Características mecánicas de una mezcla MDC

V Congreso Internacional de Ingeniería Civil, Universidad Católica De Colombia
V Congreso Internacional de Ingeniería Civil USTATunja
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE UNA MEZCLA
MDC-2 CON ADICIÓN DE CAUCHO Y CUERO DE
BOTA MILITAR
Bello Menjura. Christian [email protected]. Facultad de
ingeniería, Universidad Católica De Colombia, Bogotá DC.
(Recibido: 25 de Junio de 2014; Aprobado: 04 de Julio de 2014)
Resumen- Es de suma importancia para el desarrollo económico y socio-cultural de un
país la construcción y habilitación de vías en buen estado, que permitan el transporte
de elementos y materias primas con mayor rapidez y con fácil acceso a cualquier
destino. En Colombia el estado de las vías no es óptimo en un 100% ya que según
estudios del instituto nacional de vías un 23.79% de las vías no se encuentran
pavimentadas y solo el 1% de toda la red vial del país está siendo intervenido. Estudios
e investigaciones previos han concluido que puede darse por diferentes factores tales
como estudios erróneos de vías, planes de desarrollo mal ejecutados, diseños no
adecuados de pavimentos, fallas en la realización de los cálculos para el diseño de
pavimentos o agentes externos como el clima. En la investigación actual se empleó una
mezcla densa en caliente MDC-2 para determinar sus características físico - mecánicas
a través de diversos ensayos y adiciones de material, que permitan analizar dichos
comportamientos comparando los resultados obtenidos en la fase experimental con
documentos e investigaciones previas sobre el tema tratado, para poder dar las
conclusiones necesarias sobre todo el procedimiento y los resultados obtenidos.
Palabras clave- Mezclas asfálticas, asflto, Polímero, ahuellamiento, pavimento, Flujo,
Rigidez.
ABSTRACT
It is of extreme importance for the economic and sociocultural development of a country
the construction and rating of routes in good state that they allow to the transport of
elements and raw materials with greater rapidity and easy access to any destiny. In
Colombia the state of the routes is not optimal in a 100% since according to studies of
the national institute of routes 23, 79% of the routes are not paved and single 1% of all
the road network of the country is being taken part. Previous studies and investigations
have concluded that can occur by different factors such as erroneous studies from
routes, development plans badly executed, designs nonadapted of pavements, external
faults in the accomplishment of the calculations for the design of pavements or agents
like the climate. In the present investigation a dense mixture in hot MDC-2 was used to
determine its mechanical characteristics physical through diverse tests and additions of
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material, that allow to analyze these behaviors comparing the results obtained in the
experimental phase with documents and previous investigations on the treated subject,
to be able to mainly give to the necessary conclusions the obtained procedure and
results.
Key words: Asphalt mixtures, asphalt, Polymer, ahuellamiento, pavement, Flow, Rigidity
I. INTRODUCCIÓN
Con más frecuencia se realizan estudios del comportamiento de los pavimentos para
determinar posibles soluciones a las fallas que pueden presentar las vías que están
expuestas a cargas de tránsito y a climas muy variados, los cuales pueden deformar y
hasta fracturar el pavimento dejando las vías en estados pésimos e intransitables. Una
de las posibles soluciones para éste tipo de problemas se ha concentrado en la adición
de materiales en mezclas asfálticas para el mejoramiento de sus propiedades
mecánicas, las mezclas asfálticas convencionales están compuestas por agregados y
cemento asfáltico los cuales le dan ciertas características como estabilidad y flujo
necesario para su diseño. Pero los materiales que se han propuesto y analizado en
investigaciones previas, son los polímeros los cuales tienen elasticidad y ductilidad, que
son elementos que carecen o son mínimos en las mezclas asfálticas. Muestra de ello
es la Universidad Industrial de Santander, en la cual el caucho de llanta fue el polímero
que se le adiciono a la mezcla asfáltica mejorando la propiedad de viscosidad con
respecto a la temperatura, o investigaciones por parte de la Universidad Militar Nueva
Granada, Universidad Santo Tomas, Universidad de los Andes e incluso
investigaciones de otros países como lo son Costa Rica y Argentina, por ello en la
investigación actual se trabaja con una mezcla densa en caliente MDC-2 y se le
adiciona caucho y cuero de bota militar, con el propósito de observar el comportamiento
mecánico de la mezcla y para darle un mejor uso a este tipo de elementos que son
desechados en grandes cantidades por aquellas personas que terminan de prestar su
servicio militar, ya que este tipo de bota posee caucho y cuero que se desintegran con
gran dificultad y que generan debido a su combustión, gases tóxicos para aquellas
personas que lo inhalen. Para la realización adecuada del diseño se caracterizó
debidamente el material o agregado con el cual se iba a trabajar, y se realizaron los
ensayos al asfalto con el fin de cumplir los requisitos especificados en la norma. Para
determinar el comportamiento de la mezcla se realizó el método de diseño Marshall en
el cual se determinaron porcentajes óptimos de asfalto, porcentajes de vacíos en la
muestra y se compararon los resultados obtenidos entre la mezcla convencional y la
modificada, además de consultar y documentarse con artículos que manejaban el tema
de asfaltos modificados con el propósito de dar las conclusiones adecuadas para la
fase experimental y parte final de la investigación.
A. MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA
Los asfaltos modificados amplían la vida útil de un pavimento, está plenamente
comprobado que los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias tanto
mecánicas como de adhesión en una amplia gama de aplicaciones y bajo distintas
condiciones climáticas y de tránsito. Sin embargo el creciente incremento del volumen
de tránsito, magnitud de las cargas y la necesidad de optimizar las inversiones han
provocado que las propiedades de algunos asfaltos convencionales no sean
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suficientes. Por ejemplo con los asfaltos convencionales, aun con los grados más duros
no es posible eliminar el problema de las deformaciones producidas por el tránsito
(ahuellamientos) especialmente cuando se deben afrontar condiciones de altas
temperaturas. Además con la simple adopción de asfaltos más duros corre con el
riesgo de sufrir fisuraciones por efectos térmicos cuando las temperaturas son muy
bajas. Para el mejoramiento de estas mezclas convencionales se ha venido
adicionando polímeros tales como elastometros, plastomeros entre otros con el fin de
optimizar las características físico mecánicas de los pavimentos, mostrando mejorías
en la estabilidad flujo y rigidez de cualquier tipo de mezcla MDC-1, MDC-2 O MDC-3
siendo la mezcla densa en caliente tipo 2 la más utilizada en el país.
II. METODOLOGÍA
Para la realización adecuada de la fase experimental se hizo el ensayo por el método
Marshall teniendo materiales como cemento asfáltico suministrado por ECOPETROL ,
caucho y cuero de bota militar molido perteneciente al EJERCITO NACIONAL y
agregados pétreos suministrados por CONCRESCOL S.A, los cuales son extraídos del
río Coello en Tolima. Primero se procede a realizar una caracterización de material,
posteriormente se lava y se deja secar en el horno durante 24 horas. Con los
porcentajes óptimos de asfalto ya obtenidos en éste caso siendo de 5.5 % se procede a
dosificar el material por medio de un tamizado de la siguiente manera.
TABLA I.
CARACTERIZACIÓN MATERIAL
Tamiz
1/2
3/8
4
10
40
80
200
F
Pasa gr
141.8
23802.0
48702.0
714.3
913.0
992.4
1076.0
1134.0
Fuente. Autor del Proyecto
De la cantidad de cemento asfáltico que se tiene dentro de los materiales, por lo
general se trabajan con 100 gramos. Se requiere de la fabricación de 100 briquetas
cada una con un peso aproximado de 1200 gramos, y dividida en lotes de 20 briquetas.
Las primeras 20 serán mezcla asfáltica convencional Y las 80 restantes se trabajarán
con materiales modificantes (caucho y cuero) en proporciones de 1%, 2%, 4 % y 8 %.
Cada Lote de las muestras trabajara con adiciones de cemento asfaltico en las
proporciones de 4.5%, 5%, 5.5% y 6%.
Una vez seleccionado y tamizado el agregado pétreo, se procede a calentar un
recipiente metálico en el cual se llevarán estos materiales y se les adicionara 66
gramos de cemento asfáltico, mezclando con espátulas a una temperatura de 150
grados durante 30 minutos para las mezclas modificadas al 1% y 2%, Durante 45
minutos para la de 4% y por último durante 60 minutos para la de 8%.
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Se prepara un molde cilíndrico y se calienta de manera previa un martillo metálico con
el cual se compactará la muestra. Una vez desocupada la mezcla debidamente
mezclada se procede a darle 75 golpes de manera uniforme a cada muestra. Después
se sacan las muestras y se dejan secar al aire libre durante unas 2 horas como mínimo
para evitar alteraciones en los materiales.
Se procede a pesar las muestras, después a pesarlas sumergidas en agua y una vez
realizado este proceso, se limpian con trapos absorbentes con el fin de que no queden
partículas de agua que puedan alterar los vacíos de la muestra. En el tanque en el cual
se prepara un baño de María de 60 grados centígrados aproximadamente, se tiene una
capacidad para sumergir muestras de máximo 15 o 20 probetas. Cada muestra se
mete al tanque cada minuto, y en total se deben dejar durante 40 minutos, una vez
transcurrido el tiempo se procede a limpiar las mordazas con barsol, se sacan y se
procede a secar cada briqueta, las cuales serán sometidas a una carga en la prensa
Marshall, que por medio de unos diales de lectura de carga y deformación arrojaran los
diversos resultados de flujo y estabilidad para cada una de las 100 briquetas realizadas.
A. ENSAYOS AGREGADOS PETREOS
1) Porcentaje de caras fracturadas (Norma INV E-227)
Por medio de este ensayo se puede determinar que rangos son aceptables en un
agregado para que cumpla con las especificaciones necesarias para soportar fuerzas
cortantes dentro de una mezcla asfáltica. Para ello se debe incrementar la fricción entre
partículas y la resistencia al corte será mayor, generando mayor estabilidad en los
agregados, si la estabilidad aumenta, cuando se realice la mezcla asfáltica, esta podrá
soportar cargas muy altas sin tendencia a fallar o a fracturarse.
2) Equivalente de arena (Norma INV E-133)
Este ensayo lo que busca es encontrar las cantidades de material nocivo en este caso,
arcillas o polvo que genere impurezas en los agregados finos. Se pueden establecer
valores mínimos de impurezas, con el fin de poder realizar comparaciones
cuantitativas, además con este método se puede determinar la calidad de los
agregados que se manejan en laboratorios como en campo.
3) Índice de aplanamiento y alargamiento (Norma INV E-230)
Este método se debe usar en todo agregado pétreo destinado a la construcción de
vías, excepto para partículas menores de 6.3mm (¼”) o mayores de 63mm (2 ½”).
Para el índice de aplanamiento se debe tamizar la muestra, con barras paralelas y de
acuerdo a las especificaciones de la norma INV E 230-07, considerando como
muestras planas aquellas que pasen por este tamiz. Para el índice de alargamiento el
procedimiento es el mismo solo que las diferencias es que para determinar el índice de
aplanamiento se usa un calibrador de espesor, y para el de alargamiento un calibrador
que separa las partículas largas.
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4) Granulometría de agregados pétreos (Norma INV E-213-214)
Este ensayo se realiza para poder separar y diferenciar las partículas que tienen
distintos tamaños unas de otras, por medio de tamices o mallas que van en orden
descendente, y que tienen diferentes diámetros o medidas, para retener o dejar pasar
el material.
5) Abrasión en la máquina de los Ángeles (Norma INV E-218)
Este ensayo se realiza para determinar el desgaste de los agregados que son menores
a 1 1/2´´ (37.5mm), empleado en agregados naturales o triturados por medio de la
máquina de los ángeles con una carga abrasiva.
La máquina de los Ángeles consiste en un cilindro hueco de acero, con sus extremos
cerrados y una abertura para introducir los áridos, que puede girar en posición
horizontal. Se introducen en el cilindro unas bolas de acero como la carga abrasiva y se
hace girar un determinado número de vueltas. Luego se separa la parte de la muestra
que pasa por el tamiz #12. Se determina el coeficiente de desgaste de los ángeles que
es la diferencia entre el peso original de la muestra y el peso después del ensayo
expresada en porcentaje del peso inicial. Si el desgaste es mayor de 50%, se asume
que el agregado es de mala calidad, si el desgaste es menor de 20%, el agregado es
excelente.
B. ENSAYOS CEMENTO ASFÁLTICO
1) Ductilidad de materiales asfálticos (Norma INV E-702-07)
La ductilidad es la capacidad de cualquier elemento de deformarse sin romperse o sin
fallar debido a la aplicación de alguna fuerza tractiva o de tensión.
Es de vital importancia la ductilidad en un asfalto ya que, las cargas producidas por el
tránsito deben ser soportadas por este, sin que falle instantáneamente, sino por el
contrario, tenga un límite de deformación en el cual le pueda generar más vida útil a la
vía o pavimento que se requiera construir.
2) Penetración (Norma INV E-706-07)
La penetración en un asfalto indica cuan blando o duro es, cuando se somete a ciertas
temperaturas y a cargas de tránsito. Esta condición de penetración es una
característica más de consistencia que tiene cualquier asfalto ya sea sólido o
semisólido. Por lo general los números que identifican a los cementos asfálticos dan
una medida de su viscosidad a 25 grados centígrados y son el resultado de un ensayo
de penetración efectuado sobre un asfalto en condiciones normalizadas.
3) Inflamación (Norma INV E-709-07)
Lo que se hace en este ensayo, es medir la temperatura del cemento asfáltico, a partir
de la cual habrá peligro en su manipulación, debido a la inflamación de sus vapores.
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4) Punto de ablandamiento de anillo y bola (Norma INV E-712-07)
La prueba consiste en el calentamiento del asfalto a una temperatura que crece
constantemente, en la cual dos esferas de acero se dejan caer al asfalto, en el punto
en el que el asfalto cede, y se ablanda permitiendo que la esfera fluya a través del
líquido, se tomara medida de la temperatura y se harán los cálculos correspondientes
determinados por el INVIAS (instituto nacional de vías) Norma INV E 712-07.
III. RESULTADOS
A. Estabilidad
FIGURA 1. ESTABILIDAD
Fuente. Autor del Proyecto
La muestra convencional, en lo general está por debajo de las adiciones de material
modificado, debido a las propiedades que tienen el caucho y cuero. La muestra de
mejor comportamiento es la modificada al 8% debido a que alcanza la mayor
estabilidad que corresponde a 1561Kg y con una adición del 5% de CA, además
cumple con la estabilidad mínima establecida por INVIAS que es de 900kg. Hay una
relación directamente proporcional entre la adición de material modificante y la
estabilidad que adquiere la mezcla, debido a que entre más caucho y cuero se
adiciona, más estabilidad alcanzan las muestras, y nuevamente la adición óptima de
CA esta entre el 5% y el 5.5% ya que alcanza los comportamientos más altos y
estables de la muestra MDC-2
B. Flujo
FIGURA 2. FLUJO
Fuente. Autor del proyecto
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Las muestras a las que se les adiciono el 4.5% y 5% no mostró una tendencia al
aumento, fue demasiado variable debido a sus diferentes aumentos y decrecimientos,
teniendo deltas del 1.9% entre adiciones de CA y deltas de 1.44% entre adiciones de
material modificante. Las muestras que mostraron tendencias al aumento y con
comportamientos y resultados más óptimos fueron las del 5.5% y 6% de CA,
obteniendo aumentos del 6% Y aumentos del 8% de material modificante, la adición del
6% de CA y con un material modificante al 8% genera en la mezcla un comportamiento
demasiado bueno ya que alcanza valores de flujo de 4.83mm siendo mayor al valor
mínimo establecido por INVIAS de 4 mm.
C. Rigidez Marshall
FIGURA 3. RIGIDEZ MARSHLL
Fuente. Autor del Proyecto
La rigidez Marshall de la muestra MDC-2 tiene un comportamiento variable para todas
sus modificaciones y adiciones de CA, en el cual la adición del 5% de CA es la
condición más óptima, y en la cual la mezcla obtiene el valor más adecuado pero solo
para las mezclas con material modificante del 2%, 4% y 8% ya que cumplen con el
valor mínimo de rigidez establecido por INVIAS que es de 350kg/mm con valores
correspondientes a 358kg/mm, 378kg/mm y 400kg/mm respectivamente.
IV. CONCLUSIONES
 El flujo aumenta a medida que se le adiciona más caucho, debido a las propiedades
que tiene este polímero, entre ellas es un material con alta capacidad elástica.
 De manera gradual aumenta el flujo de la mezcla aproximadamente en un 8,6% con
las adiciones del 1%, 2%, 4% y 8% de material modificante.
 Los valores de estabilidad tanto en la mezcla convencional como en la modificada
son muy altos siendo de 1029 kg-1560 kg, y sobrepasan la estabilidad mínima
establecida por INVIAS (instituto nacional de vías) en el artículo 450 que es de
900Kg.
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 Los valores de fluencia que son demasiados altos, es decir sobrepasan los 4 mm
indican que la mezcla trabaja en la zona plástica, además tiende a deformarse con
más facilidad si se someten a cargas de tránsito.
 Las muestras convencionales y las modificadas al 1% y 2% presentan valores muy
extraños, a los patrones normales. Una de las razones se debe a que es tan
pequeño el porcentaje de material que se le adiciona, que este tipo de elastómeros
no modifican en proporciones amplias los resultados.
 Entre mayor asfalto se adicione a una mezcla convencional o modificada, los
porcentajes de vacíos disminuyen, proporcionando más propiedades mecánicas a la
mezcla, pero que se ven afectadas por factores como el tipo de mezclado o
compactación.
 La adición de materiales modificantes tales como el caucho, el cual es un elastómero
mejora las propiedades de la mezcla, pero además genera ahorro económico porque
si se le adicionan más polímeros a la mezcla y la estabilidad y flujo mejoran, son más
funcionales los polímeros que el cemento asfáltico, por lo cual aumentaré el uso de
materiales modificantes y reduciré el uso de cemento asfáltico, además generando
menos impacto ambiental debido a la procedencia y los procesos que implican la
obtención de CA.
 Si la estabilidad de la mezcla es constante en cuanto a su aumento, se puede decir
que es de alta resistencia a la deformación frente a un sometimiento a cargas, pero
si es muy variable la estabilidad de la mezcla probablemente tienda a ser poco
resistente a la repetición de cargas constante produciendo ahuellamientos.
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