Propuesta de diseño de mezcla asfáltica en frío de graduación

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS
Propuesta de diseño de mezcla asfáltica en frío de graduación
densa como alternativa para el mantenimiento de pavimentos
flexibles
Investigación Monográfica para obtener el Título de Ingeniero Civil
Autores: Br. Bianka Lisbeth Ramos García
Br. Cesia Isabel Muñiz Pérez
Tutor: Ing. Otoniel Baltodano Peña
Managua, Nicaragua
Mayo 2013
DEDICATORIA POR BIANKA RAMOS
A Dios en primera instancia por haberme dado sabiduría para culminar mi carrera, por
estar siempre a mi lado derramando bendiciones sobre mi y nunca dejarme sola por más
dura que fuera la situación.
A mis Padres Gustavo Ramos y Mercedes García y Tía Maritza García, que con su
ejemplo y apoyo me ayudaron a salir adelante en mis estudios.
A mi hermano Edwin Ramos, que siempre estuvo a mi lado aportando buenos
pensamientos y optimismo.
A mi compañera de Tesis, Cesia Muñiz, que estuvo a mi lado desde segundo año de la
carrera y la cual considero una gran amiga, a pesar de todas las adversidades que
pasamos, logramos concluir con una de nuestras metas.
A mis compañeros de clase, que de alguna forma aportaron a nuestro desarrollo en el
transcurso de la carrera y ahora en la investigación.
A todas las personas que puso en mi camino y las cuales de una u otra forma me
ayudaron a seguir adelante, y siempre pensar en positivo.
2
DEDICATORIA POR CESIA MUÑIZ
En primer lugar quiero agradecer a nuestro Padre Celestial, quien es el dador de la vida y
de la sabiduría, quien nos da fuerza y ánimos para continuar.
A mi madre Yadira Pérez por ser la mujer que me ha sacado adelante y de la cual me
siento orgullosa.
A mis maestros por ser ejemplo en este camino duro de andar. Por enseñarnos a
defendernos y por regalarnos los conocimientos que nos han llevado hasta hoy.
A mi compañero de labores Bianka Ramos, porque a pesar de todo y todos ha estado
conmigo siempre, apoyándome en las duras y en las maduras.
A quienes me han apoyado en este duro mundo laboral, quienes se han preocupado por
mi situación y quienes me han regalado consejos y palabras de aliento: Ing. Pablo
Martínez, Ing. José Manuel Cuadrado, Ing. Yahaira García, Xochilt Vílchez, Ing. Judith
Fajardo, Lic. Ingrid Espinoza, Ing. Lester Téllez, Ing. Jorge Luis Acosta, Lic. Wálmaro
Moya, Lic. María José Aguilera, Lic. Josmar Crus, Lic. Berman Espinoza, Martha Jiménez,
Ing. Massiel Flores, Gilberto Leiva, Rigoberto Rojas, Manuel Jirón, Ing. Carlos Aragón. A
todos ¡Gracias!
3
AGRADECIMIENTOS
Por Bianka y Cesia
Agradecemos a las personas que nos ayudaron a lo largo de todo este proceso
académico.
A la Universidad Centroamericana: Que nos dio la oportunidad de ser parte de ella,
para educarnos como profesionales.
A
las empresas Compañía especializada de Ingenieros Contratistas, S.A.
(CEICO,S.A.), Soluciones Técnicas Sol, S.A. (SOLTEC,S.A), Instituto Técnico de
Pavimentos (ITP), Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC) y todo su personal técnico, que
brindaron asistencia técnica para el desarrollo de la Investigación.
Al Ing. Omar Cano y Moisés Méndez, por asistirnos durante todo el proceso de
prueba y diseño de esta investigación. De igual forma, a nuestro tutor, Ing. Otoniel
Baltodano, por aportar ideas al desarrollo de esta investigación monográfica.
4
TABLA DE CONTENIDO
PÁGINA DE ACEPTACIÓN O AVAL DEL TUTOR ...... ¡Error! Marcador no definido.
DEDICATORIA POR BIANKA RAMOS............................................................................ 2
DEDICATORIA POR CESIA MUÑIZ ................................................................................ 3
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... 4
LISTADO DE FIGURAS.................................................................................................... 10
LISTADO DE TABLAS ...................................................................................................... 13
ANEXOS.............................................................................................................................. 16
RESUMEN .......................................................................................................................... 17
ABSTRACT ......................................................................................................................... 18
1.
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 19
1.1.
2.
3.
ANTECEDENTES ............................................................................................... 20
1.1.1.
Historia del Desarrollo de Caminos en Nicaragua.................................. 20
1.1.2.
Inventario Actual de la Red Vial Nacional ................................................ 22
1.2.
JUSTIFICACIÓN ................................................................................................. 23
1.3.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.............................................................. 24
1.4.
LIMITACIONES ................................................................................................... 25
OBJETIVOS ................................................................................................................ 26
2.1.
OBJETIVO GENERAL........................................................................................ 26
2.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 26
MARCO REFERENCIAL .......................................................................................... 27
3.1.
PAVIMENTOS ..................................................................................................... 27
3.1.1.
Definición ....................................................................................................... 27
3.1.2.
Clasificación de los pavimentos ................................................................ 28
3.1.3.
Características de un Pavimento .............................................................. 29
3.1.4.
Componentes ............................................................................................... 30
3.2.
AGREGADOS PÉTREOS.................................................................................. 32
5
3.2.1.
Definición ....................................................................................................... 32
3.2.2.
Clasificación del Material Pétreo ............................................................... 32
3.3.
ASFALTO ............................................................................................................. 35
3.3.1.
Origen y Naturaleza del Asfalto ................................................................. 35
3.3.2.
Clasificación y Grados de Asfalto (Gonzales Escobar et. al, 2007) .... 36
3.3.3.
Propiedades Químicas del Asfalto ............................................................ 36
3.3.4.
Propiedades Físicas del Asfalto ................................................................ 37
3.3.5.
Tipos de Asfalto............................................................................................ 39
3.4.
MEZCLAS ASFÁLTICAS DE PAVIMENTACIÓN .......................................... 49
3.4.1.
Mezcla Asfáltica en Frío.............................................................................. 50
3.4.2.
Clasificación de la mezcla según el porcentaje de vacíos .................... 52
3.5. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS SEGÚN NORMAS
ASSHTO 2006 ................................................................................................................ 56
3.5.1.
Granulometría (AASHTO T 27) ................................................................. 56
3.5.2.
Equivalente de Arena (AASHTO T176) ................................................... 56
3.5.3.
Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) ....................................................... 56
3.5.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y
Agregado Fino (AASHTO T 85) ............................................................................... 57
3.5.5.
Índice de Plasticidad (AASHTO T 90) ...................................................... 58
3.5.6.
Partículas Friables (AASHTO T 112)........................................................ 58
3.5.7.
Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104) ............................................... 58
3.5.8.
Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) ................................................... 59
3.6.
ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 .............. 60
3.6.1.
Muestreo de emulsiones (AASHTO T 40 o ASTM D140) ..................... 60
3.6.2.
Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D 2397 o D 244-22/24)
60
3.6.3.
Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8) ............................. 61
3.6.4.
Estabilidad de Almacenamiento (ASTM D244) ....................................... 61
3.6.5.
Sedimentación (ASTM D 244-29/32) ........................................................ 61
3.6.6.
Carga de partículas de prueba (ASTM D-244) ....................................... 61
3.6.7.
Ensayos al residuo de asfalto (ASTM T 49) ............................................ 62
3.7. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO CON EMULSIÓN
ASFÁLTICA .................................................................................................................... 62
3.7.1.
Descripción ................................................................................................... 62
3.7.2.
Materiales ...................................................................................................... 62
6
3.7.3.
4.
Procedimiento de pruebas a la mezcla asfáltica en frío ........................ 64
MARCO METODOLÓGICO ..................................................................................... 67
4.1.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LOS AGREGADOS PÉTREOS
69
4.1.1.
Granulometría (AASHTO T 27) ................................................................. 69
4.1.2.
Equivalente de Arena (AASHTO T176) ................................................... 70
4.1.3.
Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) ....................................................... 71
4.1.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y
Agregado Fino (AASHTO T 85) – Peso Unitario (AASHTO T 19) ..................... 71
4.1.5.
Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104) ............................................... 75
4.1.6.
Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) ................................................... 76
4.2. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LA EMULSIÓN ASFÁLTICA
CSS-1 .............................................................................................................................. 78
4.2.1.
Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D-2397 o D 244-22/24)
78
4.2.2.
Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8) ............................. 79
4.2.3.
Estabilidad de Almacenamiento y Sedimentación (ASTM D244) ........ 80
4.2.4.
Carga de partículas de prueba (ASTM D-244) ....................................... 81
4.2.5.
Penetración (ASTM T 49) ........................................................................... 82
4.3. COMBINACIÓN DE AGREGADOS Y EMULSIÓN ASFÁLTICA PARA
OBTENCIÓN DEGRANULOMETRÍ A IDEAL PARA EL DISEÑO ......................... 83
4.4.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO 91
4.4.1.
5.
Método Marshall ........................................................................................... 91
RESULTADOS ......................................................................................................... 102
5.1.
ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS .................... 102
5.1.1.
Granulometría (AASHTO T 27) ............................................................... 102
5.1.2.
Equivalente de Arena (AASHTO T176) ................................................. 105
5.1.3.
Abrasión o Desgaste (AASHTO T96) ..................................................... 105
5.1.4. Gravedad Específica Agregado Grueso (T84) – Agregado Fino (T85) –
Peso Unitario (T19).................................................................................................. 106
5.1.5.
Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104) ............................................. 107
5.1.6.
Índice de Durabilidad (AASHTO T 210) ................................................. 108
5.2. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A
LOS AGREGADOS PÉTREOS SEGÚN CLASIFICACIÓN AASHTO ................ 108
5.2.1.
Grava ¾”...................................................................................................... 108
5.2.2.
Grava ½”...................................................................................................... 109
7
5.2.3.
Material cero o ¼” ...................................................................................... 110
5.3. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A
LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1.......................................................................... 111
5.4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A
LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO SEGÚN ENSAYO MARSHALL .................. 112
6.
MANTENIMIENTO ................................................................................................... 115
6.1. Utilización de las mezclas asfálticas a temperatura ambiente para
conservación y bacheo ............................................................................................... 115
6.1.1.
6.2.
Bacheo superficial o menor de pavimentos asfálticos ......................... 116
TRABAJOS DE MANTENIMIENTO ............................................................... 118
6.2.1.
Mantenimiento rutinario ............................................................................ 118
6.2.2.
Mantenimiento periódico ........................................................................... 118
6.2.3.
Mantenimiento preventivo ........................................................................ 118
6.2.4.
Mantenimiento por administración .......................................................... 119
6.2.5.
Mantenimiento Rutinario ........................................................................... 119
7.
CONCLUSIONES .................................................................................................... 121
8.
RECOMENDACIONES ........................................................................................... 123
8.1.
Elaboración de mezclas ................................................................................... 123
8.2.
Diseño preliminar .............................................................................................. 124
8.3.
Evaluación y ajustes de una mezcla de diseño ........................................... 124
8.3.1.
Vacíos bajos y estabilidad baja ............................................................... 124
8.3.2.
Vacíos bajos y estabilidad satisfactoria.................................................. 124
8.3.3.
Vacíos satisfactorios y estabilidad baja.................................................. 125
8.3.4.
Vacíos altos y estabilidad satisfactoria ................................................... 125
8.3.5.
Vacíos altos y estabilidad baja ................................................................ 125
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 126
ANEXOS............................................................................................................................ 128
ANEXO A. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS EN EL
COMPLEJO INDUSTRIAL NINDIRÍ (AGRENIC) ................................................... 128
ANEXO B. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 EN
SOLUCIONES TÉCNICAS SOL, S.A. (SOLTEC) .................................................. 149
ANEXO C. ESPECIFICACIONES PARA LAS EMULSIONES Y MEZCLA
ASFÁLTICA EN FRÍO ................................................................................................. 150
ANEXO D. ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS DE DISEÑO ............ 152
ANEXO E. CANTIDAD APROXIMADA DE EMULSIÓN ASFÁLTICA ................ 152
8
ANEXO F. CANTIDAD DE GOLPES MÉTODO MARSHALL PARA MEZCLAS
EN FRÍO ........................................................................................................................ 153
9
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1. Bacheo en frío
Figura 3.1. Estructura de Pavimento
Figura 3.2. Sección de un Pavimento Flexible
Figura 3.3. Sección de un Pavimento Semi – rígido
Figura 3.4. Sección de un Pavimento Rígido
Figura 3.5. Sección de un Pavimento Articulado
Figura 3.6. Agregados minerales AGRENIC
Figura 3.7. Composición del Asfalto
Figura 3.8. Dispersiones de micelas de betún (ɸ ≈ 3 – 10 micra) en Agua
Esquema 3.1. Tipos de superficies de rodadura
Esquema 3.2. Ventajas de las Emulsiones Asfálticas
Esquema 3.3. Requerimientos en mezclas
Figura 4.1. Lavado de muestra para tamizado
Figura 4.2. Cribado
Figura 4.3. Ensayo de Equivalente de Arena
Figura 4.4. Máquina de Los Ángeles
10
Figura 4.5. Preparación de muestra para cálculo de peso superficialmente seco
Figura 4.6. Peso suelto
Figura 4.7. Prueba de humedad
Figura 4.8. Ensayo de gravedad específica
Figura 4.9. Picnómetro
Figura 4.10. Lavado de muestra
Figura 4.11. Peso de probeta para solución stock
Figura 4.12. Muestra de agregado fino con solución stock
Figura 4.13. Ensayo de viscosidad Saybolt
Figura 4.14. Ensayo de destilación para emulsiones asfálticas
Figura 4.15. Sedimentación y estabilidad
Figura 4.16. Ensayo de carga de partículas
Figura 4.17. Ensayo de penetración
Figura 4.18. Mezclado y pesaje de las muestras
Figura 4.19. Cantidad de agregado en las muestras
Figura 4.20. Porcentaje de agua en las muestras
Figura 4.21. Porcentaje de emulsión en las muestras
Figura 4.22. Mezclado de las muestras
Figura 4.23. Obtención de muestras para elaboración de briquetas Marshall
Figura 4.24. Peso de la mezcla
Figura 4.25. Contenido de emulsión óptima
Figura 4.26. Contenido de agua óptimo
Figura 4.27. Compactación de briquetas
Figura 4.28. Variación de contenido de emulsión
Figura 4.29. Ensayo de estabilidad y fluencia Marshall
Figura 4.30. Ilustración de los parámetros de diseño volumétrico
11
Figura 5.1. Granulometría – Lavado de muestra para tamizado
Figura 5.2. Cribado
Figura 5.3. Ensayo de Equivalente de Arena
Figura 5.4. Máquina de Los Ángeles
Figura 5.5. Preparación de muestra para cálculo de peso superficialmente seco
Figura 5.6. Peso suelto
Figura 5.7. Prueba de humedad
Figura 5.8. Ensayo de gravedad específica
Figura 5.9. Índice de Durabilidad – Lavado de muestra
Figura 5.10. Peso de probeta para solución stock
Figura 5.11. Muestra de agregado fino con solución stock
Figura 5.12. Ensayo de Viscosidad Saybolt
Figura 5.13. Ensayo de Carga de Partículas
Figura 5.14. Ensayo de Destilación para emulsiones asfálticas
Figura 6.1. Procedimiento de bacheo
Figura 6.2. Carpeta mezcla en frío con emulsión asfáltica, Colonia Pedro Joaquín
Chamorro, Managua
Figura 7.1. Especificaciones de parámetros Marshall para mezclas en frío según MS-14
12
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1.1. Red Vial Nacional por tipo de Superficie (Años: 1978-2005)
Tabla 1.2. Constitución de la Red Vial Nacional
Tabla 1.3. Red Vial de Nicaragua 2010 / Resumen Clasificación Funcional – Tipo de
Superficie a nivel Departamental
Tabla 3.1. Longitud de kilómetros por tipo de rodadura en Centroamérica
Tabla 3.2. Clasificación del material pétreo por su contenido de sílice
Tabla 3.3. Requerimientos del Cemento Asfáltico para su uso en construcción de
pavimentos
Tabla 3.4. Usos generales de las emulsiones asfálticas
Tabla 3.5. Parámetros de Clasificaciones para mezclas
Tabla 3.6. Guía para el uso de productos derivados del asfalto en mezclas en frío
Tabla 3.7. Tamaño de las muestras (Ensayo de Abrasión)
Tabla 3.8. Intemperismo
Tabla 3.9. Granulometría de agregados para mezcla en frío
Tabla 4.1. Metodología de trabajo
Tabla 4.2. Combinación de agregados ideal
Tabla 4.3. Parámetros de diseño de mezcla
Tabla 4.4. Porcentaje de agua para las muestras
13
Tabla 4.5. Composición de la mezcla
Tabla 4.6. Requerimientos para mezcla asfáltica con granulometría densa y emulsión
asfáltica diseñadas con el Método Marshall
Tabla 5.1. Muestra de grava ¾”
Tabla 5.2. Cribado de grava ¾”
Tabla 5.3. Muestra de grava ½”
Tabla 5.4. Cribado de grava ½”
Tabla 5.5. Muestra de material cero o ¼”
Tabla 5.6. Cribado de material cero o ¼”
Tabla 5.7. Equivalente de Arena – material cero o ¼”
Tabla 5.8. Abrasión grava ¾”
Tabla 5.9. Abrasión grava ½”
Tabla 5.10. Peso Unitario / Gravedad Específica grava ¾”
Tabla 5.11. Peso Unitario / Gravedad Específica grava ½”
Tabla 5.12. Peso Unitario / Gravedad Específica material cero o ¼”
Tabla 5.13. Durabilidad en Sulfatos grava ¾”
Tabla 5.14. Durabilidad en Sulfatos grava ½”
Tabla 5.13. Durabilidad en Sulfatos grava ¾”
Tabla 5.14. Durabilidad en Sulfatos grava ½”
Tabla 5.15. Durabilidad en Sulfatos material cero o ¼”
Tabla 5.16. Índice de Durabilidad grava ¾” y ½”
Tabla 5.17. Índice de Durabilidad material cero o ¼”
Tabla 5.18. Resumen – Granulometría ¾”
Tabla 5.19. Resumen – Clasificación AASHTO grava ¾”
Tabla 5.20. Resumen – Granulometría ½”
Tabla 5.21. Resumen – Clasificación AASHTO grava ½”
14
Tabla 5.22. Resumen – Granulometría material cero o ¼”
Tabla 5.23. Resumen – Clasificación AASHTO material cero o ¼”
Tabla 5.24. Resultados para la emulsión asfáltica CSS-1
Tabla 5.25. Resultados para mezcla en frío
Tabla 5.26. Parámetros Marshall
Tabla 7.1. Conclusiones
15
ANEXOS
ANEXO A. Ensayos realizados a los agregados pétreos en el Complejo Industrial Nindirí
(AGRENIC)
ANEXO B. Ensayos realizados a la emulsión asfáltica CSS-1 en Soluciones Técnicas
SOL, S.A. (SOLTEC)
ANEXO C. Especificaciones para las emulsiones y mezcla asfáltica en frío
ANEXO D. Especificaciones granulométricas de diseño
ANEXO E. Cantidad aproximada de emulsión asfáltica
ANEXO F. Cantidad de golpes Método Marshall para mezclas en frío
16
RESUMEN
El presente trabajo monográfico consiste en plantear una propuesta para el diseño de
mezcla asfáltica en frío de graduación densa para el mantenimiento de pavimentos
flexibles, evaluado a través del Ensayo Marshall.
Para su ejecución, inicialmente se mantuvo una etapa preliminar que incluyó una
importante recopilación de información sobre el origen de los agregados, la cual brinda
una idea general de las principales características geológicas y físicas de los materiales
pétreos, provenientes en este caso, de la mina Nindirí, los cuales sometidos a diferentes
ensayos exigidos por el Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos y el Manual
para Mezclas en frío (MS-14) del Instituto del Asfalto, dieron óptimos resultados para la
elaboración de la mezcla asfáltica. De igual forma, obtener parámetros de calidad
suficientes para hacer uso de la emulsión asfáltica más adecuada. En este caso se utilizó
emulsión proveniente de SOLTEC, S.A.
Se pretende encontrar valores ideales resultado de ensayos realizados a los materiales
que se involucran en el diseño de la mezcla, que cumplan con las normativas planteadas
anteriormente.
En cada uno de los acápites se describen los procedimientos y requerimientos específicos
para la selección del diseño final de la mezcla. Se evalúan los parámetros necesarios
para una correcta selección de granulometría; la variación que se presenta en volumen de
vacíos (Va); y contenido óptimo de asfalto. Todos estos soportados con gráficos y tablas
que demuestran la credibilidad de la información presentada. De igual forma, se incluyen
recomendaciones para la evaluación y ajuste de la mezcla asfáltica a utilizar.
Por último y no menos importante, se presentan los resultados obtenidos, los cuales
muestran los criterios de selección de la granulometría de diseño y del contenido óptimo
de asfalto mediante el método Marshall, donde se demuestra la utilización de esta mezcla
de pavimentación para mantenimiento de carreteras y carpetas de bajo tráfico.
17
ABSTRACT
This monograph is to present a proposal for the design of cold mix asphalt dense graded
for flexible pavement maintenance, evaluated through the Marshall test.
For its implementation, initially held a preliminary stage that included a major collection of
information on the origin of the aggregates, which provides an overview of the main
geological and physical characteristics of stone materials, from in this case, mine Nindirí,
which undergo different tests required by Central American Manual and Pavement Design
Manual for cold Mixes (MS-14) of the Asphalt Institute, gave excellent results for the
production of the asphalt mixture. Similarly, to obtain sufficient quality parameters to make
use of the most appropriate asphalt emulsion. In this case was used emulsion from
SOLTEC, S.A.
Seeks to find optimal values results of tests on materials that are involved in the design of
the mixture, complying with the regulations referred to above.
In each of sections describe the procedures and specific requirements for the selection of
the final design of the mixture. Evaluating the parameters needed for a correct selection of
particle size, the variation in the void volume (Va); and content optimum asphalt. All these
supported with charts and tables showing the credibility of the information presented.
Similarly, includes recommendations for the evaluation and adjustment of the asphalt
mixture used.
Last but not least, the results obtained, which show the selection criteria of the particle size
and the design optimum asphalt content by Marshall Method, which shows the use of this
mixture for road maintenance paving low traffic and folders.
18
1.
INTRODUCCIÓN
“Propuesta de diseño de mezcla asfáltica en frío de graduación densa como una
alternativa para el mantenimiento de pavimentos flexibles” surge como una necesidad de
minimizar costos en el proceso de producción y manejo del asfalto para la elaboración de
mezcla en frío, en el área de mantenimiento de carreteras, además de brindar una opción
que implica menor impacto ambiental en el uso de los derivados del petróleo.
Las mezclas asfálticas en frío están constituidas por emulsión asfáltica y agregados
pétreos, los cuales no son calentados (Jiménez Acuña, 2009). A diferencia de éstas, las
mezclas asfálticas en caliente (utilizadas hasta el momento), son diseñadas a partir de
asfaltos a temperaturas elevadas (puede existir el caso de producción de mezclas con
asfalto rebajado) y agregados pétreos, que son calentados con el objetivo de que el
asfalto, en un estado más fluido, recubra mayor área de la superficie de los agregados
con menos cantidad de asfalto, y el manejo de la mezcla sea más fácil (al asfalto estar
más caliente y menos viscoso).
Las mezclas asfálticas en frío tienen mucha aceptación a nivel internacional, pues
además de ser amigables con el medio ambiente, se realizan menores gastos energéticos
para su producción y no ocasionan contaminación luego de ser colocadas (Jiménez
Acuña, 2009).
Se dice que no producen contaminación puesto que uno de los materiales que la
componen es emulsión asfáltica, la cual es elaborada a base de asfalto, agua, ácido
clorhídrico, látex y soluciones jabonosas, y no asfalto rebajado, el cual es producto de
“diluir” el asfalto en disolventes volátiles tales como el keroseno, diesel o gasolina, para
producir un asfalto más líquido sin recurrir al calor.
Esto con el objetivo de que los productos asfálticos alcancen una garantía de trabajo a la
temperatura ambiente, sin necesidad de calentar el asfalto.
Las variables anteriormente mencionadas hacen que la mezcla asfáltica en frío se
proyecte como una excelente opción para realizar trabajos en pavimentos flexibles y como
una alternativa de mantenimiento superior a la mezcla en caliente.
El diseño de la mezcla se evalúa a partir del Método Marshall (ASTM D1559), el cual
contempla los parámetros que deben cumplirse, como son: estabilidad, flujo, porcentaje
de vacíos, cantidad óptima de asfalto, entre otros (Khandal, 1940).
19
1.1. ANTECEDENTES
1.1.1. Historia del Desarrollo de Caminos en Nicaragua
Desde 1939, año en que se dieron los primeros pasos para la construcción de la
Carretera Panamericana, el ascenso de la Red Vial ha obedecido a la necesidad de
explotar zonas o polos de desarrollo que a su vez necesitaban de la existencia de tan
importante medio para lograr los objetivos planteados.
Un año después se crea en Nicaragua el Departamento de Carreteras del Ministerio de
Obras Públicas (hoy Ministerio de Transporte e Infraestructura). En ese entonces existían
201 km de carreteras, de los cuales 52 km eran pavimentadas.
A partir de 1955, las inversiones aumentaron y trajeron como resultado un empuje a la
expansión de la Red Vial. A esa fecha existían en Nicaragua 3,687 km de carretera,
contando con 280 km de carreteras de pavimentación asfáltica, para 1965 se tenían 6,475
km; de los cuales 811 km eran de pavimentación asfáltica. En la actualidad la red vial de
Nicaragua está conformada por 19,032 km de carreteras, de los cuales 2,095 km son
pavimentados (adoquinados y asfaltados) y 16,937 km son caminos de tierra.
La red vial en Nicaragua ha venido teniendo un progreso significativo, lo que ha permitido
estimular las actividades económicas que se necesitan para el desarrollo del país. En los
últimos años los caminos que se lograron construir desde los años 40 han ido
desapareciendo poco a poco, debido al deterioro (baches producto de las lluvias, grietas,
etc.) que presentan por escaso o nulo mantenimiento preventivo o por estar construidas
con especificaciones modestas y de bajo costo, siendo el precedente de las nuevas
carreteras que ayudan al avance de la economía del país.
Tabla 1.1. Red Vial Nacional por tipo de Superficie (Años: 1978-2005)1
Años
Tipo de Superficie
Total (km)
1978
1990
2000
2005
1.56
1.598
1.957
2.033
18.137
15.287
19.032
19.137
El procedimiento más utilizado en nuestro país para la construcción de carpetas de
rodamiento para pavimentos flexibles, es mediante la aplicación de mezcla asfáltica en
caliente, puesto que tiene excelentes propiedades de estabilidad, durabilidad y flexibilidad,
sin embargo, este proceso presenta dificultades en el momento de su fabricación, puesto
que tiene que elaborarse a altas temperaturas, lo cual eleva los costos debido al consumo
de energía.
1
Fuente: Cuadro N° 2.1 Red Vial Nacional por tipo de Superficie (Años: 1978-2005) Dirección General de
Vialidad (Dirección de Administración Vial)
20
Por otro lado, las propiedades del asfalto, luego de haber estado en contacto con volátiles
(kerosene, diesel o gasolina), se reducen, ya que los volátiles dañan las propiedades, las
cuales son densidad, penetración, viscosidad, punto de ablandamiento, punto de
inflamación, ductilidad y sobre todo el envejecimiento, por lo que su comportamiento
mecánico y reológico, se ven considerablemente mermados y no cumplen con las
especificaciones óptimas para su uso en la construcción de vías.
Cuando sus disolventes se evaporan, el asfalto recobra sus características originales de
fraguado. Sin embargo, el suelo que recibe estos volátiles es contaminado en gran
manera. “En los últimos 15 años en Nicaragua se estuvo utilizando un asfalto rebajado
con solventes, los cuales dañaban el medio ambiente”. (Lanzas Selva, 2001). Debido a
que esto también resulta en contaminación del aire, el uso de asfaltos rebajados es ilegal
en los Estados Unidos desde los años 70 (Jiménez Acuña, 2009).
Sin embargo, desde el año 2010 se iniciaron trabajos de mantenimiento de carreteras con
mezcla asfáltica en frío con emulsión (Cano, 2013).
Figura 1.1. Bacheo en frío2
Estas mezclas presentan una ventaja significativa sobre las mezclas convencionales, ya
que representan un gran aporte en el país, que es afectado con lluvias intensas que se
extienden por un lapso de tiempo considerable.
2
Fuente: Cortesía de Compañía Especializada de Ingenieros Contratistas, S.A (CEICO, S.A.)
Carretera Sur, 2013
21
La Alcaldía de Managua muchas veces ha tenido que interrumpir sus actividades
constructivas y de mantenimiento (bacheo) por los efectos que causa la lluvia.
Sin embargo, la ventaja que ofrece la mezcla en frío con emulsión es que puede utilizarse
con agregados húmedos, lo que significa evitar pérdidas económicas y de tiempo por días
de lluvia perdidos.
Debido a la aparición de la industria automotriz el uso del asfalto para la construcción de
carpetas de rodamiento ha aumentado significativamente, a tal punto que los métodos
manuales se mecanizaron y los equipos para construir son bastante sofisticados.
A pesar de la ventaja que existe con la aparición de estos equipos, no podemos omitir la
importancia que tiene el proceso de diseño de la mezcla así como los ensayos a los
materiales utilizados lo cual nos garantiza eficiencia y durabilidad del asfalto.
1.1.2. Inventario Actual de la Red Vial Nacional
Actualmente la Red Vial de Nicaragua está constituida por 22,111.052 km de caminos y
carreteras, los que se dividen de la manera siguiente: 2140.983 km de Carreteras de
Pavimento Asfáltico, considerados como el Sistema Troncal Principal, 3730.332 km de
Caminos Revestidos, 8388.447 km en Caminos de Todo Tiempo, 7178.065 km de
Caminos de Estación Seca, 659.686 km de Adoquinado y 13.539 km de Concreto
Hidráulico.
Tabla 1.2. Constitución de la Red Vial Nacional3
Tipo de Carretera
Carreteras Asfaltadas
Caminos Revestidos
Caminos de todo tiempo
Caminos de estación seca
Carreteras Adoquinadas
Concreto Hidráulico
Red Vial Total
Cantidad (km)
2,140.983
3,730.332
8,388.447
7,178.065
659.686
13.539
22,111.052
Aporte (%)
9.68
16.87
37.94
32.46
2.98
0.06
100.00
3
Fuente: MTI Inventario de Red Vial 2010
22
1.2. JUSTIFICACIÓN
La filosofía básica de los proyectos de ingeniería es tratar de brindar otro tipo de
alternativas que permitan adoptar cambios y que den como resultado nuevas formas de
beneficiar a la sociedad, haciendo uso y sacando provecho de los recursos que nos
brinda la naturaleza.
Sin embargo, la preocupación por la conservación del ambiente es aún mayor. La
utilización de mezcla asfáltica en frío implica una inversión menor en la construcción de
pavimentos flexibles, ahorro en el consumo de energía eléctrica, así como una reducción
en la generación de vapores tóxicos y polvo; la forma de construirlo es más versátil y
permite utilizar una gran variedad de agregados y tipos de emulsiones, por lo que pueden
ser utilizadas en condiciones ambientales diversas no inferiores a los 20ºC ni superiores a
los 40ºC. (Hernández Muñoz, 2007).
Debido a contingencias ambientales y de ahorro de energía los asfaltos rebajados
(cutback) tienden a desaparecer en países desarrollados y ser sustituidos por emulsiones
asfálticas que presentan mayores ventajas técnicas/económicas: no requieren
calentamiento en o para su almacenamiento, transporte y aplicación, se utilizan en
condiciones climatológicas más desfavorables, como por ejemplo, lluvia y se manejan a
temperatura ambiente porque están dispersas en agua (Manríquez Olmos, Heredia Veloz,
Moreno Tovar, Ramos Toriello, Tenorio Lara, Centeno Nolasco, 1996).
La colocación en obra de estas mezclas ofrece mayor facilidad, pues el tiempo de
almacenamiento puede variar, debido a que logran permanecer almacenadas sin perder
características que la hacen óptima para trabajar, aproximadamente en un período de 5
días. Si la mezcla está tapada correctamente puede durar hasta 15 días.
La mezcla asfáltica en frío tiene muchas ventajas en comparación con las mezclas
tradicionales (en caliente). En primer lugar, porque el ligante es más adaptable a los
agregados pétreos y, en segundo lugar, porque pueden ser mezclados durante un tiempo
más prolongado, es decir, siempre que exista presencia de agua en la mezcla, podrá ser
manejable, lo que se traduce a mayor trabajabilidad del sistema siempre y cuando la
emulsión sea de rompimiento lento y el agua sea químicamente compatible con la
emulsión, que puede ser aniónica o catiónica. En el caso de Nicaragua, por el tipo de
materiales (agregados) presentes se utilizan emulsiones catiónicas. En cambio, el
mezclado en caliente es una operación que se ve limitada en ese aspecto, ya que se debe
evitar que la mezcla se enfríe antes de su colocación y compactación (Méndez Pinilla &
Ulloa Duarte, 2002).
Por la necesidad de trabajar con sistemas más rentables (vida útil y recursos para invertir)
y amigables con el ecosistema, se requiere la utilización de mezcla asfáltica en frío de
graduación densa, cuyo proceso de diseño debe ser controlado para garantizar mayor
eficiencia.
23
1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En los últimos años el tránsito que circula por las carreteras nicaragüenses ha cambiado
en lo que a tipo y volúmenes de tránsito respecta, por lo que se ha originado una solicitud
más agresiva a los pavimentos. Aunque los diseños de las estructuras han tenido en
cuenta esta situación y por lo tanto los pavimentos nuevos y las soluciones de
rehabilitación se han construido con estructuras más fuertes, espesores de capas
mayores, especificaciones de calidad de materiales más estrictas y mayores exigencias
en los procesos constructivos, los daños prematuros son frecuentes, por lo que se llega a
la conclusión que a pesar de las medidas tomadas los requerimientos de calidad siguen
siendo insuficientes.
Este problema no se ha presentado únicamente en el país, en el mundo se han
emprendido grandes campañas para mejorar el comportamiento de las mezclas asfálticas,
entre ellas está la utilización de materiales alternativos que mejoren el comportamiento
mecánico y procuren mitigar el impacto ambiental que se produce con la explotación y
obtención de los agregados pétreos.
En cuanto al impacto ambiental que se produce se pueden mencionar los altos consumos
energéticos que demanda el diseño de las mezclas asfálticas en caliente, grandes
cantidades de combustible utilizados en el calentamiento de los agregados y del asfalto,
así como también la contaminación que produce la incorporación del asfalto rebajado en
el diseño de las mezclas en el suelo.
El asfalto rebajado resulta de “disolver” el asfalto en disolventes volátiles (keroseno, diesel
o gasolina) para producir un líquido sin recurrir al calor. Esto con el objetivo de que los
productos asfálticos alcancen una garantía de trabajo a la temperatura ambiente. Cuando
los disolventes volátiles se evaporan, el asfalto recobra sus características originales de
fraguado.
Cuando este producto se incorpora (asfalto rebajado) a la mezcla, representa un agente
perjudicial directo para el suelo que lo recibe, debido a que todos los disolventes volátiles
contenidos en él se dirigen hacia el suelo. La única solución a este problema sería extraer
el suelo que se contaminó y “quemarlo” (pasarlo por un proceso de quema para que todos
los volátiles se evaporen), lo que provoca pérdida de tiempo y aumento en la inversión.
Este es el gran inconveniente y lo que se debe evitar a toda costa: el uso del asfalto
rebajado. Durante años y en la mayoría de los trabajos que ya se han hecho a base de
mezcla asfáltica en frío, se ha utilizado asfalto rebajado. Es por esta razón que se hace
énfasis en el uso de emulsión asfáltica en los diseños, para evitar los daños ambientales y
los riesgos a la salud que produce el asfalto rebajado.
Debido a estas razones es importante profundizar en el conocimiento de esta tecnología,
en sus posibles usos y especificaciones para poder aplicarla correctamente en el medio.
Es necesario realizar una revisión de los ensayos de laboratorio que se utilizan para el
diseño y caracterización de desempeño de esta mezcla, tanto para los componentes,
24
como para la combinación de éstos. Luego de la conceptualización y diseño de esta
alternativa, es necesario hacer hincapié en los procesos constructivos que produzcan un
desempeño adecuado de esta tecnología.
1.4. LIMITACIONES
Este estudio va dirigido únicamente a las emulsiones catiónicas de rompimiento
lento. La emulsión ensayada procede de Soluciones Técnicas Sol, S.A. (SOLTEC,
S.A.).
Para obtener las propiedades de los agregados se ensayaron agregados de ¾”,
½” y material cero o ¼”. Son procedentes del Complejo Industrial Nindirí
(AGRENIC).
Se hará el estudio para mezclas asfálticas en frío de acuerdo a la clasificación
granulométrica del tipo cerradas.
Todos los procedimientos, gradación y ensayo Marshall para el diseño de la
mezcla asfáltica en frío están fundamentados en el Manual MS-14 del Instituto del
Asfalto
De acuerdo a lo anteriormente mencionado, no se realizó estabilidad retenida,
debido a factor tiempo. Puesto que los técnicos del laboratorio de Agrenic debían
realizar las actividades diarias en el complejo, por lo que nos atenderían en el mes
de Agosto para la realización de este ensayo. Por tal razón, únicamente se hace
mención de los demás parámetros Marshall.
25
2.
OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar mezcla asfáltica en frío de graduación densa como alternativa para el
mantenimiento de pavimentos flexibles, a partir de emulsión asfáltica.
.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluar los parámetros de calidad de los materiales (agregados y emulsión) a ser
utilizados en el diseño de la mezcla, de acuerdo a las especificaciones establecidas
en el Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos y el Manual para Mezclas
en frío (MS-14) del Instituto del Asfalto.
Determinar las proporciones óptimas de emulsión asfáltica, agregado pétreo y agua
para el diseño.
26
3.
MARCO REFERENCIAL
3.1. PAVIMENTOS
3.1.1. Definición
Pavimento, es la estructura integral de capas superpuestas, generalmente horizontales
denominadas subrasante, subbase, base y carpeta, colocadas hasta coronar la rasante y
destinadas a permitir el tránsito vehicular. Se diseñan y construyen técnicamente con
materiales apropiados y adecuadamente compactados.
Figura 3.1. Estructura de Pavimento4
4
Fuente: Instituto del Asfalto, MS-1, 1991
27
3.1.2. Clasificación de los pavimentos
De manera general los pavimentos se clasifican de acuerdo a la mecánica de su función:
Pavimentos flexibles
Pavimentos semi - rígidos
Pavimentos rígidos
Pavimentos articulados
Pavimento flexible es una estructura que mantiene un contacto íntimo con las cargas y las
distribuye a la subrasante; su estabilidad depende del entrelazamiento de los agregados,
de la fricción de las partículas y de la cohesión5. Están formados por una capa bituminosa
apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase.
Figura 3.2. Sección de un Pavimento Flexible6
Un pavimento semi – rígido es un pavimento cuya estructura combinada está compuesta
por una carpeta bituminosa flexible apoyada sobre estructuras rígidas como losas de
concreto o bases estabilizadas con cemento.
Figura 3.3. Sección de un Pavimento Semi – rígido7
La estructura que está compuesta por losas de concreto apoyadas sobre una capa
granular calculada de acuerdo a la capacidad portante del suelo se denomina pavimento
5
Standard Nomenclature and Definitions for Pavement Components and Deficiencies. Special Report Nº 113,
Highway Research Board, Washington, D.C. (1970)
6
Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 28
7
Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 29
28
rígido. Se le llama rígido porque las deformaciones que sufra deben ser nulas al ser
sometido a las cargas del tránsito.
Figura 3.4. Sección de un Pavimento Rígido8
El pavimento articulado está compuesto por bloques pre fabricados, llamados adoquines,
hechos de concreto y asentados sobre un colchón de arena soportado por una capa
subbase o directamente sobre la subrasante.
Figura 3.5. Sección de un Pavimento Articulado9
3.1.3. Características de un Pavimento
Un pavimento debe reunir los siguientes requisitos:
Resistente a las cargas provocadas por el tránsito
Capacitado para las circunstancias impuestas por el medio ambiente y la
exposición a los agentes climatológicos especialmente la lluvia y variaciones de
temperatura
Presentar una relación que combine la textura superficial, el desgaste provocado
por la abrasión de las llantas, maximizando el adecuado nivel de seguridad de los
vehículos. Superficie + textura = seguridad
Minimizar las afectaciones del drenaje. El peor enemigo del pavimento es el agua
8
Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 29
9
Fuente: Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). Manual para la revisión de diseños de pavimentos,
página N° 29
29
Debe tener una sensación agradable cuando se conduzca sobre él, minimizando
para el conductor aspectos de ruido, impacto visual, y maximizando la comodidad
a los usuarios
3.1.4. Componentes
1. Agregados pétreos:
Grava retenida en tamiz N° 4, arena entre tamiz N°4-200
Adherencia entre agregados con el bitumen
2. Materiales bituminosos
Asfalto en caliente, asfaltos modificados, aditivados
Emulsiones
Asfaltos líquidos
Crudos
Esquema 3.1. Tipos de superficies de rodadura10
Riegos
Asfálticos
Capas
Asfálticas de
protección
Lechadas
asfálticas
Tratamientos
superficiales
sin
agregados
Capas
Estructurales
Materiales
Ligantes
Mezclas en
caliente
Asfaltos
Emulsiones
Mezclas en
frío
Tratamientos
superficiales
con
agregados
Bases
estabilizadas
Cut Backs
Crudo
Los pavimentos flexibles resultan ser los que más se construyen en México, España, toda
la Unión Europea y los Estados Unidos y podría decirse en el mundo entero.
En América Latina la proporción ronda el 97% para los pavimentos flexibles y el resto son
pavimentos rígidos.
10
Fuente: Técnicas de Aplicación de ligantes asfálticos. Mezclas en Caliente (Parte I). pág. N° 97
30
Dentro del territorio centroamericano más de 100,000 kilómetros de carreteras de todo
tipo enlazan el campo con las ciudades y complementan una infraestructura disponible
para satisfacer las necesidades de movilidad de personas y mercancías, desplazando
diariamente 2.8 millones de vehículos automotores.
Gráfico 3.1. Distribución en Centroamérica, de los distintos tipos de rodadura11
Tabla 3.1. Longitud de kilómetros por tipo de rodadura en Centroamérica12
Tipo / País
Costa Rica
El Salvador
Guatemala
Honduras
Nicaragua
Mezcla Asfáltica
2,135
1,378
2,736
1,934
1,957
Concreto Hidráulico
65
51
60
220
0
Tratamiento Superficial
2,271
1,026
2,239
623
2,885
Grava o Tierra
3,100
3,070
9,303
10,826
14,040
Adoquín
0
0
0
0
138
Total
7,571
5,525
14,338
13,603
19,020
11
Fuente: Dictamen Técnico Regional para la preparación del Manual Centroamericano para Diseño de
Pavimentos, 2001. Página N° 23
12
Fuente: Dictamen Técnico Regional para la preparación del Manual Centroamericano para Diseño de
Pavimentos, 2001. Página N° 24
31
Como se mencionaba anteriormente, los materiales que componen un pavimento deben
ser lo suficientemente competentes como para asegurar la funcionalidad eficiente del
pavimento.
Para esto, es necesario ejecutar un sinnúmero de ensayos a estos componentes, los
cuales son: agregados minerales, emulsión asfáltica y consecuentemente, agua.
Es importante y merecedor abordar cada componente en un ítem distinto.
3.2. AGREGADOS PÉTREOS
“Las pruebas de laboratorio en la Ingeniería Civil, son determinantes pues conforman la
interface que debe haber entre el diseño o nivel conceptual y la construcción o nivel
práctico” (Hernández Muñoz, 2007). Es por esta razón que el estudio de las
características de los pavimentos flexibles siempre estará regido por Normas y
Especificaciones Técnicas del proyecto en ejecución. Al realizar estas pruebas se podrá
saber de forma precisa, los valores reales tanto físicos como químicos del agregado o
emulsión presente, dando como resultado un diseño eficiente.
3.2.1. Definición
Un agregado pétreo es un material mineral duro e inerte, usado en forma de partículas
gradadas o fragmentos, como parte de un pavimento flexible. Los agregados pétreos son
producto de roca o grava triturada.
Los agregados se usan tanto en las capas de base granular como para la elaboración de
la mezcla asfáltica. El agregado constituye entre el 90 y 95% en peso y entre el 75 y 85%
en volumen en la mayoría de las estructuras de pavimento. Esto hace que la calidad del
agregado usado sea un factor determinante en el comportamiento del pavimento.
Los agregados adecuadamente graduados por su tamaño y escogidos por las
propiedades que les provee su naturaleza forman lo que se conoce como el esqueleto
pétreo y se mantienen íntimamente adheridos y cohesionados por las propiedades que
posee el aglutinante (asfalto).
3.2.2. Clasificación del Material Pétreo
Debido a que el rompimiento de la emulsión asfáltica se lleva a cabo por la interacción
química de ésta con el material pétreo, es necesario conocer el tipo de material pétreo
que se tiene, para determinar el tipo de emulsión asfáltica más apropiada.
La clasificación de las rocas tiene en cuenta la proporción en sílice que contienen: ácidas,
son las que tienen más del 66 por ciento de dióxido de silicio (SiO 2); intermedias, las que
contienen entre 52 y 66 por ciento del mismo mineral y básicas, las que contienen menos
del 52 por ciento. En la Tabla 3.2 se muestran rocas representativas de estos grupos.
32
Tabla 3.2. Clasificación del material pétreo por su contenido de sílice13
Rocas Ácidas
Granitos
Granodiorita
Granito pórfido
Riolita
Diacita
Rocas Intermedias
Rocas Básicas
Sienita
Gabro
Traquita
Basalto
Traquiandesita
Peridotita
Diorita
Piroxenita
Andesita
Diabasa
Fonolita
Dolerita
Sin embargo, los agregados pueden clasificarse de acuerdo a su procedencia. Pueden
ser naturales o procesados.
Los agregados procesados son aquellos que han sido triturados y tamizados antes de ser
usados. Según la Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos en Colombia
(ASOPAC, 2004) la roca se tritura para volver angular la forma de la partícula y para
mejorar la distribución (gradación) de los tamaños de las partículas.
Para el presente estudio, se hizo el análisis con material que fue obtenido de forma
procesada o industrial. Procede del manto rocoso de la Mina Nindirí, que pertenece al
Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC) y la cual es una de las principales fuentes que
abastecen el mercado nacional.
Se trata de una roca basáltica, de origen volcánico, cuyas características la definen con
alta resistencia mecánica.
13
Fuente: Cortesía de Pavimentos de Nicaragua
33
Figura 3.6. Agregados minerales AGRENIC14
Por otro lado, los materiales pueden ser producidos en canteras abiertas o tomados de la
ribera de los ríos (cantera de río). En este último caso son agregados pétreos aluviales.
De acuerdo con su tamaño, se dividen en gravas, arenas y relleno mineral (llenante
mineral o filler).
Los agregados pétreos para la elaboración de cualquier tratamiento o mezcla bituminosa,
deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicarse una capa del material asfáltico a
utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción del agua y del tránsito. Sólo se
admitirá el empleo de agregados con características hidrófilas.
La distribución de tamaños de agregados se realiza de manera que los vacíos de las
fracciones gruesas sean llenados por las fracciones finas dejando espacio suficiente para
el ingreso del ligante y vacíos de aire. La estabilidad de la mezcla se logra a través de la
sucesión de contactos entre las distintas fracciones con un mínimo de asfalto y de vacíos
de aire.
El agregado grueso deberá proceder de la trituración de roca o de grava o de una
combinación de ambas, sus fragmentos deberán ser limpios, resistentes y durables, sin
exceso de partículas planas, alargadas, blandas o desintegrables. Estará exento de polvo,
tierra, terrones de arcilla y otras sustancias objetables que puedan impedir la adhesión
completa del asfalto.
14
Fuente: Cortesía de Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC)
34
El agregado fino estará constituido por arena de trituración o una mezcla de ella con
arena natural. Los granos del agregado fino deberán ser duros, limpios y de superficie
rugosa y angular. El material deberá estar libre de cualquier sustancia que impida la
adhesión del asfalto.
3.3. ASFALTO
El asfalto es un material negro, cementante, que varía ampliamente en consistencia, entre
sólido y semisólido (sólido blando), a temperaturas ambientales normales. Cuando se
calienta lo suficiente, el asfalto se ablanda y se vuelve líquido, lo cual le permite cubrir las
partículas de agregado durante la producción de mezcla.
Según la ASTM, los asfaltos son materiales aglomerantes sólidos o semisólidos de color
que varía de negro a pardo oscuro y que se licúan gradualmente al calentarse, cuyos
constituyentes predominantes son betunes que se dan en la Naturaleza en forma sólida o
semisólida o se obtienen de la destilación del petróleo; o combinaciones de éstos entre sí
o con el petróleo o productos derivados de estas combinaciones (ASTM Standard D8).
3.3.1. Origen y Naturaleza del Asfalto
3.3.1.1.
Refinación del Petróleo
El crudo de petróleo es refinado por el proceso de destilación. Durante el proceso las
diferentes fracciones (productos) son separadas del crudo por medio de un aumento, en
etapas, de la temperatura. Las fracciones livianas se separan por destilación simple. Los
destilados más pesados, usualmente llamados gasóleos, pueden ser separados
solamente mediante una combinación de calor y vacío. El asfalto puede ser producido
usando destilación por vacío a una temperatura aproximada de 480°C (900°F). Esta
temperatura puede variar un poco, dependiendo del crudo de petróleo que se esté
refinando, o del grado de asfalto que se esté produciendo.
3.3.1.2.
Refinación del Asfalto
Diferentes usos requieren diferentes tipos de asfalto. Los refinadores de crudo deben
tener maneras de controlar las propiedades de los asfaltos que producen, para que estos
cumplan ciertos requisitos. Esto se logra, usualmente, mezclando varios tipos de crudos
de petróleo antes de procesarlos. El hecho de poder mezclar permite al refinador
combinar crudos que contienen asfaltos de características variables, para que el producto
final posea exactamente las características solicitadas por el usuario.
Existen dos procesos por los cuales puede ser producido un asfalto, después de que se
han combinado los crudos de petróleo: destilación por vacío y extracción con solventes.
Como se discutió anteriormente, la destilación por vacío consiste en separar el asfalto del
crudo mediante la aplicación de calor y vacío. En el proceso de extracción con solvente,
se remueven más gasóleos del crudo, dejando así un asfalto residual.
35
Una vez que los asfaltos han sido procesados, estos pueden ser mezclados entre sí, en
ciertas proporciones, para producir grados intermedios de asfalto. Es así como un sulfato
muy viscoso y uno menos viscoso pueden ser combinados para producir un asfalto de
viscosidad intermedia.
En resumen, para producir asfaltos con características específicas, se usa el crudo de
petróleo o mezclas de crudos de petróleo. El asfalto es separado de las otras fracciones
del crudo por medio de destilación por vacío o extracción con solventes.
3.3.2. Clasificación y Grados de Asfalto (Gonzales Escobar et. al, 2007)
Los asfaltos de pavimentación pueden clasificarse bajo tres tipos generales:
Cemento asfáltico
Asfalto diluido (o cortado) y
Asfalto emulsionado
Los cementos asfálticos se clasifican en tres sistemas diferentes que son:
Viscosidad
Viscosidad después de envejecimiento
Penetración
Cada sistema contiene diferentes grados, cada uno con diferentes grados de
consistencia.
Para este análisis, únicamente se tomará en cuenta la clasificación del cemento asfáltico
por penetración.
3.3.3. Propiedades Químicas del Asfalto
El asfalto tiene propiedades químicas únicas que lo hacen muy versátil como material de
construcción de carreteras.
A pesar de que la composición química es ciertamente uno de los medios usados y más
precisos para identificar las propiedades de cualquier sustancia, la relación entre la
composición química del asfalto y su comportamiento en la estructura del pavimento es
todavía incierta. Sin embargo, se hace una breve descripción de la química del asfalto.
Básicamente, el asfalto está compuesto por varios hidrocarburos (combinaciones
moleculares de hidrógeno y carbono) y algunas trazas de azufre, oxígeno, nitrógeno y
otros elementos. El asfalto, cuando es disuelto en un solvente como el heptano, puede
separarse en dos partes principales: asfaltenos y maltenos.
36
Figura 3.7. Composición del Asfalto15
Los asfaltenos no se disuelven en el heptano. Los asfaltenos, una vez separados de los
maltenos, son usualmente de color negro o pardo oscuro y se parecen al polvo grueso de
grafito. Los asfaltenos le dan al asfalto su color y dureza.
Los maltenos se disuelven en el heptano. Son líquidos viscosos compuestos de resinas y
aceites. Las resinas son, por lo general, líquidos pesados de color ámbar o pardo oscuro,
mientras que los aceites son de color más claro. Las resinas proporcionan las cualidades
adhesivas (pegajosidad) en el asfalto, mientras que los aceites actúan como un medio de
transporte para los asfaltenos y las resinas.
Los asfaltenos cargan con la responsabilidad de las características estructurales y de
dureza de los asfaltos, las resinas le proporcionan sus propiedades aglutinantes y los
aceites la consistencia adecuada para hacerlos trabajables.
La proporción de asfaltenos y maltenos en el asfalto puede variar debido a un sinnúmero
de factores, incluyendo altas temperaturas, exposición a la luz y al oxígeno, tipo de
agregado usado en la mezcla del pavimento, y espesor de la película de asfalto en las
partículas de agregado. Las reacciones y cambios que pueden ocurrir incluyen:
evaporación de los compuestos más volátiles, oxidación (combinación de moléculas de
hidrocarburo con moléculas de oxígeno), polimerización (combinación de dos o más
moléculas para formar una sola molécula más pesada), y otros cambios químicos que
pueden afectar considerablemente las propiedades del asfalto. Las resinas se convierten
gradualmente en asfaltenos, durante estas reacciones, y los aceites se convierten en
resinas, ocasionando así un aumento en la viscosidad del asfalto.
3.3.4. Propiedades Físicas del Asfalto
Las propiedades físicas del asfalto, de mayor importancia para el diseño, construcción y
mantenimiento de carreteras son:
15
Fuente: Bitumen Training Course. El Asfalto en la Construcción de Pavimentos Flexibles. Julio 2005. Shell
Bitumen.
37
1.
Durabilidad: es la medida de qué tanto puede retener un asfalto sus características
originales cuando es expuesto a procesos normales de degradación y
envejecimiento. Es una propiedad juzgada principalmente a través del
comportamiento del pavimento, y por consiguiente es difícil de definir solamente en
términos de las propiedades del asfalto.
Esto se debe a que el comportamiento del pavimento está afectado por el diseño de
la mezcla, las características del agregado, la mano de obra en la construcción, y
otras variables, que incluyen la misma durabilidad del asfalto.
Sin embargo, existen pruebas rutinarias usadas para evaluar la durabilidad del
asfalto. Estas son la Prueba de Película Delgada en Horno (TFO) y la Prueba de
Película Delgada en Horno Rotatorio (RTFO). Ambas incluyen el calentamiento de
películas delgadas de asfalto.
2.
Adhesión y Cohesión: adhesión es la capacidad del asfalto para adherirse al
agregado en la mezcla de pavimentación. Cohesión es la capacidad del asfalto de
mantener firmemente, en su puesto, las partículas de agregado en el pavimento
terminado.
3.
Susceptibilidad a la Temperatura: todos los asfaltos son termoplásticos; esto es, se
vuelven más duros (más viscosos) a medida que su temperatura disminuye, y más
blandos (menos viscosos) a medida que su temperatura aumenta. La susceptibilidad
a la temperatura varía entre asfaltos de petróleos de diferente origen, aún si los
asfaltos tienen el mismo grado de consistencia.
Es muy importante conocer la susceptibilidad a la temperatura del asfalto que va a ser
utilizado, pues ella indica la temperatura adecuada a la cual se debe mezclar el
asfalto con el agregado, y la temperatura a la cual se debe compactar la mezcla sobre
la base de la carretera. Debe entenderse que es vital que un asfalto sea susceptible a
la temperatura. Debe tener suficiente fluidez a altas temperaturas para que pueda
cubrir las partículas de agregado durante el mezclado, y así permitir que estas
partículas se desplacen unas respecto a otras durante la compactación. Luego
deberá volverse lo suficiente viscoso, a temperaturas ambientales normales, para
mantener unidas las partículas de agregado.
4.
Envejecimiento y Endurecimiento: los asfaltos tienden a endurecerse en la mezcla
asfáltica durante la construcción, y también en el pavimento terminado. Este
endurecimiento es causado principalmente por el proceso de oxidación (el asfalto
combinándose con el oxígeno), el cual ocurre más fácilmente a altas temperaturas y
en películas delgadas de asfalto (como la película que cubre las partículas de
agregado).
Cada asfalto debe ser ensayado por separado para poder determinar sus
características de envejecimiento, y así poder ajustar las técnicas constructivas para
minimizar el endurecimiento. Estos ajustes incluyen mezclar el asfalto con el
agregado a la temperatura más baja posible, y durante el tiempo más corto que
pueda obtenerse en la práctica.
El endurecimiento del asfalto continúa en el pavimento después de la construcción.
Una vez más, las causas principales son la oxidación y polimerización. Estos
procesos pueden ser retardados si se mantiene, en el pavimento terminado, una
38
cantidad pequeña de vacíos (aire) interconectados, junto con una capa gruesa de
asfalto cubriendo las partículas de agregado.
Tabla 3.3. Requerimientos del Cemento Asfáltico para su uso en construcción de
pavimentos16
Penetration at 77°F (25°C) 100 g,
5s
Flash Point, °F (Cleveland open
cup)
Ductility at 77°F (25°C) 5 cm/min,
cm
Solubility in trichloroethylene, %
Retained penetration after thin-film
oven test, %
Ductility at 77°F (25°C) 5cm/min,
cm after thin-film oven test
40-50
Min
Max
40
50
Penetration Grade
60-70
85-100
120-150
Min Max Min Max Min Max
60
70
85 100 120 150
200-300
Min Max
200 300
450
…
450
…
450
…
425
…
350
…
100
…
100
…
100
…
100
…
100A
…
99
55 +
…
…
…
…
99
42
+
100
…
…
99
37 +
…
…
…
99
47
+
75
…
…
…
99
52
+
50
…
100A
…
…
…
A
If ductility at 77°F (25°C) is less than 100 cm material will be accepted if ductility at 60°F (15.5°C) is 100
cm minimum at the pull rate of 5 cm/min
3.3.5. Tipos de Asfalto
El cemento asfáltico producido mediante la destilación con vapor al vacío existe como un
semisólido a la temperatura ambiente y generalmente puede alcanzarse un trabajo
adecuado calentando el cemento asfáltico hasta una temperatura de 250 a 330°F (120 a
165°C) para licuarlo. Con objeto de que los productos asfálticos alcancen una garantía de
trabajo a la temperatura ambiente, deben hacerse líquidos. Hay dos maneras de licuar el
asfalto sin recurrir al calor: disolver (rebajar) el asfalto en un disolvente o emulsionarlo en
agua.
3.3.5.1.
Asfalto Rebajado
Si se mezclan disolventes volátiles con cemento asfáltico para producir un producto
líquido, la mezcla se llama “asfalto rebajado”. Después de exponer al aire un asfalto
rebajado, el disolvente volátil se evapora y el asfalto en la mezcla recobra sus
características originales (fraguado). Dependiendo de la volatilidad del disolvente usado,
la tasa de fraguado del asfalto rebajado puede variar desde unos cuantos minutos hasta
varios días.
16
Fuente: Bitumen Training Course. SOPLA, North and CCA Zones. Julio2005. Especificación ASTM D 946
39
Se muestran enseguida tres tipos de asfalto rebajado y el disolvente empleado:
Fraguado Rápido (FR): gasolina o nafta
Fraguado Medio (FM): keroseno
Fraguado Lento (FL): aceites para camino
El asfalto rebajado está disponible comercialmente en diferentes grados. Los sufijos
numéricos, por ejemplo MC-70, representan la viscosidad cinemática mínima en centi
stokes a 140 °F (60°C) para el grado específico. Las especificaciones para FR, FM y FL
se dan en las normas ASTM D2026, D2027 y D2028, respectivamente. En el uso
comercial, el asfalto rebajado se reemplaza cada vez más por el asfalto emulsionado.
A manera de explicación se debe estar claro que la nomenclatura para este tipo de
productos derivados del asfalto se encuentra en inglés debido a que toda la normativa
tanto de producción como uso en la construcción proviene de procedimientos de los
Estados Unidos.
3.3.5.2.
Asfalto Emulsionado o Emulsión Asfáltica
3.3.5.2.1.
Historia
Las emulsiones del tipo asfáltico aparecieron en el mercado a principios del siglo XX en
diferentes lugares y con usos muy diversos. A principios de 1900 (en 1905) se empleó por
primera vez una emulsión asfáltica en la construcción de carreteras en New York; la
emulsión utilizada es del tipo aniónica y se empleó en lugar de los usuales caminos
fabricados con material pétreo, como una alternativa para evitar el polvo cuando
transitaban los vehículos.
El uso de las emulsiones asfálticas creció de manera relativamente lenta, limitado por el
tipo de emulsiones disponibles y por la falta de conocimientos sobre su correcta
aplicación. El desarrollo ininterrumpido de nuevos tipos y grados, sumado a equipos de
construcción y prácticas mejorados, ofrece ahora una amplia gama de elección.
Las emulsiones aniónicas se empezaron a emplear en Europa en 1925. En la fabricación
de éstas se aprovecharon los ácidos nafténicos contenidos en el asfalto para que
actuaran como el agente emulsificante en el momento de agregar agua con soda cáustica
al sistema y someterlo a una vigorosa agitación.
Entre 1930 y mediados de 1950, hubo un lento pero firme incremento en el volumen de
emulsiones utilizadas. En los años siguientes a la Segunda Guerra Mundial, el volumen y
las cargas de tránsito crecieron a tal punto que los ingenieros viales comenzaron a reducir
el empleo de emulsiones asfálticas. En cambio, especificaron mezclas asfálticas en
caliente con cemento asfáltico como ligante. Mientras el volumen de cemento asfáltico
empleado ha crecido enormemente desde 1953, el uso en conjunto de otros productos
asfálticos se ha mantenido casi constante. Pero ha habido un firme aumento en el
volumen de emulsiones asfálticas utilizadas.
40
Las emulsiones asfálticas catiónicas aparecieron en Europa en 1953 y en Estados Unidos
hasta 1958. Aparentemente, su aplicación inicial en la construcción de caminos coincidió
con la aparición de nuevos productos químicos tenso-activos en el mercado, los cuales
tienen, adicionalmente, otros usos como en el campo de las pinturas, en la industria
petrolera, en la industria textil, etc.
Al principio, tales emulsiones se usaron únicamente en la construcción de tratamientos
superficiales, como riego de liga y de sello. Al reconocerse la ventaja de las emulsiones
catiónicas sobre las aniónicas y los rebajados, se inició la búsqueda de un emulsificante
que produjera una emulsión de rompimiento lento, capaz de mezclarse con una
granulometría para base o para carpeta.
En 1973, los países árabes, poseedores de la mayoría del petróleo mundial, aumentaron
el valor del barril de petróleo crudo resultando afectados los derivados del mismo, entre
ellos los solventes empleados en los asfaltos rebajados; esto provocó un incremento en el
uso mundial de las emulsiones asfálticas.
Los países con mayor producción de emulsiones asfálticas son, en orden de importancia:
Estados Unidos, Francia, España y Japón. Entre estos cuatro países se fabrica un 40%
aproximadamente de la producción mundial de emulsión asfáltica, que se estima
actualmente próxima a los 16 millones de toneladas, de la que más del 85% es del tipo
catiónico.
3.3.5.2.2.
Definición
El asfalto (aglutinante), cuyo nombre completo es cemento asfáltico tiene varias
presentaciones, y para el caso, es la conocida como asfalto emulsionado o más
comúnmente llamado emulsión asfáltica. Sus especificaciones las da la norma ASTM D2397.
El asfalto emulsionado es una mezcla de cemento asfáltico, agua y un agente
emulsificante. Estos tres constituyentes se alimentan simultáneamente en un molino
coloidal para producir glóbulos muy pequeños (5 a 10 µ) de cemento asfáltico, que se
suspenden en agua. El agente emulsificante imparte las cargas eléctricas (catiónicas o
aniónicas) a la superficie de las partículas del asfalto, lo que las hace repelerse entre sí;
de esta manera las partículas de asfalto no coalescen. El asfalto emulsificado producido
de esta manera es bastante estable y podría tener una vida de anaquel de varios meses.
Está constituido por una fase acuosa y un ligante hidrocarbonado. Este se ve sometido en
el proceso de fabricación, a esfuerzos de laminación y cizalla hasta conseguir que se
establezca una dispersión del ligante en el medio acuoso. En el caso particular de las
emulsiones asfálticas, el medio acuoso está compuesto por agua y un emulgente. Para
que este emulgente se disuelva en el agua es necesario saponificarlo, esto se logra,
dependiendo si el emulgente es ácido o básico, con la adición de un ácido o un hidróxido,
según corresponda.
Desde el punto de vista físico-químico, una emulsión es una dispersión, más o menos
estable, de un líquido en otro no miscible. En la Figura 3.8. se puede apreciar lo antes
descrito.
41
Figura 3.8. Dispersiones de micelas de betún (ɸ ≈ 3 – 10 micra) en Agua17
Funciones del emulgente:
Facilitar la dispersión del betún: fabricación
Evitar la aglomeración posterior: almacenamiento
Adecuar la polaridad a la del árido: adhesividad
Una emulsión, eventualmente puede llevar aditivos:
Fluidificantes (gas oíl generalmente)
Polímeros (látex generalmente)
Reguladores de viscosidad, etc.
Se conocen en general 2 tipos de emulsiones:
a) Directa; en las cuales la fase dispersa es hidrocarbonada y la dispersante es agua
b) Indirecta; en las cuales la fase dispersa es acuosa
Las emulsiones utilizadas en carreteras son directas, es decir, dispersión de ligante
asfáltico en agua.
También se pueden clasificar por su velocidad de rotura en:
Rápidas
Medias
Lentas
O por el betún residual en:
Convencionales (betún puro)
Modificadas (betún polimerizado)
Los dos tipos más comunes de asfaltos emulsificados son los aniónicos y los catiónicos,
una clasificación que depende del agente emulsificante. El tipo aniónico contiene glóbulos
17
Fuente: Caracterización de agregados para mezclas en frío. Centro de Investigación Vial (LEMaC).
Soengas, Cecilia & Catriel, Gisela, Argentina, 2010.
42
de asfalto con carga electronegativa y el tipo catiónico contiene glóbulos de asfalto con
carga electropositiva.
La elección de las emulsiones aniónicas o catiónicas es importante al considerar los
diferentes tipos de agregados. Las emulsiones aniónicas llevan una carga negativa y son
efectivas para el recubrimiento de agregados electropositivos tales como la piedra caliza.
La carga positiva en una emulsión catiónica reacciona favorablemente con un agregado
electronegativo, como los agregados con alto contenido de sílice.
Cuando un asfalto emulsionado se expone al aire, solo o mezclado con un agregado, éste
“fragua” o “rompe”, ya que los glóbulos de asfalto reaccionan con la superficie con la que
entran en contacto y coalescen, expulsando el agua entre ellos. La evaporación del agua
es el principal mecanismo que finalmente hace que el asfalto aniónico emulsionado
“fragüe”. Los procesos electroquímicos son los principales mecanismos que hacen que el
asfalto emulsionado fragüe.
Ambos asfaltos emulsionados aniónico y catiónico se clasifican con más detalle de
acuerdo con la tasa de fraguado. Los siguientes grados están disponibles
comercialmente:
1. Asfalto Emulsionado Aniónico:
Fraguado Rápido (FR): RS-1, RS-2, HFRS-2
Fraguado Medio (FM): MS-1, MS-2, HFMS-2, MS-2h
Fraguado Lento (FL): SS-1, SS-1h
2. Asfalto Emulsionado Catiónico:
Fraguado Rápido (FR): CRS-1, CRS-2
Fraguado Medio (FM): CMS-2, CMS-2h
Fraguado Lento (FL): CSS-1, CSS-1h
La designación “h” implica que se usa en la emulsión un cemento asfáltico base más duro.
La designación “HF” se refiere a un residuo de la emulsión de alta flotabilidad. Las
especificaciones de los asfaltos emulsionados aniónicos y catiónicos se dan en las
normas ASTM D977 y ASTM D2397, respectivamente.
El asfalto emulsionado ofrece ciertas ventajas en la construcción, especialmente cuando
se usa con agregados húmedos o en clima húmedo. Un asfalto emulsionado no requiere
que un disolvente lo haga líquido y así está relativamente libre de contaminación. Debido
a que el asfalto emulsionado tiene baja viscosidad a la temperatura ambiente,
generalmente puede usarse sin calor adicional. Estos factores tienden a hacer que el
asfalto emulsionado sea más eficiente con la energía y menos costoso que el asfalto
rebajado.
43
Tabla 3.4. Usos Generales de las Emulsiones Asfálticas18
3.3.5.2.3.
x
x
x
x
x
x
x
x
CRS-2
x
CRS-1
x
SS-1h
x
SS-1
CSS-1h
x
CSS-1
CMS-2h
HFMS-2S
MS-2h,
HFMS-2h
ASTM D2397
AASHTO M140
CMS-2
Mezcla en Planta
(en Caliente)
Mezcla en Planta
(en Frío)
Granulometría
Abierta
Granulometría
Cerrada
Arena
MS-2,
HFMS-2
MS-1,
HFMS-1
HFRS-2
RS-2
Mezclas de Asfalto y
Agregados
ASTM D977
AASHTO M208
RS-1
Tipo de
Construcción
x
x
x
Clasificación de las Emulsiones Asfálticas
Por el tipo de emulsificante las emulsiones se dividen en tres categorías:
a) Aniónicas
b) Catiónicas
c) No iónicas
En la práctica las dos primeras son usadas ordinariamente en la construcción y
mantenimiento vial. Las no iónicas sin embargo, pueden llegar a ser más ampliamente
usadas con el avance de las tecnologías de las emulsiones.
Las clases aniónicas y catiónicas se refieren a las cargas eléctricas que rodean las
partículas de asfalto. Este sistema de identificación se deriva de una de las leyes básicas
de electricidad: cargas del mismo signo se repelen y cargas contrarias se atraen. Cuando
dos polos (un ánodo y un cátodo) se sumergen en un líquido a través del cual fluye una
corriente eléctrica, el ánodo se carga positivamente y el cátodo negativamente. Si se pasa
una corriente a través de una emulsión que contiene partículas de asfalto negativamente
cargadas éstas migrarán hacia el ánodo. La emulsión, entonces, se denomina aniónica.
Inversamente partículas de asfalto positivamente cargadas se moverán hacia el cátodo y
la emulsión se conoce como catiónica. Con emulsiones no iónicas, las partículas de
asfalto son neutras, y por consiguiente no migrarán hacia los polos.
Las emulsiones se clasifican también en base a que tan rápidamente el asfalto puede
sufrir coalescencia, es decir, velocidad de rotura con la cual vuelve a ser cemento
18Fuente: Instituto del Asfalto, MS-1, 1991
44
asfáltico. Los términos RS, MS y SS han sido adoptados para simplificar y normalizar esta
clasificación.
Son sólo términos relativos y significan rotura rápida (rapid-setting), rotura media
(medium-setting) y rotura lenta (slow-setting). La tendencia a coalescer está
estrechamente relacionada con la capacidad de mezcla de una emulsión. Una emulsión
RS tiene escasa o ninguna habilidad para mezclar con un agregado, una emulsión MS se
espera que mezcle con agregados gruesos pero no con finos, y una emulsión SS está
diseñada para mezclar con agregados finos.
Las emulsiones se subdividen adicionalmente según secuencias de números relacionados
con la viscosidad de las emulsiones y dureza de los cementos asfálticos de base. La letra
“C” al frente del tipo de emulsión significa catiónica. La ausencia de la “C” significa
aniónica o no iónica. Por ejemplo RS-1 es aniónica o no iónica y CRS-1 es catiónica.
Se han adicionado a las normas ASTM, tres grados de emulsión aniónica de alta flotación
y rotura media, que se denomina HFMS. Estos grados se utilizan principalmente en
mezclas en plantas frías y calientes, riegos de sellado de agregados gruesos y mezclas
en vía. Las emulsiones de alta flotación tienen una cualidad específica que permite
películas de cubrimiento más gruesas sin riesgos de escurrimiento.
Se ha desarrollado un tipo de emulsión de rotura veloz (QS) para las lechadas asfálticas.
Su uso está creciendo rápidamente debido a que la exclusiva característica de rotura
veloz soluciona uno de los mayores problemas asociados con el uso de las lechadas
asfálticas.
3.3.5.2.4.
Componentes de las Emulsiones Asfálticas
Una emulsión está compuesta por las siguientes partes:
Cemento asfáltico
El cemento asfáltico es el ingrediente básico de una emulsión y, en la mayoría de los
casos representa del 55 al 70% de la emulsión.
La mayor parte de las emulsiones se hacen con asfaltos situados dentro de un intervalo
de penetración entre 100 y 250. A veces, las condiciones climáticas pueden determinar el
uso de un asfalto base más blando o más duro. En cualquier caso, es esencial la
compatibilidad del agente emulsificante con el cemento asfáltico para producir una
emulsión asfáltica estable.
El asfalto es un coloide compuesto de varias fracciones, siendo las principales los
asfaltenos y los maltenos. La constitución coloidal del asfalto depende de la naturaleza
química, el porcentaje de estas fracciones y sus relaciones entre ellas.
Los asfaltenos son la fase dispersa del asfalto, mientras que los maltenos son la fase
continua. Se concibe que los asfaltenos suministran la dureza mientras se cree que los
maltenos las propiedades de adhesividad y ductilidad. Los maltenos presentes tienen
incidencia en la viscosidad o propiedades de flujo del asfalto. La interacción compleja de
las diferentes fracciones hace casi imposible predecir en forma precisa el comportamiento
45
de un asfalto para emulsificar. Por este motivo se ejerce un continuo control de calidad en
la producción de la emulsión para detectar y corregir cualquier tendencia del asfalto
conducente a afectar adversamente el comportamiento de la emulsión resultante.
Se usan en la actualidad varios sistemas de análisis de asfalto para separar y evaluar las
fracciones. No existe consenso entre los técnicos respecto a como cada fracción afecta el
comportamiento de campo. Ni hay acuerdo total en cuanto a la facilidad con la cual un
cemento asfáltico puede ser emulsificado.
Cada fabricante de emulsiones tiene sus propias fórmulas y técnicas de producción. Han
sido desarrolladas para obtener óptimos resultados con el cemento asfáltico y
emulsificantes químicos que cada cual usa.
Solución Jabonosa
Agua
El segundo ingrediente en cantidad en las emulsiones es el agua, representando el 98%
de la solución jabonosa. No puede restarse importancia a sus contribuciones para dotar el
producto final con propiedades deseables. El agua humedece y disuelve: se adhiere a
otras sustancias; y, modera las reacciones químicas. Todos son factores importantes que
pueden ser favorables a la producción de una emulsión satisfactoria. Por otro lado, el
agua puede contener factores u otras sustancias que afecten la producción de emulsiones
asfálticas estables.
Pueden ser inadecuadas las aguas sin tratar a causa de impurezas, tanto en solución
como en suspensión coloidal. De especial cuidado es la presencia de iones de calcio y
magnesio, que pueden afectar las propiedades de la emulsión.
No debe usarse en la producción de emulsiones agua que contenga materias extrañas.
Pueden originar desbalances en los componentes de la emulsión que pueden afectar
nocivamente el comportamiento o producir la rotura prematura.
En resumen, el agua usada para producir emulsiones deberá ser razonablemente pura y
libre de materias extrañas.
Agente Emulsificante
Representa el 1% de la solución jabonosa aunque las propiedades de una emulsión
dependen notablemente del producto químico usado como emulsificante. Dicho químico
es un agente con actividad de superficie comúnmente llamado “surfactante” que
determina si la emulsión se clasificará como aniónica, catiónica o no iónica. El
emulsificante, también mantiene los glóbulos de asfalto en suspensión estable y permite
su rotura oportuna. El surfactante cambia la tensión superficial en la interfase, es decir, el
área de contacto entre los glóbulos de asfalto y el agua. Hay gran disponibilidad de
variados emulsificantes químicos. Deben seleccionarse por su compatibilidad con el
cemento asfáltico usado.
En los primeros días de la producción de emulsiones se usaron como agentes
emulsificantes materiales tales como sangre de buey, arcillas y jabones. Con el
incremento de la demanda por emulsiones, fueron encontrados nuevos y más eficientes
46
agentes emulsificantes.
comercialmente.
Hay
ahora
varios
emulsificantes
químicos
disponibles
La mayoría de los emulsificantes catiónicos son aminas grasas (diaminas, imidazolinas y
amidoaminas, por mencionar sólo tres). Las aminas son convertidas en jabón por reacción
con un ácido, generalmente clorhídrico. Otro tipo de agente emulsificante, sales
cuaternarias de amonio, se usan para producir emulsiones catiónicas. Son producidas
como sales solubles en agua y no requieren la adición de ácido para lograr dicha
solubilidad.
Constituyen emulsificantes catiónicos (positivamente cargados) estables y efectivos.
Cada fabricante tiene su propio procedimiento para usar estos agentes en la producción
de emulsiones. En la mayor parte de los casos, el agente se combina con el agua antes
de introducirlo en el molino coloidal. En otros casos, sin embargo, pueden combinarse con
el cemento asfáltico justo antes de entrar al molino coloidal.
3.3.5.2.5.
Ventajas de las Emulsiones Asfálticas
Dos factores principales, conservación de la energía y polución atmosférica, impulsaron el
uso de emulsiones asfálticas en aplicaciones en las que se empleaban típicamente
asfaltos diluidos. En una de sus primeras medidas, la Administración Federal de
Carreteras (Federal Highway Administration, FHWA), divulgó información que centraba la
atención en el potencial ahorro en combustible al remplazar asfalto diluidos por
emulsiones asfálticas. Si bien la sustitución no era obligatoria, se sugería
vehementemente considerarla. Desde entonces, todos los estados en Norteamérica y el
Continente Euroasiático están sustituyendo, permitiendo la sustitución o, inclusive,
exigiendo el uso de emulsiones asfálticas en lugar de asfaltos diluidos.
47
Esquema 3.2. Ventajas de las Emulsiones Asfálticas19
Crisis
energética
Reducción
de polución
atmosférica
Variedad
de
emulsiones
Ventajas
Emulsiones
Asfálticas
Versatilidad
en uso de
agregados
Mezcla en
frío
La industria de pavimentos asfálticos está presenciando muchos cambios. En años
recientes, la tecnología de emulsiones asfálticas ha sido innovadora en la tarea de
enfrentar los desafíos del creciente tráfico, de presupuestos cada vez más reducidos y de
preocupaciones ambientales. Una clara comprensión del “por qué y cómo” del empleo de
emulsiones asfálticas es promesa de uso eficiente. El empleo adecuado de emulsiones
asfálticas puede resultar en pavimentos de alto desarrollo y en sistemas de
mantenimiento económicos pero versátiles.
19
Fuente: Las autoras
48
3.4. MEZCLAS ASFÁLTICAS DE PAVIMENTACIÓN
Las mezclas asfálticas se emplean en la construcción de carreteras, ya sea en capas de
rodadura o en sub capas, proporcionando una superficie de rodamiento cómoda, segura y
económica a los usuarios.
La aplicación más importante del asfalto es en mezclas asfálticas. El 85% del asfalto
producido es utilizado en aplicaciones viales. La producción mundial de asfalto es de
aproximadamente 85 millones de toneladas/año.
Los progresos en la tecnología de emulsiones y la cifra antes mencionada hacen posible
el empleo de mezclas con emulsiones con una amplia variedad de aplicaciones en
construcción, rehabilitación y mantenimiento de pavimentos.
Partiendo del sinnúmero de aplicaciones que tienen las mezclas asfálticas, debe dejarse
muy claro, que dependiendo del uso que se le dará, deben tomarse en cuenta ciertos
parámetros de clasificación que optimicen la calidad del pavimento.
Existen varios parámetros de clasificación para establecer las diferencias entre las
distintas mezclas y las clasificaciones pueden ser diversas:
Tabla 3.5. Parámetros de Clasificación para mezclas20
Parámetro de clasificación
Fracciones de agregado empleadas
Temperatura de puesta en obra
Huecos en la mezcla (h)
Tamaño máximo del agregado
(tmáx)
Estructura del agregado
Granulometría
Tipo de mezcla
Masilla
Mortero
Concreto
Macadam
En frío
En caliente
Cerradas (h<6%)
Semicerradas (6%<h<12%)
Abiertas (h>12%)
Porosas (h>20%)
Gruesas (tmáx>10 mm)
Finas (tmáx<10 mm)
Con esqueleto mineral
Sin esqueleto mineral
Continuas
Discontinuas
Partiendo de estos parámetros de clasificación, el presente estudio abordará las mezclas
de pavimentación clasificadas de acuerdo a fracciones de agregado, que corresponde a
concreto; temperatura de puesta en obra, que corresponde a frías; huecos en la mezcla,
que corresponde a mezclas cerradas; tamaño máximo del agregado, que corresponde a
20Fuente: Instituto Mexicano de Transporte, N- 13, 2001
49
gruesas; estructura del agregado, que corresponde a esqueleto mineral y granulometría,
que corresponde a continuas.
3.4.1. Mezcla Asfáltica en Frío
Son las mezclas constituidas por la combinación de uno o más agregados pétreos, con
una emulsión asfáltica (que no es más que asfalto emulsionado en agua antes de ser
mezclado con el agregado) y, eventualmente, agua. En este estado de emulsión el asfalto
es menos viscoso y la mezcla es más fácil de trabajar y compactar. La emulsión romperá
luego de que suficiente agua se haya evaporado y la mezcla en frío comienza a tener
buena resistencia. Estas mezclas se efectúan con asfaltos líquidos y sin recurrir al
calentamiento de los agregados.Se utilizan comúnmente como material para bacheo en
rutas de bajo tránsito.
Estas mezclas poseen capacidad portante, por esta razón es que se considera su aporte
en el paquete estructural. Los agregados gruesos son exclusivamente provenientes de
trituración. Los agregados finos, conviene que provengan de la mezcla de arenas de
trituración, que ofrecen la trabazón necesaria, y arenas silíceas naturales que le otorgan
trabajabilidad a la mezcla.
Son ideales para la pavimentación urbana de arterias que serán sometidas a un bajo
volumen de tránsito y en donde ese tránsito será casi exclusivamente de automóviles. Se
recomienda su puesta en obra a temperaturas no inferiores a los 20ºC ni superiores a los
40ºC.
50
En la Tabla 3.6. se muestra un resumen de la recomendación de uso de las emulsiones asfálticas y asfaltos rebajados para la
fabricación de los distintos tipos de mezclas en frío.
Tabla 3.6. Guía para el uso de productos derivados del asfalto en mezclas en frío 21
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
3000
X
800
X
250
800
X
3000
250
X
70
CSS-1h
X
SS-1h
X
SS-1
HFMS-2S
MS-2h
HFMS-2h
X
CSS-1
X
X
Asfaltos Rebajados
Curado Medio2
Curado
Lento
X
X
X
CMS-2h
X
CMS-2
Base y
Superficies
Agregados con
granulometrías
abiertas
Agregados
bien graduados
Parcheo uso inmediato
Parcheo apilamiento
Agregados con
granulometrías
abiertas
Agregados
bien graduados
Arena
Suelos
Arenosos
Parcheo uso inmediato
Base y
Superficies
Mezclado en Sitio3
Mezcla
Fría de planta
para capas3
Tipo de Construcción
MS-2
HFMS-2
Asfaltos Emulsificados1
Aniónicos
Catiónicos
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
1
Emulsified asphalts shown are AASHTO and ASTM grades and may not include all grades produced in all geographical areas
2
Before using MC´s for spray check with local pollution control agency
3
Evaluation of emulsified asphalt-aggregate system required to determine the proper grade of asphalt to use
21
Fuente: Tabla tomada de MS-14 Manual de Mezclas Asfálticas en Frío
51
Las emulsiones asfálticas contienen pequeñas cantidades de solventes, que
generalmente producen el mejor resultado para las mezclas en frío, utilizadas para
bacheo. La mezcla se rigidiza cuando el solvente se evapora. A la hora de dosificar el
agua dentro de la mezcla se debe tomar en cuenta, el tiempo con el que se dispone para
abrir el tránsito nuevamente.
3.4.2. Clasificación de la mezcla según el porcentaje de vacíos
Existen dos tipos de mezclas asfálticas en frío: cerradas (o densas) y abiertas.
3.4.2.1.
Cerradas (o densas)
Como se mencionará más adelante, se denominan del tipo cerradas porque su relación
de vacíos es menor al 6%. Se fabrican con emulsiones de rotura lenta sin ningún tipo de
fluidificante (Bañón Blázquez, Luis.2004). Aunque pueden compactarse después de haber
roto la emulsión (la presencia de agua supone una lubricación de las partículas de árido),
no conviene ponerlas en obra si no son suficientemente trabajables. Por otro lado, no
pueden abrirse al tráfico hasta que han alcanzado una resistencia suficiente. Este proceso
se suele denominar de maduración; consiste básicamente en la evaporación del agua
procedente de la rotura de la emulsión y es relativamente lento, debido a que la
granulometría cerrada del árido hace que la mezcla tenga una pequeña proporción de
huecos. Se emplean mucho menos que las mezclas abiertas en frío.
El agua se debe incorporar a los agregados antes que la emulsión asfáltica, con el fin de
evitar un rompimiento prematuro de ésta, asegurando un cubrimiento completo del
agregado y una buena uniformidad en la mezcla.
Poseen un contenido de ligante elevado (Fernández del Campo, J. A. 1983). Esto
condiciona un tiempo de trabajabilidad de las mezclas mucho más corto y unas
condiciones de puesta en obra y compactación mucho más estrictas.
Permite el empleo de granulometrías de áridos análogas a las prescritas para las mezclas
densas en caliente. Por ello, el campo de utilización de las emulsiones se amplía hacia
todo tipo de pavimentos y soluciones.
Usos
Bases negras
Bases estabilizadas con emulsión
Reciclados en general (base + carpeta, carpeta, RAP, etc.)
Carpetas de nivelación
Carpetas de rodadura
Estabilización de materiales marginales
Emulsión CSS-1, CSS-2 o CSS-2h
Porcentajes en volumen: 6 – 12%
Su campo de aplicación comprende en lo que respecta a mantenimiento (baches).
También pueden aplicarse para construir carpetas de rodadura de calles de bajo tráfico
debido a los tiempos de apertura.
52
Al igual que en la Región Centroamericana, en Nicaragua, la Alcaldía de Managua está
iniciando trabajos de bacheo con emulsión asfáltica; en una gran mayoría, los trabajos de
bacheo son realizados con mezcla en frío. Como por ejemplo, en la Colonia Pedro
Joaquín Chamorro (Ver Figura 6.2.).
3.4.2.2.
Abiertas
Al igual que las mezclas cerradas, las abiertas también se conceptualizan partiendo de su
porcentaje de vacíos, el cual debe ser mayor al 12%.
Consisten en la combinación de un agregado pétreo predominantemente grueso y de
granulometría uniforme, con un ligante bituminoso, constituyendo un producto que puede
ser elaborado, extendido y compactado a temperatura ambiente y que presenta un
elevado contenido de vacíos con aire.
Son las más empleadas. Se caracterizan por su trabajabilidad tras su fabricación, incluso
durante semanas (Bañón Blázquez, Luis. 2004). Dicha trabajabilidad se basa en que el
ligante permanece con baja viscosidad, debido a que se emplean emulsiones de betún
fluidificado. Después de la puesta en obra en capas de reducido espesor, el aumento de
la viscosidad es rápido; sin embargo, es muy lento en acopios, en los que únicamente
endurece la superficie, siendo así viable el almacenamiento. En las capas ya extendidas,
la evaporación del fluidificante es posible debido a que la granulometría es abierta, con
pequeñas proporciones de árido fino, lo que supone un elevado porcentaje de huecos en
la mezcla.
Puede ser colocada en obra inmediatamente después de su fabricación o tras un período
de almacenamiento más o menos largo.
Usos
Bases negras
Carpetas de nivelación
Carpetas de rodadura
Mezclas de acopio
Tipo de emulsión CMS-1 o CMS-2
Porcentajes en volumen: 3 – 8%
Sus ventajas consisten en:
Mayor tiempo de vida útil
No se pierde si está lloviendo
Es más barata
Fácil aplicación
53
3.4.2.3.
Usos de las mezclas asfálticas
Las mezclas asfálticas en frío se utilizan primordialmente para:
Bacheo
Carpetas
Capas intermedias de refuerzo
3.4.2.4.
Virtudes de las mezclas asfálticas en frío22
Se fabrican y colocan a temperatura ambiente
Se pueden almacenar a temperatura ambiente por períodos de hasta 5 ó 6 meses,
dependiendo de las condiciones de almacenamiento
Tiene más vida útil, pues no se calienta. El asfalto entre más se caliente, menos
vive
Es seguro para los operarios que lo aplican, pues minimizan los riesgos
operacionales
No contaminan el medio ambiente, pues no emiten vapores al colocarlas
Ahorra combustibles y energía, ya que se fabrica en frío completamente
3.4.2.5.
Recomendaciones de uso
Los usos recomendados no difieren de los indicados para las mezclas tradicionales. La
decisión del uso de estas mezclas, dependerá de algunas consideraciones tales como:
Comparación técnico-económica
Magnitud y lugar de emplazamiento de la obra
Tránsito
Condiciones climáticas predominantes
Cuando se trata de capas de rodamiento, las mezclas asfálticas de graduación densa se
utilizan específicamente para tránsitos medios y livianos, pero las de graduación abierta
permiten abarcar con éxito pavimentos para tránsitos pesados.
Construcción de carpetas asfálticas de rodadura, recapados parciales de regularización y
refuerzo estructural, construcción de calles, estacionamientos, bacheos, pavimentos
deportivos, son algunas de las tantas soluciones que se pueden encarar utilizando mas
mezclas asfálticas en frío.
22
Asfaltos de Centroamérica (ASFALCA). Mezclas Asfálticas en Frío
54
Esquema 3.3. Requerimientos en mezclas23
Económicos: larga vida útil
Seguridad: resistencia al
deslizamiento/grip. Adherencia
neumático-pavimento.
Regularidad transversallongitudinal
Confort: bajo ruido,
regularidad, reflexión
señalización horizontal-color.
23
Fuente: Las autoras
55
3.5. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS SEGÚN NORMAS ASSHTO 2006
3.5.1. Granulometría (AASHTO T 27)
Este ensayo se realizó con el objetivo de obtener los pesos retenidos y porcentajes
acumulados de los áridos, los cuales fueron pasados por diversas mallas y tomando como
referencia el porcentaje de humedad.
Es un procedimiento usado para identificar las proporciones de partículas de tamaño
diferente en las muestras del agregado. Esta información es importante porque las
especificaciones de la mezcla deben estipular las proporciones necesarias de partículas
de agregado de tamaño diferente, para producir una mezcla final con las características
deseadas.
3.5.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176)
Debido a que la construcción de una buena cimentación para cualquier tipo de carreteras
requiere la menor cantidad de finos posibles, esta prueba está diseñada para mostrar las
proporciones relativas de polvo fino o material arcilloso en suelos o agregados, es decir,
este ensayo sirve para determinar el contenido de arcilla presente en la fracción de
agregado fino. Este método establece un procedimiento rápido para determinar las
proporciones relativas de finos plásticos o arcillosos en los áridos que pasan por el tamiz
de 4.75 mm (Nº 4), el que involucra la solución stock con un litro de agua, en donde se
vierte la muestra del agregado, dejando saturar para luego determinar el porcentaje de
arena y arcilla y así determinar el porcentaje de Equivalente de Arena, con la siguiente
ecuación:
3.5.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96)
Los áridos se someten al desgaste y deterioro a lo largo de su vida útil. Es por esta razón
que deben resistir el aplastamiento, la degradación y desintegración de cualquier
actividad, ya sea en la fabricación, almacenamiento, producción, colocado o
compactación.
Este ensayo estima la resistencia del agregado grueso a la abrasión y desgaste mecánico
durante la manipulación, construcción y servicio de los agregados. Se realiza sometiendo
el agregado grueso ante el impacto y trituración por medio de esferas de acero. El
resultado del ensayo es el porcentaje de pérdida de material, que equivale al porcentaje
del peso del material degradado durante el ensayo.
56
Tabla 3.7. Tamaño de las Muestras
Método A
Pasa
1 ½”
1”
¾”
½”
Tamaño de la Muestra
12 Esferas
Retiene
Peso de la muestra
1”
1,250 g
¾”
1,250 g
½”
1,250 g
3/8”
1,250 g
Método B
Pasa
¾”
½”
Retiene
½”
3/8”
11 Esferas
Peso de la muestra
2,500 g
2,500 g
Método C
Pasa
3/8”
1/4”
Retiene
1/4”
Nº 4
8 Esferas
Peso de la muestra
2,500 g
2,500 g
Método D
Pasa
Nº 4
Retiene
Nº 8
6 Esferas
Peso de la muestra
5,000 g
Fuente: Manual de Carreteras del Paraguay. Normas para Materiales y Ensayos de Materiales.
Tomo VI, Volumen III, pág. N° 77
3.5.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y Agregado Fino
(AASHTO T 85)
Este ensayo determina la densidad bruta del agregado en condición suelta o compactada
y se calculan los vacíos entre las partículas finas, gruesas o dentro de la combinación. El
tamaño nominal máximo es de 125 mm Este dato se utiliza para seleccionar las
proporciones para las mezclas en frío.
Este método establece los procedimientos para determinar la densidad aparente de los
áridos. La densidad es la tasa entre el peso (m) de una sustancia y su volumen (v) a una
temperatura especificada. Se expresa en kilogramos por metro cúbico (kg/m 3).
Densidad aparente (densidad a granel; densidad bruta): Es la densidad que
considera el volumen macizo de las partículas de un árido más el volumen de los
poros y de los huecos. Corresponde a la capacidad de la medida que lo contiene.
Densidad aparente compactada (ac): Densidad aparente del árido compactado en la
medida que lo contiene, según los procedimientos indicados en este método.
Densidad aparente suelta (as): Densidad aparente de áridos vaciado en la medida
que lo contiene, según el procedimiento indicado en este método.
57
El cálculo del peso específico de la muestra seca de agregado establece un punto de
referencia para medir los pesos específicos necesarios en la determinación de las
proporciones de agregado, asfalto, y vacíos que van a usarse en los métodos de diseño.
3.5.4.1.
Agregado Grueso
3.5.4.2.
Agregado Fino
3.5.5. Índice de Plasticidad (AASHTO T 90)
Este valor muestra el margen de humedades dentro del cual se encuentra en estado
plástico un suelo, tal como se determina en los ensayos de laboratorios, y es producto del
resultado de la resta del Límite Líquido y el Límite Plástico. Este ensayo no se realizó
puesto que el agregado que se esta usando no posee porcentajes de arcilla como lo exige
la norma.
3.5.6. Partículas Friables (AASHTO T 112)
Las partículas friables o desmenuzables son las partículas contenidas en los agregados
que pueden desbaratarse con la presión de los dedos. Este método establece un
procedimiento para determinar el contenido de estas partículas en los agregados. Este
ensayo no se realizó puesto que el agregado que se está usando no posee porcentajes
de arcilla como lo exige la norma.
3.5.7. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104)
Este método comprende el ensayo del agregado para la determinación de sanidad,
cuando estos se encuentran sometidos a la acción del intemperismo. Este mide la
resistencia de los áridos a la disgregación por soluciones saturadas de sulfato de sodio o
58
magnesio. El proceso de inmersión y secado se realiza por varios ciclos determinándose
de esta forma el porcentaje de pérdidas de peso por cada fracción granulométrica.
Tomando en cuenta el peso de la muestra que viene dado por la siguiente tabla según la
AASHTO:
Tabla 3.8. Intemperismo
Pasa
1 ½”
1”
¾”
½”
3/8”
Intemperismo
Retiene
Peso de la
muestra (g)
1”
1,005
¾”
495
½”
670
3/8”
330
N° 4
300
Total
2,800
Fuente: Cortesía de Instituto Técnico de Pavimentos (ITP)
3.5.8. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210)
El ensayo establece la resistencia del agregado para generar finos cuando se agitan en
presencia de agua. Se realiza el ensayo tanto a la muestra gruesa como a la fina, se mide
la cantidad de material que se sedimenta y con este dato se puede calcular el índice de
durabilidad.
59
3.6. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1
Los ensayos de laboratorio se realizan para medir ya sea el desempeño u otras
características de composición, consistencia y estabilidad del material. El propósito de los
ensayos es proveer datos para establecer los requisitos de especificación, también para
controlar la calidad y uniformidad del producto durante la fabricación y uso, finalmente
para predecir y controlar el manejo, almacenaje y las propiedades de desempeño en
campo de las emulsiones. Las emulsiones asfálticas se clasifican en catiónicas y
aniónicas. Los ensayos están diseñados para medir distintas propiedades a las
emulsiones y a los residuos de la emulsión (asfalto residual).
3.6.1. Muestreo de emulsiones (AASHTO T 40 o ASTM D140)
El propósito es obtener muestras representativas para poder caracterizarlas y que den a
conocer las condiciones reales y la naturaleza de la emulsión asfáltica. El procedimiento
estándar para el muestreo se describe en los métodos AASHTO T 40 o ASTM D 140
“Práctica estándar para el muestreo de materiales bituminosos”.
Es preferible obtener las muestras en el punto de producción, manufactura o
almacenamiento. Los contenedores deben ser recipientes metálicos con tapa de sello por
presión, o botellas de apertura ancha hechas de plástico, de tapa de rosca. Generalmente
se utilizan contenedores de 4 litros (1 galón).
3.6.2. Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D 2397 o D 244-22/24)
La viscosidad es la resistencia al flujo de los fluidos y es una propiedad que afecta su
utilización. La viscosidad se mide con el viscosímetro de Saybolt Furol. El resultado del
ensayo se reporta en segundos. Además el ensayo se realiza a dos temperaturas: 25°C y
50°C.
Representa una característica fundamental para la técnica de carreteras (Fernández del
Campo, J. A. 1983).
Sirve para conocer la consistencia de los materiales asfálticos mediante sus
características de flujo a una temperatura de 135°C para los cementos y de 25 y 50°C
para las emulsiones, pudiéndose hacer a otras temperaturas, con el propósito de estudiar
la susceptibilidad al calor de los materiales asfálticos y determinar las viscosidades
apropiadas para su utilización, es decir, que tan manejable es a dichas temperaturas.
La prueba consiste en determinar el tiempo que tardan en pasar 60 cm 3 del material a
probar a través de un orificio Furol, instalado en un tubo de viscosidad Saybolt, bajo
condiciones de carga y temperatura pre-establecidas.
60
3.6.3. Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8)
La destilación se utiliza para separar el agua del asfalto. Si el asfalto contiene aceite, este
se separará junto con el agua. Se pueden medir las proporciones relativas de ligante
asfáltico, agua y aceite. Como el asfalto se recupera se le pueden hacer ensayos
adicionales al residuo para determinar las propiedades físicas del asfalto obtenido.
El objeto de este ensayo es el conocimiento cuantitativo del betún, agua y fluidificantes
que contiene la emulsión. Además de esta información, sus resultados dan una idea de la
volatilidad de los fluidificantes empleados (Fernández del Campo, J. A. 1983).
Como resultado del ensayo se obtienen los porcentajes de residuo asfáltico, de
fluidificantes y de agua referidos al total de la emulsión.
No es necesario insistir sobre la importancia de la información suministrada por este
ensayo y baste considerar que el contenido en betún tiene relación con algunas
características de la emulsión: viscosidad, sedimentación, etc. Asimismo, la cantidad y
volatilidad de los fluidificantes determinarán el comportamiento de la emulsión tanto
durante su etapa de puesta en obra como en la posterior de curado.
3.6.4. Estabilidad de Almacenamiento (ASTM D244)
El ensayo indica la habilidad de la emulsión para mantenerse como una dispersión
uniforme durante el almacenaje. Se detecta la tendencia de los glóbulos a asentarse en
un período de tiempo de 24 horas. También se puede realizar el ensayo para un período
de tiempo de 5 días.
3.6.5. Sedimentación (ASTM D 244-29/32)
A través de este ensayo se determinan los cambios en la concentración de ligante que
tiene lugar a diferentes alturas del tanque en que se encuentra almacenada la emulsión.
Los valores de sedimentación son, de acuerdo con la ley de Stokes, directamente
proporcionales al tamaño de la micela y a la diferencia de densidades entre las fases
continua y discontinua, e inversamente proporcionales a la viscosidad de la fase continua.
En aquellas emulsiones en que se presentes valores altos de sedimentación, originados
por alguna de las razones apuntadas en el párrafo anterior, es posible que se trate, en
razón de las características de la emulsión, de una simple floculación recuperable por
simple agitación, o bien que esta floculación vaya seguida de una coalescencia y, por
tanto, de que el proceso sea irreversible.
3.6.6. Carga de partículas de prueba (ASTM D-244)
Es utilizado para identificar emulsiones catiónicas. Para su realización, se sumergen, en
una muestra de la emulsión, un electrodo positivo (ánodo) y un electrodo negativo
(cátodo) se conectan ambos a una fuente eléctrica de corriente continua controlada.
61
Finalizado el ensayo, se observan los electrodos para determinar si en el cátodo se ha
depositado una apreciable capa de asfalto. De ser así, se trata de una emulsión catiónica.
3.6.7. Ensayos al residuo de asfalto (ASTM T 49)
Al residuo de asfalto también se le realizan varias pruebas que también se le realizan al
asfalto original, como el ensayo de gravedad específica AASHTO T288 o ASTM D 70, que
es un dato que se utiliza para realizar correcciones a las medidas volumétricas a distintas
temperaturas.
Otro ensayo es la medición de la penetración AASHTO T 49 o ASTM D 5, que es una
medida de la dureza del residuo de asfalto a 25°C, en la muestra del residuo se introduce
una aguja con un peso estándar de 100 g durante 5 segundos. La penetración es la
distancia que la aguja penetró en la muestra.
3.7. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
3.7.1. Descripción
Esta actividad consistirá en la fabricación de una mezcla de agregados pétreos con un
aglomerante bituminoso emulsificado, materiales que deben cumplir con los requisitos
especificados, los cuales mezclados mediante procedimientos controlados, darán como
resultado un material con propiedades y características definidas.
El proceso de diseño consiste en seleccionar el tipo y granulometría de los agregados
pétreos además del tipo y contenido de asfalto, con la calidad suficiente, de manera que
satisfagan los requisitos específicos del proyecto para obtener las propiedades deseadas
en la mezcla.
El diseño implica conocer las propiedades de la mezcla, los efectos que causan sus
componentes (algunas propiedades se contraponen debido al comportamiento reológico
de las mezclas), las condiciones en las cuales se desarrollará el proyecto (aplicación de
cargas de tránsito, temperatura), entre otros.
Los ensayos que se realizan directamente a las mezclas en frío tienen el propósito de
establecer el diseño de la mezcla antes de la aplicación del material para poder
seleccionar los materiales apropiados y obtener una mezcla donde los agregados y la
emulsión sean compatibles. Los métodos están descritos en el Anexo C del presente
documento.
3.7.2. Materiales
El material bituminoso para la fabricación de la mezcla, será una emulsión asfáltica
seleccionada de acuerdo al tipo de agregados que se pretenda utilizar, dicho aglomerante
debe cumplir con los requisitos establecidos en la norma AASHTO M-140.
62
Los agregados pétreos serán el producto de roca o grava triturada constituidas por
material limpio, libre de humedad, denso y durable, libre de polvo, terrones de arcilla u
otras materias indeseables, que puedan impedir la adhesión completa del asfalto a los
agregados pétreos.
63
Los agregados pétreos deben ajustarse a la siguiente graduación:
Tabla 3.9. Granulometría de Agregados para Mezcla en Frío24
Tamaño del Tamiz
50 mm (2.0”)
37.5 mm (1 ½”)
25.0 mm (1.0”)
19.0 mm (3/4”)
12.5 mm (1/2”)
9.5 mm (3/8”)
4.75 mm (N° 4)
2.36 mm (N° 8)
1.18 mm (N° 16)
0.60 mm (N° 30)
0.30 mm (N° 50)
0.15 mm (N° 100)
0.075 mm (N° 200)
Equivalente de Arena, en %
Ensayo Los Ángeles @ 500 rev
% caras trituradas
Granulometría para Mezclas Asfálticas Cerradas (% que pasa)
100
--------90-100
100
--------90-100
100
----60-80
--90-100
100
----60-80
--90-100
100
----60-80
--90-100
20-55
25-60
35-65
45-70
60-80
10-40
15-45
20-50
--------------------2-16
3-18
3-20
5-20
6-25
----------0-5
1-7
2-8
2-9
2-10
Mín. 35
Mín. 35
Mín. 35
Mín. 35
Mín. 35
Máx. 40
Máx. 40
Máx. 40
Máx. 40
Máx. 40
Máx. 65
Máx. 65
Máx. 65
Máx. 65
Máx. 65
a) El valor del equivalente de arena del material que pasa por la malla N° 4 debe ser mayor de 35
b) El material al ser sometido al ensayo en la Máquina de los Ángeles, ensayo AASHTO T-96, debe presentar un desgaste
menor del 40%
c) El agregado triturado no debe mostrar señales de desintegración ni de una pérdida mayor del 15% al someterlo a cinco ciclos
en la prueba de solidez en sulfato de sodio, según el ensayo AASHTO T-104
d) Por lo menos el 40% en peso de las partículas retenidas en el tamiz N° 4 debe tener dos caras fracturadas
3.7.3. Procedimiento de pruebas a la mezcla asfáltica en frío
24
Fuente: Tabla tomada de MS-14 Manual de Mezclas Asfálticas en Frío
64
Una muestra de mezcla de pavimentación preparada en el laboratorio puede ser
analizada para determinar su posible desempeño en la estructura del pavimento.
3.7.3.1.
Muestreo de Mezclas en frío
Se describe el procedimiento para la toma de muestra de la mezcla, ya sea para el control
o para verificación de la calidad del producto.
Se debe procurar que las muestras extraídas sean verdaderamente representativas del
lote de producción, evitando la segregación o contaminación. La muestra se puede tomar
a la salida del mezclador o en el camión de transporte.
La frecuencia es generalmente una muestra por jornada de trabajo.
Es importante realizar para evitar problemas comunes tales como:
Mezclas pobres en asfalto o con exceso de humedad
Resequedad de los materiales debido a mucho tiempo almacenado
Falta de adherencia
Diseño deficiente
Emulsión no compatible con los agregados
3.7.3.2.
Recubrimiento de las partículas
La capacidad de un asfalto emulsificado para cubrir un agregado suele ser sensible al
contenido de agua del agregado de la pre-mezcla, especialmente para agregados que
contienen un alto porcentaje de material pasando la malla de 75 µm (N° 200). El agua de
pre-mezclado cuando es insuficiente afecta la unión del asfalto con los finos, dando como
resultado un recubrimiento inadecuado.
El ensayo es un procedimiento para determinar el porcentaje de agua que se debe añadir
en la mezcla para conseguir un recubrimiento de partículas de un mínimo de 50% para
mezclas de base y de 75% para mezclas utilizadas para superficies de ruedo.
Se recomienda que la adición de agua sea anterior a la inclusión de la emulsión y que el
mezclado sea alrededor de 2 minutos. Se considera aceptable el recubrimiento cuando el
total de la fracción fina queda totalmente recubierta y el agregado grueso queda
recubierto en los porcentajes mencionados anteriormente.
Dentro del contenido de agua hay que tomar en cuenta el contenido de humedad en una
muestra de agregado secado al aire. El agua debe ser añadida en un rocío suave y el
agregado debe mezclarse hasta que el agua se disperse completamente.
3.7.3.3.
Procedimiento para el diseño de mezcla con emulsión asfáltica
El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado
por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de
Mississippi, en el año de 1940.
65
El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas para pavimentación
que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1”) o menor.
Está pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas con
graduación densa.
Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y
la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados. La estabilidad del
especimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un especimen estándar
desarrollará a 60ºC cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o
deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100”) que ocurre en el especimen entre estar sin
carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad.
En la siguiente sección se describen paso a paso cada uno de los ensayos requeridos
para la mezcla.
66
4.
MARCO METODOLÓGICO
Los pasos que involucran la mecánica que se llevará a cabo para desarrollar el presente
trabajo monográfico son:
1. Fase explorativa sobre el tema de investigación (selección de información pertinente)
2. Reconocimiento de los materiales que formarán parte de la mezcla (agregados
minerales, emulsión asfáltica y agua)
3. Ejecución y análisis de las pruebas de laboratorio tanto para agregados como para
emulsión asfáltica
4. Evaluación de los datos e información obtenida en los ensayos realizados
5. Diseño de prueba o preliminar. Su objetivo es contar con puntos de partida y con los
cuales se pretende obtener el diseño final
6. Obtención de las proporciones óptimas de la mezcla (diseño)
7. Análisis de resultados obtenidos en el diseño
8. Conclusiones. Comprobación por medio de las normativas adecuadas, de la utilidad del
diseño para el fin que se propuso
Para proponer un diseño de mezcla asfáltica en frío deben seguirse un sinnúmero de
pasos que están íntimamente relacionados. Dependen de un proceso de pruebas que
avalen o prueben la calidad del sistema.
Diferentes agregados y asfaltos presentan diferentes características. Estas características
tienen un impacto directo sobre la naturaleza misma del pavimento. Debe seleccionarse
un tipo de agregado y un tipo compatible de asfalto que puedan combinarse para producir
las cualidades (estabilidad, durabilidad, trabajabilidad, resistencia al deslizamiento, etc.)
que debe tener la mezcla de pavimentación. En consecuencia, el uso definitivo que se le
dará a la mezcla de pavimentación se convierte en el primer punto de interés. Una vez
hecho esto, se puede iniciar con la preparación de los ensayos.
La primera preparación para los ensayos consta de reunir muestras de asfalto y del
agregado que van a ser usados en la mezcla de pavimentación. Es importante que las
muestras de asfalto tengan características idénticas a las del asfalto que va a ser usado
67
en la mezcla final. Lo mismo debe ocurrir con las muestras de agregado. La razón es
simple: los datos extraídos de los procedimientos de diseño de mezclas determinan la
fórmula o “receta” para la mezcla de pavimentación. La receta será exacta solamente si
los ingredientes ensayados en el laboratorio tienen características idénticas a los
ingredientes usados en el producto final.
Una amplia variedad de problemas graves, que van desde una mala trabajabilidad de la
mezcla hasta una falla prematura del pavimento, son el resultado histórico de variaciones
ocurridas entre los materiales ensayados en el laboratorio y los materiales usados en la
realidad.
Sin embargo, para la preparación de estos ensayos deben obtenerse una serie de
parámetros tales como granulometría ideal (combinación de agregados), humedad óptima
de la mezcla y porcentaje de emulsión asfáltica. Partiendo de estos puntos, se podrá
determinar el método de ensayo y análisis de la mezcla, que permita comprobar la
funcionalidad eficiente del estudio
Tabla 4.1. Metodología de trabajo25
Paso
Establecer uso de la mezcla de
pavimentación
Definir curva granulométrica
Obtener el contenido óptimo de ligante
(depende de la mezcla) y el % de vacíos
Validación de utilidad
Comentarios
Capa de rodamiento, intermedia, base,
mantenimiento
Continua, discontinua
Ensayo Marshall, Ensayo Hveem, entre
otros
Normativas
25
Fuente: Caracterización de agregados para mezclas en frío. Centro de Investigación Vial (LEMaC).
Soengas, Cecilia &Catriel, Gisela, Argentina, 2010.
68
4.1. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LOS AGREGADOS PÉTREOS
4.1.1. Granulometría (AASHTO T 27)
Se extrajo y preparó la muestra por el método de muestreo (AASHTO T2), se homogenizó
en estado húmedo, para luego reducirla según el método de cuarteo a tamaño de ensayo
(T 248), se introdujo al horno a una temperatura de 110 ± 5ºC por 24 horas.
Para determinar la granulometría del agregado se pesó una muestra del mismo banco
para luego lavarla por la malla N° 200 y secarla al horno, que equivale al peso seco
lavado, el determinado para utilizar en la granulometría.
Figura 4.1. Lavado de muestra para tamizado
Luego para la graduación de la muestra, se cribó en diversos tamices, partiendo de la
malla en la que pasa el 100%, obteniendo el porcentaje acumulado y retenido de las
muestras.
Figura 4.2. Cribado
69
4.1.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176)
Se extrajo y preparó la muestra según el método de muestreo y cuarteo denominados por
la AASHTO (T 2 y T 248). Este ensayo sólo se realiza al material cero debido al
porcentaje de arena que este presenta, a diferencia del agregado grueso que se
encuentra en estado más sólido.
Se preparó una muestra de 80 gramos en una probeta, al igual que 85 ml/g de solución
stock en un galón de agua agitándolo por 20 veces, se colocó la botella del sifón con la
solución de ensayo a aproximadamente 1 m sobre la superficie de trabajo, para luego
sifonear la solución de ensayo en cada probeta hasta alcanzar un nivel de 4 pulgadas y
se golpeó firmemente el fondo de la probeta contra la palma de la mano hasta no
observar burbujas de aire, luego se dejó reposar por 10 minutos, para colocar el tapón y
agitarlo en la máquina agitadora por 45 segundos, donde se dejó saturar por 20 minutos,
luego de este tiempo, se registró el nivel superior de la arcilla Nt con el pie de lectura. Al
haber obtenido este dato, se introdujo el pisón en la probeta haciéndolo descender
suavemente hasta que quedara apoyado en la arena, registrando el nivel superior de la
arena Na. Este procedimiento se realizó para tres muestras.
Figura 4.3. Ensayo de Equivalente de Arena
70
4.1.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96)
Se preparó la muestra de acuerdo al muestreo y cuarteo de la muestra (AASHTO T2 y
T248), lo que corresponde al tamaño de la muestra está en dependencia del método y el
tamaño del agregado a utilizar según la AASHTO.
Ya con el método correcto escogido, se cargó el tambor de la máquina de los Ángeles con
una cantidad fija de áridos y de esferas de acero, luego se programaron 500 vueltas al
tambor, una vez completado el número de revoluciones correspondientes, se sacó el
material de la máquina evitando pérdidas y contaminaciones. Se efectuó un primer
cribado en un tamiz de 2.36 mm o superior, a fin de evitar dañar la criba de corte (1.7
mm), se reunió todo el material retenido en ambas cribas, se lavó y seco al horno a 110 ±
5 º C (230 ± 10º F) dejando enfriar a temperatura ambiente, se pesó y registró la masa del
material retenido como masa final de la muestra (mf).
Figura 4.4. Máquina de Los Ángeles
4.1.4. Gravedad Específica en Agregado Grueso (AASHTO T 84) y Agregado Fino
(AASHTO T 85) – Peso Unitario (AASHTO T 19)
4.1.4.1.
Agregado Grueso
4.1.4.1.1.
Peso Superficialmente Seco
Se tomó una muestra significativa del cuarteo saturándolo en agua por 24 horas, para
luego secarlo superficialmente con una toalla y así conocer su peso, correspondiente al
peso superficialmente seco. Luego se sumergió la muestra en una cesta con agua,
tomando el peso de la muestra sumergido en agua.
Se sacó la muestra de la cesta de agua para luego secarlo al horno durante 24 horas a
una temperatura de 110 ± 5ºC, se pesó la muestra determinando el peso seco de la
muestra, realizando el mismo procedimiento con dos muestras para analizar variaciones
en cuanto a resultados.
71
Figura 4.5. Preparación de muestra para cálculo de peso superficialmente seco
4.1.4.1.2.
Peso Suelto
Para el inicio de la prueba, se determinó el peso del molde, luego se tomó una muestra
significativa de la muestra, se lavó para que las partículas no lleven ningún tipo de
material en su superficie (suciedad), luego se metió al horno 110º C por 24 horas. Luego
de pasado el tiempo de secado al horno, se vertió en el molde a la altura del puño
dándole inclinación a la caída de la muestra sobre el molde, acomodando mejor las
partículas, se enrasó el material y se pesó la muestra, repitiendo este procedimiento por
tres veces para promediar los resultados.
72
Figura 4.6. Peso suelto
4.1.4.2.
Agregado Fino
Se tomó una muestra significativa de material y se metió al horno por 24 horas a una
temperatura de 110 ± 5ºC.
Se esparció la muestra en una superficie plana, no absorbente para sujetar el molde
firmemente sobre una superficie lisa y no absorbente con el diámetro mayor hacia abajo.
Se colocó una porción de agregado fino parcialmente seco y suelto dentro del molde,
llenándolo hasta que se desborde y apilando el material adicional por encima del borde
superior del molde, sosteniéndolo con los dedos. Ligeramente se apisonó el agregado fino
dentro del molde con 25 golpes ligeros del pisón, iniciando cada caída 5 mm arriba de la
superficie del agregado fino, permitiéndole al pisón caer libremente bajo la atracción
gravitacional en cada caída, ajustando la altura inicial a la elevación de la nueva
superficie después de cada golpe y distribuyendo los golpes sobre la superficie.
Figura 4.7. Prueba de humedad
Se quitó el cono, dejando la muestra sin molde; esta se tiene que caer inmediatamente,
sino lo hace quiere decir que todavía existe humedad en la muestra.
73
Luego de haber realizado la prueba del estado seco en el que se tiene que encontrar la
muestra, se tomó de este material y se colocó sobre el picnómetro, para luego echar agua
hasta la mitad del recipiente, se agitó para someterla al vibrador para que la bomba
extrajera las burbujas de agua que se encuentran en el envase, teniendo una duración de
15 minutos, procurando que la temperatura del agua estuviera a 23.5 ± 1ºC.
Figura 4.8. Ensayo de gravedad específica
74
Luego de esto, se llenó de agua todo el envase del picnómetro y se enrasó con una placa
de vidrio para poder pesarla y así determinar su gravedad específica.
Figura 4.9. Picnómetro
Se pesó la muestra o fracción de muestra de ensayo en estado seco (mi), esparciendo el
material de cada muestra o fracción de muestra en una capa delgada sobre el fondo de
un recipiente, se cubrió con agua destilada y se dejó en remojo durante 24 ± 4 horas.
Finalizado el paso de inmersión, se deshicieron las partículas desmenuzables,
comprimiéndolas y frotándolas entre los dedos.
Luego se separó el residuo mediante el tamizado húmedo, empleando el tamiz que
corresponda según el tamaño de las partículas ensayadas, lavándolo y dejándole caer
agua sobre la muestra o fracción de muestra colocada en el tamiz correspondiente, se
agitó hasta eliminar los residuos de las partículas desintegradas. Se retiró las partículas
retenidas y se secó al horno a una temperatura 110 ± 5°C (230 ± 10ºF), para luego dejar
enfriando a temperatura ambiente. (Ver resultados en tabla N° 5.8, 5.9. y 5.10.)
4.1.5. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104)
Se preparó una solución de sulfato de sodio (Na 2SO4) 48 horas antes de utilizarla a una
temperatura de 22ºC, luego se tomó una muestra de ensayo representativa mediante el
muestreo y cuarteo para un mejor resultado, pasándolo por las mallas correspondientes
en dependencia de su tamaño (Ver resultados en tabla Nº 5.11, 5.12. y 5.13.) Luego de
obtener la muestra de ensayo se introdujo en la solución preparada de sulfato de sodio
durante un período de 16 horas, debiendo permanecer el material cubierto totalmente por
la solución en una profundidad no menor de 1/2”, a una temperatura de 21ºC.
Después del período de inmersión, se removió la muestra de la solución, permitiéndole
que drenara durante 15 ± 5 minutos, con el objeto de introducirla a secado dentro del
horno a una temperatura de 110 ± 5ºC.
75
Al final del período de secado, se enfrió la muestra a temperatura ambiente, para luego
introducirla en otra porción nueva de solución. El proceso se repitió hasta cumplir cinco
ciclos completos de inmersión – secado. Una vez terminados los 5 ciclos de saturación –
secado y con la muestra a temperatura ambiente, se procedió a lavarla hasta dejarla libre
de solución de sulfato de sodio.
Cuando todo el sulfato de sodio fue removido, se secó la muestra dentro de un horno
hasta un peso constante a una temperatura de 110 ± 5ºC, luego cada porción del
agregado se tamiza en sus respectivas mallas según el tamaño apropiado de las
partículas, obteniendo el peso final.
4.1.6. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210)
4.1.6.1.
Muestra Nº 1 (Grava ¾” y ½”)
Se pasó la muestra original en estado húmedo por el tamiz de 4.75 mm; disgregando
manualmente los terrones de material que puedan existir, la muestra se secó hasta un
peso constante en horno a temperatura de 110 ± 5º C, dejándolo enfriar a temperatura
ambiente.
Figura 4.10. Lavado de muestra
Se preparó 1 litro de agua, en donde la muestra se sumergió para luego lavarla por la
malla Nº 200, se pesaron 7 gramos de solución stock (solución determinada según la
ASTM D-2419), en 3 probetas distintas, esto para promediar los resultados y obtener un
resultado más confiable.
76
Figura 4.11. Peso de probeta para solución stock
En la probeta con la solución stock se vertió el agua con el que se había lavado la
muestra por la malla 200, llegando hasta la altura de 15 pulgadas para luego verter la
muestra lavado, agitando por 20 veces de arriba hacia abajo para el mezclado y luego se
dejó en reposo por 20 minutos, para leer la altura del material que se encuentra en la
parte inferior de la probeta, esto se hizo para cada recipiente.
Figura 4.12. Muestra de agregado fino con solución stock
4.1.6.2.
Muestra Nº 2 (Material cero o ¼”)
La metodología que se usó para esta muestra es la misma que la del equivalente de
arena, cambiando únicamente en el tiempo de mezclado en la máquina agitadora que
ahora fue de 10 minutos.
77
4.2. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS PARA LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1
4.2.1. Viscosidad Saybolt Furol a 25 grados (ASTM D-2397 o D 244-22/24)
Por conveniencia y precisión se usan dos temperaturas de ensaye, las cuales cubren el
rango de trabajo. Estas temperaturas son 25°C y 50°C (77 ó 122°F). Su elección depende
de las características viscosas de la emulsión, según su tipo y grado.
Para hacer el ensayo a 25°C se calienta una muestra hasta la temperatura de
ensayo
Se revuelve cuidadosamente
Se le vuelca a través de un colador en un tubo normalizado que tiene un orificio
tapado
Se saca luego el tapón y se mide el tiempo que tardan en salir 60 ml de asfalto
Este intervalo de tiempo, medido en segundos, es la viscosidad Saybolt-Furol. Es obvio
que cuanto más viscoso es el material, mayor es el tiempo que necesita un determinado
volumen para fluir por el orificio. Por lo tanto, un incremento en el número de viscosidad
indica un aumento en la viscosidad de la emulsión.
Para el ensayo a 50°C, se debe calentar la muestra a 50 ± 3°C
Se le vuelca, colocándola en el tubo
Se le lleva a la temperatura de ensayo
Se saca el tapón
Se cronometra el tiempo, como ya se describió antes.
78
Figura 4.13. Ensayo de Viscosidad Saybolt
4.2.2. Residuos de la destilación y aceite (ASTM D 244-8)
El ensaye de destilación se usa para determinar las proporciones relativas de cemento
asfáltico y agua presentes en la emulsión. Algunos grados de asfalto emulsificado,
también contienen aceites; la destilación entrega información acerca de la cantidad de
este material en la emulsión. También este ensayo permite analizar el residuo mediante
ensayes adicionales como penetración, solubilidad y ductilidad, que son descritos en los
cementos asfálticos.
La destilación se realiza aumentando la temperatura hasta llegar a 260°C la cual debe
mantenerse durante 15 minutos, es importante mencionar que la emulsión casi nunca se
trabaja a esta temperatura por lo que es recomendable cambiar la temperatura y el tiempo
del ensayo, pues se pueden afectar las propiedades físicas del residuo de asfalto
envejeciéndolo.
El procedimiento de ensaye es muy similar al descrito para asfaltos cortados.
Una muestra de 200 g de emulsión destilada a 260°C
La diferencia al destilar una emulsión es que se usa un recipiente de hierro y
anillos quemadores en vez de un matraz de vidrio y mechero Bunsen
El equipo está diseñado para evitar los problemas que pueden originarse con la
formación de espuma al calentar la emulsión
79
La temperatura final de destilación de 260°C se mantiene durante 15 minutos con
el objeto de obtener un residuo homogéneo.
Los grados medio y rápido de las emulsiones catiónicas pueden incluir aceite en el
destilado, cuya cantidad máxima está limitada por especificaciones. El material destilado,
se recibe en una probeta graduada, incluye tanto el agua como el aceite presentes en la
emulsión. Ya que estos dos materiales se separan, las cantidades de cada uno de ellos
pueden determinarse directamente en la probeta graduada.
Figura 4.14. Ensayo de Destilación para emulsiones asfálticas
4.2.3. Estabilidad de Almacenamiento y Sedimentación (ASTM D244)
El ensaye de sedimentación indica la tendencia de las partículas de asfalto a perder la
estabilidad, durante el almacenamiento de la emulsión. Detecta la propensión de los
glóbulos de asfalto a sedimentar durante el almacenamiento. Este ensayo sirve también
como indicador de la calidad de la emulsión aun cuando ésta no sea almacenada. Una
falla en el ensaye de sedimentación indica que algo anda mal en el proceso de
emulsificación.
Se colocan 2 muestras de 500 ml en sendos tubos de vidrio graduados
Se les deja descansar o reposar tapados, durante 5 días, en un lugar donde no
sufra golpes ni vibraciones
Luego se toman pequeñas muestras de las partes superior e inferior de cada tubo
Se coloca cada muestra en un recipiente y se pesa
80
La muestra se calienta hasta que se evapore toda el agua y luego se pesa el
residuo
Los pesos obtenidos se usan para encontrar la diferencia entre el contenido de
cemento asfáltico de las porciones superior e inferior del cilindro.
Esto da como resultado una medida de la sedimentación.
Figura 4.15. Sedimentación y Estabilidad
Para medir la estabilidad, un dado volumen de emulsión se deja reposar en una probeta
graduada durante 24 horas. Luego se toman muestras del fondo y de la superficie de la
probeta. Cada muestra se coloca en un vaso de precipitado y es pesada y calentada
hasta evaporar el agua. Luego se pesa el residuo. Los pesos obtenidos se utilizan para
hallar la diferencia, si la hay, entre los contenidos de residuo asfáltico de las fracciones
superior e inferior de la probeta.
4.2.4. Carga de partículas de prueba (ASTM D-244)
El ensaye de carga de partícula se hace para identificar las emulsiones catiónicas de
rotura rápida y media.
Se materializa sumergiendo un par de electrodos, positivo (ánodo) y negativo
(cátodo), conectados a una fuente de corriente eléctrica continua, en una muestra
de emulsión
Luego de 30 minutos, o cuando la intensidad de corriente decrece 2 miliamperios,
se observan los electrodos y se determina cuál tiene una capa apreciable de
asfalto depositado
Si está en el cátodo, estamos en presencia de una emulsión asfáltica catiónica.
81
Figura 4.16. Ensayo de Carga de Partículas
4.2.5. Penetración (ASTM T 49)
Es una medida de la dureza del residuo asfáltico a la temperatura especificada. Este
ensayo mide la profundidad de la penetración de una aguja, normalizada, bajo una carga
de 100 g durante 5 segundos a una temperatura de 25°C.
Figura 4.17. Ensayo de Penetración
Sin embargo, otras temperaturas y cargas son a veces aplicadas cuando se requiere
información adicional.
82
4.3. COMBINACIÓN DE AGREGADOS Y EMULSIÓN ASFÁLTICA PARA OBTENCIÓN
DEGRANULOMETRÍ A IDEAL PARA EL DISEÑO
Para determinar el diseño de mezcla asfáltica en frío óptimo, se ensayaron diversas
muestras con distintos porcentajes de agua, sin alterar el porcentaje de agregados y
emulsión.
Los valores que se reflejan en la siguiente tabla, en las columnas nombradas como ¾”, ½”
y material cero o ¼”, son resultado de un análisis granulométrico que partió de las
especificaciones establecidas por el Manual de Diseño de Pavimentos para mezclas
asfálticas en frío.
Los porcentajes obtenidos para cada tipo de agregado son resultado de un análisis de
prueba y error que consistió en variar estos porcentajes hasta obtener la curva
granulométrica ideal que se encuentre dentro de los límites anteriormente mencionados.
Tabla 4.2. Combinación de agregados ideal
Tamices
Nominal mm
¾”
½”
3/8”
N° 4
N° 8
N°16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
19.00
12.50
9.50
4.75
2.36
1.18
0.60
0.30
0.15
0.075
13%
¾”
100.00
54.00
18.00
9.00
6.00
4.00
4.00
3.00
3.00
2.4
Mezcla de ¾”
27%
60%
½”
Material
cero
100.00
100.00
100.00
100.00
84.00
100.00
14.00
96.00
5.00
65.00
3.00
43.00
3.00
30.00
2.00
22.00
2.00
16.00
1.90
11.00
Mezcla
100.00
94.00
85.00
62.60
41.10
27.10
19.30
14.10
10.50
7.40
Especificaciones
Inferior Superior
100.00
90.00
45.00
25.00
5.00
2.00
100.00
100.00
70.00
55.00
20.00
9.00
Fuente: Resultados derivados del análisis realizado
83
Gráfico 4.1. Curva Granulométrica ideal
Los valores que se presentan a continuación están íntimamente relacionados. El residuo
de la emulsión que corresponde a 59.50% fue obtenido en los ensayos realizados a la
emulsión asfáltica.
Por su parte, el porcentaje de cemento asfáltico presente en la mezcla se obtiene con la
ecuación tomada del Apéndice F del Manual 14 para diseño de mezclas en frío
mencionada en el acápite 4.4.1.2., y que se muestra en el Anexo E del presente
documento.
Toda la información para obtener este porcentaje está basada en los porcentajes de
agregados retenidos en la malla N° 8, el que pasa la malla N° 8 y retiene la N°200 y el
porcentaje que pasa este último.
De esta forma se obtiene el porcentaje de emulsión asfáltica que se utilizará, basado en el
peso seco de los agregados.
Tabla 4.3. Parámetros de diseño de mezcla
Contenido de Emulsión (% s/a)
Cemento Asfáltico ( % s/a)
7.01
Residuo de la Emulsión
59.50 %
Emulsión Asfáltica ( % s/a)
11.78
Fuente: Resultados derivados del análisis realizado
Luego se determinó el porcentaje de humedad de cada agregado, para determinar la
cantidad de agua que necesitarán las muestras.
84
Tabla 4.4. Porcentaje de agua para las muestras
Agregado
Material cero o ¼”
Grava ½”
Grava ¾”
Peso
Húmedo (g)
235.00
305.50
318.50
Peso
Seco (g)
234.00
305.50
318.00
%
Humedad
0.427
0.00
0.157
Fuente: Resultados derivados del análisis realizado
Luego de haber determinado el porcentaje de humedad de cada agregado, se corrigieron
los pesos secos, a continuación detallados.
Pesos Secos Corregidos por Humedad
Observación: Para la grava de ½” no se realizó corrección por humedad puesto que este
no presentaba ningún porcentaje de humedad.
Con los porcentajes de humedad encontrados de los agregados, se procedió a
ponderarlos con el objetivo de conocer el porcentaje de humedad de la mezcla (Ver tabla
N° 4.3.)
Se realizaron cuatro muestras con distintos valores de porcentaje de agua, aumentando el
1% por cada muestra. El punto de partida fue 2% de agua y 11.78 % de emulsión, con los
porcentajes de combinación de agregados (Ver tabla N° 4.1.)
85
Para iniciar con el 2% de agua, se tomó en cuenta el porcentaje de la mezcla de 0.27%,
por lo que el agua que se le agregara es la diferencia del punto de partida de 2% y la
humedad de la mezcla de 0.27%, dando un resultado de 1.73%.
El peso total de la muestra es de 1,002.70 g, añadiendo el porcentaje de humedad de la
mezcla de 2.7 %
Para determinar el peso exacto de cada agregado para las muestras, se ponderó con el
porcentaje de humedad del agregado.
Se colocó una tara en la balanza, y se procedió a pesar las diferentes cantidades de
agregado, ya establecidos anteriormente.
86
Figura 4.18. Mezclado y pesaje de las muestras
87
Figura 4.19. Cantidad de agregado en las muestras
Luego de haber combinado los agregados, se agregó el 1.73% de agua antes
determinado a la tara homogenizándolo bien.
Figura 4.20. Porcentaje de agua en las muestras
88
Se pesó el 11.78% de emulsión que equivale a 117.80 g, y se agregó a la tara con la
muestra de los agregados, homogenizándolo bien durante 60 segundos y poniéndolo a
secar.
Figura 4.21. Porcentaje de emulsión en las muestras
89
Figura 4.22. Mezclado de las muestras
Se siguió este procedimiento para las 4 muestras con la finalidad de observar el
comportamiento de las mismas con respecto al recubrimiento de las partículas.
Figura 4.23. Obtención de muestras para elaboración de briquetas Marshall
90
Tabla 4.5. Composición de la mezcla
Muestra N° 1
(2%)
Muestra N° 2
(3%)
Muestra N° 3
(4%)
Muestra N° 4
(5%)
Material
cero (g)
602.56
Grava ½”
(g)
270.00
Grava
¾” (g)
130.20
% Agua
17.30
Emulsión
(g)
117.80
602.56
270.00
130.20
27.30
117.80
602.56
270.00
130.20
37.30
117.80
602.56
270.00
130.20
47.30
117.80
Estos valores obtenidos son el punto de partida para encontrar el diseño óptimo de la
mezcla y proceder a ejecutar las briquetas de compactación, para encontrar los
parámetros del ensayo Marshall.
4.4. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO
La primera preparación para los ensayos consta de reunir muestras del asfalto y del
agregado que va a ser usado en la mezcla de pavimentación. Es importante que las
muestras de asfalto tengan características idénticas a las el asfalto que va a ser usado en
la mezcla final. Lo mismo debe ocurrir con las muestras de agregado. La razón es simple:
los datos extraídos de los procedimientos de diseño de mezclas determina la fórmula o
“receta” para la mezcla de pavimentación. La receta será exacta solamente si los
ingredientes ensayados en el laboratorio tienen características idénticas a los ingredientes
usados en el producto final.
Una amplia variedad de problemas graves, que van desde una mala trabajabilidad de la
mezcla hasta una falla prematura del pavimento, son el resultado histórico de variaciones
ocurridas entre los materiales ensayados en el laboratorio y los materiales usados en la
realidad.
4.4.1. Método Marshall
El propósito del Método Marshall es determinar el contenido óptimo de asfalto para una
combinación específica de agregados. También provee información sobre propiedades de
la mezcla y establece densidades y contenido óptimos de vacío que deben ser cumplidos
durante la construcción del pavimento.
El Método Marshall emplea muestras normalizadas de prueba de 4” de diámetro y 2.5” de
altura, compactadas con la misma combinación de agregados, pero con diferentes
proporciones de agua y asfalto, las cuales son ensayadas a 60°C mediante deformación
lateral hasta alcanzar la falla.
La carga de falla de las probetas se denomina estabilidad y la deformación máxima se
llama flujo.
91
Las probetas se compactan con un martillo normalizado (10 libras y caída libre de 18”),
aplicando 50 golpes por cara, según el MS-14, para su aplicación en carpetas de tránsito
bajo y mantenimiento (Ver anexo F).
El método requiere, además del ensayo de estabilidad y flujo, la ejecución de un análisis
de densidad y vacíos de las probetas compactadas, para establecer la fórmula de trabajo
(proporciones óptimas de agregados y cemento asfáltico).
Una vez definido el porcentaje óptimo de asfalto de diseño según el criterio Marshall, se
compactan nuevas probetas de mezcla con dicho porcentaje óptimo, las cuales se
someten a dos comprobaciones para verificar la validez del diseño:
Resistencia a la deformación plástica: una probeta compactada en condiciones
normalizadas se somete a 60°C a la acción cíclica de una rueda que aplica una
presión de 9 kg/cm 2 durante 120 minutos. Se mide la velocidad de deformación de
la probeta en el intérvalo comprendido entre 105 y 120 minutos.
Comprobación de la adhesividad entre el agregado pétreo y el ligante asfáltico:
probetas compactadas en condiciones normalizadas que se someten a curado en
dos grupos: uno al aire a 25°C durante 4 días y otro mediante inmersión en agua a
49°C durante el mismo lapso o 24 horas a 60°C. Las probetas se fallan por
compresión simple y se comparan los resultados de los dos grupos.
Se adoptará el método Marshall (AASHTO T 245) para verificar las condiciones de vacíos
y estabilidad.
Tabla 4.6. Requerimientos para Mezcla Asfáltica con Granulometría Densa y
Emulsión Asfáltica diseñadas con el Método Marshall26
Propiedad a evaluar
Estabilidad (kN) a 22 ± 1°C
Porcentaje de pérdida de Estabilidad1
Recubrimiento del agregado (%)
1
Especificación
2.22 mín.
50 máx.
50 mín.
Luego de saturar los vacíos y sumergir en agua el especimen
El método aplica para mezclas para pavimentos de bajo volumen que contienen asfalto
emulsificado y agregados minerales con graduación densa, de tamaño máximo de 25 mm
(1 pulgada) o menos.
Existen tres procedimientos de ensayo en el método del ensayo Marshall. Estos son:
determinación del peso específico total, medición de la estabilidad Marshall, y análisis de
la densidad y el contenido de vacíos de las probetas.
26
Fuente: Instituto del Asfalto, Manual Series N° 14 (MS-14)
92
4.4.1.1.
Determinación del peso específico total o gravedad específica
(AASHTO T 166)
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.
Figura 4.24. Peso de la mezcla
4.4.1.2.
Cantidad aproximada de emulsión asfáltica
Se estima por los ensayos de mezcla con agregados de graduación densa usando el
ensayo del Equivalente de la Centrífuga de Keroseno (C.K.E.).
Si el equipo del ensayo anteriormente mencionado no está disponible, el contenido de
asfalto emulsificado aproximado para los ensayos de las mezclas se puede hacer de la
siguiente forma:
Donde:
P: porcentaje por peso de asfalto emulsificado, basado en el peso seco del agregado 1
A: porcentaje del agregado retenido en la malla de 2.36 mm (N°8)1
B: porcentaje de agregado pasando la malla de 2.36 mm (N°8) y retenido en la malla de
75 µm (N° 200)1
93
C: porcentaje de agregado pasando la malla de 75 µm (N°200)1
1
Expresado como un número entero
Figura 4.25. Contenido de emulsión óptima
4.4.1.3.
Contenido óptimo de agua en compactación
Debido a que las propiedades de la mezcla están directamente relacionadas con la
densidad de los especímenes compactados es necesario optimizar el contenido de agua
en la compactación y de esta forma lograr las propiedades deseadas en la mezcla.
94
Figura 4.26. Contenido de agua óptimo
El procedimiento del diseño de mezcla utiliza especímenes estándar Marshall en la
evaluación de las propiedades de la mezcla compactada. Para obtener resultados más
confiables, hay que triplicar los especímenes que son preparados para cada contenido de
agua en compactación.
La mezcla se tiene que airear para reducir el contenido de agua para obtener la densidad
máxima. Si el contenido de agua deseado en compactación difiere del contenido de agua
óptimo de mezcla, se requiere aireación. La mezcla ahora está lista para la compactación.
4.4.1.4.
Compactación de especímenes
Los especímenes se compactan de la misma manera que los especímenes Marshall de
mezcla asfáltica en caliente y se aplican 50 golpes con el martillo de compactación por
cara. Una vez compactados, se curan en el molde por un día a temperatura ambiente, con
los moldes colocados verticalmente para que se produzca igual ventilación en ambos
extremos. Después de este período se desmoldan y se determina la gravedad específica
aparente de los especímenes.
95
Figura 4.27. Compactación de briquetas
4.4.1.5.
Variación del contenido de asfalto residual
Se preparan una serie de especímenes de prueba sobre un rango de contenido de asfalto
residual, usando el contenido de agua óptimo previamente establecido para mezcla y
compactación. Se determina para una combinación de un agregado en particular y asfalto
emulsificado.
Se preparan seis especímenes para cada contenido de asfalto residual. Se mezclan y se
compactan como se describió anteriormente. Se curan en el molde por un día a
temperatura ambiente, se desmoldan y luego se curan por un día fuera del molde en un
horno a 38°C (100°F).
La mezcla debe proporcionar una estabilidad adecuada cuando se ensaya en condición
húmeda para proveer una resistencia adecuada a la carga de transito durante la estación
lluviosa.
Una pérdida alta con respecto a la diferencia de los ensayos en seco o húmedo indica que
la mezcla tiene una alta susceptibilidad a la humedad y puede causar desintegración.
El total de vacíos de la mezcla debe estar dentro del rango aceptable para prevenir
cualquier exceso de deformación permanente y absorción de humedad (para un contenido
alto de vacíos), o exudación del asfalto residual de la mezcla (para bajo contenido de
vacíos).
96
La absorción de humedad en la mezcla no debe ser excesiva, así se minimiza el potencial
de desnudamiento o debilitamiento de la adherencia entre el asfalto residual y el
agregado. El asfalto residual debe proveer un adecuado recubrimiento del agregado y
debe ser resistente al desnudamiento o abrasión.
El contenido óptimo de asfalto residual se escoge para que provea la máxima estabilidad
húmeda, pero está ajustado al alza o a la baja dependiendo de la absorción de humedad,
porcentaje de pérdida de estabilidad, total de vacíos, y recubrimiento de agregados. Si el
contenido de asfalto residual en el pico de la curva de estabilidad húmeda provee una
adecuada absorción de humedad, porcentaje de pérdida de estabilidad, total de vacíos y
recubrimiento del agregado. Éste último se selecciona como el contenido óptimo de
asfalto.
Figura 4.28. Variación de contenido de emulsión
4.4.1.6.
Estabilidad y flujo Marshall a 22.2°C
Después de determinar la gravedad específica en seis especímenes curados, se ensayan
tres de ellos para estabilidad y flujo.
La temperatura de ensayo se tiene que mantener entre 21.1 y 23.3°C (70 y 74°F) usando
un baño de agua cuando se requiera. La carga de prueba debe aplicarse al especimen a
una tasa constante de deformación por minuto hasta que se obtenga la falla.
97
Luego de la falla se colocan los especímenes fallados en recipientes y se meten al horno
a 93 ± 6°C (200 ±10°F) por 24 horas. La masa del agua se corrige al restar la masa de
agua absorbida durante la determinación de la gravedad específica aparente.
El ensayo de estabilidad está 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:
Las probetas son calentadas en el baño de agua a 60ºC (140ºF). Esta temperatura
representa, normalmente, la temperatura más caliente que un pavimento en
servicio va a experimentar.
La probeta es removida del baño, secada, y colocada rápidamente en el aparato
Marshall. El aparato consiste de un dispositivo que aplica a una carga sobre la
probeta y de unos medidores de carga y deformación (fluencia).
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. La falla esta definida como la
carga máxima que la briqueta puede resistir.
La carga de falla se registra como el valor de estabilidad Marshall y la lectura del
medidor de fluencia se registra como la fluencia.
98
Figura 4.29. Ensayo de estabilidad y fluencia Marshall
La fluencia Marshall, medida en centésimas de pulgada representa la deformación de la
briqueta. La deformación esta indicada por la disminución en el diámetro vertical de la
briqueta.
99
4.4.1.7.
Prueba de estabilidad y flujo en especímenes saturados
Los tres especímenes restantes del grupo de seis (especímenes utilizados en la prueba
de estabilidad y fluencia) se someten a saturación al vacío e inmersión.
Una vez saturados se remoja el especimen en agua por una hora.
Luego se determina la humedad absorbida.
4.4.1.8.
Porcentaje de vacíos de aire (ASTM D 2276 o ASTM D 1188)
Se determina la gravedad específica de los especímenes de acuerdo a los métodos
descritos en ASTM D 2276 o ASTM D 1188.
Una vez que se completan 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.
El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto a un grado variable.
Además, el cociente de absorción entre el agua y el asfalto varía con cada agregado. Los
tres métodos para medir la gravedad específica del agregado toman estas variaciones en
consideración. Estos métodos son: gravedad específica neta, la aparente y la efectiva:
Gravedad específica neta, Gsb: proporción de la masa al aire de una unidad de volumen
de un material permeable (incluyendo vacíos permeables e impermeables del material) a
una temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen
igual al de agua destilada a una temperatura indicada.
Gravedad específica aparente, Gsa: proporción de la masa en aire de una unidad de
volumen de un material impermeable a una temperatura indicada, con respecto a una
masa al aire de igual densidad de volumen igual al de agua destilada a una temperatura
indicada.
Gravedad específica efectiva, Gse: proporción de la masa en aire de una unidad de
volumen de un material permeable (excluyendo vacíos permeables de asfalto) a una
temperatura indicada, con respecto a una masa al aire de igual densidad de volumen igual
al de agua destilada a una temperatura indicada.
100
Figura 4.30. Ilustración de los parámetros de diseño volumétrico
Fuente: Bitumen Training Course. El Asfalto en la Construcción de Pavimentos Flexibles. Julio 2005. Shell
Bitumen.
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 2091) efectuado sobre la muestra de mezcla sin
compactar. El peso específico total de las probetas compactadas se determina pesando
las probetas en aire y en agua.
101
5.
RESULTADOS
5.1. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS
5.1.1. Granulometría (AASHTO T 27)
5.1.1.1.
Grava ¾”
Tabla 5.1. Muestra de Grava ¾”
Datos
Wseco (g)
Whúmedo (g)
% Humedad
Wseco lavado Muestra Nº 1 (g)
Wseco lavado Muestra Nº 2 (g)
Wseco lavado Muestra Nº 3 (g)
631.90
640.90
1.42
2,465.00
3,216.20
2,540.96
Con la muestra obtenida del peso seco lavado, se procedió a cribar la muestra en los
diferentes tamices, obteniendo lo siguiente:
102
Tabla 5.2. Cribado de Grava ¾”
N° Malla
25.40 mm (1”)
19.00 mm (3/4”)
12.50 mm (1/2”)
9.50 mm (3/8”)
N° 4
N° 8
N° 16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
Fondo
5.1.1.2.
Muestra Nº1
Peso
Retenido
% Pasa
Acumulado
(g)
0.00
100.00
17.50
99.30
1,059.50
57.00
1,883.00
23.60
2,181.50
11.50
2,268.00
8.00
2,316.50
6.00
2,335.00
5.30
2,348.50
4.70
2,363.50
4.10
2,384.50
3.30
2,459.00
-
Muestra Nº2
Peso
Retenido
% Pasa
Acumulado
(g)
0.00
100.00
0.00
100.00
1,602.50
50.20
2,654.00
17.50
2,917.00
9.30
3,029.00
5.80
3,087.00
4.00
3,105.00
3.50
3,117.50
3.10
3,123.50
2.90
3,139.00
2.40
3,147.00
-
Muestra Nº3
Peso
Retenido
% Pasa
Acumula
do (g)
0.00
100.00
0.00
100.00
1,149.50
54.80
2,179.00
14.20
2,409.00
5.20
2,450.00
3.60
2,473.00
2.70
2,481.00
2.40
2,488.00
2.10
2,494.50
1.80
2,501.50
1.60
2,504.50
-
Grava 1/2”
Tabla 5.3. Muestra de Grava ½”
Datos
Wseco (g)
Whúmedo (g)
% Humedad
Wseco lavado Muestra Nº1 (g)
Wseco lavado Muestra Nº2 (g)
Wseco lavado Muestra Nº3 (g)
638.00
640.80
0.44
2,332.50
2,687.24
2,108.79
Con la muestra obtenida del peso seco lavado, se procedió a cribar la muestra en los
diferentes tamices, obteniendo lo siguiente:
103
Tabla 5.4. Cribado de Grava ½”
N° Malla
25.40 mm (1”)
19.00 mm (1/2”)
12.50 mm (1/2”)
9.50 mm (3/8”)
N° 4
N° 8
N° 16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
Fondo
5.1.1.3.
Muestra Nº1
Peso
Retenido
% Pasa
Acumulado
(g)
0.00
100.00
0.00
100.00
0.00
100.00
349.00
85.03
1,955.00
16.18
2,186.50
6.26
2,247.50
3.64
2,265.00
2.90
2,275.00
2.47
2,282.50
2.14
2,295.00
1.61
2,329.50
-
Muestra Nº2
Peso
Retenido
% Pasa
Acumulado
(g)
0.00
100.00
0.00
100.00
5.50
99.80
522.50
80.6
2,419.00
10.00
2,576.50
4.10
2,604.50
3.10
2,613.00
2.80
2,619.50
2.50
2,623.00
2.40
2,631.00
2.10
2,637.00
-
Muestra Nº3
Peso
Retenido
% Pasa
Acumula
do (g)
0.00
100.00
0.00
100.00
0.00
100.00
296.50
85.90
1.805.00
14.40
2,013.00
4.50
2,041.50
3.20
2,049.50
2.80
2,055.50
2.50
2,059.50
2.30
2,064.50
2.10
2,069.00
-
Material cero o ¼”
Tabla 5.5. Muestra de Material cero o ¼”
Datos
Wseco (g)
Whúmedo (g)
% Humedad (%)
Wseco lavado corregido Muestra Nº 1 (g)
Wseco lavado Corregido Muestra Nº 2 (g)
Wseco lavado Corregido Muestra Nº 3 (g)
371.60
373.80
0.59
4,185.20
2,743.77
2,723.23
Con la muestra obtenida del peso seco lavado, se procedió a cribar la muestra en los
diferentes tamices, obteniendo lo siguiente:
104
Tabla 5.6. Cribado de Material cero o ¼”
N° Malla
N° 4
N° 8
N° 16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
Fondo
Muestra Nº1
Peso
Retenido
% Pasa
Acumulado
(g)
185.00
95.60
1,545.50
63.10
2,431.50
41.90
2,957.50
29.30
3,279.00
21.70
3,545.50
15.30
3,743.50
10.60
3,851.50
-
Muestra Nº2
Peso
Retenido
%
Acumulado Pasa
(g)
102.00
96.30
935.50
65.90
1,539.50
43.90
1,897.50
30.80
2,128.50
22.40
2,300.00
16.20
2,424.00
11.70
2,457.00
-
Muestra Nº3
Peso
Retenido
% Pasa
Acumulado
(g)
110.00
96.00
913.00
66.50
1,519.00
44.20
1,883.50
30.80
2,104.50
22.70
2,283.50
16.10
2,411.00
11.50
2,474.50
-
5.1.2. Equivalente de Arena (AASHTO T176)
Tabla 5.7. Material cero o ¼”
Nº Muestra
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Lectura de Arena
3.50
3.70
3.60
Lectura de Arcilla
4.10
4.10
4.20
Equivalente de Arena (%)
85.37
89.81
85.71
5.1.3. Abrasión o Desgaste (AASHTO T96)
El peso de la muestra se determinó mediante la tabla Nº 3.7., teniendo en cuenta el
tamaño nominal del agregado, y cribándolo por las mallas indicadas según la AASHTO.
5.1.3.1.
Grava ¾”
Tabla 5.8. Grava ¾”
Datos (Método B)
Wseco lavado (kg)
5,000.00
Wretenido
3,532.00
% Desgaste
29.40
5.1.3.2.
Grava ½”
Tabla 5.9. Grava ½”
Datos (Método C)
Wseco lavado (kg)
5,000.00
Wretenido
3,590.00
% Desgaste
28.20
105
5.1.4. Gravedad Específica Agregado Grueso (T84) – Agregado Fino (T85) – Peso
Unitario (T19)
Para determinar la gravedad específica y los pesos unitarios, se tomaron en cuenta dos
muestras, estos para poder obtener dos resultados y así poder diferenciarlos. Estos
ensayos se consideran el mismo, puesto que la gravedad específica está en dependencia
del peso unitario, obteniendo lo siguiente:
5.1.4.1.
Grava ¾”
Tabla 5.10. Peso Unitario / Gravedad Específica Grava ¾”
Muestra N° 1
Pss (g)
2,032.00
Psa (g)
1,305.00
Pseco (g)
1,993.90
Psuelto (g)
Absorción (%)
1.91
GBS (kg/m3)
2,742.64
GSS (kg/m3)
2,795.05
GAS (kg/m3)
2,894.32
5.1.4.2.
Muestra N° 2
Pss (g)
Psa (g)
Pseco (g)
2,046.60
1,319.50
2,008.50
9,550.00
Absorción (%)
GBS (kg/m3)
GSS (kg/m3)
GAS (kg/m3)
1.90
2,762.34
2,814.74
2,015.09
Grava ½”
Tabla 5.11. Peso Unitario / Gravedad Específica Grava ½”
Muestra N° 1
Pss (g)
1,520.90
Psa (g)
979.20
Pseco (g)
1,493.00
Psuelto (g)
Absorción (%)
1.87
3
GBS (kg/m )
2,756.14
GSS (kg/m3)
2,807.64
GAS (kg/m3)
2,905.80
5.1.4.3.
Muestra N° 2
Pss (g)
Psa (g)
Pseco (g)
1,513.70
973.20
1,484.40
9,553.33
Absorción (%)
GBS (kg/m3)
GSS (kg/m3)
GAS (kg/m3)
1.97
2,746.35
2,800.56
2,903.76
Material cero o ¼”
Tabla 5.12. Peso Unitario / Gravedad Específica Material cero o ¼”
Muestra N° 1
Absorción (%)
0.64
GBS (kg/m3)
2,918.92
GSS (kg/m3)
2,937.72
106
5.1.5. Durabilidad en Sulfatos (AASHTO T 104)
Para la determinación del porcentaje de pérdida por acción del sulfato de sodio, se
consideraron los pesos determinados en la tabla N° 3.8. Tomando en cuenta el tamaño
del agregado, obteniendo lo siguiente:
5.1.5.1.
Grava ¾”
Tabla 5.13. Durabilidad en Sulfatos Grava ¾”
Tamiz Nº
Pinicial (g)
Pfinal (g)
% Pérdida
% Tamiz
% Corregido
19.00 mm
674.70
674.00
0.10
38.30
0.04
12.00 mm
332.90
332.00
0.27
49.70
0.13
9.50 mm
301.10
301.00
0.03
12.00
0.004
% Pérdida = 0.17%
5.1.5.2.
Grava ½”
Tabla 5.14. Durabilidad en Sulfatos Grava ½”
Tamiz Nº
Pinicial (g)
Pfinal (g)
% Pérdida
% Tamiz
% Corregido
12.00 mm
332.40
331.90
0.15
10.80
0.02
9.50 mm
302.00
301.90
0.03
89.20
0.026
% Pérdida = 0.05%
5.1.5.3.
Material cero o ¼”
Tabla 5.15. Durabilidad en Sulfatos Material cero o ¼”
Tamiz Nº
Pinicial (g)
Pfinal (g)
% Pérdida
% Tamiz
% Corregido
Nº 4.00
100.90
100.70
0.20
26.00
0.05
Nº 8.00
100.50
99.50
1.00
22.00
0.22
Nº 16.00
100.50
98.60
1.93
14.00
0.27
Nº 30.00
100.10
95.70
4.59
9.00
0.41
% Pérdida = 0.95%
107
5.1.6. Índice de Durabilidad (AASHTO T 210)
Para determinar el índice de durabilidad del agregado grueso, se combinaron la grava de
¾” y ½” cribándolo por los distintos tamices de ¾”, ½” y 3/8”, para obtener una muestra de
2,550.25 g
5.1.6.1.
Grava ¾” y ½”
Tabla 5.16. Índice de Durabilidad Grava ¾” y ½”
ID
Hs
5.1.6.2.
Muestra Nº1
96.00%
0.10
Muestra Nº2
96.00%
0.10
Muestra Nº3
96.00%
0.10
Material cero o ¼”
Tabla 5.17. Índice de Durabilidad Material cero o ¼”
Nº Muestra
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Lectura de Arena
3.60
3.50
3.60
Lectura de Arcilla
4.00
3.90
3.90
Índice de Durabilidad (%)
90.00
89.74
92.31
5.2. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LOS
AGREGADOS PÉTREOS SEGÚN CLASIFICACIÓN AASHTO
5.2.1. Grava ¾”
Tabla 5.18. Granulometría ¾”
N° Malla
25.40 mm (1”)
19.00 mm (3/4”)
12.50 mm (1/2”)
9.50 mm (3/8”)
N° 4
N° 8
N° 16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
Fondo
Muestra Nº 1
% Pasa
100.00
99.30
57.00
23.60
11.50
8.00
6.00
5.30
4.70
4.10
3.30
-
Muestra Nº 2
% Pasa
100.00
100.00
50.20
17.50
9.30
5.80
4.00
3.50
3.10
2.90
2.40
-
Muestra Nº 3
% Pasa
100.00
100.00
54.80
14.20
5.20
3.60
2.70
2.40
2.10
1.80
1.60
-
Especificaciones
Inferior
Superior
100.00
100.00
90.00
100.00
45.00
70.00
25.00
55.00
5.00
20.00
2.00
9.00
-
108
Tabla 5.19. Clasificación AASHTO – Grava ¾”
Tipo de Ensayo
Desgaste
Durabilidad en Sulfatos
Índice de Durabilidad
Especificación
Máximo 40.00%
Máximo 15.00%
Mínimo 35.00%
Resultado
29.40%
0.17%
96.00%
5.2.2. Grava ½”
Tabla 5.20. Granulometría ½”
N° Malla
25.40 mm (1”)
19.00 mm (1/2”)
12.50 mm (1/2”)
9.50 mm (3/8”)
N° 4
N° 8
N° 16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
Fondo
Muestra Nº 1
% Pasa
100.00
100.00
100.00
85.03
16.18
6.26
3.64
2.90
2.47
2.14
1.61
-
Muestra Nº 2
% Pasa
100.00
100.00
99.80
80.6
10.00
4.10
3.10
2.80
2.50
2.40
2.10
-
Muestra Nº 3
% Pasa
100.00
100.00
100.00
85.90
14.40
4.50
3.20
2.80
2.50
2.30
2.10
-
Especificaciones
Inferior Superior
100.00
100.00
90.00
100.0
45.00
70.00
25.00
55.00
5.00
20.00
2.00
9.00
-
Tabla 5.21. Clasificación AASHTO – Grava ½”
Tipo de Ensayo
Desgaste
Durabilidad en Sulfatos
Índice de Durabilidad
Especificación
Máximo 40.00%
Máximo 15.00%
Mínimo 35.00%
Resultado
28.20%
0.05%
96.00%
109
5.2.3. Material cero o ¼”
Tabla 5.22. Granulometría material cero o ¼”
N° Malla
N° 4
N° 8
N° 16
N° 30
N° 50
N° 100
N° 200
Fondo
Muestra Nº 1
% Pasa
95.60
63.10
41.90
29.30
21.70
15.30
10.60
-
Muestra Nº 2
% Pasa
96.30
65.90
43.90
30.80
22.40
16.20
11.70
-
Muestra Nº 3
% Pasa
96.00
66.50
44.20
30.80
22.70
16.10
11.50
-
Especificaciones
Inferior
45.00
25.00
5.00
2.00
-
Superior
70.00
55.00
20.00
9.00
-
Tabla 5.23. Clasificación AASHTO – Material cero o ¼”
Tipo de Ensayo
Equivalente de Arena
Durabilidad en Sulfatos
Índice de Durabilidad
Especificación
Mínimo 35.00%
Máximo 15.00%
Mínimo 35.00%
Resultado
86.96%
0.95%
90.68%
Todos los parámetros están dentro de las especificaciones presentadas, con la excepción
de los agregados minerales, pues con anterioridad se presentó una curva granulométrica
ideal para la mezcla de pavimentación, que cumple con la graduación especificada en el
Manual MS-14 (Ver Anexo D).
110
5.3. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LA
EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1
Tabla 5.24. Resultados para la emulsión asfáltica CSS-1
Ensayo
Viscosidad Saybolt Furol a
25 grados, s
Residuos de la destilación
Estabilidad de
almacenamiento, 24 horas
Carga de partículas de
prueba
Prueba sobre el residuo de
la destilación:
Penetración, 25°C, 100 g, 5
s
Método de
Prueba
ASTM D-2397
Unidad de
Medición
segundos
ASTM D-244
ASTM D-244
%
%
Resultado
63.00
59.50
0.54
ASTM D-244
Positivo
ASTM D-5
176.00
Especificaciones
Mínima
Máxima
20.00
100.00
57.00
1.00
Positivo
100.00
250.00
Todos los resultados cumplen con las especificaciones requeridas.
Esta emulsión es apta para utilizarse en el diseño de la mezcla de pavimentación.
111
5.4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS A LOS ENSAYOS REALIZADOS A LA MEZCLA ASFÁLTICA EN FRÍO SEGÚN ENSAYO
MARSHALL
Tabla 5.25. Resultados para mezcla en frío
Peso en
Peso
Peso en
Volumen
Densidad
Cemento
Estabilidad
Aire
(g)
A
Saturado
(g)
B
ENSAYO
Agua
(g)
C
(cm3)
VOL
B-C
Briqueta
(g/cm3)
D
A/VOL
Asfáltico
Lectura
(%)
EX
E
ENSAYO
1,137.60
1,127.70
1,125.20
1,144.00
1,132.60
1,134.90
646.30
642.20
636.60
497.70
490.40
498.30
PROMEDIO:
2.286
2.300
2.258
2.281
5.50
5.50
5.50
5.50
240
275
240
252
1,163.20
1,181.90
1,125.10
1,168.70
1,186.00
1,130.20
654.30
667.20
642.80
514.40
518.80
487.40
PROMEDIO:
2.261
2.278
2.308
2.283
6.00
6.00
6.00
6.00
1,149.80
1,153.60
1,142.30
1,159.40
1,158.20
1,147.20
647.20
653.10
649.40
512.20
505.10
497.80
PROMEDIO:
2.245
2.284
2.295
2.274
1,158.70
1,163.50
1,156.80
1,164.30
1,169.20
1,161.10
653.00
659.70
652.80
511.30
509.50
508.30
2.266
2.284
2.276
Flujo
(lb)
(1/100")
E x 9.06
F*G
2,174
2,492
2,174
2,280
I
ENSAYO
19
16
20
18.3
Densidad
Máxima
Teórica
(g/cm3)
I
ENSAYO
2.409
2.409
2.409
2.409
Vacíos
240
220
270
243
2,174
1,993
2,446
2,205
25
21
19
21.7
2.368
2.368
2.368
2.368
5.00
4.00
3.00
4.00
6.50
6.50
6.50
6.50
200
235
240
225
1,812
2,129
2,174
2,039
20
22
19
20.3
2.389
2.389
2.389
2.389
6.00
4.00
4.00
4.67
7.00
7.00
7.00
190
215
235
1,721
1,948
2,129
22
25
24
2.410
2.410
2.410
6.00
5.00
6.00
Totales
(%)
I
ENSAYO
5.00
5.00
6.00
5.33
112
1,162.00
1,172.00
1,157.40
1,168.30
1,176.80
1,160.10
656.90
661.60
657.00
PROMEDIO:
2.275
7.00
213
1,933
23.7
2.410
5.67
511.40
515.20
503.10
PROMEDIO:
2.272
2.275
2.301
2.283
7.50
7.50
7.50
7.50
195
205
240
213
1,767
1,857
2,174
1,933
26
25
23
24.7
2.412
2.412
2.412
2.412
6.00
6.00
5.00
5.67
La tabla anterior demuestra los resultados obtenidos después de finalizados los ensayos a las muestras. Las primeras tres columnas
nos muestran las densidades obtenidas de las briquetas tanto en su estado seco como saturado en agua, el cual evalúa las
condiciones más críticas en las que se puede encontrar el pavimento.
En el caso del porcentaje de cemento asfáltico, se evaluaron 4 puntos, los que tuvieron un punto de partida de 7.01%, obtenido de la
ecuación para determinar el porcentaje aproximado de emulsión.
Los resultados de la estabilidad que se obtuvieron con este porcentaje fueron bajos, por lo que se decidió valorar 4 puntos por
debajo de este valor para observar el comportamiento de la mezcla.
Por otro lado, se ensayaron las briquetas para obtener los valores de estabilidad y flujo Marshall, teniendo en cuenta el factor de
carga del anillo que afecta el valor de estabilidad. Este valor corresponde, según la calibración del equipo, a 9.06
De acuerdo a los valores que se obtuvieron para la estabilidad, únicamente el punto N° 1 cumple con las especificaciones
establecidas en el Manual MS-14 del Instituto del Asfalto, puesto que el valor mínimo corresponde a 2,224.00 y el dato obtenido fue
de 2,280.00 Sin embargo, este valor es cercano al valor límite establecido.
Para el cálculo de la densidad máxima teórica se obtuvo el peso total de la mezcla sin compactar, dejando reposar las muestras por
24 horas y luego colocando en el horno a 60°C. De esta forma se obtuvo el peso seco y el volumen de las muestras, los cuales
permiten determinar la densidad máxima teórica.
Con la densidad máxima teórica y la densidad de la briqueta se calcula el porcentaje de vacíos, que es lo permite determinar el tipo
de mezcla según los porcentajes de vacío. Por esta razón, se demuestra que el tipo de mezcla diseñada es densa o cerrada
(%vacíos <6).
113
Tabla 5.26. Parámetros Marshall
Contenido de Asfalto s/a (%)
Densidad de Briqueta (kg/m³)
Estabilidad (lb)
Vacíos Totales "Va" (%)
Resultados Especificaciones
Obtenidos
MS-14
5
5.50
2.281
2,224
2,280
4-6
5.33
La tabla anterior nos muestra los resultados definitivos obtenidos sobre contenido óptimo
de asfalto, estabilidad y vacíos, según lo dicta el Manual MS-14 del Instituto del Asfalto.
Estos valores corresponden al punto N° 1 evaluado y descrito en la tabla anterior, que fue
el punto que cumplió con las especificaciones establecidas.
Se resume en consecuencia que con 5.50% de asfalto se logró encontrar un valor de
estabilidad ubicado dentro de los valores que exige la normativa, al igual que la cantidad
de vacíos totales, que corroboran el tipo de mezcla utilizada en el diseño (densa o
cerrada) y el uso que se le pretende dar, el cual corresponde en esta investigación a
mantenimiento rutinario de pavimentos flexibles.
En el siguiente acápite se aborda la temática de Mantenimiento de pavimentos.
114
6. MANTENIMIENTO
Según el Manual Centroamericano de Mantenimiento de Carreteras, define
mantenimiento al conjunto de todas las acciones que tienen como objetivo mantener o
restaurar la carretera y sus componentes, al estado en el cual pueda brindar el nivel de
servicio requerido y para el que fue diseñado.
Es importante resaltar que el objetivo del mantenimiento vial, es el sostenimiento de las
características físicas de los elementos que conforman una carretera, para brindar al
usuario una conducción cómoda y segura, por lo que deben monitorearse las vías en
busca de fallas iniciales que puedan ser atendidas con un programa de mantenimiento
rutinario o periódico, y en la medida de lo posible, realizar las acciones para evitar que
estas ocurran al establecer un mantenimiento preventivo.
6.1. Utilización de las mezclas asfálticas a temperatura ambiente para conservación
y bacheo
Los tipos de deterioro mas frecuentes en las calzadas de pavimentos flexibles son:
peladuras por envejecimiento o por acción del agua; grietas diversas; depresiones; bordes
destruidos, baches de distinta magnitud, etc. De acuerdo al grado de deterioro que
presente la calzada, se deberá seleccionar el tipo de material o mezcla más adecuada. En
este caso y para este estudio se hablará sobre el problema más común que se presenta
en los pavimentos del país: los baches.
Según la definición del Instituto del Asfalto, los baches son roturas de la superficie, que
penetran hasta la base o por debajo de ella. Para la reparación de este tipo de deterioros
se podrán utilizar las mezclas asfálticas a temperatura ambiente tipo concreto,
seleccionando la que más se adecúe a la envergadura de la rotura, de acuerdo a sus
características granulométricas y textura superficial.
Las mezclas asfálticas a temperatura ambiente pueden ser fabricadas y stockeadas hasta
por 12 semanas para su progresiva utilización. La elección de los materiales a emplear, el
proceso de fabricación, la disposición de la mezcla, clima y manipulación pueden permitir
a las unidades de bacheo disponer de material todo el año a tales efectos. El acopio de
mezcla fabricada debe tener un entorno relativamente húmedo y/o impermeable que no
permita la evaporación final de la humedad consiguiendo que la misma se mantenga
trabajable luego de su carga, transporte y manipulación en la zona de bache. Así, en
115
profundidades inferiores a 5 cm, aproximadamente, se utilizan las mezclas finas, donde el
tamaño máximo de las partículas minerales es del orden de 6 mm Si la profundidad a
rellenar no supera los 10 cm (y no está comprometida la base) es posible emplear una
mezcla densa tipo concreto, con agregados de 20 mm de tamaño máximo.
De acuerdo con la granulometría del agregado a emplear se podrá optar por diferentes
emulsiones catiónicas. Así, tratándose de una granulometría semi densa, se puede
emplear una emulsión de corte medio, pero en el caso de mezclas densas, las más
apropiadas son las lentas de curado rápido, porque permiten elaborar una mezcla con
bajo tenor de humedad y donde la emulsión está completamente "cortada"
inmediatamente después de su preparación. Esto acarrea grandes ventajas al efectuar un
bacheo, pues resultan así más resistentes a la acción inmediata del agua y solo requieren
una moderada compactación inicial, que luego es completada por el tránsito.
Figura 6.1. Procedimiento de bacheo27
6.1.1. Bacheo superficial o menor de pavimentos asfálticos28
Consiste en la reparación a mano o a máquina de estas áreas de superficie pavimentada,
que se realiza con mezcla en frío o caliente, con un espesor máximo igual a la existente,
incluyendo la excavación, extracción y cuadrado del área que debe repararse, y la
colocación de mezcla asfáltica. Además, el acarreo del punto de fabricación al lugar de
colocación.
6.1.1.1.
Materiales
a) Material de liga
El material asfáltico debe corresponder a un asfalto rebajado RC-70 (AASHTO M-81) o
una emulsión asfáltica SS-1 (AASHTO M-41) o CSS-1 (AASHTO 208). Ambas emulsiones
serán diluidas con agua, en tal proporción, que la mezcla resultante contenga
aproximadamente el 40% por volumen de agua añadida, cuya cantidad exacta será fijada
por el supervisor.
27Fuente: Manual Centroamericano de Mantenimientos de Carreteras, Edición 2010, pág. N° 114
116
b) Mezclas Asfálticas
Para el relleno de los baches podrá usarse mezclas en frío o en caliente.
Para las mezclas en frío el material bituminoso será una emulsión asfáltica seleccionada
de acuerdo al tipo de agregados que se pretenda utilizar. Dicho aglomerante debe cumplir
con los requisitos establecidos en la norma AASHTO M-140.
Los agregados pétreos serán el producto de roca o grava triturada constituidas por
material limpio, libre de humedad, denso y durable, libre de polvo, terrones de arcilla u
otras materias indeseables, que puedan impedir la adhesión completa del asfalto a los
agregados pétreos.
En el caso de las mezclas en caliente se compondrá de agregados minerales gruesos,
agregados finos, llenante mineral (filler) y material bituminoso.
6.1.1.2.
Procedimiento de ejecución
Colocar dispositivos de seguridad transitorios y verificar que todo el personal disponga de
la vestimenta obligatoria y en buen estado, y asegurar el control adecuado del tránsito.
a) Excavación
El área debe ser marcada por el supervisor, debiendo ser dos de sus lados
perpendiculares al eje del camino. Los cortes de las paredes deben quedar parejos y
verticales. El fondo de la excavación debe nivelarse y compactarse adecuadamente y
debe quedar libre de material suelto. Los materiales excavados deben ser retirados y
transportados a sitios de depósito previamente autorizados. Los trabajos de corte,
excavación y transporte podrán ser ejecutados mediante el uso de herramienta mecánica
o manual. Los baches excavados deben rellenarse el mismo día, no se permite
trabajarlos al siguiente día.
b) Aplicación de liga
Será aplicada sobre toda la superficie excavada, libre de material suelto y polvo,
aplicándola en toda el área, incluyendo las paredes en proporciones que podrán variar
desde 0.3 a 0.6 litros (0.08 a 0.15 galones) por metro cuadrado de superficie, y debe
calentarse a una temperatura entre 60 a 80°C. Se debe colocar con cuidado para evitar la
formación de charcos. Se debe permitir que el asfalto penetre en la base durante el
tiempo necesario según lo indique el supervisor.
c) Transporte de la mezcla
La mezcla debe transportarse al sitio de colocación en vehículos con palangana de volteo
limpios de todo material extraño que pueda afectar la mezcla. Las palanganas de los
camiones deben ser pintadas o limpiadas con solución de cal o detergente, por lo menos
una vez al día o tantas veces como sea necesario; después de esta operación, la
palangana del camión debe ser elevada y completamente drenada.
El despacho del vehículo debe programarse de tal manera que el material entregado
pueda ser colocado con luz diurna. Debe cubrirse con lona u otro material que evite su
contaminación durante el trayecto y que permita conservar su temperatura cuando se
117
trate de concreto asfáltico en caliente. La entrega del material a las cuadrillas de
colocación, se hará de manera uniforme y en cantidad según la capacidad de los recursos
de colocación y compactación asignados al proyecto.
d) Colocación de la mezcla asfáltica
El material se extenderá a mano en una o dos capas de espesor similar, mediante el uso
de carretillas de mano y rastrillos extendedores, sin permitir la segregación de los
materiales y de acuerdo a los requerimientos establecidos. El nivel del bache terminado
debe quedar a ras del nivel de la carretera. La colocación de la mezcla asfáltica no debe
efectuarse cuando la superficie del bache se encuentre en estado insatisfactorio o con
señales de humedad excesiva. Las áreas de la mezcla asfáltica inaccesibles para el
compactador manual, deberán compactarse satisfactoriamente mediante el uso de mazos
apisonadores aprobados. La compactación de la mezcla asfáltica deberá comenzar en los
bordes y avanzar hacia el centro. Para mezcla en caliente, la temperatura de colocación y
compactación será no menor de 100°C.
Retirar dispositivos de seguridad en orden inverso a como fueron colocadas.
6.2. TRABAJOS DE MANTENIMIENTO
Se agrupan en cinco categorías generales:
6.2.1. Mantenimiento rutinario
Comprende la realización de todas aquellas actividades requeridas para conservar una
vía en buen estado, las cuales se repiten una o más veces al año. También, incluye
aquellas labores de reparación vial destinadas a recuperar ciertos elementos con daños
menores, tales como los barandales de puentes, obras de drenaje menor, señalización
vertical y horizontal, muros de retención y actividades afines.
6.2.2. Mantenimiento periódico
Abarca las obras de conservación vial que se realizan en períodos programados,
generalmente de más de un año de intervalo, para elevar la vía a un nivel de servicio
bueno o muy bueno. Está considerada, entre otros, la colocación de sobrecapas en
pavimentos deteriorados existentes y el mejoramiento de las capas de la estructura del
pavimento.
6.2.3. Mantenimiento preventivo
Consiste en actividades y obras de mantenimiento destinadas a prevenir fallas en la vía
que han sido identificadas como defectuosas o con alto riesgo de que ocurran, antes de
que éstas sucedan.
118
6.2.4. Mantenimiento por administración
Se realiza en los casos donde los trabajos que deben realizarse no se pueden cuantificar,
no existe una partida de pago en el contrato para cubrirlos o son para ejecutar obras de
emergencia o no previstas. En estos casos es necesario proceder con la modalidad de
trabajos por administración, mediante el cual el pago por toda la actividad realizada (mano
de obra o materiales utilizados).
a) Mantenimiento de emergencia
Corresponde a la ejecución de actividades realizadas en forma urgente, como
consecuencia de sucesos de fuerza mayor (como el caso de desastres naturales) y que
tienen el propósito de habilitar lo más pronto posible la vía para que permita la libre
transitabilidad.
Por otro lado, dentro del tipo de mantenimiento que se aplica para el caso de la mezcla en
frío, se hace una descripción de los trabajos de mantenimiento contratado con base a
estándares o niveles de servicio, los cuales se agrupas en 4 categorías generales:
a)
b)
c)
d)
Administración
Mantenimiento rutinario
Mantenimiento periódico
Trabajos de emergencia
Sin embargo, para el presente estudio solamente se hará alusión al Mantenimiento
Rutinario, debido a que éste contempla la actividad de bacheo, siendo parte de los
objetivos de este estudio.
6.2.5. Mantenimiento Rutinario
Es el conjunto de actividades necesarias para que la carretera conserve un nivel de
servicio entre regular y bueno. Las actividades normalmente consideradas en el ámbito
centroamericano son:
• Desmonte del derecho de vía
• Limpieza de cunetas revestidas
• Limpieza de cunetas de tierra
• Limpieza de alcantarillas
• Re perfilado en carreteras de tierra
• Re perfilado con compactación de carreteras
• Re perfilado con compactación de hombros
• Sello de juntas y grietas en pavimentos y hombros de concreto hidráulico
• Sello de fisuras y grietas en pavimentos y hombros asfálticos
• Bacheo en carreteras y hombros de mezclas asfálticas
• Bacheo de tratamientos superficiales y hombros tratados
• Limpieza, reacondicionamiento y reposición de señales verticales
• Limpieza y restitución de defensas metálicas
• Mantenimiento de señalización horizontal
• Conservación de puentes
• Limpieza de la superficie de rodadura
119
• Reposición de vialetas u ojos de gato
• Conservación de alcantarillas
• Reemplazo de losas de hormigón
La frecuencia con que deben ejecutarse las labores de conservación dependerá de
múltiples factores, entre los cuales el tránsito y el clima son relevantes. Para fines de
control de calidad los estándares e indicadores del nivel de servicio han sido desglosados
en cinco renglones:
i. Estándares e indicadores para áreas laterales
ii. Estándares e indicadores para el drenaje
iii. Estándares e indicadores para la señalización y seguridad vial.
iv. Estándares e indicadores para los pavimentos.
v. Estándares e indicadores para las estructuras viales.
Los estándares y los indicadores que se presentan son para establecer la satisfacción de
las labores de limpieza, ornato, estado de la superficie de rodadura, obras de drenaje,
mantenimiento de puentes, prevención de derrumbes, y mitigación de vulnerabilidad a
desastres naturales, etc.
Figura 6.2. Carpeta mezcla en frío con emulsión asfáltica, Colonia Pedro Joaquín
Chamorro, Managua29
29
Fuente: Las Autoras
120
7.
CONCLUSIONES
Los ensayos que se abordaron en este informe, son de suma importancia puesto que los
agregados forman parte fundamental para el diseño de una mezcla, ya sea de asfalto o de
concreto. Estos deben cumplir con normas y especificaciones denominadas, en este caso,
por el Instituto del Asfalto, para el buen comportamiento de la mezcla.
El muestreo siempre debe realizarse en el momento que se están recopilando las
muestras en los bancos de materiales, con el objetivo de poder evaluarlas uniformemente
en los ensayos, incluyendo material fino y grueso. De esta forma se evita la pérdida de
sus propiedades. No obstante, la granulometría forma un papel importante, puesto que
con este ensayo se determinaron los tamaños nominales y máximos del agregado a
ensayar.
Todos los ensayos realizados a los agregados cuentan con certificación de calidad del
Laboratorio del Complejo Industrial Nindirí (AGRENIC), los cuales garantizan sus
propiedades mecánicas y su adecuada funcionalidad en el diseño y construcción de las
mezclas (los documentos presentados en los Anexos cuentan con su respectivo sello que
garantiza la calidad del trabajo realizado).
Por su parte, el uso de emulsión asfáltica fue determinante para el diseño de la mezcla de
pavimentación. Fue de gran ventaja, debido a que el mayor porcentaje del cuerpo de la
emulsión está formado por agua, lo que facilita la elaboración y colocación de la mezcla
en los trabajos de construcción, así como su comportamiento a lo largo de su vida útil.
Se puede mencionar satisfactoriamente que los valores obtenidos de los ensayos para
evaluar la calidad de la emulsión cumplieron con las especificaciones exigidas por la
normativa pertinente.
Para el ensayo Marshall, el cual evalúa estabilidad, flujo y porcentaje de cubrimiento de
las partículas de los agregados minerales, se estudiaron cinco puntos para observar el
comportamiento de la mezcla ante las variaciones del porcentaje de asfalto.
De estos cinco puntos, únicamente se mencionan los resultados para el punto N° 1, los
cuales se encuentran dentro del intervalo permitido por las normas establecidas.
Cabe mencionar que los valores para estabilidad y flujo Marshall se obtuvieron mediante
los ensayos pertinentes. Sin embargo, el cubrimiento de partículas de los agregados fue
evaluado únicamente mediante inspección visual. Se puede mencionar que los agregados
121
en todas las muestras se encontraban suficientemente cubiertas por la emulsión. Por esta
razón y debido a la experiencia del técnico, se decidió no ejecutar los ensayos para este
punto, además de que se observaba claramente este fenómeno.
Para dar seguimiento a los objetivos planteados en la presente investigación y tomando
en consideración la guía del Manual MS-14 del Instituto del Asfalto y de acuerdo a los
ensayos realizados, se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 7.1. Conclusiones
Porcentaje de agregado grueso
Porcentaje de agregado intermedio
Porcentaje de agregado fino
Porcentaje de emulsión asfáltica
óptimo
Porcentaje de agua óptimo
Estabilidad Marshall
Flujo Marshall
Vacíos Totales
Cubrimiento de las partículas
13.00%
27.00%
60.00%
5.50%
2.70%
2,280.00
18.30
5.33
100.00%
Figura 7.1. Especificaciones de parámetros Marshall de mezclas en frío MS-14
De acuerdo a los resultados obtenidos en la tabla 7.1 y debidamente comparados con las
especificaciones del MS-14 como se muestra en la tabla 7.2, se puede concluir que estos
valores son adecuados para el diseño de una mezcla asfáltica en fría de graduación
densa que se construya para el mantenimiento rutinario de pavimentos flexibles.
Por otro lado y de acuerdo al Manual MS-14 del Instituto del Asfalto, las proporciones
encontradas en este diseño pueden emplearse para la construcción de carpetas de
rodamiento de tráfico bajo, debido a la granulometría que se utilizó.
122
8.
RECOMENDACIONES
8.1. Elaboración de mezclas
Debe asegurarse que se obtengan mezclas homogéneas.
La mezcla de los agregados con el material bituminoso debe efectuarse mediante
equipos mezcladores ambulantes o estacionarios.
El material bituminoso será adicionado de acuerdo al diseño, directamente sobre los
agregados y durante el proceso de mezclado, mediante un dispositivo que permita la
correcta dosificación.
La mezcla asfáltica debe procesarse, hasta que todas las partículas del agregado
estén cubiertas de material bituminoso y toda la masa tenga un color uniforme, y sin
manchas, grumos ó partículas sin recubrimiento.
La temperatura de los agregados será la ambiental.
En caso de que la mezcla asfáltica muestre un exceso, deficiencia o distribución
irregular del material bituminoso, la falla debe ser corregida añadiendo agregado o
material bituminoso, según fuera necesario y volviendo a mezclar.
Si la mezcla asfáltica contuviera cantidades excesivas de agua, debe volverse a
mezclar, airearla y manipularla hasta que el contenido de agua de la mezcla se haya
evaporado a niveles satisfactorios.
La mezcla elaborada debe almacenarse en sitios techados y preferiblemente cubierto
con lonas, para evitar la evaporación excesiva de la humedad de mezclado y permitir
así el reposo de la mezcla previo a la rotura de la emulsión.
123
8.2. Diseño preliminar
Cuando se desarrolla una mezcla de diseño, es frecuentemente necesario hacer
varias mezclas de prueba para encontrar una que cumpla con todos los criterios
de diseño. Cada una de las mezclas de prueba sirve como una guía para evaluar y
ajustar las pruebas siguientes.
Para diseño de mezclas preliminares o exploratorias, es aconsejable comenzar
con una graduación de agregado que se acerque a la media de los límites
establecidos. Las mezclas de prueba iniciales sirven para establecer la fórmula de
trabajo y verificar que la graduación de agregado dentro de los límites
especificados puede ser reproducida en una planta mezcladora.
Cuando las mezclas de pruebas iniciales fallan con los criterios de diseño en
cualquier contenido de asfalto seleccionado, será necesario modificar o, en
algunos casos, rediseñar la mezcla.
Para corregir una deficiencia, la manera más fácil de rediseñar una mezcla es
cambiar la graduación de los agregados ajustando los porcentajes utilizados.
Frecuentemente este ajuste es suficiente para cumplir con las especificaciones.
8.3. Evaluación y ajustes de una mezcla de diseño
8.3.1. Vacíos bajos y estabilidad baja
Para lograr vacíos altos en el agregado mineral (en consecuencia proveer de
suficientes espacios, para una adecuada cantidad de asfalto y vacíos de aire), la
graduación del agregado debe ajustarse mediante la adición de más agregado
grueso o fino.
Disminuir el porcentaje de asfalto podrá tender a bajar la durabilidad del
pavimento. Demasiada reducción en el contenido de asfalto puede ocasionar
fracturación, oxidación acelerada e incremento de la permeabilidad. Si los ajustes
anteriores no producen una mezcla estable, el agregado tendrá que cambiarse.
Es posible mejorar la estabilidad e incrementar el contenido de vacíos en el
agregado de la mezcla, mediante el incremento del agregado grueso o reducción
de la cantidad de material que pasa la malla N° 200. Con la incorporación de arena
procesada, el contenido de vacíos puede mejorarse sin sacrificar la estabilidad de
la mezcla.
8.3.2. Vacíos bajos y estabilidad satisfactoria
Bajos contenidos de vacíos pueden eventualmente resultar en inestabilidad debido
a flujo plástico o después de que el pavimento ha sido expuesto al tránsito por un
período de tiempo ante la reorientación de las partículas y compactación adicional.
Por su parte, insuficientes vacíos pueden ser producto de la cantidad requerida de
asfalto para obtener una durabilidad alta en mezclas finas; sin embargo, la
estabilidad es inicialmente satisfactoria por el tránsito específico.
124
Una degradación de agregado pobre durante la producción de la mezcla y/o bajo
la acción de tránsito puede ocasionar subsecuentemente inestabilidad y flujo si el
contenido de vacíos de la mezcla no es suficiente.
8.3.3. Vacíos satisfactorios y estabilidad baja
Cuando se presente baja estabilidad y existan vacíos y gradación de agregados
satisfactorios, se deberán tomar consideraciones para mejorar la forma de la
partícula de los agregados utilizando material producto de trituración o
incrementando el porcentaje de agregado grueso en la mezcla o posiblemente
aumentando el tamaño máximo del agregado.
Partículas de agregado con textura rugosa y superficies menos redondeadas,
presentan más estabilidad cuando se mantiene o incrementa el volumen de
vacíos.
8.3.4. Vacíos altos y estabilidad satisfactoria
Aun cuando la estabilidad es satisfactoria, se deberán realizar ajustes para reducir
los vacíos, debido a que altos contenidos de vacíos se asocian frecuentemente
con mezclas con alta permeabilidad; al permitir la circulación de aire y agua a
través del pavimento pueden ocasionar endurecimiento prematuro del asfalto,
desprendimiento del agregado, o posible desprendimiento del asfalto en el
agregado.
8.3.5. Vacíos altos y estabilidad baja
Cuando se presente esta condición, primero debe ajustarse el volumen de vacíos
mediante los métodos discutidos en los puntos anteriores; segundo, si los ajustes
no mejoran la estabilidad, deberá hacer una consideración de la calidad de los
materiales, conforme lo anteriormente mencionado.
125
BIBLIOGRAFÍA
Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14 (MS-14)
Asphalt Institute MS-22, Cápitulo 3. Principios de Construcción de Pavimentos de Mezclas
Asfálticas en Caliente.
Bitumen Training Course. El Asfalto en la Construcción de Pavimentos Flexibles (2005).
Catriel, Gisela & Soengas, Cecilia. Caracterización de agregados para mezclas en frio.
Universidad Tecnológica Nacional. Centro de Investigación Vial, Facultad Regional
La Plata.
Chinchilla, A. G. (2008). Montaje, operación y mantenimiento de plantas para mezcla
asfáltica en caliente. Universidad de San Carlos de Guatemala, Guatemala.
David Quintero, Juan & García Mesa, Helber. (2007). Comportamiento Mecánico de
Mezclas Asfálticas Tipo MDC-2 sometidas al efecto del envejecimiento
adicionadas con cal y/o cemento. Pregrado, Universidad de Medellín, Medellín.
Delgado Alamilla, Horacio & Garnica Anguas, Paul. et. al. (2006). Influencia de la
Granulometría en las Propiedades Volumétricas de la Mezcla Asfáltica. Secretaría
de Comunicaciones y Transportes 299, 37.
Hernández Muñoz, Hugo & Molina Medrano, Everth. et, al. (2007). Popuesta de
Elaboración de un Manual Práctico para el Control de Calidad en el Mantenimiento
de Pavimentos Asfálticos. Pregrado, Universidad de Oriente, El Salvador.
Institute, A. (1982). Construcción. Principios de Construcción de Pavimentos de Mezcla
Asfáltica en Caliente. Serie de Manuales N° 22 (MS - 22). Estados Unidos de
América.
Instituto Mexicano del Transporte, Documento Técnico Nº 23. Emulsiones Asfálticas.
Jiménez Acuña, M., & Molina Zamora, D. (2009). Mezclas Asfálticas en Frío en Costa
Rica, Conceptos, Ensayos y Especificaciones. Laboratorio Nacional de Materiales
y Modelos Estructurales, Universidad de Costa Rica.
126
Jiménez Acuña, Mónica & Sibaja Obando, Denia. et, al. (2008). Evaluación de la
Factibilidad de la Aplicación de Mezclas en Frío para Superficies de Rodamiento
en Costa Rica, Unidad de Investigación, Costa Rica.
Mezclas bituminosas en frío. Bañón Blázquez, Luis; pág. 23.
Madrid Ahumada, María Fernanda & Salas Callejas, Sandra Ximena. (2007). Mezclas
Asfálticas modificadas con elastómetro (caucho) y un plastómetro (tiras de bolsas
de leche con asfalto 80-100). Infraestructura vial, 17, 27.
Manual Centroamericano para el Diseño de Pavimentos (2002).
Mezclas Asfálticas en Caliente (Parte I), Técnicas de Aplicación de ligantes asfálticos.
Mezclas Asfálticas en Frío (MAF) / ASFALCA (Asfaltos de Centro América)
Narváez Castañeda, José & Sánchez Alonso, David. et, al. (2009). Carpetas Asfálticas.
Pregrado, Instituto Politécnico Profesional, México.
Obras y Servicios del Uruguay, S.A. Una forma de construir con responsabilidad
medioambiental.
Pavimentos Bituminosos en Frío. Fernández del Campo, J. A. Editores Técnicos
Asociados, S.A. Barcelona, 1983; pág. N° 89
Prieto López, Rubén & Carmona Orna, Martín. Emulsiones. Escuela Universidad
Politécnica de la Almunia, Obras Públicas (2008).
Sánchez Sabogal, Fernando. Manual para el control de calidad en la construcción de
pavimentos flexibles. Bogotá D.E., mayo 1991.
Talavera Rodríguez, Rogelio & Castaño Meneses, Víctor Manuel. et, al (2001).
Texto completo sobre Mezclas Asfálticas, pág. 25. ASOPAC, 2004
Transportation, Department of. (2011). Method of Test for Abrasion of Coarse Aggregate
by use of the Los Angeles Abrasion Testing Machine. Transportation and Housing
Agency, 211.
Universidad Alas Peruanas, Facultad de Ingenierías y Arquitectura. Emulsiones Asfálticas.
Wright, Paul H. & Dixon, Karen. Ingeniería de Carreteras. Segunda Edición México.
LimusaWiley, 2011
127
ANEXOS
ANEXO A. ENSAYOS REALIZADOS A LOS AGREGADOS PÉTREOS EN EL
COMPLEJO INDUSTRIAL NINDIRÍ (AGRENIC)
A.1. INFORME N° 1
Fecha de Realización de Ensayos: 01 de diciembre de 2012
Supervisor: Ingeniero José Rayo
Tesistas: Bianka Ramos
Cesia Muñiz
Lugar: AGRENIC (Complejo Industrial Nindirí)
Ensayo a los agregados
Para la realización de pruebas a los agregados se utilizaron tres tipos de muestra:
-
Grava ¾ “: Código N° 946-012-1
Grava ½”: Código N° 946-012-2
Material cero o ¼”: Código N° 946-012-3
Estos agregados son los que comúnmente se utilizan comúnmente para el diseño de
mezcla asfáltica en frío.
Ensayos Realizados
1- Granulometría (T 27 y T 11)
Introducción
La limpieza, sanidad, resistencia, forma y tamaño de las partículas son importantes en
cualquier tipo de agregado. La granulometría y el tamaño máximo de agregado afectan
las proporciones relativas de los agregados, pues su efecto tiene que ver en la
dosificación, trabajabilidad y economía en el área en el que se utilizará.
128
Objetivos
Este método establece el procedimiento para tamizar y determinar la granulometría de los
agregados (grava ¾ “, grava ½” y material cero o ¼”).
Tabla A.1.1. Material y Equipo
Material
Grava ¾”
Grava ½”
Material cero o ¼”
Equipo
Charola
Espátula
Taras
Horno 110 ± 5°C
Balanza
Tamices desde la malla
½” hasta la N° 200
Metodología
La metodología de ensayo para cada agregado grueso es la misma, partiendo de tres
muestras por agregado para obtener mejores resultados.
-
Grava ¾”
Se pesó una muestra del banco de materiales, para luego lavarla por la malla N° 200 y
secarla al horno para obtener el peso seco lavado, el determinado para utilizar en la
granulometría;
Figura A.1.1. Lavado de Agregado por Malla N° 200
129
Luego para la graduación de la muestra, se cribo en diversos tamices, partiendo de la
malla ¾”. Obteniendo el porcentaje acumulado y retenido de las muestras.
Figura A.1.2. Tamizado de muestra
130
Resultados
Muestra Nº 1
-
Grava ¾”
131
Muestra Nº 2
-
Grava 1/2”
132
Muestra N° 3
-
Material cero o ¼”
a. Cálculo de humedad
Se pesó una muestra de agregado en una tara que equivale al peso húmedo, luego se
introdujo al horno a una temperatura de 110ºC, esto para determinar el peso seco de la
misma.
Luego de obtener el peso húmedo y peso seco de la muestra, se procedió a determinar la
humedad de ese material.
Figura A.1.3. Muestra de Material cero
Se pesó una muestra para luego lavarla por la malla N° 200 y secarla al horno para
obtener el peso seco lavado, el cual es el determinado para utilizar en la granulometría.
Luego para la graduación de la muestra, se cribó en diversos tamices esto pasándolo por
un tamizador, partiendo de la malla N° 4. Obteniendo el porcentaje acumulado y retenido
de las muestras.
Figura A.1.4. Cribado de muestra para material cero
133
Resultados
Muestra N° 1
134
135
Resumen de Granulometrías
136
A.2. INFORME N° 2
Fecha de Realización de Ensayos: 02 de diciembre de 2012
Supervisor: Ingeniero José Rayo
Técnico: Leonel Solís
Tesistas: Bianka Ramos
Cesia Muñiz
Lugar: ITP (Instituto Técnico de Pavimentos)
AGRENIC (Complejo Industrial Nindirí)
1- Peso Unitario (T 19)
Introducción
El peso unitario de los agregados se suele utilizar para determinar el uso de los mismos,
puesto que es la relación del peso de la muestra sobre su volumen, determinando la
gravedad específica de cada muestra.
Objetivos
Determinar los pesos unitarios y densidad específica para determinar el cumplimiento del
agregado según los requerimientos necesarios para el diseño de la mezcla asfáltica.
Tabla A.2.1. Material y Equipo
Material
Grava ¾”
Grava ½”
Material cero o
¼”
Agua
Equipo
Balanza
Horno
Espátula
Cesta
Balde
Charola
Tara
Molde
Picnómetro
Bomba de
extractor de
Núcleo
Vibrador
Termómetro
Cono
Placa de vidrio
Mazo
137
Metodología
La metodología a seguir es la misma tanto para el agregado ¾” y ½”
a. Peso Superficialmente Seco
Se tomó una muestra significativa del cuarteo en una charola saturándolo en agua por 24
horas, se secó superficialmente con una toalla para luego pesarlo en la balanza, esto para
obtener el peso superficialmente seco;
Luego de este paso se sumergió en una cesta con agua y se tomó el peso de la muestra
sumergido en agua, este hasta que el contenedor de agua quede estable, se sacó de la
cesta de agua para luego introducirlo en el horno, y así determinar su peso seco.
Este procedimiento se realizó con dos muestras, para analizar variaciones en cuanto a
resultados
Figura A.2.1. Secado superficial de muestra
Figura A.2.2. Muestra en cesta de agua
138
b. Peso Suelto
Para el inicio de la prueba, se determinó el peso del molde que es igual a 6,419.40 g, con
un diámetro de 6 pulgadas, y un volumen de 21.05 litros.
Se tomó una muestra significativa de la muestra, se lava para que las partículas no lleven
ningún tipo de material en su superficie (Suciedad) y se introduce al horno a 110º C por 24
horas.
Luego se tomó la muestra de la grava para verterlo en el molde, a la altura del puño, esto
para darle inclinación a la caída de la muestra y así estas se puedan acomodar, se enrasa
el molde, procurando que el material quede aras de la parte superior del molde, luego se
pesa la muestra y se repite el mismo procedimiento por tres veces para promediar los
resultados y determinar un mejor análisis de la muestra.
Figura A.2.3. Muestra para determinar peso suelto
Datos Grava ¾”
a. Peso Superficialmente Seco
Tabla A.2.2. Datos de muestra a utilizar Grava ¾”
Muestra N° 1
Wss = 2,032.00 g
Wsa = 1,305.00 g
Wseco = 1,993.90 g
Muestra N° 2
Wss = 2,046.60 g
Wsa = 1,319.50 g
Wseco = 2,008.5 g
b. Peso Suelto
Wsuelto = 9,550.00 kg
139
c. Porcentaje de Absorción
Muestra N° 1
Muestra N° 2
d. Gravedad Específica
Muestra N° 1
-
Gravedad Específica Bruta GBS
-
Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
-
Gravedad Específica Aparente suelta Gas
140
Muestra N° 2
-
Gravedad Específica Bruta GBS
-
Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
-
Gravedad Específica Aparente suelta Gsa
141
Tabla A.2.3. Cuadro de Resumen Grava ¾”
Muestra N° 1
Wss (g)
2,032.00
Wsa (g)
1,305.00
Wseco (g)
1,993.90
Wsuelto (g)
% Absorción (%) 1.91
GBS (kg/m3)
2,742.64
3
GSS (kg/m )
2,795.05
GAS (kg/m3)
2,894.32
Muestra N° 2
Wss (g)
2,046.60
Wsa (g)
1,319.50
Wseco (g)
2,008.50
9,550.00
% Absorción (%)
1.90
GBS (kg/m3)
2,762.34
3
GSS (kg/m )
2,814.74
GAS (kg/m3)
2,015.09
Datos Grava ½”
a. Peso Superficialmente Seco
Tabla A.2.4. Datos de muestra a utilizar Grava ¾”
Muestra N° 1
Wss = 1,520.90 g
Wsa = 979.20 g
Wseco = 1,493.00 g
Muestra N° 2
Wss = 1,513.70 g
Wsa = 973.20 g
Wseco = 1,484.40 g
b. Peso Suelto
Wsuelto = 9,533.33 kg
c. Porcentaje de Absorción
Muestra N° 1
Muestra N° 2
142
d. Gravedad Específica
Muestra N° 1
-
Gravedad Específica Bruta GBS
-
Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
-
Gravedad Específica Aparente suelta Gsa
Muestra N° 2
-
Gravedad Específica Bruta GBS
143
-
Gravedad Específica Superficialmente Seca Gss
-
Gravedad Específica Aparente Suelta Gsa
Tabla A.2.5. Cuadro de Resumen Grava ½”
Muestra N° 1
Wss (g)
1,520.90
Wsa (g)
979.20
Wseco (g)
1,493.00
Wsuelto (g)
% Absorción (%) 1.87
GBS (kg/m3)
2,756.14
GSS (kg/m3)
2,807.64
GAS (kg/m3)
2,905.80
Muestra N° 2
Wss (g)
1,513.70
Wsa (g)
973.20
Wseco (g)
1,484.4
9,553.33
% Absorción (%)
1.97
3
GBS (kg/m )
2,746.35
GSS (kg/m3)
2,800.56
GAS (kg/m3)
2,903.76
144
-
Material cero o ¼”
a. Gravedad Específica
Metodología
Se tomó una muestra significativa del material y se metió al horno para obtener su
consistencia húmeda, se vertió sobre una placa de vidrio, se le dieron 25 golpes para que
esta se asentara y así después poder enrasarla.
Se quitó el cono, dejando la muestra sin molde; esta se tiene que caer inmediatamente,
sino lo hace quiere decir que todavía existe humedad en la muestra;
Figura A.2.4. Determinación de humedad
Luego de haber realizado la prueba del estado seco en el que se tiene que encontrar la
muestra, se tomó 500 gramos de la muestra para determinar la gravedad específica de la
misma.
Se vertió la muestra sobre el picnómetro, para luego echar agua hasta la mitad del
picnómetro, se agitó para someterla al vibrador para que la bomba extraiga las burbujas
de agua que se encuentran en el envase, este procedimiento tuvo una duración de 15
minutos;
La temperatura del agua debe estar a 23.5 ± 1 ºC
145
Figura A.2.5. Muestra en Picnómetro
Luego de esto, se llenó de agua todo el envase del picnómetro y se enrasa con una placa
de vidrio para poder pesarla y así determinar su gravedad específica.
Figura A.2.6. Peso de muestra en Picnómetro
Tabla A.2.6. Cuadro de datos
Peso de Cápsula (g)
Peso de Cápsula + Muestra (g)
Peso de Muestra (g)
Peso de Picnómetro (g)
Peso de Picnómetro + Muestra (g)
Peso de Picnómetro + Agua + Muestra (g)
Peso de Picnómetro + Agua (g)
Peso Seco de Muestra (g)
Peso Seco de Muestra + Cápsula (g)
133.40
633.40
500.00
366.30
866.50
1,732.70
1,403.50
496.80
630.20
146
a. Porcentaje de Absorción
-
Peso de Agua (Wa)
-
Volumen de Agua (Va)
b. Gravedad Específica
-
Gravedad Específica Bruta
-
Gravedad Específica S
147
Tabla A.2.7. Cuadro de Resumen
Muestra N° 1
% Absorción (%) 0.64
GBS (kg/m3)
2,918.92
GSS (kg/m3)
2,937.72
Conclusiones
Con la determinación de los pesos unitarios y la gravedad específica, podremos saber
más a fondo sobre las características de los agregados, y la utilidad que se le podrían dar
a estos en dependencia de sus pesos sueltos.
148
ANEXO B. ENSAYOS REALIZADOS A LA EMULSIÓN ASFÁLTICA CSS-1 EN
SOLUCIONES TÉCNICAS SOL, S.A. (SOLTEC)
ANEXO B.1. CERTIFICADO DE CALIDAD SOLTEC
149
ANEXO C. ESPECIFICACIONES PARA LAS EMULSIONES Y MEZCLA ASFÁLTICA
EN FRÍO
ANEXO C.1. Resumen de métodos de ensayo que se realizan en emulsiones
catiónicas
Tipo de Ensayo
En la Emulsión
Selección y uso
Muestreo
Viscosidad Saybolt Furol a 25°C y 50°C
Porcentaje de estabilidad de almacenamiento en
24h
Porcentaje de demulsibilidad en 35 ml de dioctil
sulfosucinato de sodio al 0.8%
Recubrimiento y resistencia al agua en:
Agregado seco, antes y después de lavado
Agregado húmedo, antes y después de lavado
Porcentaje de mezclado del cementante asfáltico
Porcentaje retenido en el tamiz
Tipo de carga eléctrica de la emulsión
Destilación
Porcentaje de aceite destilado
Porcentaje de residuo
En el residuo de la destilación (asfalto
residual)
Penetración a 25°C
Ductilidad a 25°C
Porcentaje de solubilidad en tricloroetileno
1
Designación AASHTO
Designación ASTM
R5
T 40
T 59 (34-38)1
T 59 (82-88)1
D 3628
D 140
D 244 (34-38)1
D 244 (82-88)1
T 59 (39-44)1
D 244 (39-44)1
M 280
T59 (74-81)1
M 280
T 59 (51-57)1
T 59 (58-63)1
T 59 (28-33)1
D 2397
D 244 (74-81)1
D 2397
D 244 (51-57)1
D 244 (58-63)1
D 244 (28-33)1
T 59 (11-15)1
T 59 (21-27)1
D 244 (11-15)1
D 244 (21-27)1
T 49
T 51
T 44
D5
D 113
D 2042
Los números indicados en los paréntesis indican las secciones que aplican dentro del método de ensayo
150
ANEXO C.2. Ensayos para las mezclas asfálticas en frío
Tipo de Ensayo
Mezclas en Frío
Muestreo
Especificación para mezclas en frío colocadas en frío
Procedimiento para el diseño de Mezcla Marshall1
Porcentaje de vacíos de aire
Estabilidad y flujo Marshall a 22.2°C
Procedimiento para el diseño de mezcla Hveem 1
Estabilidad Hveem Rt a 23°C
Estabilidad Hveem S a 60°C
Valor de cohesión C a 23°C
Valor de cohesión C a 60°C
Centrifugado equivalente de keroseno (C.K.E.)
Recubrimiento de las partículas
Módulo Resiliente a 23°C
1
Designación Instituto
del Asfalto
Designación
AASHTO
Designación
ASTM
MS-14 Apéndice D
MS-14 Apéndice A, B
yC
MS-14 Apéndice G
Apéndice H
MS-14 Apéndice F.10
T 168
-
D 979
D 4215
-
-
T 269
T 245
MS-14 Apéndice E
Apéndice F
MS-14 Apéndice E.08
MS-14 Apéndice E.08
MS-14 Apéndice E.08
MS-14 Apéndice E.08
MS-14 Apéndice E.05
MS-14 Apéndice F.07
MS-14 Apéndice E.07
-
D 3203
D 6926
D 6927
D 1560
-
-
Este procedimiento es distinto para mezclas preparadas con emulsión o preparadas con asfaltos rebajados
151
ANEXO D. ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS DE DISEÑO
ANEXO D.1. Especificaciones granulométricas para mantenimiento 30
ANEXO E. CANTIDAD APROXIMADA DE EMULSIÓN ASFÁLTICA
ANEXO E.1. Cantidad aproximada de emulsión asfáltica31
30
Fuente: Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14. Apéndice C, página N° 59
31
Fuente: Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14. Apéndice F, página N° 107
152
ANEXO F. CANTIDAD DE GOLPES MÉTODO MARSHALL PARA MEZCLAS EN FRÍO
ANEXO F.1. Método Marshall para mezclas en frío32
32
Fuente: Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series N° 14. Apéndice F, página N° 113
153
EMULSIÓN ASFÁLTICA
Viscosidad Saybolt Furol a 25
ASTM D-2397
Grados
ASTM D-244
Residuos de la Destilación
Estabilidad de Almacenamiento
ASTM D-244
Carga de Partículas de Prueba
ASTM D-244
Penetración
ASTM D-5
154