A3GAHA_1

Estudio de la permeabilidad de mezclas asfálticas para presas.
Analysis on the permeability of asphalt mixtures for use in dams.
Alberto GAXIOLA1; Alexandra OSSA1; José GONZALEZ1; Osvaldo FLORES1; Jorge Luis ALMARAL2
1Instituto
2
de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ingeniería Mochis, Universidad Autónoma de Sinaloa
RESUMEN: En la construcción de una presa de almacenamiento se requiere contar con un elemento impermeable ya sea
en el núcleo o en la cara de la misma. Para tal efecto, se han utilizado distintos sistemas y materiales con el propósito de
cumplir con la baja permeabilidad requerida, los sistemas más comunes han sido los núcleos de arcilla y las caras de
concreto. En ocasiones y principalmente por cuestiones económicas otras alternativas han surgido con desempeños
altamente satisfactorios y competitivos, un ejemplo de esto es la utilización de núcleos y caras de concreto asfáltico. El
concreto asfáltico es un material fabricado con agregados pétreos y asfalto en proporciones que se dosifican a discreción,
variando estas proporciones se pueden controlar gran cantidad de parámetros físicos, entre ellos la permeabilidad. El
presente trabajo muestra la influencia del contenido de asfalto, la distribución granulométrica y calidad de agregados en la
permeabilidad de una mezcla asfáltica a utilizarse en barreras impermeables de presas.
ABSTRACT: In a storage dam construction an impervious element is required either in the core or face thereof. For this
purpose, have been used different systems and materials in order to meet the required low permeability, the more common
systems has been clay cores and concrete facings. Occasionally and mainly due to economic reasons other alternatives
have emerged with highly satisfactory and competitive performance, an example of this is the use of asphaltic concrete
cores and faces. Asphaltic concrete is a material made of mineral aggregate and asphalt in proportions dosed at will, varying
these proportions can be controlled large number of physical parameters, including permeability. This paper shows the
influence of asphalt content, the particle size distribution and quality of aggregates in the permeability of an asphaltic mixture
to be used in waterproof barriers of dams.
1

INTRODUCCIÓN.
La finalidad principal de una presa de almacenamiento
es contener el agua para sus diversos fines (e.g.
abastecimiento de agua, control de inundaciones,
generación de electricidad), por ello, una de las
características más importantes que el terraplén debe
cumplir con el fin de evitar pérdidas de agua y daños
en el mismo es tener una permeabilidad baja. En
presas de enrocamiento, se han utilizado
tradicionalmente corazones de arcilla o caras de
concreto hidráulico como elemento impermeable. Sin
embargo, desde hace varias décadas como
alternativas de elemento impermeable en este tipo de
estructuras se ha utilizado en algunos países los
núcleos y barreras externas de concreto asfáltico.
Wang y Hoeg (2009) presentan una extensa lista de
características que hacen de una presa con núcleo de
asfalto una alternativa muy competitiva dentro de las
opciones existentes, la gran mayoría de estas
propiedades las comparten las presas con cara de
concreto asfáltico, estas ventajas incluyen:
 Alta resistencia al agrietamiento provocado
por sismos.
La propiedad de auto sellar grietas que
eventualmente se puedan presentar durante
la ocurrencia de sismos o diferenciales de
asentamiento, debido al comportamiento
visco-elástico que presenta el concreto
asfáltico.
 La posibilidad de llevar a cabo la construcción
de la presa de manera ininterrumpida incluso
en temporada de lluvias sin que se
comprometa la calidad del elemento
impermeable.
 Las presas con núcleo de asfalto no requieren
una alta calidad del agregado.
 Pueden ser construidas sobre un cimiento
compresible.
El uso del concreto asfáltico para presas
inicialmente
surgió
como
elemento
impermeabilizante en zona aguas arriba del
enrocamiento. Anteriormente, este tipo de barreras
se construían mediante la aplicación de diferentes
capas de concreto asfáltico de un mismo tipo. De
acuerdo a Creegan y Monismith (1996), en la
actualidad esta práctica se ha sustituido por la
aplicación de varias capas asfálticas cada una con
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2
Estudio de la permeabilidad de mezclas asfálticas para presas.
diferente composición y función. En términos
generales, una cara de concreto asfáltico se
compone por una capa externa impermeable
apoyada sobre una capa drenante la cual a su vez
esta cimentada sobre una capa asfáltica
impermeable adicional, tal como se indica en la
figura 1.
Por otro lado, para el caso de presas con núcleo
de concreto asfáltico este elemento comúnmente
se construye con un espesor mínimo de 0.5 m y
no mayor de 1.0 m a menos que ciertas condiciones
especiales lo exijan, por ejemplo, regiones en
extremo sísmicas o la construcción sobre suelos
altamente compresibles (Hoeg, 1993). Sin
embargo, en presas con núcleo de concreto
asfaltico de gran
altura, han sido utilizados
espesores en la parte superior del núcleo del orden
de 0.4 m. Por otra parte, de acuerdo a la literatura
se han utilizado espesores de núcleo en el fondo de
hasta 1.2 m, como es el caso de la presa High
Island East en Hong Kong cuya altura es de 105 m.
La figura 2 muestra la sección típica de una presa
con núcleo de asfalto.
Figura 1. Secciones típicas de caras de concreto asfáltico.
Figura 2. Sección típica de una presa con núcleo de concreto asfáltico.
Debido al proceso de elaboración y a los
materiales de los cuales se compone el concreto
asfáltico, es posible controlar diversas propiedades
de la mezcla compactada, las características se
modifican cambiando el tipo de agregado, la
granulometría, el contenido de asfalto y/o el nivel de
compactación. La impermeabilidad de los
elementos de concreto asfáltico de presas
usualmente se logra con contenidos de vacíos de
aire en la mezcla compactada menores al 3% y con
el uso de granulometrías densas.
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GAXIOLA. et al.
1.1
Mezclas asfálticas utilizadas en presas.
Hoeg (1993) recomienda que la distribución
granulométrica de los agregados pétreos a
utilizarse en la elaboración de mezclas asfálticas
destinadas para la construcción de barreras
impermeables de presas, se obtenga mediante la
ecuación de Fuller (ec. 1). Así mismo, el porcentaje
de asfalto óptimo de la mezcla deberá ser
ligeramente superior al que se usaría para la
elaboración de concreto asfáltico utilizado en la
construcción de carreteras, de esta manera se
podrá alcanzar con cierta facilidad valores de
permeabilidad aptos para este tipo de estructuras.
𝐷𝑖 𝑛
𝑝𝑖 = (
)
𝐷𝑚á𝑥
3
de barreras impermeables es común encontrar
permeabilidades que varían entre 10-8 y 10-9 cm/s.
(1)
donde: pi= Acumulado que pasa, en decimal, para
el diámetro de partícula Di; Di= Diámetro de la
partícula; Dmáx= Tamaño máximo del material; n=
Valor asociado a la forma de la curva.
Cabe mencionar, que dependiendo del valor
que tome el exponente n de la ecuación (1) se
podrán
obtener
mezclas
asfálticas
con
características diferentes. De acuerdo al Instituto
del Asfalto (2001), la granulometría que provoca
que la mezcla alcance la máxima densidad
corresponde a un valor del exponente n=0.45, es
decir, si se elabora una mezcla utilizando
granulometrías de Fuller en las que se varíe el
exponente n y se mantengan constantes el resto de
las variables, a medida que el exponente elegido
se acerque a 0.45 el valor de la densidad de la
mezcla aumentará. En mezclas destinadas a la
construcción de barreras impermeables se puede
utilizar un valor distinto de n sustentando el cambio
mediante pruebas de laboratorio donde se
garantice una permeabilidad baja. La figura 3
muestra curvas de Fuller elaboradas con diferentes
valores del exponente n.
Una manera distinta de mostrar la granulometría
de una mezcla asfáltica consiste en graficar en el
eje de las abscisas el tamaño de partícula elevado
a la potencia de 0.45, de tal forma que la curva de
Fuller para n=0.45 queda como se muestra en la
figura 4, en la que esta distribución de tamaños
toma la forma de una recta.
La principal característica que debe cumplir la
mezcla es una permeabilidad baja, el boletín ICOLD
32a (1982) indica que para garantizar la
permeabilidad baja de una mezcla asfáltica
utilizada en presas, esta debe cumplir con un
coeficiente k máximo de 10-7 cm/s. Sin embargo, de
acuerdo a esta misma referencia en la construcción
Figura 3. Gráficas de Fuller.
Figura 4. Curva de Fuller, el eje indica que el tamaño de
partícula se eleva al exponente 0.45.
2
ETAPA EXPERIMENTAL.
Esta fase de la investigación se centró en encontrar
una dosificación de agregados pétreos y asfalto
con la cual se lograra obtener especímenes de
concreto asfáltico con características de
permeabilidad compatibles con las de las barreras
impermeables de presas, específicamente de los
núcleos. Para tal efecto se elaboraron catorce
diferentes mezclas asfálticas variando el contenido
de asfalto, la distribución granulométrica del
agregado y el tipo del mismo. Una vez
compactadas se probaron en el permeámetro de
carga constante del Laboratorio de Mecánica de
Suelos del Instituto de Ingeniería.
2.1
Elección del asfalto y agregado a utilizar.
Durante el desarrollo de la presente investigación,
se tomó la decisión de utilizar un agregado pétreo
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4
Estudio de la permeabilidad de mezclas asfálticas para presas.
de buena calidad, en la experiencia del Laboratorio
de Vías Terrestres del Instituto de Ingeniería,
donde se sustentan con distintas pruebas de
laboratorio la calidad de los materiales pétreos de
diversas fuentes, resalta el basalto proveniente del
banco “Atlipac” (km 1.8 carretera México-Puebla),
que en este caso es la fuente de agregados elegida
(agregado 1).
Con el fin de comparar el efecto que tienen las
características físicas del agregado en la
permeabilidad de la mezcla, se utilizaron dos tipos
de agregado adicionales. El primero de estos
materiales corresponde al basalto utilizado por la
Planta de Asfalto Gobierno del Distrito Federal para
la elaboración de mezclas asfálticas (Agregado 2)
y el segundo corresponde a una combinación de
residuos de construcción y demolición y material de
la mencionada Planta de Asfalto (Agregado 3).
Dichos agregados, presentan visualmente una
porosidad más elevada que el material procedente
del banco “Atlipac”. La figura 5 muestra una imagen
de los agregados mencionados, donde se aprecia
claramente que el agregado 2 es marcadamente
más vesicular que el agregado 1, en la tabla 1 se
presenta la caracterización mecánica de los
agregados. Todos los agregados se sometieron a
un proceso de cribado y solo aquellos de origen
pétreo fueron lavados, todo esto con el fin de
separarlos en tamaños.
El asfalto utilizado corresponde al asfalto
PEMEX EKBÉ, cuya clasificación SUPERPAVE
corresponde a PG 64-22, mismo que actualmente
es utilizado por la planta de asfaltos del Distrito
Federal, que en donación proporcionó este
material.
Figura 5. Agregados utilizados para elaborar las mezclas que se probaron en el permeámetro de carga constante.
Tabla 1. Caracterización del agregado pétreo.
Agregado 1
Agregado 2
% de absorción de agua
1.61
3.81
Desgaste Los Ángeles (%)
16
22
Intemperismo acelerado (%)
1
1
Angularidad del agregado grueso (%)
100
100
Angularidad del agregado fino (%)
42
70
Partículas alargadas y planas
28
Equivalente de arena (%)
64
64
(*) 60% de agregado 2 y 40% de residuos de construcción y demolición
2.2
Elaboración de probetas de concreto
asfáltico.
De la experiencia en el diseño de mezclas
asfálticas con propósitos carreteros adquirida en el
Laboratorio de Vías Terrestres se sabe que el
porcentaje de asfalto óptimo de las mezclas
Agregado 3(*)
6.64
28
12
100
65
25
54
Método
ASTM C 127 y ASTM C 128
ASTM C 131
ASTM C 88
ASTM D 5821
ASTM C 1252
M.MMP.4.04.005/08
ASTM D 2419
elaboradas con agregado 1 es del orden de 6.3%,
por este motivo se determinó utilizar como punto de
partida de esta investigación un contenido de
asfalto de 6.5% el cual como se mostrará más
adelante fue variando en función de los resultados
obtenidos
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GAXIOLA. et al.
Un dato de importancia fundamental en el
diseño de mezclas asfálticas es el nivel de
compactación. El compactador utilizado en la
presente investigación se denomina “compactador
giratorio Superpave” y se muestra en la figura 6, en
este equipo el nivel de compactación se mide con
el número de giros que imprime el compactador a
la mezcla asfáltica. Inicialmente el nivel de
compactación utilizado en esta investigación fue de
100 giros, mismo que se puede alcanzar en campo
y corresponde al nivel especificado en carreteras
de tránsito elevado. Se decidió elegir el
compactador giratorio de entre las distintas
opciones disponibles para la compactación de las
mezclas, debido a que este equipo realiza este
proceso mediante amasado del material de manera
similar al proceso que se lleva a cabo en campo, lo
cual difiere de la compactación por impacto tipo
Marshall.
En esta investigación se fabricaron probetas de
concreto asfaltico 15 cm (6”) de diámetro y 20 cm
de altura, a las que se les extrajo un núcleo de 10
cm (4”) de diámetro, esto buscando cumplir con
una relación altura/diámetro de 2. Las
características granulométricas, parámetros de
permeabilidad, vacíos y porcentaje de asfalto de
las mezclas con las que fueron elaborados los
especímenes de concreto asfáltico se muestran en
la Figura 9 y Tabla 2.
Figura 6. Compactador giratorio SUPERPAVE.
2.3
Pruebas de permeabilidad.
Con el fin de evaluar las características hidráulicas
de los especímenes de concreto asfaltico, se
llevaron a cabo pruebas de permeabilidad de carga
5
constante utilizando el permeámetro ubicado en el
laboratorio de Mecánica de Suelos del Instituto de
Ingeniería, mismo que se muestra en la figura 7.
Este permeámetro permite medir permeabilidades
con precisión hasta de un orden de 10-9 cm/s, con
cargas hidráulicas de trabajo que pueden alcanzar
hasta 3.0 kg/cm2 y presiones de confinamiento de
hasta 5.0 kg/cm2.
Figura 7. Permeámetro de carga constante.
De las probetas de concreto asfáltico de 10 cm
de diámetro y 20 cm de altura, se cortaron pastillas
de 25 mm de espesor. La elección del espesor de
la probeta se hizo procurando que la altura de la
misma fuera al menos de dos veces el tamaño
máximo del agregado, 12.5 mm en este caso. Una
imagen de una de las probetas utilizadas en el
ensayo de permeabilidad aparece en la figura 8.
Figura 8. Probeta para ensayo de permeabilidad.
2.3.1
Etapa 1.
Se llevaron a cabo pruebas de permeabilidad
partiendo de la granulometría de Fuller y variando
el contenido de asfalto desde un porcentaje alto
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Estudio de la permeabilidad de mezclas asfálticas para presas.
6
(6.5%) hasta un porcentaje bajo (5.5%). Lo
anterior, con el fin de verificar el cambio de
permeabilidad en este rango de contenidos de
asfalto e identificar la sensibilidad de la
permeabilidad con este parámetro, se utilizó en
estas mezclas el agregado 1.
Adicionalmente, se elaboraron dos mezclas con
características granulométricas diferentes, una de
ellas con agregado 2, que comparado con el
agregado 1 es notablemente más poroso; la
segunda dosificación se llevó a cabo con material
de la planta de asfalto del Distrito federal y un 40%
de residuos de construcción y demolición, este
agregado presenta una porosidad mayor a
cualquiera de los utilizados con anterioridad en
esta investigación.
2.3.2
Etapa 2
Se elaboraron una serie de mezclas en las que se
varió la granulometría, partiendo desde una mezcla
totalmente abierta hasta la mezcla correspondiente
a la curva de Fuller. Esto con el fin de visualizar y
comprender la forma en que se modifica la
permeabilidad de la mezcla en función de la
granulometría. Cabe mencionar que en esta etapa
se mantuvo constante el contenido de asfalto (6.0%
con respecto al total de la mezcla) y el nivel de
compactación (50 giros).
3
PRESENTACIÓN Y ANALISIS DE
RESULTADOS.
Los resultados de las pruebas de permeabilidad se
resumen en la tabla 2, la figura 9 presenta las
distintas
granulometrías
utilizadas
en
la
elaboración de las probetas ensayadas.
Tabla 2. Resultados de las pruebas de permeabilidad realizadas a mezclas asfálticas.
Númer
o de
Giros.
% de vacíos de
aire
Coeficiente
de
permeabilid
ad k (cm/s)
6.5
100
0.0
< 10-9
Fuller n=0.45
6.3
100
0.0
< 10-9
Agregado 1
Fuller n=0.45
6.0
50
0.0
< 10-9
IV
Agregado 1
Fuller n=0.45
5.5
50
0.0
< 10-9
V
Agregado 2
Fuller n=0.45
6.0
50
No se registró
2.0 x 10-9
7.5
100
No se registró
4.2 x 10-5
Mezcla
número.
Tipo de
agregado
Granulometría
I
Agregado 1
Fuller n=0.45.
II
Agregado 1
III
% de
asfalto
1
Observaciones.
Etapa 1.
2
VI
Etapa 2.
Agregado 3
Densa
VII
Agregado 1
1
6.0
50
19.99
VIII
Agregado 1
2
6.0
50
15.59
No se
registró
1.8 x 10-5
IX
Agregado 1
3
6.0
50
6.62
1.1 x 10-5
X
Agregado 1
4
6.0
50
5.08
5.6 x 10-6
XI
Agregado 1
5
6.0
50
0.54
< 10-9
XII
Agregado 1
6
6.0
50
1.36
4.1 x 10-6
XIII
Agregado 1
7
6.0
50
1.15
< 10-9
No se observó flujo de
agua.
No se observó flujo de
agua.
No se observó flujo de
agua.
No se observó flujo de
agua.
No se observó flujo de
agua.
No se observó flujo de
agua.
XIV
Agregado 1
8
6.0
50
0.86
1.7 x 10-6
Con respecto al total de la mezcla.
2
Granulometría densa, material de la planta de asfalto del Distrito Federal y 40% de residuos de construcción y demolición.
1
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GAXIOLA. et al.
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Figura 9. Curvas granulométricas utilizadas en la elaboración de probetas que se probaron en permeámetro de carga
constante.
abierta, la permeabilidad aumenta. Sin
Luego de revisar los resultados presentados en
embargo, se localizó una zona granulométrica
la tabla 2 y figura 9, se llegó a las siguientes
en la cual pese a mantener constantes los
conclusiones:
niveles de compactación y contenidos de

Las mezclas elaboradas con la granulometría
asfalto, al realizar pequeños cambios en la
de Fuller (mezclas I a V) y con un contenido
forma de la granulometría, especialmente en
de asfalto de entre 5.5% y 6.5%, cumplen
la parte fina, se obtienen cambios en la
ampliamente con los requerimientos de
permeabilidad de hasta 4 ordenes, como es el
permeabilidad para las barreras de presas,
caso de las mezclas XII y XIII.
fácilmente se alcanzan permeabilidades
menores que 10-9 cm/s.
4 AGRADECIMIENTOS.
 La reducción del nivel de compactación (100 a
Los autores desean agradecer a la Planta de
50 giros) en probetas de concreto asfáltico
Asfalto del Gobierno del Distrito Federal, a las
elaboradas con granulometrías de Fuller para
empresas Concretos Reciclados S.A. de C.V. y
n=0.45 no produce cambios significativos en la
PINFRA S.A. de C.V. la donación de los materiales
permeabilidad del material, tal como lo indican
utilizados en esta investigación.
los resultados de las mezclas (I a IV).
 Los resultados de las pruebas de
5 REFERENCIAS.
permeabilidad de las mezclas (mezclas III y V)
Creegan, P. y Monismith, C. (1996). “Asphalt
indican que la porosidad del agregado pétreo
Concrete Water Barriers for embankment
utilizado en la elaboración de una mezcla
Dams”. American Society of Civil Engineers.
asfáltica interviene en la permeabilidad de la
ISBN 0-7844-0141.
misma.
Wang, W. y Hoeg, K. (2009). “The asphalt core
 En la medida en que la granulometría del
embankment dam: a very competitive
agregado pétreo de la mezcla se hace más
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
8
Estudio de la permeabilidad de mezclas asfálticas para presas.
alternative”. The 1st International Symposium
on Rockfill Dams Paper Chengdu, China.
Hoeg, K. (1993). “Asphaltic concrete cores for
embankment
dams.
Experience
and
practice”. Norweigian geotechnical institute.
ISBN 82-546-0163-1: 57 p.
ICOLD (1982). “Bituminous concrete facings for
earth and rockfill dams”. Boletin 32 a: 25 p.
Instituto del Asfalto (2001). “Superpave mix
design”. Superpave series No. 2 (SP-2). 3er.
Ed: 32-33.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.