asfálticas ... 64

Figura 38. Pavimento de color verde – carril exclusivo de bus ... 66

Figura 39. Algunos colores resultantes de la pigmentación del asfalto ... 67

Figura 40. Muestra de asfalto sintético... 68

Figura 41. Algunos colores de pigmentos para coloración de ligante sintético ... 68

Figura 42. Resultado de deformación del ensayo en pista de laboratorio ... 69

Figura 43. Coloración roja de la mezcla asfáltica con asfalto convencional ... 69

Figura 44. Pigmento de óxido de hierro rojo en dos presentaciones; polvo y gránulos .. 70

(13)

Figura 45. Ejemplo de tonos de color rojo de la mezcla asfáltica: (a) asfalto oscuro

convencional; (b) asfalto sintético claro ... 70

Figura 46. Muestras de mezcla asfáltica modificada con pigmento inorgánico rojo: (a) 0.75% de pigmento; (b) 3.5% de pigmento ... 72

Figura 47. Ilustración del impacto de los agregados en el color para dos mezclas que tienen una composición similar, excepto el agregado: (a) pórfido azul y (b) pórfido rojo ... 72

Figura 48. Evaluación de la fricción del pavimento de color rojo ... 73

Figura 49. Ejecución de mezcla asfáltica coloreada ... 74

Figura 50. Carril de tránsito rápido de autobús – Ontario, Canadá ... 75

Figura 51. Carril bus – Manhattan, Estados Unidos ... 75

Figura 52. Carriles exclusivos... 76

Figura 53. Berma de color azul y verde para tránsito peatonal o ciclista ... 76

Figura 54. Superficie en túnel ... 76

Figura 55. Ciclovías de pavimento de color ... 77

Figura 56. Espacios públicos - San Sperate (Cerdeña) - Italia ... 77

Figura 57. Los 3 factores de percepción visual: tono – saturación – claridad ... 79

Figura 58. Una fuente, un objeto, dos observadores. Cada uno ve “en su cabeza” a su manera ... 79

Figura 59. Los 3 elementos del trinomio: fuente – objeto - observador ... 80

Figura 60. Espectro visible por el ojo humano (longitud de ondas – nm) ... 80

Figura 61. Distribución de energía espectral del iluminante D65 – luz del día ... 81

Figura 62. Curva espectral de la bola roja ... 82

Figura 63. Esquema del ojo humano y los componentes que influyen a la visión a color ... 82

Figura 64. Experimento de síntesis aditiva de luces ... 83

Figura 65. Funciones colorimétricas 𝑥, 𝑦, 𝑧 del observador patrón 2° y 10° ... 84

Figura 66. Principio de cálculo de los valores triestímulos XYZ ... 85

Figura 67. Valores triestímulos XYZ de la bola de billar para D65/2° ... 85

Figura 68. Diagrama de cromaticidad CIE 1931 ... 86

Figura 69. Geometría de medición 45°/0° ... 87

Figura 70. Esquema de experimento y variables. ... 90

Figura 71. Diagrama de diseño de experimento puro ... 90

Figura 72. Flujograma del proceso y desarrollo de la investigación ... 97

Figura 73. Ubicación de cantera de agregados ... 98

Figura 74. Muestreo de agregados de cantera ... 99

Figura 75. Procedimiento para el cuarteo manual ... 100

Figura 76. Proceso de cuarteo; por ejemplo, piedra chancada 3/4" ... 100

Figura 77. Secado de muestras de agregados para el tamizado ... 102

Figura 78. Tamizado manual; por ejemplo, piedra chancada 1/2"... 103

Figura 79. Agregado grueso – Piedra chancada 3/4" ... 104

Figura 80. Curva granulométrica - Piedra chancada 3/4"... 105

Figura 81. Agregado grueso – Piedra chancada 1/2" ... 105

Figura 82. Curva granulométrica - Piedra chancada 1/2"... 106

Figura 83. Agregado fino – Arena chancada ... 107

Figura 84. Curva granulométrica - Arena chancada ... 108

Figura 85. Agregado fino – Arena natural ... 108

Figura 86. Curva granulométrica - Arena natural ... 109

Figura 87. Cemento asfáltico PEN 60/70 ... 111

Figura 88. Pigmento inorgánico – óxido de hierro rojo (tipo gránulos) ... 112

(14)

Figura 89. Diagrama de adición del pigmento inorgánico ... 112

Figura 90. Curva granulométrica – Gradación D-5 ASTM D3515 ... 115

Figura 91. Carta de viscosidad vs temperatura PEN 60/70 – Temperatura de mezcla . 116 Figura 92. Carta de viscosidad vs temperatura PEN 60/70 – Temperatura de compactación ... 116

Figura 93. Peso Unitario VS. Cemento asfáltico – Diseño MAC convencional ... 118

Figura 94. Vacíos de aire (Va) VS. Cemento asfáltico – Diseño MAC convencional . 118 Figura 95. Vacíos en el agregado mineral (VMA) VS. Cemento asfáltico – Diseño MAC convencional ... 119

Figura 96. Flujo VS. Cemento asfáltico – Diseño MAC convencional ... 119

Figura 97. Vacíos llenos de asfalto (VFA) VS. Cemento asfáltico – Diseño MAC convencional ... 119

Figura 98. Estabilidad VS. Cemento asfáltico – Diseño MAC convencional ... 119

Figura 99. Molde de compactación ... 120

Figura 100. Detalle y tolerancias del molde de compactación. ... 121

Figura 101. Martillo de compactación con operación mecánica ... 122

Figura 102. Detalle y tolerancias de martillo de compactación ... 122

Figura 103. Hornos calentadores ... 123

Figura 104. Equipo misceláneo para preparación de especímenes ... 123

Figura 105. Número de especímenes: (a) 04 especímenes compactados, (b) 01 espécimen es estado suelto. ... 124

Figura 106. Separación y almacenaje de las fracciones de tamaño del agregado ... 125

Figura 107. Pesaje de cada fracción de tamaño del agregado por cada espécimen ... 132

Figura 108. Agregado para cada espécimen con diferente contenido de pigmento ... 132

Figura 109. El agregado combinado es calentado a la temperatura de mezcla ... 132

Figura 110. Cemento asfáltico calentado a la temperatura de mezcla ... 133

Figura 111. Asfalto adicionado al agregado en el peso necesario ... 133

Figura 112. Mezcla de los agregados y el asfalto sobre una placa calentadora ... 133

Figura 113. Pesaje del pigmento para cada contenido de pigmento ... 134

Figura 114. Adición del pigmento a la mezcla asfáltica convencional ... 134

Figura 115. Mezcla asfáltica en caliente modificada con pigmento inorgánico rojo.... 134

Figura 116. Control de temperatura de mezcla 158°C ... 135

Figura 117. Colocación de la mezcla en el molde ... 135

Figura 118. Control de temperatura de compactación ... 136

Figura 119. Proceso de compactación de espécimen con martillo Marshall ... 136

Figura 120. Especímenes en molde ya compactados ... 136

Figura 121. Extracción de espécimen del molde de compactación ... 137

Figura 122. Especímenes compactados para diferentes porcentajes de pigmento ... 137

Figura 123. Equipo de ensayo para medir el color - Espectrofotómetro ... 138

Figura 124. Verificación de calibración de espectrofotómetro ... 138

Figura 125. Medición del color de la mezcla asfáltica en caliente modificada con pigmento inorgánico rojo ... 139

Figura 126. Coordenada cromática x e y obtenida con espectrofotómetro para una mezcla asfáltica con 8.5% de pigmento inorgánico rojo ... 139

Figura 127. Ubicación de las coordenadas cromáticas (color) en el diagrama CIExy para una mezcla asfáltica con de pigmento inorgánico rojo ... 140

Figura 128. Longitud de onda dominante 597 nm ... 141

Figura 129. Equipos de ensayo y muestra para gravedad específica bulk (Gmb) ... 142

Figura 130. Peso en el aire del espécimen seco ... 143

Figura 131. Control de temperatura y tiempo del espécimen sumergido en agua ... 143

(15)

Figura 132. Peso del espécimen en agua - Gmb ... 144

Figura 133. Peso en el aire del espécimen saturado con superficie seca ... 144

Figura 134. Equipos de ensayo Rice – gravedad específica teórica máxima (Gmm) ... 146

Figura 135. Mezcla suelta para ensayo Rice... 146

Figura 136. Peso de picnómetro más placa, más agua a 25 ±0.5°C ... 147

Figura 137. Peso de la muestra de mezcla asfáltica suelta ... 148

Figura 138. Extracción del aire en la mezcla con equipo Rice ... 148

Figura 139. Pesado de picnómetro más placa, más muestra, más agua a 25°C ... 148

Figura 140. Gmm de la MAC modificada con pigmento inorgánico rojo ... 150

Figura 141. Equipos de ensayo para estabilidad y flujo Marshall ... 153

Figura 142. Colocación de especímenes en baño maría a 60 ± 1°C ... 154

Figura 143. Espécimen con cabezal de ruptura en la máquina de carga ... 154

Figura 144. Finalización de ensayo con resultados en pantalla digital ... 154

Figura 145. Variación del peso unitario de la MAC a diferentes % de pigmento ... 191

Figura 146. Regresión del peso unitario y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente... 192

Figura 147. Variación de los vacíos de aire de la MAC a diferentes % de pigmento ... 193

Figura 148. Regresión de los vacíos de aire y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente ... 194

Figura 149. Variación de vacíos en el agregado mineral de la MAC a diferentes % de pigmento ... 195

Figura 150. Regresión de los vacíos en el agregado mineral y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente ... 196

Figura 151. Variación de vacíos llenos de asfalto de la MAC a diferentes % de pigmento ... 197

Figura 152. Regresión de los vacíos llenos de asfalto y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente ... 198

Figura 153. Variación de la estabilidad de la MAC a diferentes % de pigmento ... 200

Figura 154. Regresión de la estabilidad y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente... 201

Figura 155. Variación del flujo de la MAC a diferentes % de pigmento ... 202

Figura 156. Regresión del flujo y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente ... 203

Figura 157. Ubicación de coordenadas cromáticas en el diagrama de cromaticidad CIExy para MAC a diferentes % de pigmento ... 205

Figura 158. Ubicación de coordenadas cromáticas en el diagrama CIExy - MAC a diferentes % de Pigmento ... 207

Figura 159. Variación de la coordenada cromática “x” de la MAC a diferentes % de pigmento ... 208

Figura 160. Variación de la coordenada cromática “y” de la MAC a diferentes % de pigmento ... 208

Figura 161. Variación de la intensidad del color de la MAC a diferentes % de pigmento ... 209

Figura 162. Regresión de la intensidad del color y el porcentaje de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente ... 210

Figura 163. Determinación de la proporción óptima de pigmento inorgánico rojo en la mezcla asfáltica en caliente... 212

Figura 164. Proporción óptima de pigmento inorgánico rojo para la intensidad del color ... 213

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SIGLAS O ABREVIATURAS

MTC: Ministerio de Transportes y Comunicaciones

AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials (Asociación Americana de Autoridades Estatales de Carreteras y Transporte)

ASTM: American Society for Testing Materials (Asociación Americana para el Ensayo de Materiales)

EG-2013: Especificaciones técnicas generales para la construcción – 2013 (Manual de Carreteras)

FHWA: Federal Highway Administration – USA (Administración federal de Carreteras) MINSA: Ministerio de Salud del Perú

MSV: Manual de Seguridad Vial

NCHRP: National Cooperative Highway Research Program – USA (Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras)

HMA: Hot Mix Asphalt (Mezcla asfáltica en caliente) VFA: Voids Filled with Asphalt (Vacíos llenos de asfalto)

VMA: Voids in the Mineral Aggregate (Vacíos en el agregado mineral) MAC: Mezcla asfáltica en caliente

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RESUMEN

La coloración de las mezclas asfálticas de los pavimentos flexibles es una alternativa que tiene un aporte fundamental con la seguridad vial, debido a que pueden mejorar la visibilidad y legibilidad sin impactar significativamente la textura y fricción de los pavimentos; según los antecedentes de investigación. Sin embargo, esta coloración de la mezcla asfáltica puede modificar sus propiedades volumétricas y mecánicas como la estabilidad y el flujo. En ese sentido, esta investigación tiene como objetivo determinar el efecto de la adición de pigmento inorgánico en las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, haciendo uso de la metodología Marshall para el diseño de una mezcla asfáltica en caliente de gradación densa y para la evaluación de sus propiedades volumétricas y mecánicas conforme se va incrementado la dosificación de pigmento inorgánico. Asimismo, se tiene por objetivo medir el color de la mezcla asfáltica en base al sistema CIExy 1931. Para tal efecto, se somete a evaluación especímenes de mezcla asfáltica en caliente fabricados en laboratorio, con dosificaciones desde 0.0% al 10.0% de pigmento inorgánico (gránulos de óxido de hierro rojo), rango de dosificación definida en función a los antecedentes de investigación que señalan dosificaciones hasta el 6.0%, sin embargo, esta investigación a fin de ampliar el conocimiento sobre la incorporación de pigmentos a las mezclas asfálticas, incrementa el rango de dosificación; se determina el peso unitario (Pu), los vacíos de aire (Va), los vacíos en el agregado mineral (VMA), los vacíos llenos de asfalto (VFA), la estabilidad y flujo Marshall, así como las coordenadas cromáticas xy e intensidad de color de la mezcla asfáltica.

En base a la comparación de los resultados de la mezcla asfáltica en caliente del grupo control (sin pigmento) y grupo experimental (con pigmento), y a partir del análisis estadístico, se logra determinar que el pigmento inorgánico rojo influye sobre las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente con un alto grado de correlación, es decir, una modificación en la dosificación del pigmento genera un cambio en las propiedades de la mezcla. Sin embargo, estas modificaciones no tienen efectos significativos en las propiedades volumétricas y mecánicas para dosificaciones menores al 5.50% de pigmento. Asimismo, se determina que existe una modificación significativa del color para dosificaciones entre el 1.50% al 7.0% de pigmento. Por lo tanto, se concluye que, para dosificaciones entre el 1.50% al 5.50%, la mezcla asfáltica en caliente tiene un color rojo con propiedades muy similares a una mezcla asfáltica en

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caliente convencional, y además cumple con las especificaciones técnicas exigidos por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú.

Palabras clave: mezclas asfálticas coloreadas, propiedades volumétricas de mezclas coloreadas, propiedades mecánicas de mezclas coloreadas, pigmento inorgánico en mezclas asfálticas.

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ABSTRACT

The coloring of asphalt mixtures of flexible pavements is an alternative that has a fundamental contribution to road safety, because it can improve visibility and legibility without significantly impacting the texture and friction of the pavements, according to the research background. However, this coloration of the asphalt mixture can modify its volumetric and mechanical properties such as stability and flow. In this sense, this research aims to determine the effect of the addition of inorganic pigment on the volumetric and mechanical properties of the hot mix asphalt, using the Marshall methodology for the design of a hot mix asphalt of dense gradation and for the evaluation of its volumetric and mechanical properties as the dosage of inorganic pigment increases.

Likewise, the objective is to measure the color of the asphalt mixture based on the CIExy 1931 system. For this purpose, specimens of hot mix asphalt manufactured in the laboratory are evaluated, with dosages ranging from 0.0% to 10.0% of inorganic pigment (red iron oxide granules), a dosage range defined according to research precedents that indicate dosages up to 6. 0%; however, this research, in order to expand the knowledge on the incorporation of pigments to asphalt mixtures, increases the dosage range; the unit weight (Pu), air voids (Va), voids in the mineral aggregate (VMA), voids filled with asphalt (VFA), stability and Marshall flow, as well as the xy chromatic coordinates and color intensity of the asphalt mixture are determined.

Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)Based on the comparison of the results of the hot asphalt mixture of the control group (without pigment) and experimental group (with pigment), and from the statistical analysis, It is possible to determine that the red inorganic pigment influences the volumetric and mechanical properties of the hot asphalt mixture with a high degree of correlation, that is, a modification in the dosage of the pigment generates a change in the properties of the mixture. However, these modifications do not have significant effects on volumetric and mechanical properties for dosages less than 5.50% pigment. It is also determined that there is a significant color modification for dosages between 1.50% to 7.0% pigment.

Therefore, it is concluded that, for dosages between 1.50% to 5.50%, the hot asphalt mixture has a red color with properties very similar to a conventional hot asphalt mixture, and also complies with the technical specifications required by the Ministry of Transport and Communications of Peru.

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Keywords: colored asphalt mixtures, volumetric properties of colored mixtures, mechanical properties of colored mixtures, inorganic pigment in asphalt mixtures.

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INTRODUCCIÓN

Según la OMS los accidentes de tránsito y sus consecuencias, son uno de los mayores problemas de salud pública a nivel mundial. Sin embargo, los accidentes de tránsito pueden ser prevenibles y reducibles, promoviendo la investigación y construcción de vías de tránsito y movilidad más seguras; la legibilidad, la visibilidad y la fricción de los pavimentos son algunas características de una infraestructura vial segura. Por ello, algunos países en el mundo vienen aplicando la tecnología en mezclas asfálticas coloridas o pigmentadas, para obtener pavimentos de color que aporten con la seguridad vial. Sin embargo, la aplicación de esta tecnología es limitada en el Perú, lo que conlleva a la necesidad de mayor conocimiento respecto al desempeño de estas mezclas asfálticas coloridas, además de su cumplimiento con las especificaciones técnicas de la normativa nacional para ser aplicados en vías de tránsito vehicular.

Para estimar el posible desempeño de una mezcla asfáltica es necesario determinar sus propiedades volumétricas y mecánicas. Estas propiedades pueden ser determinadas bajo la metodología Marshall, mediante ensayos de laboratorio. Asimismo, la coloración de la mezcla asfáltica se puede medir matemáticamente mediante el sistema CIExy 1931.

En ese sentido, esta investigación aplica estas metodologías para determinar los efectos en las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, por adición de pigmento inorgánico rojo, y la medida de su color. Para ello la investigación consta de seis capítulos:

Capítulo I, Planteamiento de la Investigación, se desarrolla la necesidad del conocimiento de las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica colorida. Capítulo II, Marco Teórico, se desarrolla el sustento teórico y científica de las variables de estudio. Capítulo III, Marco Metodológico, se señala el método, enfoque, tipo, nivel y diseño de investigación, también la población, muestra e instrumentos de investigación. Capítulo IV, Desarrollo Metodológico de la Investigación, se trata todo el desarrollo experimental para obtener los datos de investigación. Capítulo V, Resultados y Análisis de Resultados, se muestran los resultados de las variables, así como su análisis en busca de resolver el problema de investigación. Capítulo VI, Conclusiones y Recomendaciones. Finalmente se presentan las referencias bibliográficas y anexos con la matriz de consistencia, el registro de instrumentos de recolección de datos, fichas técnicas y panel fotográfico.

(22)

CAPÍTULO I

PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

1.1 Planteamiento del Problema

Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) los accidentes de tránsito y sus consecuencias son uno de los mayores problemas de salud pública a nivel mundial. Cada año en el mundo cerca de 1.25 millones de personas fallecen a raíz de un accidente de tránsito, es decir más de 3,000 muertes diarias. Cerca de 50 millones de personas resultan heridas, constituyendo una causa importante de discapacidad en todo el mudo. Así mismo, los accidentes de tránsito son la causa principal de muerte de personas jóvenes en edades comprendidas entre los 15 y los 29 años en el mundo.

En el Perú, de acuerdo a estadísticas del Ministerio de Salud (MINSA) los accidentes de tránsito a lo largo del tiempo han tenido un comportamiento ascendente, aumentando en la última década del 2010 al 2019 en más del 13%, y acumulando en este periodo más de 920,000 accidentes. El último año 2019 se han registrado 94,685 accidentes con 3,245 fallecidos y 61,512 personas heridas producto de los accidentes de tránsito. Estas cifras representan un problema de gran impacto social y económico de la sociedad peruana.

Los accidentes de tránsito pueden ser prevenibles o minimizados, y esto se podría lograr tomando en consideración los cinco pilares de acción recomendados por la Organización de las Naciones Unidas (ONU).

(23)

La ONU proclamó el periodo 2011-2020 “Decenio de Acción para la Seguridad Vial”

con el objetivo general de estabilizar y reducir las cifras de víctimas mortales por accidentes de tránsito en todo el mundo. Para lo cual, encargó a la OMS y otros organismos internacionales se prepare el Plan Mundial para el Decenio de Acción para la Seguridad Vial 2011-2020 como documento orientativo que facilite el logro de sus objetivos. En dicho plan se resalta que, los países deben ejecutar sus actividades de estrategia en seguridad vial en conformidad con los cinco pilares de acción como: (i) Gestión de la Seguridad Vial; (ii) Vías de tránsito y movilidad más seguras; (iii) Vehículos más seguros; (iv) Usuarios de vías de transito más seguros: y (v) Respuesta tras los accidentes.

Vías de tránsito y movilidad más seguras es uno de los pilares señalados por la ONU para la prevención de accidentes de tránsito. Asimismo, en el Plan Mundial para el Decenio de Acción para la Seguridad Vial 2011-2020, se fomentan actividades de investigación y desarrollo relativas a la mayor seguridad en las vías de tránsito y la movilidad. (OMS, 2010)

El Manual Peruano de Seguridad Vial (MSV) del año 2017 que tiene como uno de sus objetivos estratégicos contribuir a la construcción de infraestructuras viales más seguras, a fin de reducir los índices de accidentes viales en el Perú. Señala como uno de los principios básicos de una la infraestructura vial segura, la LEGIBILIDAD de la vía, es decir la vía debe ser percibida e interpretada para que el conductor adapte su conducción a esas características, todos los usuarios deben realizar la misma lectura de la vía y la lectura debe ser fácil, amigable, rápida e inequívoca.

Una de las varias alternativas señaladas en el MSV para lograr la legibilidad y mejorar la seguridad vial de las infraestructuras, es generar la diferencia de color de la superficie de rodadura de los pavimentos. Asimismo, investigadores internacionales señalan que el uso de mezclas asfálticas coloreadas en la superficie de rodadura de los pavimentos aporta a la legibilidad y la seguridad vial, tal como a continuación se muestra alguno de ellos.

Liu et al. (2014) mencionan que el pavimento asfáltico coloreado se puede utilizar para la gestión de la seguridad vial y la práctica ha demostrado que: la señal guía para el flujo del tráfico del pavimento de color es mucho mejor que la marca en el pavimento. Por lo tanto, las carreteras de asfalto de color han sido ampliamente utilizados en carriles para bicicletas, aceras, carriles para autobuses, áreas peatonales, plazas y carriles de las carreteras de las ciudades en el mundo actual.

(24)

Marc et al. (2018) señalan que las mezclas asfálticas coloreadas tienen las siguientes ventajas: (i) mejora de las condiciones del tráfico, especialmente la visibilidad y seguridad de todos los usuarios; (ii) tiene agradable efecto estético del paisaje urbano; (iii) mejora los efectos de iluminación, especialmente en túneles; (iv) variedad de colores; y (v) disminución de la temperatura de la capa de rodadura.

Una forma de obtener estos pavimentos asfálticos coloreados es modificando el color tradicional de las mezclas asfálticas de la superficie de rodadura, para lo cual, es necesario aplicar una nueva tecnología en mezclas asfálticas modificadas con pigmentos.

En ese sentido, algunos países en el Mundo vienen desarrollando e implementando esta nueva tecnología en mezclas asfálticas modificadas con pigmentos, logrando modificar el color negro tradicional de las mezclas asfálticas convencionales, a fin de disponer vías de tránsito y movilidad más seguras y, estéticamente más agradables con el entorno.

El uso de pigmentos en el Perú se ha investigado y utilizado eventualmente en estructuras de concreto, generando concretos arquitectónicos con una función básicamente estética. Sin embargo, en mezclas asfálticas su aplicación es limitada, ya que existe poca investigación y experiencia constructiva en este tipo de tecnología.

Modificar el color de las mezclas asfálticas convencionales aporta con la seguridad vial como lo mencionan algunos investigadores, sin embargo, esta modificación del color por el uso de pigmentos genera efectos en las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente; conocer y cuantificar la modificación de estas propiedades es muy importante, ya que estas definen su durabilidad y desempeño.

Por lo tanto, la finalidad de esta investigación es determinar y cuantificar el efecto de la adición de pigmento inorgánico en las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente; tomando en consideración las condiciones locales de nuestro medio como son los materiales. De esta manera se puede entender el comportamiento de estos pigmentos al integrarse con los materiales como el agregado y el asfalto. Asimismo, se busca conocer su tratamiento y promover su aplicación en superficies de rodadura de los pavimentos asfálticos del Perú, a fin de lograr vías de tránsito y movilidad más seguras que aporten en minimizar y prevenir los accidentes de tránsito.

(25)

1.2 Formulación del Problema

1.2.1 Problema general

 ¿Qué efecto tiene la adición de pigmento inorgánico en las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019?

1.2.2 Problemas específicos

a) ¿Qué efecto tiene la adición de pigmento inorgánico en las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019?

b) ¿Qué efecto tiene la adición de pigmento inorgánico en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019?

c) ¿Cuál es el contenido óptimo de adición de pigmento inorgánico en la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019?

1.3 Objetivos de la Investigación 1.3.1 Objetivo general

 Determinar qué efecto tiene la adición de pigmento inorgánico en las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

1.3.2 Objetivos específicos

a) Identificar qué efecto tiene la adición de pigmento inorgánico en las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

b) Identificar qué efecto tiene la adición de pigmento inorgánico en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

c) Establecer el contenido óptimo de adición de pigmento inorgánico en la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

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1.4 Justificación de la Investigación

1.4.1 Justificación práctica

La presente investigación muestra la tecnología en mezclas asfálticas modificadas con pigmentos, en la que, se logra modificar el color negro del ligante asfáltico, a causa de la adición de pigmento inorgánico en la mezcla asfáltica en caliente.

La coloración de las mezclas asfálticas puede generar efectos en sus propiedades volumétricas y mecánicas. Razón por la cual, la presente investigación logra cuantificar estos efectos y, además determina la proporción óptima de pigmento inorgánico rojo, logrando obtener un color rojo adecuado sin afectar significativamente sus propiedades de la mezcla asfáltica en caliente.

Al finalizar esta investigación se podrá determinar el tratamiento adecuado sobre el uso de pigmentos inorgánicos, conociendo así sus beneficios de coloración y su comportamiento como un nuevo material dentro de las mezclas asfálticas. Se aporta al conocimiento sobre esta tecnología y se difunde su aplicación en la infraestructura vial del Perú.

1.4.2 Justificación metodológica

Se muestra la aplicación de la metodología Marshall para la elaboración y evaluación de las mezclas asfálticas pigmentadas; siendo una metodología antigua permite determinar las proporciones adecuadas de los materiales que componen la mezcla, además de evaluar sus propiedades volumétricas y mecánicas permitiendo estimar su posible desempeño en los pavimentos. Esta metodología sigue siendo utilizada en el Perú y otros países, asimismo está señalado en nuestra normativa nacional EG-2013.

Aprovechando esta metodología se desarrolló la parte experimental de la presente investigación que tiene las siguientes etapas: (1) Diseño Marshall de la mezcla asfáltica convencional. (2) Especímenes para el grupo control (0% de pigmento). (3) Especímenes para el grupo experimental. (4) Ensayos para determinar las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica: Gravedad específica Bulk (ASTM D-2726), Gravedad específica máxima (ASTM 2041), estabilidad Marshall (ASTM D-6927) y flujo Marshall (ASTM D- 6927. (5) Comparación de las propiedades volumétricas y mecánicas entre resultados de los ensayos del grupo control y del grupo experimental; se logra determinar la modificación del color y las propiedades de la mezcla asfáltica en caliente.

(27)

1.4.3 Justificación social

Los accidentes de tránsito y sus consecuencias de mortalidad y discapacidad de las personas, son un problema de salud pública, social y económica de la sociedad peruana. Debido a esta problemática es necesario promover la investigación y construcción de vías modernas con aplicación de nuevas tecnológicas, logrando infraestructuras viales más seguras e integrales, en beneficio de los más vulnerables (por ejemplo, los peatones, los ciclistas y motociclistas); previniendo así los accidentes debido al factor vía y el entorno. La presente investigación será una referencia en la aplicación de esta tecnología, quedando al acceso del gobierno central, regional y local, empresas y profesionales interesados en su aplicación.

1.4.4 Justificación técnica - económica

Las mezclas asfálticas pigmentadas son técnicamente más atractivas frente a otras soluciones, ya que el impacto en la textura y fricción es inferior a la técnica de aplicación convencional de pintura, evitando así ser una causa de accidentes viales por deslizamiento.

Asimismo, al tener un color natural propio de la mezcla se evita de esta manera los trabajos de repintado como práctica anti técnica utilizada en ciclovías o segregación de carriles.

1.5 Formulación de Hipótesis 1.5.1 Hipótesis general

 La adición de pigmento inorgánico modifica las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

1.5.2 Hipótesis específicos

a) La adición de pigmento inorgánico no afecta significativamente las propiedades volumétricas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

b) La adición de pigmento inorgánico no afecta significativamente las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

c) El contenido óptimo de pigmento inorgánico es superior al 3.0% en la mezcla asfáltica en caliente, Lima 2019.

(28)

1.6 Delimitación de la investigación

1.6.1 Delimitación espacial

La presente investigación se llevó a cabo en el km 19.6 de la Panamericana Sur, Lima - Perú, en el Laboratorio de pavimentos de la Concesionaria Rutas de Lima (RdL).

1.6.2 Delimitación temporal

Esta investigación se desarrolló durante los meses de junio a diciembre del año 2019.

1.6.3 Delimitación conceptual

La presente investigación abarca fundamentalmente conceptos de diseño y evaluación de mezclas asfálticas en caliente pigmentadas, mediante la aplicación de ensayos de laboratorio.

1.7 Viabilidad del Estudio

La presente investigación es viable debido a que se cuenta con todos los recursos necesarios para su desarrollo. El pigmento inorgánico fue proporcionado por la empresa italiana Iterchimica, asimismo los equipos de laboratorio y resto de materiales fueron proporcionados por la empresa Concesionaria Rutas de Lima.

1.8Variables

1.8.1 Variable Independiente

 Pigmento inorgánico

1.8.2 Variables Dependientes

 Propiedades volumétricas

 Propiedades mecánicas

(29)

1.9 Operacionalización de Variables

Tabla 1. Cuadro de operacionalización de variables

VARIABLE DE ESTUDIO

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

DEFINICIÓN

OPERACIONAL DIMENSIONES INDICADORES UNIDAD INSTRUMENTO

Variable Independiente

Pigmento Inorgánico

Se refiere normalmente a un mineral; generalmente un óxido o un sulfuro de uno o

más metales o metales de transición que en combinación

con el asfalto convencional (negro) de la mezcla asfáltica en caliente, logra modificar su

color

Como material adicionado a las mezclas

asfálticas para dar un color específico

Contenido de pigmento inorgánico

rojo de óxido de hierro

Porcentaje % Fichas de registro

Variables Dependientes

Propiedades Volumétricas

Relación entre peso y volumen de los componentes de la

mezcla asfáltica, como:

agregado, asfalto, pigmento y aire

Propiedades que reflejan la cantidad de vacíos de

aire y llenos de asfalto atrapados en la mezcla

Análisis volumétrico, gravedad específica de la mezcla suelta y

compactada

Peso unitario Vacíos de aire (Va) Vacíos en el agregado mineral (VMA)

Vacíos llenos con asfalto (VFA)

gr/cm3

%

% %

Norma ASTM D-1559 Norma ASTM D-6926 Norma ASTM D-2726/

MTC E514 Norma ASTM D-2041/

MTC E 508 Fichas de registro

Propiedades Mecánicas

Respuesta de los materiales o cuerpos ante la acción de una carga expresada mediante esfuerzos y deformaciones

Para verificar su desempeño estructural

de la mezcla con sus rangos normativos

Análisis de Estabilidad y

Fluencia

Estabilidad Marshall

Fluencia Marshall Kg

mm

Norma ASTM D-6927/

MTC E504 Fichas de registro

(30)

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes de la Investigación 2.1.1 Antecedentes nacionales

Según Molina Pacheco (2019) en la tesis de pregrado titulada “Efecto de los óxidos metálicos en las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas pigmentadas para diferenciación de flujo en vías”, investigación desarrollada en la Universidad Continental de la ciudad de Huancayo con el objetivo de determinar del efecto que produce la utilización de dos tipos de materiales para la pigmentación de mezclas asfálticas en caliente en las propiedades mecánicas como la estabilidad. Se aplica la metodología de diseño y evaluación Marshall para la muestra constituida por briquetas de mezcla asfáltica pigmentada dosificadas con óxido férrico y óxido de cromo, de tipo ocre, y de tipo industrializado. En porcentajes de 4%, 8%, 12% y 15% por sustitución del agregado fino, pasante malla N°200. Los resultados muestran que existe un efecto de óxidos metálicos en las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas, mediante una relación proporcional inversa. Es decir, la estabilidad disminuye con el aumento del porcentaje de óxidos y que el uso de pigmento industrializado proporciona mayor estabilidad que el uso del pigmento ocre. Llegando a la conclusión que el uso de pigmento industrializado sea óxido metálico férrico o cromo produce mayor estabilidad en las mezclas asfálticas.

(31)

Según Cervera Borja (2018) en la tesis de pregrado titulada “Influencia en las Propiedades Mecánicas de una Mezcla Asfáltica Incorporando Caucho Reciclado de Neumáticos, Cajamarca, 2016” esta investigación fue desarrollada en la Universidad Privada del Norte de la ciudad de Cajamarca teniendo como objetivo determinar la influencia en las propiedades mecánicas de la mezcla con la incorporación de caucho reciclado. Se utilizan partículas de caucho de neumáticos reciclados en cantidades de 0.5% y 1% con respecto al peso del agregado y a diferentes porcentajes de asfalto, para la fabricación de la mezcla asfáltica. Comparando y analizando los resultados del ensayo Marshall para determinar su influencia en las propiedades mecánicas se tiene como resultado que la incorporación de partículas de caucho reciclado influye de manera positiva en la mezcla asfáltica en caliente, incrementando y mejorando la interrelación del flujo con la estabilidad en un 50%. Llegando a la conclusión que la incorporación de caucho a las mezclas asfálticas mejora sus características de diseño en comparación a una mezcla convencional.

Según Ordoñez Lujano (2016) en la tesis de pregrado titulada “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas en Caliente, Empleando Cal, en los Aeropuertos del Sur del Perú”, investigación desarrollada en la Universidad Andina Néstor Cáceres en la ciudad Juliaca con el objetivo de estudiar el comportamiento mecánico de mezclas asfálticas en caliente, empleando cal, en los aeropuertos del sur del Perú. Con una muestra compuesta por especímenes fabricados en laboratorio con porcentajes de cal de 1%, 2% y 3%, y elaborados bajo el método de diseño de mezclas Marshall. De la comparación y el análisis de los resultados de estabilidad y flujo se determinó que hay una mejora en las propiedades físico–mecánicas de las mezclas asfálticas en caliente empleando cal. Debido a que la estabilidad se incrementa a medida que el contenido de asfalto y cal aumentan y el flujo disminuye con el aumento del contenido de asfalto y cal. El porcentaje óptimo de cal quedó constituido por 1% de cal. Concluyendo que las mezclas asfálticas en caliente empleando cal presentan un buen comportamiento mecánico debido al mejoramiento de la resistencia y la disminución de las deformaciones.

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Según Villalva Chancha (2019) en la tesis de pregrado titulada “Partículas Chatas y Alargadas y su Efecto en las Propiedades Mecánicas de Mezclas Asfálticas en Caliente para Diferentes Niveles de Tránsito”, esta investigación fue desarrollada en la Universidad Nacional del Centro del Perú de la ciudad de Huancayo teniendo como objetivo general determinar el efecto de las adiciones de partículas chatas y alargadas en las propiedades mecánicas de mezclas asfálticas en caliente para diferentes niveles de tráfico. Para tal efecto, se somete a ensayo Marshall y lavado asfáltico la muestra constituida por briquetas de mezcla asfáltica en caliente con adiciones de partículas chatas y alargadas en porcentajes de 5, 10, 20, 25, 30, 35 y 50%, y que sustituyen a los agregados de características normales en las mallas ½”, 3/8” y N°4. Obteniendo como resultado que las partículas chatas y alargadas generan una disminución de la estabilidad de la mezcla asfáltica en caliente conforme se va incrementado el contenido de estas partículas. Se tiene también que existe una variación significativa de la curva granulométrica debido al aumento de material fino. Llegando a la conclusión que las dosificaciones máximas de partículas chatas y alargadas no deben superar los límites de 13.82%, 27.43% y 32.74% para tráfico pesado, medio y ligero respectivamente.

2.1.2 Antecedentes internacionales

Según Tang et al. (2015) en el artículo de investigación titulada “Preparation and Pavement Performance of Colored Asphalt” [Preparación y desempeño de pavimentos de asfalto coloreado], fue desarrollado en Shandong, China teniendo por objetivo la producción y evaluación del desempeño del cemento asfáltico coloreado y la mezcla asfáltica coloreada. La muestra conformada por el aglutinante coloreado se preparó mezclando aceite aromático con resina de petróleo y polímeros. Luego, el aglutinante coloreado combinado con pigmentos inorgánicos (óxido de hierro rojo en polvo), agregados y aditivos resultó en una mezcla asfáltica coloreada. Las muestras de prueba fueron fabricadas mediante el método de diseño Marshall y se probaron los requisitos técnicos de la mezcla, tales como propiedades físicas, susceptibilidad a la humedad y estabilidad a altas temperaturas. Los resultados muestran evidencia que el cemento asfáltico coloreado posee un desempeño similar al del asfalto convencional. La mezcla asfáltica coloreada presenta mayor estabilidad, mejor valor de flujo y susceptibilidad a la humedad, así como mayor estabilidad a altas temperaturas, superando con creces los

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requisitos técnicos. Llegando a la conclusión que la mezcla asfáltica coloreada es adecuada para la construcción de pavimentos coloreados.

Según Marc et al. (2018) en la investigación titulada “Colored Asphalt Pavements”

[Pavimentos asfálticos coloreados] desarrollada en Jimbolia, Rumania. Este estudio de campo aborda las posibilidades de realizar mezclas asfálticas coloreadas corroboradas con los ensayos convencionales Marshall para determinar las características físicas y mecánicas. El caso de estudio se refiere a pruebas de campo y laboratorio a ciclovías en la localidad de Jimbolia, Rumania. Con un pavimento de capa de rodadura compuesto por mezcla asfáltica coloreada con óxido de hierro. Se tomaron muestras para ser analizadas mediante pruebas de laboratorio como: contenido de asfalto, densidad aparente, grado de compactación, estabilidad, índice de flujo, relación estabilidad/flujo. Los resultados arrojaron que las características Marshall en su mayoría cumplen dentro los límites de las especificaciones de la normativa de ese país.

El caso de estudio y las especificaciones técnicas llevaron a la conclusión de que el concreto asfáltico tiene buenas características mecánicas para un espesor mínimo de 4 cm. Concluyendo que no hay efectos significativos por la presencia de óxidos de hierro en la composición de las capas asfálticas.

Según Liu et al. (2017) en la investigación titulada “Field Evaluation of Red-Coloured Hot Mix Asphalt Pavements for Bus Rapid Transit Lanes in Ontario, Canada”

[Evaluación de campo de pavimentos de mezcla asfáltica en caliente de color rojo para carriles de transito rápido para autobuses en Ontario, Canadá] desarrollada en Ontario, Canadá teniendo por objetivo evaluar el desempeño de varios tipos de pavimentos de colores, implementados para indicar carriles de tránsito rápido para autobuses (Bus Rapid Transit - BRT), a fin de mantener un alto nivel de seguridad. Los tipos de pavimentos de color incluía la pintura epoxi y las mezclas asfálticas de color rojo. La investigación de campo se orientó en evaluar la textura y fricción del pavimento. Se encontró que, con una profundidad de textura significativamente menor, la superficie de pintura epoxi tiene desventajas con respecto al pavimento de asfalto rojo desde una perspectiva de textura y seguridad del pavimento. Las secciones de HMA rojo se observaron en niveles de fricción más bajos pero compatibles con el pavimento negro

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convencional. Concluyendo que el pavimento de mezclas asfáltica en caliente rojo tiene ventajas significativas con respecto a la pintura epoxi desde la perspectiva de la textura, la fricción y la seguridad del tráfico.

Según Liu et al. (2014) en la investigación titulada “Discussions on Materials Selection and Design of Colored Hot-mix Asphalt Mixture” [Discusiones sobre la selección de materiales y el diseño de la mezcla asfáltica caliente coloreada] efectuado en Hunan, China con el objetivo general de determinar la selección adecuada de los materiales para la producción de mezclas asfálticas en caliente de color. Obteniendo como resultado que la utilización de un nuevo asfalto sintético de color claro permite obtener mayor cantidad de colores. Sin embargo, son más caras debido a su producción complicada por los procesos petroquímicos modernos. Además, el asfalto sintético claro debe cumplir con las especificaciones técnicas del asfalto convencional, razón por la cual los métodos comúnmente utilizados para la producción de las mezclas asfálticas coloreadas se dan con el asfalto convencional. La coloración natural de los agregados no es significativa. Los pigmentos inorgánicos debido a su bajo costo y buena capacidad de coloración son los más recomendables para mezclas asfálticas coloreadas, asimismo, las altas temperaturas de mezcla no afectan demasiado al color con este tipo de pigmento. Finalmente, el método de diseño de mezclas asfálticas coloreadas recomendado es el método volumétrico Marshall.

Según Lutz Kohnert (2014) en su artículo de investigación “Superficies de Asfalto Coloreado: Una Larga Vida Útil” desarrollado en España señala que a menudo hay que hacer frente al prejuicio de que es imposible la coloración de los asfaltos oscuros. Sin embargo, la coloración de la mezcla asfáltica, se puede realizar actualmente sin problemas. Los pigmentos inorgánicos, como por ejemplo el óxido de hierro (rojo) y el óxido de cromo (verde), han demostrado su eficacia en la coloración del asfalto gracias a su resistencia a la decoloración y a los efectos de la intemperie. Los pigmentos rojos de alto poder colorante pueden cubrir perfectamente tanto el color oscuro del asfalto convencional añadiendo aproximadamente un 3-4% de pigmento y como el asfalto sintético de solo el 1-2% de pigmento. Por este motivo, el rojo de óxido de hierro se ha convertido en el pigmento más importante para este campo de aplicación.

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Según Páez Dueñas (2007) en su artículo de investigación “Mezclas Bituminosas Fabricadas con Betunes Sintéticos Coloreables” desarrollado en España teniendo por objetivo comparar las propiedades de los asfaltos sintéticos respecto a un asfalto