IV. Caracterización y dosificación de los materiales

IV. Caracterización y dosificación de los materiales
IV. Caracterización y dosificación
de los materiales
IV.1
INTRODUCCIÓN
El conocimiento de las diferentes propiedades y características que definen a los
materiales de la mezcla asfáltica es fundamental para poder interpretar y justificar las
características que van a conferir éstos a las propiedades de la mezcla y para prever
su
comportamiento.
En
este
sentido, cualquier resultado obtenido de forma
experimental en relación a la mezcla bituminosa tiene, en su origen, explicación en las
características de cada uno de los elementos que la integran.
A continuación, se presenta la caracterización de los materiales que han servido de
estudio para la medida del efecto de la relación volumétrica fíller/betún en la cohesión
y adhesividad del mástico de las mezclas asfálticas. Los materiales empleados para la
dosificación y fabricación de las mezclas han sido cinco fílleres de estudio de
naturalezas distintas, un betún de penetración B 40/50 y una mezcla de áridos ofíticos
correspondientes a la mezcla patrón UCL® nº 2. En este contexto, se ha desarrollado
una caracterización más detallada de los diferentes fílleres atendiendo a que tanto los
áridos como el ligante bituminoso van a permanecer como variables fijas en cada una
de las mezclas de estudio y las variaciones en el comportamiento de las mezclas
vendrá dado por las propiedades que el fíller confiere al mástico.
53
Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico
Del mismo modo, se presentan las diferentes dosificaciones de las mezclas fabricadas,
en base a la caracterización de los materiales empleados.
IV.2
LOS ÁRIDOS
Los áridos empleados para la fabricación de las mezclas de estudio corresponden a
áridos ofíticos, de naturaleza hidrófila. La granulometría empleada para la dosificación
de las mezclas (NLT-150/89) es la presentada en la Tabla III-1 de la metodología y en
la Figura IV-1, con un 80% de la fracción comprendida entre 5 mm y 2.5 mm, y un
20% de la fracción comprendida entre 2.5 mm y 0.63 mm. Esta granulometría
permite la obtención de mezclas con un alto contenido de huecos, aptas por su ensayo
mediante el ensayo Cántabro de pérdidas por desgaste.
Los
áridos,
naturaleza
atendiendo
ácida,
a
poseen
su
100
una
80
elevado
contenido
en
sílice.
Ensayos para la determinación de
la densidad real de los áridos (NLT153/92) indican un valor de 2.800
g/cm3.
En
la
Figura
IV-2
se
muestra el aspecto de los áridos
empleados para la fabricación de
las mezclas.
% pasa
composición mineralógica con un
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Tamiz UNE (mm)
Figura IV-1. Distribución granulométrica de los
áridos empleados para la fabricación de las mezclas.
Figura IV-2. Áridos para la fabricación de las mezclas bituminosas de estudio. La imagen izquierda
corresponde a la fracción comprendida entre 2.5 mm y 0.63 mm. La imagen derecha corresponde a la
fracción comprendida entre 5 mm y 2.5 mm.
54
IV. Caracterización y dosificación de los materiales
IV.3
EL LIGANTE BITUMINOSO
El ligante bituminoso utilizado para la fabricación de las mezclas ha sido un betún
asfáltico de penetración tipo B 40/50. Las especificaciones para este ligante
bituminoso se recogen en la Tabla IV-1. Se muestra el aspecto del ligante en la Figura
IV-3.
Tabla IV-1. Especificaciones del betún asfáltico B 40/50 para su uso como material en las mezclas
bituminosas, según Orden Ministerial de 27/12/1999.
CARACTERÍSTICAS
UNIDAD
NORMA
DE
ENSAYO
NLT
B 40/50
MÍNIMO
MÁXIMO
124/84
40
50
181/84
-1
1
52
61
BETÚN ORIGINAL
PENETRACIÓN (25 ºC, 100 g, 5 s)
0.1 mm
ÍNDICE DE PENETRACIÓN
PUNTO DE REBLANDECIMIENTO
(ANILLO Y BOLA)
ºC
125/84
PUNTO DE FRAGILIDAD FRAASS
ºC
182/84
DUCTILIDAD (5 cm/min)
-5
126/84
a 25 ºC
cm
70
a 15 ºC
cm
SOLUBILIDAD EN TOLUENO
%
130/84
CONTENIDO EN AGUA (EN VOLUMEN)
%
123/84
PUNTO DE INFLAMACIÓN v/a
ºC
127/84
235
122/84
1
DENSIDAD RELATIVA, 25 ºC/25 ºC
99.5
0.2
ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE PELÍCULA FINA
VARIACIÓN EN MASA
%
185/84
PENETRACIÓN (25ºC, 100 g, 5 s)
%
penetración
original
124/84
AUMENTO DEL PUNTO DE
REBLANDECIMIENTO (ANILLO Y BOLA)
ºC
125/84
DUCTILIDAD (5 cm/min)
0.8
55
8
126/84
a 25 ºC
cm
a 15 ºC
cm
40
La densidad real del ligante empleado, según NLT-122/84, indica un valor de 1.035
g/cm3.
55
Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico
Figura IV-3. Betún asfáltico de penetración B 40/50 empleado para la fabricación de las mezclas
asfálticas de estudio.
IV.4
EL FÍLLER
Para el estudio de la cohesión y adhesividad del mástico en la mezcla bituminosa se
han caracterizado cinco fílleres de naturaleza y características diversas, comúnmente
empleados en el diseño de mezclas asfálticas. Los fílleres de estudio considerados
corresponden a dos fílleres de carbonato cálcico de la marca comercial CALCINOR y
denominados Carbonato Calcinor y Carbonato Cisne, un filler de hidróxido cálcico o cal
apagada, también de marca comercial CALCINOR, un filler de cemento y un filler de
recuperación.
Las Figuras IV-4 a IV-8 muestran el aspecto de los diferentes fílleres estudiados.
Figura IV-4. Muestra de filler Carbonato
Figura IV-5. Muestra de filler Carbonato Cisne
Calcinor de la marca comercial CALCINOR.
de la marca comercial CALCINOR.
56
IV. Caracterización y dosificación de los materiales
Figura IV-6. Muestra de filler cal de la
Figura IV-7. Muestra de filler de cemento.
marca comercial CALCINOR.
Para cada uno de los fílleres se ha
determinado,
atendiendo
a
las
vigentes
para
el
especificaciones
empleo de los fílleres en las mezclas
bituminosas, su densidad aparente en
tolueno según NLT-176/92. A su vez,
para la dosificación de las mezclas se
ha determinado la densidad real de los
fílleres, según UNE-EN 1097-4. Los
datos obtenidos se muestran en la
Tabla IV-2.
Figura IV-8. Muestra de filler de
recuperación.
Tabla IV-2. Valores de densidad aparente en tolueno y densidad real para los fílleres de estudio.
CARBONATO
CALCINOR
CARBONATO
CISNE
CAL
CEMENTO
FÍLLER DE
RECUPERACIÓN
DENSIDAD
APARENTE
EN
TOLUENO
(g/cm3)
0.8
0.5
0.3
0.7
0.8
DENSIDAD
REAL
(g/cm3)
2.707
2.702
2.308
2.946
2.691
FÍLLER
Las especificaciones acotan el valor de la densidad aparente en tolueno de los fílleres
empleados en mezclas bituminosas en caliente entre 0.5 y 0.8 g/cm3. De esta forma,
y atendiendo a los criterios ponderales empleados en las dosificación del fíller, se evita
el empleo de polvos minerales demasiado finos que demanden una cantidad
57
Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico
significativa de ligante bituminoso en la mezcla para que ésta no se rigidice
sustancialmente.
Este criterio de aceptación o rechazo que se realiza de forma general para todo tipo de
fíller descarta al fíller cal como aspirante a formar parte de la mezcla bituminosa, sin
darle ninguna opción a valorar su comportamiento en la mezcla o a intentar buscarle
una dosificación adecuada atendiendo a sus características. Es decir, la filosofía actual
para el empleo de fílleres en las mezclas bituminosas evita el problema en lugar de
buscar soluciones particulares para fílleres cuyas características divergen de lo
estándar. Además, se verá más adelante que el fíller cal, con una correcta
dosificación, puede proporcionar a la mezcla bituminosa propiedades mucho más
beneficiosas que el empleo de otros fílleres en lo que respecta a la adhesividad.
El criterio de dosificación volumétrica que se ha llevado a cabo en este trabajo de
investigación obliga a determinar, para cada uno de los fílleres, el valor de su
concentración crítica (Norma IRAM 1542) definido por Ruiz (1966). Este parámetro es
fundamental para evaluar la demanda de betún del polvo mineral valorando,
implícitamente, características del fíller como su finura o superficie específica y su
rugosidad o textura superficial. Los valores de concentración crítica de fíller obtenidos
para cada uno de los polvos minerales se presentan en la Tabla IV-3.
Tabla IV-3. Valores de concentración crítica de fíller para cada uno de los fílleres de estudio.
FÍLLER
CONCENTRACIÓN
CRÍTICA DE
FÍLLER (Cs)
CARBONATO CARBONATO
CALCINOR
CISNE
0.377
0.200
CAL
CEMENTO
FÍLLER DE
RECUPERACIÓN
0.127
0.237
0.267
Valores bajos en la concentración crítica de fíller indican fílleres con una elevada
superficie específica y rugosidad superficial y, por tanto, con una elevada demanda de
ligante bituminoso en la mezcla. En efecto, cabía esperar el valor más bajo de
concentración crítica para el fíller cal atendiendo a su valor de densidad aparente en
tolueno.
IV.5
DOSIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
La dosificación de los materiales para la fabricación de las mezclas de ensayo se ha
fundamentado en una dosificación volumétrica del fíller respecto al betún, fijadas las
variables de contenido de ligante y de masa de áridos.
58
IV. Caracterización y dosificación de los materiales
En esta línea, se han empleado, para la fabricación de cada una de las probetas de
ensayo, las cantidades de áridos (900 g) y de porcentaje de ligante asfáltico sobre la
masa de áridos (4.5%), mostradas en la Figura IV-9. A su vez, se han propuesto
dosificaciones de fíller a partir de las relaciones entre la concentración volumétrica
empleada respecto al ligante (Cv) y la concentración crítica de fíller (Cs), es decir, se
han empleado proporciones volumétricas de fíller respecto al betún correspondientes a
0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 veces las proporciones volumétricas de fíller respecto a queroseno
observadas mediante el ensayo de sedimentación para la determinación de la
concentración crítica de fíller (Norma IRAM 1542) (Figura IV-9).
Ligante
40.5 g
4%
Fíller
24.5 g
3%
Carbonato Calcinor Cv/Cs=0.5
Áridos
900 g
93%
Carbonato Calcinor Cv/Cs=1.0
Fíller
137.5 g
13%
Ligante
40.5 g
4%
Fíller
64.1 g
6%
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
90%
Fíller
324.7 g
26%
Ligante
40.5 g
3%
Carbonato Calcinor Cv/Cs=1.5
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
83%
Fíller
11.7 g
1%
Carbonato Cisne Cv/Cs=0.5
Carbonato Calcinor Cv/Cs=2.0
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
95%
Áridos
900 g
71%
Fíller
26.4 g
3%
Carbonato Cisne Cv/Cs=1.0
Áridos
900 g
93%
Figura IV-9. Dosificación (% en masa en la mezcla) de las probetas fabricadas con los diferentes
fílleres de estudio.
59
Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico
Fíller
45.3 g
5%
Ligante
40.5 g
4%
Ligante
40.5 g
4%
Carbonato Cisne Cv/Cs=1.5
Fíller
21.3 g
2%
Cal Cv/Cs=1.5
Ligante
40.5 g
4%
Fíller
15.4 g
2%
Cemento Cv/Cs=0.5
Fíller
13.1 g
1%
Cal Cv/Cs=1.0
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
94%
Áridos
900 g
95%
Fíller
30.8 g
3%
Áridos
900 g
93%
Cal Cv/Cs=2.0
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
94%
Áridos
900 g
89%
Carbonato Cisne Cv/Cs=2.0
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
95%
Cal Cv/Cs=0.5
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
91%
Fíller
6.1 g
1%
Ligante
40.5 g
4%
Fíller
70.5 g
7%
Cemento Cv/Cs=1.0
Fíller
35.8 g
4%
Áridos
900 g
92%
Figura IV-9 (Continuación). Dosificación (% en masa en la mezcla) de las probetas fabricadas con
los diferentes fílleres de estudio.
60
IV. Caracterización y dosificación de los materiales
Fíller
63.5 g
6%
Ligante
40.5 g
4%
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
90%
Cemento Cv/Cs=1.5
Ligante
40.5 g
4%
Fíller
103.8 g
10%
Fíller
16.1 g
2%
Ligante
40.5 g
4%
Fíller
38.4 g
4%
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
94%
Fíller de recuperación Cv/Cs=0.5
Fíller
70.3 g
7%
Fíller de recuperación Cv/Cs=1.5
Fíller de recuperación Cv/Cs=1.0
Ligante
40.5 g
4%
Áridos
900 g
89%
Áridos
900 g
86%
Cemento Cv/Cs=2.0
Áridos
900 g
92%
Fíller
120.8 g
11%
Fíller de recuperación Cv/Cs=2.0
Áridos
900 g
85%
Figura IV-9 (Continuación). Dosificación (% en masa en la mezcla) de las probetas fabricadas con
los diferentes fílleres de estudio.
Está claro que aquellos fílleres con un valor más elevado de concentración crítica
contribuirán a la mezcla con una mayor proporción en volumen, tanto mayor respecto
a los otros fílleres cuanto mayor sea la relación Cv/Cs de diseño y, atendiendo a las
densidades de los materiales, ocurrirá lo mismo con la proporción en masa, tal y como
muestra la Figura IV-9.
Cabe destacar que para relaciones Cv/Cs=2.0 llegan a haber diferencias en masa en la
dosificación del fíller del orden de 10 veces entre fílleres, tal y como ocurre entre el
Carbonato Calcinor y la cal. Este hecho contrasta con el criterio de dosificación
ponderal que se lleva a cabo actualmente para el cumplimiento de las prescripciones
en la dosificación del fíller. Aún así, más adelante se podrá comprobar que las
61
Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico
dosificaciones óptimas de los fílleres estudiados pueden alcanzar diferencias cercanas
a este orden.
62