CAPÍTULO 4

MEZCLAS BITUMINOSAS. 4.1 INTRODUCCIÓN. El empleo del alquitrán en pavimentación se remonta a 1830. A partir de ese momento la técnica se desarrolla en paralelo con la iluminación con gas, en cuya fabricación se obtenía dicho ligante como subproducto. Tras ser empleado en riegos, los primeros aglomerados realizados in situ con alquitrán se ejecutaron en algunas carreteras y vías urbanas del Reino Unido: diversas calles de Londres se pavimentaron así hacia 1850. Entorno a 1870 se empezaron a realizar en Estados Unidos mezclas fabricadas a partir de rocas asfálticas y de asfaltos naturales, si bien estos materiales ya habían sido empleados en 1810 en algunas pavimentaciones en Burdeos y Lyon. También hacia 1870, como consecuencia de la industria del desarrollo del petróleo, se comenzaron a emplear betunes de destilación, subproductos obtenidos en dicha industria. En la última década del siglo XIX el norteamericano C. Richardson sentó las bases de la tecnología de las mezclas asfálticas para pavimentación. Pero, la industria de la fabricación en planta de las mismas no surgió hasta después de la I Guerra Mundial. El siguiente hito en el desarrollo tecnológico de estos materiales hay que situarlo en la II Guerra Mundial, derivado principalmente de las necesidades de construcción acelerada de pistas de aeródromos militares. [KRAEMER CARLOS Y A DEL VAL. MIGUEL, 1982] Actualmente las mezclas bituminosas no solo se emplean como pavimentos de calles y carreteras, sino también en otro tipo de infraestructuras con tráfico: aeropuertos, superficies industriales, pistas deportivas. En ocasiones se emplean en las capas inferiores de los firmes. 4.2 DEFINICIÓN. Se llaman mezclas bituminosas aquellas constituidas por una combinación de árido y un ligante hidrocarbonado, de manera que las partículas queden cubiertas por una película continua de éste. Se fabrican en forma mecánica en centrales fijas o móviles, se transportan después a obra y allí se extienden y compactan. Para la fabricación de las mezclas bituminosas los áridos se clasifican en fracciones uniformes a partir de las cuales se compone la granulometría elegida. Los ligantes intervienen en las mezclas en proporciones diferentes según el tipo de formulación. Pueden situarse entre el 3 % y 10 % sobre el peso de los áridos; en volumen la proporción se sitúa entre el 8 % y el 25 %. En principio, cualquier ligante hidrocarbonado puede emplearse para la fabricación de mezclas bituminosas, pero los que en nuestro país se usan son los betunes de penetración 60-70 (AP5) y 85-100 (AP3) para las llamadas mezclas bituminosas en caliente.

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4.3 CLASIFICACIÓN. En función del parámetro que se considere para establecer las diferencias entre los distintos tipos de mezclas, podemos tener las siguientes clasificaciones (Tabla 4.1). [KRAEMER CARLOS Y A DEL VAL. MIGUEL-1982] 4.3.1. Fracciones de árido empleadas. En primer lugar, por analogía con otros materiales, las mezclas bituminosas pueden clasificarse según las fracciones de árido empleadas:

Mástico bituminoso: fíller más betún. Mortero bituminoso: árido fino más mástico. Macadán bituminoso: árido grueso más betún. Hormigón bituminoso: árido grueso más mortero.

La diversidad de materiales requiere, sin embargo, clasificaciones más precisas, siguiendo diferentes criterios de construcción o composición. Tabla 4.1. Clasificación de las mezclas bituminosas.

PARÁMETRO DE CLASIFICACIÓN TIPO DE MEZCLA

FRACCIONES DE ÁRIDO EMPLEADAS

MÁSTICO MORTERO MACADÁN HORMIGÓN

TEMPERATURA DE PUESTA EN OBRA EN FRÍO EN CALIENTE

% DE HUECOS DE LA MEZCLA

CERRADAS (h < 6) SEMICERRADAS (6 < h < 12) ABIERTAS (h >12) POROSAS (h > 20)

TAMAÑO DEL ÁRIDO O TEXTURA SUPERFICIAL

GRUESA (t máx. > 8 mm) FINA ((t máx. < 8 mm)

ESTRUCTURA DEL ÁRIDO CON ESQUELETO MINERAL SIN ESQUELETO MINERAL

GRANULOMETRÍA CONTINUAS DISCONTINUAS

4.3.2. Temperatura de puesta en obra.

a) Mezclas bituminosas en frío.

En las mezclas bituminosas en frío, el ligante suele ser una emulsión bituminosa o un asfalto diluido (en el Ecuador se usa el betún fluidificado RC-250), por lo que, aunque en la fabricación pueda ser necesario un cierto calentamiento, la puesta en obra se realiza a temperatura ambiente. Las mezclas en frío tienen su principal campo de aplicación en la construcción y en la conservación de carreteras secundarias.

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b) Mezclas bituminosas en caliente. Las mezclas bituminosas en caliente se fabrican con betunes de penetración a temperaturas suficientemente elevadas (en general por encima de los 150 ºC) en función de la viscosidad del ligante. La puesta en obra se realiza también a temperaturas muy superiores a la ambiente, pues en caso contrario estos materiales no pueden extenderse y menos aún compactarse adecuadamente. Las mezclas bituminosas en caliente son las de uso generalizado en nuestro país, se emplean tanto en la construcción como rehabilitación de las carreteras de principal importancia, en vías urbanas como en autopistas, carreteras de todo tipo y pistas de aeropuertos. Lógicamente, para tal variedad de aplicaciones existen mezclas en caliente con muy diferentes características. En el Ecuador las mezclas asfálticas en caliente, aun con diversas granulometrías son del tipo hormigón bituminoso, es decir, están formadas por árido grueso, árido fino, fíller y betún, siendo su granulometría sensiblemente continua. 4.3.3. Porcentaje de huecos en mezcla. Tras la compactación, incluso en las mezclas más cerradas, la compacidad no suele ser absoluta. La existencia de un cierto porcentaje de huecos es imprescindible para que no se produzcan deformaciones plásticas como consecuencia del paso de las cargas y de las variaciones térmicas. Por ejemplo, en España, las mezclas normalizadas tienen más de un 3 % de huecos en mezcla; si dicho porcentaje no supera un 6 %, se habla de mezclas densas o cerradas, mientras que cuando supera el 12 % se denominan abiertas. Hay finalmente, mezclas en las que el porcentaje de huecos es superior al 20 %; son las denominadas drenantes o porosas. Hacemos referencia a esta clasificación, para ubicar a las mezclas abiertas y porosas usadas como capa de rodadura, las mismas que serán objeto de diseño en el presente estudio. En Ecuador, se hace referencia a las mezclas abiertas, pero como capas de base o intermedias del pavimento. [MOP-001-F-2002]

a) Mezclas cerradas.

Estas mezclas, también denominadas densas, son las más empleadas para capas de rodadura. El pequeño porcentaje de huecos (3 a 5 % según las especificaciones MOP-Ecuador 2002) hace que sean prácticamente impermeables, cumpliendo así la misión del pavimento de proteger a las capas inferiores del firme y la explanada de la acción del agua. Sin embargo, salvo quizás las mezclas de tipo mástico, nunca son totalmente impermeables e incluso la infiltración de agua puede ser importante a través de fisuras y grietas. Dos hechos importantes nos llevan a comentar que aún las mezclas cerradas no son totalmente impermeables:

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Bandeja

Placa permeable de cobre

Agua

Dispositivo separable del

Medidor de DialMedidor de dial con

resolución de 1/1000 (0,025 mm)

102 mm (4")

Probeta de Ensayo

Fig. 4.1. Esquema medida de le expansión en Ensayo Hveem.

El porcentaje de vacíos que se acepta en una mezcla densa (3-5 %). Cuando se realiza el diseño de mezclas mediante el método Hveem ASTM D-1560

(Fig. 4.1), existe una etapa de ensayo llamada de expansión, que “mide la cantidad de agua que se filtra dentro o a través de una probeta, y la cantidad de expansión que el agua causa. También mide la permeabilidad de la mezcla: su capacidad de permitir que el agua pase a través de ella”. [MOP-001-F-2002] Además da un rango de expansión permisible “menos que 0,030 pulgadas (0,762 mm)”.

En las prescripciones españolas las mezclas cerradas se denominan densas (D y DF) y semidensas (S) [KRAEMER CARLOS Y A DEL VAL. MIGUEL-1982]. Dentro de las especificaciones MOP-Ecuador 2002 las mezclas cerradas se designan por tipo A, B y C y las semicerradas como tipo C y D. [MOP-001-F-2002] También son mezclas densas los morteros bituminosos empleados en pavimentación urbana y los denominados asfaltos fundidos.

b) Mezclas semicerradas. Son bastante parecidas a las anteriores. La diferencia estriba en curvas granulométricas que se alejan sensiblemente de la máxima compacidad, menores contenidos de fíller y, en consecuencia, menores contenidos de ligante. Sin embargo, los criterios de proyecto que se suelen seguir con estas mezclas son prácticamente los mismos que con las mezclas cerradas. Aunque menos impermeables, las mezclas semicerradas presentan algunas ventajas sobre las cerradas: resultan de menor precio y son menos críticas frente a los fenómenos de deformación plástica. Al igual que en nuestro país, su campo de aplicación se centra en las capas intermedias y de base.

c) Mezclas abiertas. Están formadas fundamentalmente por árido grueso y por betún con bajas proporciones de árido fino, de manera que existe en ellas una estructura mineral que resiste al rozamiento

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interno, al contrario que en las mezclas cerradas y semicerradas en las que el efecto de la cohesión del mástico es importante. Dentro de estas mezclas pueden situarse los macadanes bituminosos y las que en las prescripciones españolas se denominan mezclas abiertas (A y AF). Debido a su gran flexibilidad están especialmente recomendadas en capas de rodadura de pequeño espesor (hasta 5 cm.) sobre capas granulares en firmes que en general soportan tráficos ligeros; para retrasar su envejecimiento se suelen sellar con lechadas bituminosas. Con mayores espesores pueden emplearse, en todo tipo de carreteras para capas de base. Según las especificaciones MOP-Ecuador 2002 las mezclas abiertas se denominan F y G, sin embargo se especifican solamente como capas de base e intermedias del firme y no como capas de rodadura. Mezclas porosas o drenantes.

Se definen “como aquella mezclas bituminosas cuyo contenido de vacíos es suficientemente altos para permitir que a través de ella se filtre el agua lluvia con rapidez y pueda ser evacuada hacia las bermas, cunetas u otros elementos de drenaje, evitando su permanencia en la capa de rodadura, incluso bajo precipitaciones intensas y prolongadas”. [MONTEJO ALFONSO, 2002] Son mezclas con un porcentaje muy elevado de huecos (20-28 %), lo que les proporciona una gran permeabilidad. Utilizadas en capas de rodadura en espesores de unos 4 cm. se consigue que el agua de lluvia caída sobre la calzada se evacue rápidamente por infiltración y se escurra lateralmente hacia las bermas, cunetas u otros elementos de drenaje. La impermeabilidad que debe tener el firme para proteger la explanada es garantizada mediante la capa inferior. (Fig. 4.2)

capa impermeable

capa drenante

Fig. 4.2. Capas de un firme drenante.

La porosidad se consigue empleando granulometrías con reducidos contenidos de arena, en general por debajo del 15 %. La superficie específica del árido resulta así notablemente inferior a la de una mezcla cerrada, con lo que con porcentajes de ligantes no muy elevados (4,5 sobre peso del árido) se consigue un apreciable espesor de película que confiere a la mezcla durabilidad y resistencia al envejecimiento.

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Como mezclas en caliente para tráficos pesados se empezaron a emplear en España en 1980 y fue el primer país en estudiar a profundidad este tipo de mezclas. La experiencia ha sido muy positiva en diferentes zonas. El objetivo inicial que se buscó con estas mezclas fue mejorar las condiciones de circulación vehicular en situaciones de lluvia. Los estudios que se realizaron fueron enfocados hacia el desarrollo de una metodología de diseño y de control y dieron como resultado la normalización de los siguientes ensayos:

• Caracterización de mezclas bituminosas abiertas mediante el empleo del Ensayo Cántabro NLT-352.

• Determinación de la permeabilidad in situ mediante el empleo del permeámetro LCS, NLT-327. (Fig. 4.3)

Fig. 4.3. Permeámetro Zarauz (izquierda) y LCS (derecha).

Entre las principales ventajas de las mezclas drenantes tenemos: [VARGAS JANETH, 2003]

• Eliminación del hidroplaneo e incremento de la adherencia. Debido al elevado porcentaje de vacíos, evita que se cree una lámina de agua en la superficie y por consiguiente incrementa la adherencia entre las llantas de los vehículos y la estructura del pavimento ante el efecto de las lluvias, dando mayor seguridad a los usuarios.

• Reducción de las proyecciones de agua. Al mantener la superficie del pavimento libre

de agua cuando está lloviendo, impiden que se produzca el levantamiento (“splash”) y pulverización (“spray”) del agua al paso de los vehículos mejorando notablemente la visibilidad del usuario.

• Menor deslumbramiento por los faros de los vehículos. Durante la noche, en un

pavimento de superficie lisa mojado por la lluvia, los conductores se enfrentan al problema del deslumbramiento debido a la reflexión de la luz sobre el pavimento. Por el contrario, los pavimentos de textura rugosa dispersan la luz, por lo tanto, reducen el problema del deslumbramiento permitiendo al conductor ver mejor la señalización horizontal.

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• Reducción del ruido al paso del vehículo. Las mezclas drenantes tiene la capacidad de absorber los ruidos provocados principalmente por el contacto que se produce entre el neumático y el pavimento cuando el vehículo está en movimiento. Los huecos interconectados entre sí, permiten el paso del aire, atenuando los efectos sonoros.

En este tipo de mezcla abierta, la película de ligante debe ser gruesa, con el fin de asegurar, además de la cohesión, un buen comportamiento al envejecimiento, una buena adhesividad pasiva, favoreciendo por tanto la durabilidad del revestimiento sin que este espesor de película dé origen a problemas de pérdida de estabilidad del aglomerado.

4.3.4. Tamaño del árido.

Por el tamaño máximo del árido, cabe distinguir las mezclas de textura gruesa, en las que dicho tamaño máximo excede los 8 mm, y las de textura fina, también llamadas micro-aglomerados, en las que dicho tamaño máximo no superan ese valor. Estas mezclas de textura fina, por analogía con las mezclas con cemento, pueden denominarse también morteros bituminosos, pues se trata de mezclas de árido fino y ligante.

a) Mezclas finas, morteros o micro-aglomerados. En su sentido más amplio, las más extendidas dentro de estas mezclas son las lechadas bituminosas. Tanto las lechadas y micro-aglomerados en frío como los micro-aglomerados en caliente son por su pequeño espesor (inferior a 3 cm.) tratamientos superficiales, con gran variedad de aplicaciones. Tradicionalmente se consideraban especialmente adecuados para zonas urbanas. Sin embargo, actualmente existen también micro-aglomerados con texturas más rugosas, próximas a las de las mezclas gruesas, y que son empleadas con éxito en autopistas y carreteras importantes. Se recurre en estos casos a granulometrías especiales, agregados de gran calidad y betunes modificados. En este campo se está produciendo uno de los principales desarrollos en la tecnología de pavimentación de carreteras, con proliferación incluso de patentes industriales.

b) Mezclas gruesas.

Para las mezclas gruesas los tamaños máximos nominales de árido especificado son 10, 12, 20 y 25 mm, según la normativa española. Sin embargo tienen el inconveniente de que si no se extienden en capas de suficiente espesor se pueden producir arrastres del árido durante la puesta en obra. 4.3.5. Estructura del árido. Por la estructura interna del árido se distinguen las mezclas que tienen un esqueleto mineral resistente, en las que la componente de resistencia debida al rozamiento interno de los áridos es notable, y aquellas otras que carecen de dicho esqueleto mineral (la resistencia es debida exclusivamente a la cohesión del mástico). En el primer grupo se sitúan los macadanes bituminosos y todas las mezclas que, genéricamente, se denominan hormigones bituminosos, aunque en éstos parte de la resistencia se debe a la cohesión que proporciona el mástico. En el segundo grupo se incluyen todos los

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tipos de másticos y los llamados asfaltos fundidos, en los que el eventual árido grueso es un simple relleno en una masa que prácticamente carece de huecos.

a) Mezclas con esqueleto mineral (hormigones y macadanes bituminosos) Estas mezclas, sobre todo los hormigones, son las más usadas en casi todos los países incluido el Ecuador. Tabla 4.2 [KRAEMER CARLOS, 1982] Se adaptan a cualquier tipo de solicitación y de capa (para espesores muy pequeños, en vez de hormigones se emplean morteros) y son más económicas que las mezclas sin esqueleto mineral, debido a que su contenido de ligante es más reducido. Todas las mezclas especificadas por el Ministerio de Obras Públicas del Ecuador (MOP) tienen esqueleto mineral. Tabla 4.3 [2 MOP-001-F-2002]

b) Mezclas sin esqueleto mineral (másticos y asfaltos fundidos). Se trata de mezclas con elevadas proporciones de polvo mineral y de betún, de manera que si existe árido grueso se halla disperso en la masa que forma el mástico. Como se ha señalado, este tipo de mezclas no trabajan por rozamiento interno y su resistencia se debe a la cohesión que proporciona la viscosidad de dicho mástico. 4.3.6. Granulometría. Según la granulometría de los áridos, se pueden clasificar las mezclas en continuas y discontinuas, incluso hay mezclas de granulometría uniforme como los denominados macadanes bituminosos. Estos tienen un tamaño único de árido y se emplean fundamentalmente en tareas de conservación: su importancia mecánica es relativamente marginal.

Tabla 4.2. Husos granulométricos para mezclas bituminosas en caliente según normativa española.

HUSO GRANULOMÉTRICO

CERNIDO ACUMULADO (% en masa) CEDAZOS Y TAMICES UNE

40 25 20 12.5 10 5 2.5 630 μmm 320 μmm 160 μmm 80 μmm

DENSO D8 D12 D20

100

100 80-95

80-95 65-80

100 72-87 60-75

70-90 50-65 47-62

45-70 35-50 35-50

18-34 18-30 18-30

12-25 13-23 13-23

8-17 7-15 7-15

5-10 5-8 5-8

SEMI-DENSO

S12 S20 S25

100

100 85-95

100 80-95 75-88

80-95 65-80 60-75

71-86 60-75 55-70

47-62 43-58 40-55

30-45 30-45 30-45

15-25 15-25 15-25

10-18 10-18 10-18

6-13 6-13 6-13

4-8 4-8 4-8

GRUESO G20 G25

100

100 75-95

75-95 65-85

55-75 47-67

47-67 40-60

28-68 26-44

20-35 20-35

8-20 8-20

5-14 5-14

3-9 3-9

2-4 2-6

ABIERTO A12 A20

100 100 65-90

65-90 45-70

50-75 35-60

20-40 15-35

5-20 6-20 2-4

2-4 DRENANTE O POROSO

P12 PA12 100

100 75-100 70-100

60-90 50-80

32-50 15-30

10-18 10-22

6-12 6-13 3-6

3-6

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Tabla 4.3. Husos granulométricos para mezclas bituminosas en caliente.

Tamaño de

agregado

Tipo de mezcla

A B C D E F G

38,1 mm (1 ½”) ------ ------ ------ ------ 100 ------ 100

25,4 mm (1”) ------ ------ 100 100 75 - 100 100 70 - 100

19,0 mm (3/4”) ------ 100 80 -1 00 75 - 100 60 - 85 70 - 100 50 - 80

12,7 mm (1/2”) 100 80 - 100 ------ ------ ------ ------ ------

9,5 mm (3/8”) 85 - 100 70 - 90 60 - 80 45 - 70 40 - 65 35 - 60 25 - 60

4,75 mm (No.4) 55 - 75 50 - 70 48 - 65 30 - 50 30 - 50 15 - 35 10 - 30

2,38 mm (No. 8) 35 - 50 35 - 50 35 - 50 20 - 35 20 - 35 5 - 20 5 - 20

0,60 mm (No. 30) 18 - 30 18 - 30 18 - 30 5 - 20 5 - 20 ------ ------

0,30 mm (No. 50) 13 - 23 13 - 23 13 - 23 3 - 12 3 - 12 ------ ------

0,15 mm (No. 100) 8 - 16 8 - 16 7 - 15 2 - 8 2 - 8 ------ ------

0,075mm(No. 200) 4 - 10 4 - 10 2 - 8 0 - 4 0 - 4 0 - 4 0 - 4

Tipo de Mezcla Cerradas Semicerradas Abiertas

Empleo Capas de rodadura Capas intermedias y de base

4.4. MÉTODO DE DISEÑO MARSHALL. 4.4.1 Diseño Marshall. 4.4.1.1 Antecedentes. El concepto del Método Marshall de diseño de diseño de mezclas de pavimentación fue desarrollado por Bruce Marshall, ex – Ingeniero de Bitumenes del Departamento de Carreteras del Estado de Mississippi. El ensayo Marshall, en su forma actual, surgió de una investigación iniciada por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos en 1943. Varios métodos para el diseño y control de mezclas asfálticas fueron comparados y evaluados para desarrollar un método simple. El Cuerpo de Ingenieros decidió adoptar el Método Marshall, y desarrollarlo y adaptarlo para diseño y control de mezclas de pavimento bituminoso en el campo, debido en parte a que el método utilizaba equipo portátil. A través de una extensa investigación de pruebas de tránsito, y de estudios de correlación, en el laboratorio, el Cuerpo de Ingenieros mejoró y agregó ciertos detalles al procedimiento del ensayo Marshall, y posteriormente desarrolló criterio de diseño de mezclas.

81

Para el desarrollo del Método Marshall, existen tres procedimientos. La determinación del peso específico total, medición de la estabilidad y la fluencia Marshall, y análisis y el contenido de vacíos de las probetas. 4.4.1.2 Determinación del Peso Específico Total. El peso específico total de cada probeta se determina tan pronto como las probetas recién compactadas se hayan enfriado a la temperatura ambiente. Esta medición de peso específico es esencial para un análisis preciso de densidad-vacíos. El peso específico total se determina usando el procedimiento descrito en la norma AASHTO T 166. [STANDARD SPECIFICATIONS-2004] (Foto 4.1 a, b, c)

Foto 4.1. a) Dimensiones; b) peso en el aire; c) peso en el agua 4.4.1.3 Ensayos de Estabilidad y Fluencia. El ensayo de estabilidad esta dirigido a medir la resistencia a la deformación de la mezcla. La fluencia mide la deformación, bajo carga, que ocurre en la mezcla. El procedimiento de los ensayos es el siguiente:

a) Las probetas son sometidas a baño de agua a una temperatura de 60 ºC(140 ºF). Se realiza a esta temperatura considerando teóricamente que es la temperatura que se alcanzaría en un pavimento.

b) Se retira la probeta del baño de agua, se seca y coloca rápidamente o en un tiempo

menor a los 30 segundos en el equipo Marshall, este dispositivo permite aplicar carga a la muestra y a la vez medir la carga y deformación (fluencia). Foto 4.2 [U T PL, 2006 ]

c) La carga del ensayo es aplicada a la probeta a una velocidad constante de 51 mm (2

pulgadas) por minuto hasta que la muestra falle. Se determina la falla cuando la probeta alcanza la máxima carga.

d) La carga de falla se registra como el valor de estabilidad Marshall y la lectura del

medidor de fluencia se registra como la fluencia.

82

Foto 4. 2 Determinación de Estabilidad y Fluencia. Laboratorio UTPL. 4.4.1.4 Análisis de Densidad y Vacíos. Luego de realizar los ensayos de estabilidad y fluencia, se procede a efectuar un análisis de densidad y vacíos para cada serie de probetas de prueba. El propósito del análisis es el de determinar el porcentaje de vacíos en la mezcla compactada. Análisis de Vacíos.- Los vacíos son las pequeñas bolsas de aire que se encuentran entre las partículas de agregado revestidas de asfalto. El porcentaje de vacíos se calcula a partir del peso específico total de cada probeta compactada y del peso específico teórico de la mezcla de pavimentación (sin vacíos). Este último puede ser calculado a partir de los pesos específicos del asfalto y el agregado de la mezcla, con un margen apropiado para tener en cuenta la cantidad de asfalto absorbido por el agregado; o directamente mediante un ensayo normalizado (AASHTO T 209) [STANDARD SPECIFICATIONS-2004] efectuado sobre la mezcla de mezcla sin compactar. El peso específico total de las probetas compactadas se determina pesando las probetas en el aire y en agua. Figura 4.4 a, b, c,d [http//www .wsdot.wa.gov/fassc/EngineeringPublications]

a)

83

b)

c)

d)

Fig. 4.4 a) Seco al horno, b) Seco al horno, c) Saturado con superficie seca, d) mojado. Análisis de Peso Unitario.- El peso unitario promedio para cada muestra se determina multiplicando el peso específico total de la mezcla por 1000 Kg./m3 (62.4 lb./ft3).

84

Análisis de VMA.- Los vacíos en el agregado mineral, VMA, están definidos por el espacio intergranular de vacíos que se encuentra entre las partículas de agregado de la mezcla de pavimentación compactada, incluyendo los vacíos de aire y el contenido efectivo de asfalto, y se expresan como un porcentaje del volumen total de la mezcla. El VMA es calculado con base en el peso específico total del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen total de la mezcla compactada. Por lo tanto, el VMA puede ser calculado al restar el volumen de agregado (determinado mediante el peso específico total del agregado) del volumen de la mezcla compactada.

Fig. 4.5 Análisis de VFA.- Los vacíos llenos de asfalto, VFA, son el porcentaje de vacíos intergranulares entre las partículas de agregado (VMA) que se encuentran llenos de asfalto Figura 4.5. El VMA abarca asfalto y aire, por lo tanto, el VFA se calcula al restar los vacíos de aire del VMA, y luego dividiendo por el VMA, y expresando el valor final como un porcentaje. 4.4.1.5 Procedimiento del ensayo. Fabricación de Briquetas Las probetas (briquetas) de ensayo de las posibles mezclas de pavimentación se las prepara variando cada una con una ligera cantidad de asfalto, en este caso con incrementos de 0,5 % del peso total de asfalto y agregado a fabricar. Para ello se requiere:

• Definir pesos de agregado y asfalto para la preparación de briquetas (1200 gr.). (Foto 4.3 a,b,c)

85

a)

b) c) Foto 4.3 a) Selección del agregado, b) Peso del asfalto, c) Peso de los agregados. Laboratorio UDEP

• Preparación de las mezclas. El asfalto y el agregado se calientan y mezclan completamente hasta logras que todas y cada una de las partículas del agregado se revistan de asfalto, tal cual como sucede o debe suceder en la planta. Foto 4.4 a, b,c.

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a) b) c) Foto 4.4 a) Colocación del asfalto, b) Mezclado, c) Verificación de mezclado. Laboratorio UDEP

• Realizar Briqueta de prueba. Las mezclas asfálticas caliente se colocan en moldes pre-calentados Marshall, para luego proceder a realizar la compactación, en donde se utiliza el martillo Marshall de compactación, el mismo que igualmente es calentado para que no se enfríe la superficie de la mezcla al compactarla. (Foto 4.5)

87

Foto 4.5 Probeta de prueba. Laboratorio UDEP.

• Compactación de Briquetas. Las briquetas se compactan mediante golpes del martillo Marshall de compactación, el número de golpes del martillo puede ser 35, 50 o 75 golpes dependiendo del tránsito para las cuales van a prestar servicio. Las dos caras de la briqueta reciben el mismo número de golpes así una probeta Marshall de 75 golpes recibe, realmente un número de 150 golpes, luego de lo cual son enfriadas al ambiente y extraídas del molde. Foto 4.6.

Foto 4.6 Compactación de probetas. Laboratorio UDEP

88

• Extraer briquetas, marcarlas y medir altura. Foto 4. 7 a, b.

a) b)

Foto 4.7 a) Medición de probetas. b) Probetas marcadas. Laboratorio UTPL.

• Determinar peso específico. El peso específico total de cada probeta se determina tan pronto como las probetas recién compactadas se hayan enfriado a la temperatura ambiente. Esta medición de peso específico es esencial para un análisis preciso de densidad-vacíos. El peso específico total se determina usando el procedimiento descrito en la norma AASHTO T166. Foto 4.1 a, b, c. En la Figura 4.6 se observa las probetas elaboradas con diferentes porcentajes de asfalto antes de ser ensayadas.

Figura 4.6

Preparación de Briquetas6.0 % C.A5.0 % C.A4.5 % C.A

6.5 % C.A 7.0 % C.A 7.5 % C.A 8.0 % C.A

5.5 % C.A

2.5 “

4.0 “

89

Relaciones y Observaciones de los Resultados de los Ensayos Los resultados de los ensayos se trazan en gráficas como las que se presentan en la figura 4.6 a,b, las cuales nos indican ciertas tendencias entre las relaciones asfalto y las propiedades de la mezcla, las cuales se las puede describir de la siguiente manera: • El porcentaje de vacíos disminuye a medida que aumenta el contenido de asfalto. • El porcentaje de vacíos en el agregado mineral (VMA) generalmente disminuye hasta un

valor mínimo, y luego aumenta de acuerdo al incremento del asfalto. • El porcentaje de vacíos llenos de asfalto (VFA) aumenta con aumentos en el contenido

de asfalto. • La curva de peso unitario (densidad) de la mezcla es similar a la curva de estabilidad

excepto que el peso unitario máximo se presenta a un contenido de asfalto ligeramente mayor que el de que determina la máxima estabilidad.

• Los valores de estabilidad aumentan a medida que aumenta el contenido de asfalto. Más allá de este punto, la estabilidad disminuye con cualquier aumento en el contenido de asfalto.

• Los valores de fluencia aumentan con incrementos en el contenido de asfalto. Figura 4.7 a, b [http: www.wsdot.wa.gov/fassc/Engineering Publications].

a)

90

b) Fig. 4.7 a,b) Determinación de las propiedades de la mezcla asfáltica. 4.5 ADITIVOS USADOS EN EL DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS. Generalmente, las características de los ligantes asfálticos son suficientes para fabricar mezclas bituminosas resistentes a la acción conjunta del tráfico y de los agentes ambientales; sin embargo en algunas ocasiones, las mezclas bituminosas están sometidas a tan fuertes solicitaciones, que requieren el uso de betunes con propiedades mecánicas y reológicas mejores que las de los betunes convencionales. Las propiedades que se desean mejorar con el empleo de betunes especiales dependen de la aplicación final a que se destine la mezcla obtenida. No obstante existen varias características que en casi todos los casos en que se recurre al empleo de estos betunes, se desea mejorar: Mayor adhesividad tanto activa (tendencia a mojar y envolver los áridos), como pasiva

(resistencia a desplazarse por la acción del agua). Mayor resistencia a la deformación plástica. Menor susceptibilidad térmica: menor tendencia a fluir a altas temperaturas y menor

fragilidad a bajas temperaturas.

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Mayor resistencia al envejecimiento, que se traduce en una mayor durabilidad. Mayor ductilidad a bajas temperaturas. Mayor elasticidad o rapidez en la recuperación de la forma inicial después de estar

sometido a un esfuerzo dinámico. Algunas de las propiedades citadas pueden mejorarse utilizando betunes convencionales: la resistencia a la deformación plástica puede aumentarse emplearse betunes más duros, aunque ello supondrá una pérdida de flexibilidad a temperatura ambiente y una mayor fragilidad en frío. Para mejorar las propiedades citadas, sin producir efectos negativos secundarios, se pueden incorporar aditivos que modifiquen sus características reológicas, es decir, que mejoren su comportamiento para una amplia gama de condiciones de temperatura o de aplicación de las cargas.

Los aditivos que se pueden emplear son muy diversos, tanto en lo que se refiere a su naturaleza como a las mejoras conseguidas e incluso a las técnicas de incorporación a los ligantes de partida. Además de los agentes tenso-activos (activantes) los cuales están especificados en el Boletín Técnico Akzo Nobel, con los cuales se pretende mejorar la adhesividad con los áridos, se puede tratar de asfaltos naturales que disminuyen la susceptibilidad térmica y aumentan la cohesión del ligante, de fibras naturales o sintéticas que interaccionan físicamente con el betún aumentando fundamentalmente la resistencia a la tracción y flexión, de materiales poliméricos que mejoren las propiedades mecánicas y reológicas, azufre, etc. En unos casos actúan directamente mejorando la reología del ligante y en otros modifican las características de la mezcla bituminosa sin que afecten a la reología del betún. Se suelen denominar ligantes modificados cuando el modificador se añade al ligante, en central o en la planta de fabricación de mezcla, y mezclas modificadas cuando el modificador se incorpora como un árido más o directamente al mezclador. A continuación se dan algunos tipos de agentes modificadores de ligantes bituminosos: 1. Polímeros. 1.1. Plastómeros (poliolefinas, EVA, etc.) 1.2. Elastómeros (SBS, SBR, etc.) 2. Caucho reciclado (polvo de neumáticos) 3. Extendedores (azufre, lignitos, etc.) 4. Oxidantes o catalizadores (manganeso) 5. Antioxidantes (cal hidratada, compuestos de plomo, carbón) 6. Fibras (polipropileno, poliéster, etc.) 7. Fílleres (negro de carbón, cemento, etc.) 8. Materiales hidrocarbonados (asfalto Trinidad, gilsonita, aceites aromáticos,

rejuvenecedores, etc.) 9. Activantes (cal hidratada, aminas, etc.)

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Con los cuatro primeros se fabrican ligantes que corresponden a la definición de ligantes modificados. Sin embargo, hasta el momento, el mayor desarrollo la han tenido las técnicas en las que el aditivo modificante utilizado es un polímero elasto-termo-plástico. La incorporación de un polímero (sustancia macromolecular con propiedades visco-elásticas) a un betún dará lugar a interacciones entre las moléculas del primero y los componentes del segundo, y producirá alteraciones en el sistema coloidal del betún con el consiguiente cambio de propiedades. Las interacciones y cambio de propiedades producidas dependerán de los siguientes factores:

Composición y estructura molecular del polímero incorporado (masa molecular, temperatura de transición vítrea, polaridad, etc.). Composición química y estructura coloidal del betún asfáltico. Proporción relativa de betún y polímero. Proceso de incorporación (modo de fabricación, temperatura, tiempo de mezclado,

etc.). REFERENCIAS. [1] KRAEMER CARLOS Y A DEL VAL. MIGUEL,(1982). “Firmes y Pavimentos”.,

Universidad Politécnica de Madrid. Pág. 107.; 109.; 112 [2] Especificaciones Generales para la Construcción de Caminos y Puentes,(2002). MOP-001-F-

2002 tomo I Sección IV Pág., 93; 399; tabla 405-5-4; [3] Principios de Construcción de Pavimentos de Mezclas Asfálticas en Caliente, (1922) MS-22

Instituto del Asfalto. Lexington USA Pág. 91,92. [4] MONTEJO ALFONSO, (2002). “Ingeniería de Pavimentos para Carreteras”. Escuela

Colombiana de Ingeniería. Bogotá, Pág. 653. [5] VARGAS JANETH, (2003) Paper “Empleo de desperdicio plástico para el diseño de

una mezcla asfáltica drenante”. Pontifica Universidad Javeriana. Bogotá. Pág., 5. [6] STANDARD SPECIFICATIONS FOR TRANSPORTATION MATERIAL AND

METHODS OF SAMPLING AND TESTING. (2004), 24 th Edition. [7] UDEP. Universidad de Piura. http://udep.edu.pe [8] UTPL. Universidad Técnica Particular de Loja. http://utpl.edu.ec [9] Washington Sísate Departament of Transportation’s Pavement

http://www.wsdot.wa.gov/fassc/EngineeringPublications [10] Laboratorios Universidad de Piura http://www.udep.edu.pe [11] Boletín Técnico Akzo Nobel. Paper - Aditivos Promotores de Adherencia. Pág., 1-3. [12] TONDA MAURICIO (2001). Paper – “Asfaltos modificados con polímeros”. Págs.

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