evaluación de la resistencia de una mezcla asfaltica tibia

EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA,
SUSTITUYENDO EN SU FABRICACIÓN, PARTE DEL AGREGADO PÉTREO, POR
ESCORIA DE ALTO HORNO
Elaborado por:
ANÍBAL BENÍTEZ BARRETO
KEVIN MAURICIO ZAPATA
EFRAÍN ARAUJO GARCÉS
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
BOGOTÁ D.C 2015
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EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA,
SUSTITUYENDO EN SU FABRICACIÓN, PARTE DEL AGREGADO PÉTREO, POR
ESCORIA DE ALTO HORNO
Elaborado por:
ANÍBAL BENÍTEZ BARRETO
KEVIN MAURICIO ZAPATA
EFRAÍN ARAUJO GARCÉS
Trabajo de grado para obtener el título de especialista en Ingeniería de Pavimentos.
ASESOR: HUGO ALEXANDER RONDÓN QUINTANA
INGENIERO CIVIL, MSC.
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
BOGOTÁ D.C. 2015
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Agradecimientos y dedicatoria.
Agradecemos al ingeniero Hugo Alexander Rondón Quintana por su valiosa colaboración
y aportes en la elaboración del presente trabajo.
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 10
GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO ............................................................ 13
1.
1.1 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ......................................................................................... 13
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................ 13
1.2.1
Problema a resolver ........................................................................................ 13
1.2.2
Antecedentes del problema a resolver .................................................................. 13
1.2.3
Pregunta de investigación (opcional) ................................................................... 14
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................... 14
1.3 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 14
1.4 OBJETIVOS ............................................................................................................ 15
1.4.1
Objetivo general ............................................................................................. 15
1.4.2
Objetivos específicos........................................................................................ 15
MARCOS DE REFERENCIA ....................................................................................... 16
2.
2.1
2.2
2.3
MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 16
MARCO CONCEPTUAL ......................................................................................... 20
MARCO LEGAL ................................................................................................... 21
3.
METODOLOGÍA....................................................................................................... 23
4.
ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................... 25
4.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES...................................................................... 25
4.2 ENSAYO MARSHALL PARA MEZCLA CONVENCIONAL, SIN ESCORIA. .......................................... 27
4.3 ENSAYOS MARSHALL CONVENCIONALES, UTILIZANDO DIFERENTES
PORCENTAJES DE ESCORIA .................................................................................................... 31
4.4 ENSAYOS MARSHALL SOBRE MEZCLA SIN ESCORIA, UTILIZANDO
DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO ......................................................................... 36
4.5 ENSAYOS MARSHALL SOBRE MEZCLA CON 20% DE ESCORIA UTILIZANDO
DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO, CON Y SIN ADITIVO HUSIL ................................ 40
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................. 44
5.1 PROPIEDADES DE LA MEZCLA CONVENCIONAL, TEMPERATURA DE
MEZCLADO 1500C, CON DIFERENTES PORCENTAJES DE ESCORIA Y DIFERENTES
PORCENTAJES DE ASFALTO .................................................................................................... 44
5.1.1
Mezcla convencional, temperatura de mezclado 1500C, sin escoria (Punto 4.1). ............. 44
5.1.2
Mezcla convencional, temperatura de mezclado 1500C, con porcentajes de escoria de
20%, 37.5% y 51% (Punto 4.2). ................................................................................................. 44
5.2 PROPIEDADES DE LA MEZCLA TIBIA, SIN ESCORIA, PARA UN PORCENTAJE DE
ASFALTO DEL 6% Y DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO (PUNTO 4.3). ........................ 44
5.3 PROPIEDADES DE LA MEZCLA TIBIA CON 20% DE ESCORIA, PORCENTAJE DE
ASFALTO 6% Y DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO. SIN ADITIVO Y CON ADITIVO
HUSIL (PUNTO 4.4). ................................................................................................................. 44
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................ 46
APÉNDICES..................................................................................................................... 49
ANEXOS ......................................................................................................................... 63
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LISTA DE TABLAS
Tabla 2-1 Antecedentes cronológicos de las mezclas asfálticas tibias ..................................................................... 18
Tabla 2-2 Ensayos y Normas INVIAS a utilizar .................................................................................................... 20
Tabla 3-1Etapas del Trabajo ................................................................................................................................. 23
Tabla 4-1Caracterización de los agregados pétreos. ............................................................................................... 25
Tabla 4-2Caracterización de la escoria .................................................................................................................. 26
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LISTA DE FIGURAS
Figura 4-1. % de Asfalto vs % de vacíos con aire. Sin Escoria. Temperatura de mezclado: 1500C. ..................... 28
Figura 4-2. % de Asfalto vs Estabilidad (Kg). Sin Escoria. Temperatura de mezclado: 1500C. .......................... 29
Figura 4-3. % de Asfalto vs relación Estabilidad/Flujo. Sin Escoria. Temperatura de mezclado: 150 0C. .............. 29
Figura 4-4. % de Asfalto vs Flujo. Sin Escoria. Temperatura de mezclado: 1500C. ......................................... 30
Figura 4-5. % de Asfalto vs Densidad Bulk. Sin Escoria. Temperatura de mezclado: 150 0C. ............................ 30
Figura 4-6.% de Asfalto vs % de vacíos en agregados pétreos. Sin Escoria. Temperatura de mezclado:
1500C. ................................................................................................................................. 31
Figura 4-7.% de Asfalto vs % Vacíos con aire. Contenido de escoria variable. Temperatura de mezclado:
1500C. ................................................................................................................................. 33
Figura 4-8.% de Asfalto vs % Estabilidad. Contenido de escoria variable. Temperatura de mezclado:
1500C. ................................................................................................................................. 33
Figura 4-9. % de Asfalto vs Relación Estabilida/Flujo. Contenido de escoria variable. Temperatura de
mezclado: 1500C. ................................................................................................................... 34
Figura 4-10. % de Asfalto vs Flujo. Contenido de escoria variable. Temperatura de mezclado: 1500C................. 34
Figura 4-11. % de Asfalto vs Densidad Bulk. Contenido de escoria variable. Temperatura de mezclado:
1500C. ................................................................................................................................. 35
Figura 4-12.% de Asfalto vs Vacíos en agregados pétreos. Contenido de escoria variable. Temperatura de
mezclado: 1500C .................................................................................................................... 35
Figura 4-13. Temperatura de mezclado vs Vacíos con aire. Sin escoria. Contenido de asfalto: 6%. ..................... 37
Figura 4-14. Temperatura de mezclado vs Estabilidad. Sin escoria. Contenido de asfalto: 6%. .......................... 37
Figura 4-15. Temperatura de mezclado vs Relación Estabilidad/Flujo. Sin escoria. Contenido de asfalto:
6%. ..................................................................................................................................... 38
Figura 4-16. Temperatura de mezclado vs Flujo. Sin escoria. Contenido de asfalto: 6%. .................................. 38
Figura 4-17. Temperatura de mezclado vs densidad Bulk. Sin escoria. Contenido de asfalto: 6%. ...................... 39
Figura 4-18. Temperatura de mezclado vs Vacíos en agregados pétreos. Sin escoria. Contenido de asfalto:
6%. ..................................................................................................................................... 39
Figura 4-19. Temperatura de mezclado vs Vacíos con aire. Contenido de escoria: 20%. Contenido de
asfalto: 6%. .......................................................................................................................... 41
Figura 4-20. Temperatura de mezclado vs Estabilidad. Contenido de escoria: 20%. Contenido de asfalto:
6%. ..................................................................................................................................... 41
Figura 4-21. Temperatura de mezclado vs Relación Estabilidad/Flujo. Contenido de escoria: 20%.
Contenido de asfalto: 6%. ........................................................................................................ 42
Figura 4-22. Temperatura de mezclado vs Flujo. Contenido de escoria: 20%. Contenido de asfalto: 6%. ............. 42
Figura 4-23. Temperatura de mezclado vs Densidad Bulk. Contenido de escoria: 20%. Contenido de
asfalto: 6%. .......................................................................................................................... 43
Figura 4-24. Temperatura de mezclado vs Vacíos en agregado pétreo. Contenido de escoria: 20%.
Contenido de asfalto: 6%. ........................................................................................................ 43
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RESUMEN
A nivel mundial se realizan investigaciones destinadas a determinar el comportamiento
de mezclas asfálticas tibias (con temperatura de mezclado inferior a 1500C). Esto, con el fin de
buscar métodos de fabricación que requieran menor energía y que permitan conservar las
propiedades del asfalto durante los procesos de fabricación de la mezcla.
Adicionalmente, existe el interés de incluir nuevos componentes que sean utilizados junto
con los agregados convencionales. Con base en lo anterior en el presente trabajo de investigación
se trató de responder a la pregunta ¿Cómo se comporta una mezcla asfáltica tibia en la cual se ha
reemplazado parte del agregado por escoria e alto horno, proveniente de la fabricación de hierro?
Con el fin de adelantar la investigación, se planificó y ejecutó un programa de ensayos
Marshall mediante el cual se determinaron las propiedades de la mezcla tibia y se compararon
con las de la mezcla convencional. Se investigaron mezclas con porcentajes de escoria del 20%,
37.5% y 51% y temperaturas de mezclado de 1100C, 1200C y 1300C, utilizando porcentajes de
asfalto del 4.0%, 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0% y 6.5%.
Se concluyó que las mezclas tibias estudiadas, con porcentajes de escoria del 20% y
temperaturas de mezclado entre 1100C y 1200C, para un porcentaje de asfalto del 6% se ajustan a
los criterios de aceptación de Artículo 450-13 de las Especificaciones del Instituto Nacional de
Vías, Invías. Estas mezclas son factibles de considerar en la construcción de capas asfálticas de
pavimento, pero es necesario realizar investigaciones complementarias para verificar otras
propiedades ingenieriles.
Palabras clave: Escoria de alto horno, mezcla tibia, ensayo Marshall, Estabilidad
Marshall, Vacíos con aire.
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ABSTRACT
Around the world is performed research oriented to establish the behavior of warm-mix
asphalt (with mix temperatures under 1500C). This, with the aim of search for production
methods wich demand less energy and to allow preserve the asphalt properties during the mix
elaboration processes.
Additionally, there is interest in using new aggregates to be used along with conventional
aggregates. Based in these criteria, the present research work tried to answer the question ¿how
is the behavior of warm-mix asphalt added with scoria that remains after smelting iron?.
To develop the research, it was planned and executed a Marshall test program and so
were determined the warm-mix asphalt properties and were compared with the corresponding
properties of the conventional hot-mix asphalt. Warm-mix asphalt with scoria percentages of
20%, 37.5% and 51% and mix temperatures of 1100C, 1200C and 1300C were used, with
asphalt percentages of 4.0%, 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0% and 6.5%.
In conclusion, the studied warm-mix asphalt with scoria percentages of 20% and mix
temperatures between 1100C and 1200C, with asphalt percentage of 6% comply with the
acceptance criteria of Article 450-13 of the InstitutoNacional de Vïas_Invías Specifications. This
mixes could be considered for the construction of pavement asphalt layers, but it´s necessary to
perform complementary research to verify other engineering properties.
Keywords: Iron scoria, warm-mix asphalt, Marshall test, Marshall stability, air voids.
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INTRODUCCIÓN
La infraestructura vial es de gran importancia para el desarrollo de un país, ya que
permite la movilización de personas y productos desde y hacia diferentes lugares, generando así
un incremento en las actividades económicas de las regiones. Sin embargo, así como las
carreteras son sinónimo de progreso, su construcción y/o conservación también acarrea algunos
problemas, especialmente en el aspecto medioambiental, debido a la forma de obtener y procesar
los materiales componentes de las vías.
Por lo anterior, los ingenieros han venido trabajando en la utilización de materiales y
procedimientos que sean más amigables con el medio ambiente, como por ejemplo, el empleo de
materiales reciclados y la fabricación de mezclas con temperaturas más bajas que las utilizadas
convencionalmente.
El aumento de la conciencia ambiental y una regulación más estricta de las emisiones
atmosféricas han llevado a un desarrollo de producción de mezclas asfálticas tibias (WMA). Las
mezcla asfáltica tibias son aquellas que se producen a una temperatura menor que las mezclas en
calientes y pretende reducir la viscosidad del asfalto hasta lograr una adecuada envuelta de los
agregados y el asfalto. Existen varias tecnologías que proporcionan esta reducción de la
viscosidad a bajas temperaturas, entre otras podemos mencionar: los sistemas de aditivos,
Sistemas a base de espuma, zeolitas, la tecnología LEA, Sistema de doble envuelta, entre otros.
Entre los beneficios de utilizar mezclas tibias en la pavimentación se pueden mencionar los
siguientes: -Facilidad para compactar empleando menos esfuerzos y menor temperatura
obteniendo valores de densidades muy cercanos a la densidad de diseño, lo cual ocasiona que
tengamos mezclas asfálticas de alto desempeño. -Menor porcentaje de vacíos en la mezcla
asfáltica compactada, con lo cual evitamos la oxidación del asfalto e incrementamos la densidad.
-facilidad para que la mezcla asfáltica sea transportada a grandes distancias de donde es
producida. -Facilidad para poder tolerar la incorporación de mezcla asfáltica reciclada. En cuanto
a los beneficios de utilizar mezclas tibias en el medio ambiente, cabe resaltar que al tener que
calentar menos el asfalto para elaborar la mezcla asfáltica ahorramos el consumo de combustible
reduciendo las emisiones de diversos gases, siendo el principal el Dióxido de Carbono que es el
responsable del calentamiento global. En Estados Unidos la producción aproximada de Dióxido
de Carbono en las plantas de mezclas asfálticas en caliente es de aproximadamente 2.500
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toneladas por año, con el uso de las mezclas asfálticas es posible reducir esta cantidad hasta
1.700 ton. Por otra parte, entre los beneficios de utilizar mezclas tibias en las condiciones de
trabajo, podemos señalarlos siguientes: -Reducción de los humos azules (componentes volátiles
orgánicos) generados en la colocación de las mezclas asfálticas en caliente, con los cuales los
trabajadores aspiran menos cantidades de los mismos. -Menor consumo de combustible por parte
de la maquinaria debido a que con menos esfuerzo se obtienen altos valores de densidades de la
mezcla (Lopera, C.H., 2011).
El presente trabajo de investigación tiene como propósito analizar el comportamiento de
una mezcla tibia en la cual se ha reemplazado parte del agregado, por escoria de alto horno,
esperando obtener una dosificación adecuada que eventualmente pudiera permitir aprovechar a
gran escala este desecho industrial, que actualmente produce contaminación. También se busca
la forma de reducir la temperatura de producción de una mezcla asfáltica, en una cantidad de 30°
C a 40° C, mediante la adición de un componente denominado HUSIL, el cual espuma el asfalto
y mejora la adherencia, logrando así el ahorro de energía y una posible reducción en los costos
de producción.
La escoria de alto horno es un material no metálico formado por silicatos y otras bases
producto de la fusión del hierro en un alto horno o cuba vertical muy prolongada, destinada a
reducir el mineral de hierro mediante coque y un fundente, con la ayuda de aire inyectado a
presión. (Universidad Santo Tomás, Tunja, 2014).
Las escorias procedentes del alto horno son generadas a 1600° C por lo que deben ser
enfriadas y según éste procedimiento se pueden clasificar como escoria granulada, expandida, y
enfriada al aire. (Universidad Santo Tomás, Tunja, 2014).
La escoria de alto horno ha sido usada en los Estados Unidos en la construcción de
caminos desde 1830, como balastro para vías férreas desde 1875 y como agregado para concreto
en 1880. En los últimos 50 años, la escoria de alto horno, producida en éste país, ha sido
utilizada en su totalidad, por lo que su competitividad con otros materiales ya sea porque, provee
igual comportamiento a menores costos o mejor comportamiento a costos similares,
permitiéndole alcanzar un nivel comercial en el sector de la construcción. (Universidad Santo
Tomás, Tunja, 2014).
En Colombia, los ingenieros Oscar J Reyes Ortiz y Javier Fernando Camacho Tauta del
grupo de investigación de geotecnia de la Universidad Militar Nueva Granada, estudiaron el
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“efecto del desperdicio de una siderúrgica en bases y subbases granulares”. Dicho estudio se
realizó utilizando escoria de alto horno de la siderúrgica del departamento de Boyacá.
(Universidad Santo Tomás, Tunja, 2014).
Como mezcla de referencia se utilizó la MD-19, por ser la más usada en Colombia y el
tipo de asfalto empleado fue el 60/70, ya que es el único que se está produciendo actualmente en
nuestro país.
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1.
5.1
GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
Asfaltos modificados.
5.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
5.2.1 Problema a resolver
La utilización de materiales nuevos (vírgenes), provenientes de fuentes como canteras y
ríos, está generando grandes problemas ambientales. El empleo de altas temperaturas en la
fabricación de mezclas asfálticas convencionales, contribuye al calentamiento global y ocasiona
elevados consumos de energía, además de afectar negativamente la salud de las personas
encargadas de la manipulación de estas mezclas. La disposición final de residuos industriales,
como la escoria de alto horno, acarrea problemas de contaminación y ocupación de grandes
superficies de terreno.
5.2.2 Antecedentes del problema a resolver
Según la Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos de Colombia (ASOPAC
2004), más del 90% de las vías del mundo y más del 65% de las vías de Bogotá, están
construidas en pavimentos asfáltico. (ASOPAC, 2004).
Para la construcción de pavimentos nuevos y la rehabilitación de pavimentos existentes,
en Colombia se ha acostumbrado a utilizar agregados nuevos, producto de la explotación de
materiales pétreos y arenas de canteras que poseen las propiedades exigidas por las
especificaciones técnicas establecidas para cada proyecto, establecidas por el Instituto Nacional
de Vías (INVÍAS) o por el Instituto de Desarrollo Urbano (IDU). Igualmente se utilizan para
agregados pétreos del concreto asfáltico, los materiales provenientes de playas activas de río o de
depósitos aluviales antiguos que cumplan con las exigencias de dichas especificaciones técnicas.
Esas prácticas requieren una inversión económica alta y están provocando la alteración del
ecosistema, por la afectación del lecho de los ríos y por la destrucción de la vegetación y las
montañas de donde se extraen los materiales granulares.
Para los procesos de explotación, trituración y selección de los agregados pétreos se
requieren grandes consumos de energía. También es necesario tomar medidas preventivas para
evitar daños al medio ambiente que se pueden presentar durante la explotación y producción de
estos materiales.
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Las mezclas asfálticas en caliente, utilizadas hoy en día en la construcción de pavimentos
en Colombia, son generalmente del tipo MD_19 y se fabrican con asfalto 60/70 a temperaturas
que oscilan entre 135° C y 180° C, lo cual está contribuyendo significativamente al
calentamiento global, está afectando la salud de los trabajadores encargados de la manipulación
de estas mezclas y está acarreando altos costos económicos por el elevado consumo de energía.
5.2.3 Pregunta de investigación
¿Es posible fabricar mezclas asfálticas tibias de buena resistencia ante la aplicación de
cargas monotónicas, con parte de los materiales granulares sustituidos con escoria de alto
horno?
5.3
JUSTIFICACIÓN
Con el presente trabajo se pretende evaluar la resistencia de una mezcla asfáltica tibia,
bajo cargas monotónicas, a la cual se le ha sustituido parte del material granular por escoria de
alto horno, y la que se ha fabricado a menores temperaturas que las utilizadas en las mezclas
calientes. Lo anterior, con el fin de contribuir a la reducción del uso de recursos naturales
vírgenes, como son: agregados provenientes de canteras o de lechos de los ríos, reemplazando
parte de ellos con elementos contaminantes, tales como la escoria de alto horno, que actualmente
existen en grandes cantidades que están ocupando enormes superficies y están generando
contaminación al medio ambiente. Con la reducción de la temperatura de fabricación de una
mezcla tibia, se busca la disminución de los costos económicos de producción y lo que es más
importante, se pretende contribuir a la reducción del calentamiento global y a la conservación del
medio ambiente.
La fabricación de mezclas asfálticas tibias, producidas con parte de sus componentes
granulares sustituidos con escoria de alto horno,
podría beneficiar tanto a las empresas
productoras de estos materiales contaminantes, como a los productores de asfaltos y a los
constructores, ya que los costos económicos podrían eventualmente verse reducidos, y lo más
importante es que beneficiaría a la población en general, debido a la reducción de la explotación
de materiales de canteras o depósitos aluviales y a la disminución de la contaminación por
emisión de partículas y por reducción de calor.
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5.4
OBJETIVOS
5.4.1 Objetivo general
Hacer una evaluación de la resistencia de una mezcla tibia, bajo cargas monotónicas, a la
cual se le reemplaza parte del componente granular, por escoria de alto horno, proveniente de la
producción de hierro y concluir acerca de la posible utilización de la mezcla estudiada en la
construcción de pavimentos nuevos y en la rehabilitación de pavimentos existentes.
5.4.2 Objetivos específicos
Evaluar la resistencia de una mezcla convencional o de referencia, en la prueba Marshall
(INV-E-748-13, temperatura de mezclado 150°C) con diferentes porcentajes de escoria de alto
horno y diferentes porcentajes de asfalto.
Evaluar mediante el ensayo Marshall (INV-E-748-13), la resistencia de una mezcla tibia
construida con agregados convencionales, sin escoria, para un porcentaje de asfalto dado y
diferentes temperaturas de mezclado.
Evaluar mediante el ensayo Marshall (INV-E-748-13), la resistencia de una mezcla tibia
construida con agregados convencionales y escoria de alto horno, para un porcentaje de asfalto
dado y diferentes temperaturas de mezclado. Para este caso se repetirán los ensayos
adicionándole a la mezcla el aditivo HUSIL y se hará la comparación entre los resultados de la
mezcla con aditivo y sin aditivo.
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2. MARCOS DE REFERENCIA
5.1
MARCO TEÓRICO
Se denomina mezcla asfáltica a la combinación de agregados pétreos y cemento asfáltico
en proporciones exactas y previamente definidas, la cual se puede fabricar en caliente o en frío y
en planta o in situ. (ASOPAC, 2004).
La denominación técnica “agregados
pétreos” en pavimentos se refiere a un
conglomerado de partículas inertes de gravas, arenas y finos y/o fillers, utilizados ya sea para la
fabricación de mezclas asfálticas, concretos hidráulicos y materiales estabilizados, o para la
construcción de capas de terraplén, afirmado, subbases y/o bases granulares. (Rondón, H., &
Reyes, F., 2015).
En la mayoría de las estructuras de pavimento, el agregado constituye entre el 90% y el
95% en peso, y entre el 75% y el 85% en volumen. (ASOPAC, 2004).
Cemento asfáltico es un material que se puede encontrar en la naturaleza, en yacimientos
naturales, o puede ser obtenido como subproducto de la destilación de algunos crudos de
petróleo. Posee ciertas características que lo hacen ideal para trabajos de pavimentación,
principalmente la cohesión y la adhesión con materiales granulares. Tiene consistencia sólida
cuando está frío y se ablanda y se vuelve líquido al calentarlo, lo cual le permite recubrir los
agregados durante el proceso de fabricación de las mezclas asfálticas en caliente. (ASOPAC,
2004).
Los orígenes de las mezclas bituminosas empleadas en firmes asfálticos se remontan a
1830, cuando el alquitrán se utiliza en algunos riegos superficiales en la pavimentación de
carreteras. Sin embargo, los primeros aglomerados realizados in situ con alquitrán se ejecutaron
hacia 1850 en algunas carreteras y vías urbanas del Reino Unido. A partir de ese momento la
técnica se desarrolla en paralelo con la iluminación con gas ciudad, en cuya fabricación se
obtiene dicho ligante como subproducto. En España se pavimentan con alquitrán las zonas
peatonales de la Puerta del Sol de Madrid entre 1847 y 1854. En torno a 1870, en Estados
Unidos, se empiezan a utilizar mezclas fabricadas a partir de rocas asfálticas y de asfaltos
naturales, si bien estos materiales ya habían sido empleados en algunas pavimentaciones en
Burdeos y Lyon en 1810. Más tarde como consecuencia del desarrollo de la industria del
petróleo se comienza a emplear betunes de destilación. (Yepes Piqueras V., 2014).
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A finales del siglo XIX el norteamericano C. Richardson sentó las bases de la tecnología
de las mezclas bituminosas para pavimentación. Después de la I Guerra Mundial surge la
industria de la fabricación en central de las mezclas bituminosas, aunque es después de la II
Guerra Mundial cuando se produce un gran desarrollo tecnológico de estos materiales, debido
principalmente a las grandes necesidades de construcción acelerada de pistas de aterrizaje
militares. (Yepes Piqueras V., 2014).
A pesar de la masiva utilización de las mezclas asfálticas en las vías de todo el mundo,
siempre se ha considerado que sus altas temperaturas de fabricación y extendido generan
afectación negativa al medio ambiente, debido a la energía que se requiere para calentar los
materiales necesarios para su fabricación (agregados pétreos, cemento asfáltico y aditivos).
En la década de los 50’s aparecen como alternativa de solución al problema de las altas
temperaturas de las mezclas calientes, la tecnología de las mezclas asfálticas en frío. Este tipo de
mezclas utilizan principalmente como ligantes las emulsiones asfálticas o los asfaltos
espumados, que son fabricados a temperaturas que oscilan entre 40° C y 80° C, y se extienden y
compactan in situ a la temperatura ambiente, generando una afectación casi nula al medio
ambiente. A pesar de lo anterior, por lo general, este tipo de mezclas experimentan menor
resistencia bajo carga monotónica y cíclica, menor resistencia al daño por humedad y al
envejecimiento (durabilidad) que las mezclas en caliente, incrementando el costo a largo plazo
de las estructuras viales que conforman, por necesitar mayores mantenimientos periódicos.
(Patiño, 2015).
A finales de la década de los 90’s aparece, principalmente en Alemania, una nueva
alternativa y tecnología que intenta combinar las ventajas técnicas, económicas y ambientales
que presentan las mezclas en caliente y en frío. Esta tecnología internacionalmente denominada
como mezcla asfáltica tibia es conocida en el mundo como mezcla WMA (por sus siglas en
inglés). (Patiño, 2015).
Se denomina mezclas tibias o WMA (WarmMixAsphalt), a aquellas que se fabrican a
temperaturas menores a las necesarias para producir mezclas calientes convencionales. La
temperatura para producir una mezcla tibia oscila entre 100° C y 135° C (Lopera, C.H., 2011).
El concepto de mezcla tibia surgió en Europa, buscando una forma de ahorrar energía y
disminuir la contaminación ambiental, pero conservando un desempeño igual o mayor a las
mezclas convencionales (Lopera, C.H., 2011).
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El desarrollo de la tecnología para la reducción de la temperatura en la fabricación de
mezclas asfálticas se dio en 1997, para cumplir con el protocolo de Kyoto (Lopera, C.H., 2011).
Los especialistas en Estados Unidos, empezaron a investigar esta técnica en 2002, y rápidamente
este país la adoptó (Lopera, C.H., 2011).
Uno de los primeros países latinoamericanos en investigar esta tecnología y adaptarla a
sus condiciones locales fue Brasil (Lopera, C.H., 2011).
Los antecedentes cronológicos en la producción de mezclas asfálticas tibias se presentan
en la siguiente tabla (Lopera, C.H., 2011).
Tabla 2-1 Antecedentes cronológicos de las mezclas asfálticas tibias
AÑO
1995
1999-2001
2002
2003
2003
2004
2004
2004
2005
2005
2005
2005
2006
2006
ANTECEDENTE
En 1995, Shell y KoloViedekke, iniciaron un programa en conjunto, para el desarrollo de un
producto, y del proceso para la fabricación de mezcla agregado - asfalto a temperaturas más
bajas; obteniendo mejores propiedades o equivalentes condiciones de desempeño, con relación
a las mezclas tradicionales en caliente.
Reportes iniciales de las tecnologías de la mezcla tibia en el Congreso Eurasphalt/Eurobitume,
el Fórum Alemán de Bitumen, Conferencia sobre Pavimentos Asfálticos en Sudáfrica,
principalmente.
Recorrido de exploración a Dinamarca, Alemania y Noruega realizado por directores de NAPA
para examinar las tecnologías de la mezcla asfáltica tibia (WMA), Aspha-min, la Espuma y el
Sasobit. En la agenda de trabajo del grupo, se incluyeron
Reuniones con el Fórum Alemán de Bitumen, con el objetivo de considerar algunas
actividades del grupo de Trabajo sobre Reducción de Temperatura.
Los estudios sobre mezclas tibias, son presentados en la Convención Anual de la Asociación
Nacional de Pavimento Asfáltico NAPA.
El Centro Nacional para la Tecnología en Asfalto, investiga sobre los procesos de las mezclas
tibias, Alpha-min (zeolite cristalino) y Sasobit (una cera de Fsher-Tropsch). La investigación
es patrocinada por NAPA, Administración Federal de Carreteras FHWA, Eurovia (Aspha-min)
y Sasol (Sasobit).
Meadwestvacompany, introduce Evothem DAT (aditivo químico) a la mezcla, al tiempo que
apoya la investigación de NCAT.
La demostración de mezclas tibias, es presentada en el Mundo del Asfalto.
Las primeras pruebas de campo fueron realizadas en Florida y Carolina del Norte
Formación del grupo de trabajo (TWG) de la mezcla Asfáltica Tibia de NAPA-FHWA. El
objetivo principal del trabajo es la implementación adecuada a través de recolección de datos y
análisis, de un método genérico de especificaciones técnicas en WMA.
Declaración de investigación de problemas sometido a la consideración de la American
Association of StateHighway and TransportationOfficials,AASHTO.
Se realizan pruebas de campo en Florida, Indiana, Maryland, New Hampshire, Ohio y en
Canadá.
La NCAT publica sus primeros reportes sobre Sasobit y Aspha-min.
Durante la Conferencia de Pavimento Asfáltico en el Mundo del Asfalto, se presenta una
sesión de medio día sobre mezclas tibias
Grupo de Trabajo Técnico TWG, publica lineamientos sobre el funcionamiento y pruebas
ambientales.
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AÑO
2006
2006
2006
2006
2006
2006
2007
2007
2007
2007
2007
2007
2007
2007
ANTECEDENTE
Con base en la declaración de investigación de problemas, cuyo documento fue sometido en
2005 a evaluación por parte de la AASHTO, se define como de alta prioridad la destinación de
fondos de la investigación en WMA.
El TWG, somete dos declaraciones más de investigación, a consideración por parte de la
AASHTO.
Se realizan pruebas de campo en: California, con la mezcla de hule asfáltico; Michigan,
Missouri, sobre la nueva aplicación para evitar baches causados por temperatura en la
carretera; Nueva York, donde se probó el nuevo proceso de Asfalto de bajo consumo de
energía; Ohio, donde se realizó una exhibición abierta al público con 225 asistentes; Carolina
del Sur, Texas, Virginia y Wisconsin, también se realizaron exhibiciones abiertas al público.
Un contratista de Missouri, realiza trabajos de producción de pavimento con mezcla en tibio
partiendo de una prueba exitosa.
NCAT publica un reporte sobre el Evotherm.
Para la realización de la Conferencia Anual de NAPA, fueron requeridas numerosas
presentaciones
AASHTO y FHWA, realiza visitas guiadas a experiencias en WMA, en Francia, Alemania y
Noruega.
La sesión de trabajo de 2007, del Grupo en Investigación de Transporte TRB, tuvo como único
tema WMA
Astec Industries introduce su tecnología de asfalto espumado.
Meadwestvacompany, presenta el sistema de introducción de la Tecnología del Asfalto
Dispersado (DAT) para el Evotherm.
Se desarrolla, Advera WMA, un producto a partir de Zeolite, introducido por PQ Corporation.
Demostración en calle de San Antonio en la Reunión Anual de la APWA.
30.000 toneladas de diferentes tecnologías de WMA, son colocadas cerca de Yellowstone, para
el mes de Agosto.
En las pruebas realizadas en la Yellowstone, se utilizaron 9,000 toneladas métricas de asfalto,
en cada una de las tres secciones (Sección de Control, Sección Sasobit y Sección de Advere
WMA). Durante el proceso de acarreo, las mezclas fueron conducidas cerca de 90 minutos
desde una planta portátil en Cody, Wyo.
Aunque fue difícil la logística, las cuadrillas de pavimentación lograron buenas densidades: el
promedio de Advere WMA-93.9% de densidad teórica máxima; el promedio de Sasobit –
93.4%. Neitke, quien estuvo a cargo del proyecto, declaró que: ―La densidad no fue difícil de
alcanzar, aun cuando las temperaturas de la mezcla bajan, ante lo cual, ―Parecía un tanto
difícil mantener bajas las temperaturas de la mezcla; las temperaturas de producción tenían una
tendencia a brincar de 120°C a 127°C. Las pruebas mostraron que los agregados se secaron
adecuadamente aun con las temperaturas bajas. Los contenidos de humedad estaban por debajo
del máximo de 0.5% tanto para las mezclas en tibio como para la mezcla de control.
Son realizadas numerosas pruebas de campo, en California, Illinois, Nueva Jersey, Nueva
York, Carolina del Norte, Ohio, Carolina del Sur, Tennessee, Texas, Virginia, Wisconsin,
Wyoming y otros estados; y en Ontario.
Fuente: Lopera (2011) & Revista HMAT, (2008).
En Colombia, en el año 2011 se logra un novedoso diseño para la elaboración de mezclas
asfálticas tibias a partir de la combinación de asfalto y aceite crudo de palma, con el cual se
lograron interesantes reducciones de temperatura en el proceso de fabricación en planta de una
mezcla asfáltica de gradación discontinua y de elaboración tibia (Lopera, C.H., 2011).
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El grupo de investigación Topovial de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
ha venido trabajando con las mezclas asfálticas tibias y algunos de los resultados y conceptos
obtenidos por este grupo se han utilizado en el presente trabajo. Por ejemplo, se utilizará el
aditivo industrial HUSIL para el espumado del asfalto y la mezcla de referencia será del tipo
MD-19, fabricada con asfalto 60/70, tal como lo ha venido haciendo el grupo de investigación
Topovial.
5.2
MARCO CONCEPTUAL
En el estudio y diseño de mezclas asfálticas se utiliza el método Marshall, con base en el
cual se preparan muestras o briquetas de la mezcla con los diferentes componentes (agregados,
asfalto, aditivos) en las proporciones previamente establecidas. Para el caso de mezclas en
caliente las temperaturas de mezclado usualmente están entre 1os 135°C y 180 0C (Lopera, C.H.,
2011).
Una vez preparadas las muestras o briquetas, de acuerdo con el procedimiento estándar
establecido (Artículo 450-2013 INVIAS) se procede a determinar las propiedades que definen su
calidad y mediante las cuales se puede establecer su aceptabilidad.
En el presente trabajo se utilizará el método Marshall, mediante el cual los componentes
de la mezcla (agregados gruesos + escoria de acero + asfalto + aditivo) serán combinados en las
proporciones previamente establecidas, a temperaturas para mezclas tibias, del orden de 100°C a
135 0C. Se procederá a realizar los ensayos de laboratorio que determinan las propiedades físicas
de la mezcla en estudio, con base en las cuales se harán los análisis y se formularán las
conclusiones correspondientes.
Para determinar las propiedades físicas de una mezcla asfáltica, se determinan los
siguientes parámetros a partir de los resultados de los ensayos de laboratorio:
Tabla 2-2 Ensayos y Normas INVIAS a utilizar
NOMBRE
DEL
ENSAYO
NORMA DEL
ENSAYO
OBJETIVO
PROPIEDAD A
EVALUAR
Estabilidad
INV-748 (E-800)
La susceptibilidad de la
Es la medida de la mezcla a presentar
resistencia mecánica de deformaciones pláticas ante
la mezcla asfáltica
la aplicación de cargas de
tráfico.
Flujo
INV-748 (E-800)
Determina
la Las propiedades esfuerzo
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NOMBRE
DEL
ENSAYO
Gravedad
Específica
NORMA DEL
ENSAYO
OBJETIVO
deformación de la mezcla
durante la medición de la
estabilidad.
Es un índice del peso o
INV E-735 o INV densidad
de
los
E-803
materiales componentes
de la mezcla.
PROPIEDAD A
EVALUAR
deformación de la mezcla.
El porcentaje de vacíos con
aire en una mezcla de
pavimento asfáltico en
caliente compactada.
Porcentaje de
INV-E-736
vacíos con aire
Es el volumen entre los
agregados de la mezcla
asfáltica que quedan
ocupados por aire
Evaluación de la
compactación alcanzada en
proyectos de pavimentos
asfálticos.
Porcentaje de
vacíos en el
INV-E-799
agregado
mineral
Es el volumen total que
existe entre los agregados
de la mezcla y que es
ocupado por el asfalto, el
aire y los aditivos que se
utilicen.
Los parámetros
volumétricos son críticos
para alcanzar un
comportamiento
satisfactorio del pavimento
a largo plazo
Porcentaje de
INV-748 (E-800)
compactación
La susceptibilidad de la
Es
el
grado
de mezcla a presentar
compactación que tienen deformaciones o pérdida de
las muestras preparadas. agregados durante su vida
útil.
Fuente: Propia.
5.3
MARCO LEGAL
En Colombia se tiene reglamentadas las actividades contaminantes del medio ambiente,
por medio del artículo 4º del Decreto 948 de 1995 del Ministerio del Medio Ambiente, el cual
dice:
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“ACTIVIDADES
ESPECIALMENTE CONTROLADAS.
Sin perjuicio de sus
facultades para ejercer controles sobre cualquier actividad contaminante, se considerarán como
actividades sujetas a prioritaria atención y control por parte de las autoridades ambientales, las
siguientes:
a) Las quemas de bosque natural y de vegetación protectora y demás quemas abiertas
prohibidas, b) la quema de combustibles fósiles utilizados por el parque automotor, c) la quema
industrial o comercial de combustibles fósiles, d) las quemas abiertas controladas en zonas
rurales, e) la incineración o quema de sustancias, residuos y desechos tóxicos peligrosos, f) las
actividades industriales que generen, usen o emitan sustancias sujetas a los controles del
Protocolo de Montreal, aprobado por Ley 29 de 1992, g) las canteras y plantas trituradoras de
materiales de construcción. (Ministerio del Medio Ambiente, 1995).
Por otro lado, a desde junio de 2012, el Instituto de desarrollo Urbano (IDU) estableció
que en la pavimentación de las calles de Bogotá serán incorporadas contractualmente dos
tecnologías amigables con el medio ambiente: el grano de caucho reciclado (GCR) y el
pavimento reciclado o RAP (por su sigla en inglés, RecycledAsphaltPavement). (Instituto de
Desarrollo Urbano, 2012).
La decisión se inspiró en las Resoluciones 2393 de abril 25 de 2011 y la 6891 de
diciembre 27 de 2011 de la Secretaría Distrital de Ambiente, en el Plan de Ordenamiento
Territorial que aboga por un ecosistema urbano sostenible, productivo y de alta calidad
ambiental, y en las recomendaciones de la Mesa de Innovación Tecnológica y Producción
Limpia del IDU. (Instituto de Desarrollo Urbano, 2012).
Los nuevos pliegos licitatorios establecen que, desde la etapa de estudios y diseños, se
incluya la utilización de RAP en una proporción no inferior a un 10% del total de metros
cuadrados y, de mínimo, el 5% de GCR. Los porcentajes se incrementarán anualmente en 5
puntos, hasta completar la meta del 25%.(Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano). (Instituto de
Desarrollo Urbano, 2012).
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3.
METODOLOGÍA
En la Tabla 3-1 se presentan las etapas del trabajo realizado durante el desarrollo del
Trabajo.
Tabla 3-1Etapas del Trabajo
Etapa No.
Descripción
1
Estudio de información.
2
Planeación y programación de pruebas de laboratorio.
3
Pruebas de laboratorio:
3.1 Caracterización de los materiales
3.2. Ensayo Marshall para mezcla convencional (sin escoria), a 150 0C, para
porcentajes de asfalto de 4.5%, 5.0%, 5.5% y 6.0%.
3.3. Ensayos Marshall para mezclas con tres porcentajes diferentes de escoria
(20%, 37.5% y 51%), a 1500C, con porcentajes de asfalto de 5.0%, 5.5%,
6.0% y 6.5%.
3.4. Ensayos Marshall para mezclas sin escoria y 6% de asfalto, para cuatro
diferentes temperaturas de mezclado (1100C, 1200C, 1300C y 1500C).
3.5. Ensayos Marshall para mezclas con 20% de escoria y 6% de asfalto, para
cuatro diferentes temperaturas de mezclado (1100C, 1200C, 1300C y 1500C).
Estas pruebas se realizaron para mezclas sin aditivo y con aditivo HUSIL.
4
Análisis de resultados y formulación de Conclusiones.
5
Elaboración del Documento Final.
Fuente: Propia.
En las etapas 1 y 2 se realizaron estudios de la información básica disponible, relacionada
con el tema de trabajo y contando con la asesoría del Director del Trabajo, se planificó la
ejecución de las pruebas de laboratorio.
En la etapa 3.1 se hizo la caracterización de los materiales, mediante la determinación de
sus propiedades básicas. En la etapa 3.2 se determinaron las propiedades de la mezcla
convencional (utilizando granulares de la fuente Concrescol y asfalto 60-70) mediante el ensayo
Marshall, utilizando porcentajes de asfalto de 4.5%, 5.0%, 5.5% y 6.0%. Las muestras se
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fabricaron y compactaron a temperaturas de 150°C y 140°C respectivamente, con base en el
ensayo de viscosidad del asfalto, descrito en Rondón et. al. (2015). Se fabricaron cinco briquetas
por cada porcentaje de asfalto, cada briqueta se compactó con 75 golpes por cara. En la etapa 3.3
se elaboraron mezclas con tres diferentes porcentajes de escoria (20%, 37.5% y 51%) para las
que se realizaron pruebas Marshall convencionales (temperatura de mezclado 150°C), esto con el
fin de comparar el efecto del contenido de escoria con respecto a la mezcla con agregados
convencionales de la etapa 3.2. Con base en los resultados de las etapas 3.2 y 3.3 se procedió en
la etapa 3.4 a realizar pruebas Marshall para una mezcla con el 6.0% de asfalto, sin escoria y
cuatro distintas temperaturas de mezclado (110°C, 120°C, 130°C y 150°C). Finalmente, con base
en los resultados de las etapas anteriores, en la etapa 3.5 se realizaron pruebas Marshall para una
mezcla tibia con 20% de escoria, 6.0% de asfalto y las temperaturas de mezclado anteriormente
mencionadas. Estas pruebas se realizaron para mezclas sin aditivo y aplicando el aditivo HUSIL.
Finalmente en las etapas 4 y 5 se realizó el análisis de los resultados, se formularon
conclusiones del trabajo y se elaboró el documento final.
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4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
Los agregados pétreos convencionales utilizados provienen de la planta de asfaltos
CONCRESCOL S. A. Estos materiales han sido caracterizados por el grupo de investigación
TOPOVIAL de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. En la Tabla 4.1 se presentan
los resultados de caracterización de los materiales pétreos obtenidos por Rondón et al. (2015).
Tabla 4-1Caracterización de los agregados pétreos.
Ensayo
Gravedad específica agregado de 1”
Método
Requisito
AASHTO T 84-00
Resultado
2.51
AASHTO T 85-91
Gravedad esp. aparenteagr. de 1”
2.61
Adsorción agregado de 1”
1.75%
Gravedad esp. agregado de 3/4”
2.52
Gravedad esp. aparenteagr. de 3/4”
2.65
Adsorción agregado de 3/4”
1.85%
Gravedad esp. agregado de 1/2”
2.48
Gravedad esp. aparenteagr. de 1/2”
2.65
Adsorción agregado de 1/2”
2.2%
Gravedad específica arena de río
2.51
Gravedad esp. aparente arena de río
2.64
Adsorción arena de río
1.68%
Equivalente arena
AASHTO T 176-02
50% mínimo
76%
Caras fracturadas a una cara
ASTM D 5821-01
75% mínimo
87%
Límites líquido y plástico
ASTM D 4318-00
0%
0%
Índice de alargamiento
NLT 354-91
10% máximo
9.5%
Índice de aplanamiento
NLT 354-91
10% máximo
9.5%
Ataque en sulfato de magnesio
ASTM C 88-99a
18% máximo
12.9%
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Ensayo
Método
Requisito
Resultado
Microdeval
AASHTO T 327-05
25% máximo
22.3%
10% de finos (resistencia en seco)
DNER ME 096-98
90kN mínimo
115 kN
75% mínimo
83%
35% máximo
24.6%
10% de finos(relación húmedo/seco)
Resistencia Máquina de los Ángeles
AASHTO T 96-02
Fuente: Rondón et. al. (2015).
Los resultados de la Tabla 4.1 cumplen con las exigencias de Las Especificaciones Invías
2013.
Asimismo, en investigación realizada en la Universidad Distrital (Patiño D, 2016) se ha
caracterizado la escoria, proveniente de Acerías Paz de Río. En la Tabla 4.2 se presentan las
propiedades de este material.
Tabla 4-2Caracterización de la escoria
Ensayo
Resultado
Gravedad específica agregado de 3/4”
1.805
Absorción agregado de 3/4”
3.75%
Gravedad específica agregado de 3/8”
2.11
Absorción agregado de 3/8”
2.82%
Gravedad específica agregado No. 4
2.007
Absorción agregado No. 4
2.23%
Gravedad específica agregado No. 80
2.455
Absorción agregado No. 80
1.55%
Gravedad específica agregado No. 200
2.60
Absorción agregado No. 200
1%
Microdeval
29.2%
Índice de alargamiento
0.1062%
Índice de aplanamiento
0.0562%
Caras fracturadas
81.52%
Máquina de Los Ángeles
49.3%
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Ensayo
Ensayo Proctor
Resultado
dmax=1.6gr/cm3.
optima=6%.
CBR a 0.1” (muestra húmeda)
67.39%
CBR a 0.2” (muestra húmeda)
95.68%
CBR a 0.1” (muestra saturada)
51.88%
CBR a 0.2” (muestra saturada)
Fuente: Patiño D, (2015).
El asfalto utilizado es proveniente de la refinería de Barrancabermeja y posee penetración
60-70.
4.2 ENSAYO MARSHALL PARA MEZCLA CONVENCIONAL, SIN ESCORIA.
Esas pruebas se realizaron con el fin de contar con los resultados de referencia, para la
mezcla utilizando agregados convencionales que se ajustan a las normas Invías y realizando la
prueba Marshall standard, mediante temperatura de mezclado a 150 0C. Se utilizaron porcentajes
de asfalto de 4.5%, 5.0%, 5.5% y 6.0%.
Se ha obtenido graficas en función del porcentaje de asfalto para las siguientes
propiedades: Estabilidad, relación estabilidad/Flujo, Flujo, Densidad Bulk, Porcentaje de vacíos
con aire y porcentaje de vacíos de los agregados pétreos. Los análisis realizados toman como
referencia los criterios de aceptación del Artículo 450-13 de las Especificaciones Generales de
Construcción de Carreteras de Invías 2013, en particular lo indicado en la Tabla 450-10.
El porcentaje de vacíos con aire disminuye a medida que aumenta el porcentaje de
asfalto, el rango de variación obtenido está entre 6.2 y 2.9%, valores aceptables. Para un
porcentaje de asfalto del 6.0% se obtiene el menor valor (2.9%) para el cual se obtendría la
mezcla con menor susceptibilidad a deformarse. Ver Figura 4-1.
Los valores de estabilidad obtenidos son relativamente altos, variando entre 1030 Kg y
1210 Kg. Se encuentra que el valor para 6% de asfalto representa una resistencia intermedia de
1125 Kg. Ver Figura 4-2.
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Los valores de la relación Estabilidad/Flujo varían entre 270 y 320 Kg/mm, rango que
está en el límite inferior de los valores usualmente aceptables. Esto es un indicio de que la
muestra tiende a ser más flexible. Ver Figura 4-3.
Lo anterior es congruente con los resultados de Flujo que se muestra en la Figura 4-4, los
que varían en un rango estrecho entre 3.6 y 4.1 mm, rango que está en el límite superior
aceptable, estos resultados muestran una mezcla que tiende a ser flexible.
Los valores de densidad Bulk obtenidos según la Figura 4-5 indican valores usuales para
este tipo de mezcla, alrededor de 2285 gr/cm3 para porcentajes de asfalto de 5.5 y 6.0%.
En la Figura 4-6 se observa que los porcentajes de vacíos de los agregados pétreos varían
en un rango estrecho entre 15.4 y 16.4% y son mayores al valor mínimo usualmente aceptable
(15%).
Figura 4-1. % de Asfalto vs % de vacíos con aire. Sin Escoria. Temperatura de
mezclado: 1500C.
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Figura 4-2.% de Asfalto vs Estabilidad (Kg). Sin Escoria. Temperatura de mezclado:
1500C.
Figura 4-3. % de Asfalto vs relación Estabilidad/Flujo. Sin Escoria. Temperatura de
mezclado: 1500C.
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Figura 4-4. % de Asfalto vs Flujo. Sin Escoria. Temperatura de mezclado: 1500C.
Figura 4-5.% de Asfalto vs Densidad Bulk. Sin Escoria. Temperatura de mezclado:
1500C.
Página 30 de 63
Figura 4-6.% de Asfalto vs % de vacíos en agregados pétreos. Sin Escoria. Temperatura
de mezclado: 1500C.
4.3
ENSAYOS MARSHALL CONVENCIONALES, UTILIZANDO DIFERENTES
PORCENTAJES DE ESCORIA
A continuación se analizan los resultados de las mezclas convencionales preparadas con
porcentajes de escoria de 20%, 37.5% y 51%. En este caso los porcentajes de asfalto variaron
entre el 5.0% y el 6.5%, debido a que la escoria absorbe más asfalto que los pétreos
convencionales, de esta manera se controla que el asfalto efectivo no baje demasiado.
El porcentaje de vacíos con aire es mayor en las mezclas con escoria que en la mezcla sin
escoria, ver Figura 4-7. En las mezclas con 20% y 37.5% de escoria el porcentaje de vacíos para
contenidos de asfalto de 5.5% o mayores están dentro de valores usualmente aceptables, mientras
que para la mezcla con 51% de escoria con porcentajes de asfalto menores de 6.5% el porcentaje
de vacíos es alto y se sale de valores típicos, indicio de una mezcla susceptible a deformarse. Se
observa asimismo que el porcentaje de vacíos aumenta con relación a la mezcla sin escoria, lo
que está relacionado con la mayor absorción de asfalto que tiene la escoria con respecto a los
agregados convencionales.
La estabilidad aumenta con respecto a los ensayos del punto 4.1 (0% de escoria), para
contenidos de asfalto de 5.5% y 6.0%. La estabilidad para 6% de asfalto y 20% de escoria es de
1580 kg, valor que en la norma Invías 2013 es típica en mezclas de alto módulo, sin embargo no
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se puede afirmar que las mezclas acá estudiadas son de esa clase, ya que se requiere que
adicionalmente cumplan otras propiedades. Esto debe ser investigado con más detalle en
posteriores trabajos con el fin de determinar su rigidez. Para las mezclas con 37.5% la mayor
estabilidad obtenida es de 1360 Kg, valor que también se considera alto. Para un 51% de escoria
se obtiene una estabilidad más acorde con los valores definidos por norma Invías para mezclas
normales. Las estabilidades máximas para cada uno de los tres porcentajes de escoria se obtienen
para un 6.0% de asfalto. También se encuentra que los valores pico de estabilidad para las
mezclas con escoria se corren hacia la derecha del gráfico (Ver Figura 4-8), confirmando que se
requiere mayor contenido de asfalto en las mezclas con escoria para lograr el mismo nivel de
resistencia, teniendo en cuenta que la escoria absorbe más asfalto y por tanto tiende a disminuir
el asfalto efectivo de la mezcla.
La relación Estabilidad/Flujo para porcentajes de escoria de 20% y 37.5% y porcentajes
de asfalto mayores al 5.5% cumplen con los valores usualmente aceptables, que pueden indicar
un buen comportamiento en cuanto a deformabilidad. La mezcla con 51% de escoria tiene
valores por debajo de 250 Kg/mm, indicando una mezcla más deformable. Cabe indicar que para
porcentajes de escoria de 20% y 37.5% se requieren porcentajes de asfalto mayores para estar
dentro de la norma Invías que para el caso de la mezcla sin escoria, esto es debido a que la
escoria absorbe mayor asfalto que los agregados convencionales por ser un material más poroso.
Ver Figura 4-9.
En la Figura 4-10. se observa que las mezclas con 20% y 37.5% de escoria tienen valores
de Flujo muy similares a los de la mezcla con 0% de escoria y cercanos al límite superior
permitido (4%), pero aceptables. Esto indica mezclas con un buen comportamiento en cuanto a
deformabilidad. La mezcla con 51% de escoria presenta valores de flujo del orden del 4.5% que
corresponde con una mezcla más deformable.
La Densidad Bulk de las mezclas disminuye con relación a densidad de la mezcla sin
escoria, debido a los componentes más livianos que contiene la escoria. Ver Figura 4-11.
La Figura 4-12 indica que para las mezclas con 20% y 37.5% de escoria se obtienen
porcentajes de vacíos de agregados pétreos aceptables mientras que para la mezcla de 51% de
escoria dichos valores tienden a ser altos, condición no deseable.
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Figura 4-7.% de Asfalto vs % Vacíos con aire. Contenido de escoria variable.
Temperatura de mezclado: 1500C.
Figura 4-8.% de Asfalto vs % Estabilidad. Contenido de escoria variable. Temperatura
de mezclado: 1500C.
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Figura 4-9.% de Asfalto vs Relación Estabilida/Flujo. Contenido de escoria variable.
Temperatura de mezclado: 1500C.
Figura 4-10.% de Asfalto vs Flujo. Contenido de escoria variable. Temperatura de
mezclado: 1500C
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Figura 4-11.% de Asfalto vs Densidad Bulk. Contenido de escoria variable. Temperatura
de mezclado: 1500C.
Figura 4-12.% de Asfalto vs Vacíos en agregados pétreos. Contenido de escoria variable.
Temperatura de mezclado: 1500C
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4.4 ENSAYOS
MARSHALL
SOBRE
MEZCLA
SIN
ESCORIA,
UTILIZANDO
DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO
Las mezclas tibias sin escoria se elaboraron mediante el método Marshall, pero utilizando
temperaturas de mezclado de 110°C, 120°C y 130°C, cuyos resultados se comparan con el
obtenido para la mezcla elaborada a 150°C ya descrita en el numeral 4.2. Se utilizó para las tres
mezclas un contenido de asfalto del 6.0%, con base en los resultados obtenidos en los numerales
4.2 y 4.3, tratando de obtener una buena resistencia (estabilidad) con una mezcla flexible.
La Figura 4-13 presenta la variación del porcentaje de vacíos con aire, esta variación es
de poca magnitud al cambiar la temperatura de mezclado, se observa que los porcentajes de
vacíos obtenidos están un poco por debajo de valores usualmente aceptados, siendo el
correspondiente a una temperatura de 110°C (2.9%) el valor que estaría más cercano a la norma.
Para una temperatura de 130°C la mezcla mantiene la misma Estabilidad que para 150°C
(1125Kg), ver Figura 4-14. Para temperatura por debajo de 130°C la estabilidad disminuye
gradualmente, a 110°C se obtuvo una estabilidad de 1075 Kg, que corresponde a una mezcla
menos rígida.
En la Figura 4-15 se aprecia que la relación Estabilidad/Flujo se mantiene muy similar al
valor de la mezcla a 150°C, disminuyendo ligeramente para temperaturas de 120°C y 110°C. Los
valores obtenidos para esta variable se encuentran un poco por debajo de los valores usualmente
aceptados, lo que indica una mezcla más flexible.
El Flujo se mantiene prácticamente constante al variar la temperatura de mezclado, ver
Figura 4-16. El valor de Flujo está un poco por encima del límite superior usualmente aceptado,
indicando una mezcla flexible.
Asimismo, la Densidad Bulk no sufre variaciones de importancia al variar la temperatura
de mezclado, ver Figura 4-17.
El porcentajes de vacíos de agregados pétreos varía muy poco con el cambio en la
temperatura de mezclado, los valores obtenidos corresponden a los usualmente aceptados. Ver
figura 4-18.
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Figura 4-13.Temperatura de mezclado vs Vacíos con aire. Sin escoria. Contenido de
asfalto: 6%.
Figura 4-14.Temperatura de mezclado vs Estabilidad. Sin escoria. Contenido de asfalto:
6%.
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Figura 4-15.Temperatura de mezclado vs Relación Estabilidad/Flujo. Sin escoria.
Contenido de asfalto: 6%.
Figura 4-16.Temperatura de mezclado vs Flujo. Sin escoria. Contenido de asfalto: 6%.
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Figura 4-17.Temperatura de mezclado vs densidad Bulk. Sin escoria. Contenido de
asfalto: 6%.
Figura 4-18.Temperatura de mezclado vs Vacíos en agregados pétreos. Sin escoria.
Contenido de asfalto: 6%.
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4.5 ENSAYOS MARSHALL SOBRE MEZCLA CON 20% DE ESCORIA UTILIZANDO
DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO, CON Y SIN ADITIVO HUSIL
Con base en los resultados de los puntos 4.3 y 4.4 se decidió efectuar pruebas tipo
Marshall para mezclas con el 20% de escoria, porcentaje de asfalto 6.0%, utilizando
temperaturas de mezclado de 110°C, 120°C y 130°C.
Cabe indicar que el aditivo HUSIL está compuesto principalmente de sílice, este aditivo
propicia un efecto de espumado en la mezcla, lo que mejora el cubrimiento de los agregados por
el asfalto, asimismo se logra una disminución en la viscosidad del asfalto facilitando la mezcla a
temperaturas tibias.
Con la disminución de la temperatura de mezclado los vacíos con aire aumentan pero se
mantienen dentro de los límites aceptables. En la Figura 4-19 se observa que el uso del aditivo no
tiene efecto de importancia en este caso.
Se
encontraron valores
de
Estabilidad
relativamente
altos,
similares
a
los
correspondientes a mezclas de alto módulo que se indican en la Tabla 450-10 de las
Especificaciones Invías 2013, lo que puede indicar que se obtienen en este caso mezclas que
tienden a ser rígidas. Para la temperatura de 110°C se obtuvieron las estabilidades más bajas
(entre 1400 y 1430 Kg). El efecto del aditivo es de aumentar un poco la estabilidad. Ver Figura
4-20.
La figura 4-21 muestra los resultados de la relación Estabilidad/Flujo, valores que están
dentro de rangos aceptables. Para temperatura de mezclado de 110°C y 120°C esta variable se
encuentra cerca del límite inferior aceptable lo que indicaría una mezcla más flexible que para
mayores temperaturas de mezclado. El efecto de aditivo es el de aumentar la relación
Estabilidad/Flujo, haciendo la mezcla un poco más rígida.
Los valores de Flujo no presentan grandes variaciones al variar la temperatura de
mezclado. A temperaturas de 110°C y 120°C el Flujo es un poco mayor proporcionando mezclas
menos rígidas. Los valores de Flujo obtenidos están más cerca del límite superior usualmente
aceptado, lo que indica mezclas más deformables. El uso del aditivo hace que el flujo disminuya,
disminuyendo también su deformabilidad. Ver Figura 4-22.
En la Figura 4-23 se aprecia que la Densidad Bulk disminuye gradualmente con la
disminución de la temperatura de mezclado, pero manteniendo valores típicos. Se puede apreciar
que el aditivo no tiene efecto en la Densidad Bulk.
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El comportamiento de los vacíos del agregado pétreo es similar al de los vacíos con aire,
es decir aumenta con la disminución de la temperatura de mezclado, pero se mantiene en valores
aceptables. Se observa que el aditivo no modifica el comportamiento en cuanto a esta variable.
Ver Figura 4-24.
Figura 4-19.Temperatura de mezclado vs Vacíos con aire. Contenido de escoria: 20%.
Contenido de asfalto: 6%.
Figura 4-20.Temperatura de mezclado vs Estabilidad. Contenido de escoria: 20%.
Contenido de asfalto: 6%.
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Figura 4-21.Temperatura de mezclado vs Relación Estabilidad/Flujo. Contenido de
escoria: 20%. Contenido de asfalto: 6%.
Figura 4-22.Temperatura de mezclado vs Flujo. Contenido de escoria: 20%. Contenido
de asfalto: 6%.
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Figura 4-23.Temperatura de mezclado vs Densidad Bulk. Contenido de escoria: 20%.
Contenido de asfalto: 6%.
Figura 4-24.Temperatura de mezclado vs Vacíos en agregado pétreo. Contenido de
escoria: 20%. Contenido de asfalto: 6%.
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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 PROPIEDADES DE LA MEZCLA CONVENCIONAL, TEMPERATURA DE
MEZCLADO 1500C, CON DIFERENTES PORCENTAJES DE ESCORIA Y
DIFERENTES PORCENTAJES DE ASFALTO
5.1.1 Mezcla convencional, temperatura de mezclado 1500C, sin escoria (Punto 4.1).
Aunque los valores de estabilidad tienden a ser un poco altos, los resultados indican un
comportamiento flexible y deformable, dentro de los criterios aceptables por la especificación
del Articulo 450-13 de las Especificaciones de Invías.
Tiene propiedades de una mezcla densa en caliente típica, que cumple con los criterios de
norma para porcentajes de asfalto entre 5.5% y 6%.
5.1.2 Mezcla convencional, temperatura de mezclado 1500C, con porcentajes de
escoria de 20%, 37.5% y 51% (Punto 4.2).
Las mezclas con porcentajes de escoria de 20% y 37.5% y porcentajes de asfalto entre
5.5% y 6% son mezclas que se ajustan a los criterios del Artículo 450-13 de las Especificaciones
Invías. Se concluye que es factible su uso en la construcción de mezclas asfálticas.
5.2 PROPIEDADES DE LA MEZCLA TIBIA, SIN ESCORIA, PARA UN PORCENTAJE
DE ASFALTO DEL 6% Y DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO (PUNTO
4.3).
Se concluye que las propiedades de la mezcla tibia sin escoria estudiada, a temperaturas
de mezclado entre 1100C y 1300C, no varían significativamente con relación a las propiedades de
la mezcla convencional con temperatura de mezcla 1500C.
5.3 PROPIEDADES DE LA MEZCLA TIBIA CON 20% DE ESCORIA, PORCENTAJE
DE ASFALTO 6% Y DIFERENTES TEMPERATURAS DE MEZCLADO. SIN ADITIVO
Y CON ADITIVO HUSIL (PUNTO 4.4).
Para esta mezcla los valores de Estabilidad son altos, similares a los que define el
Artículo 450-13 de Invías para mezclas de alto módulo. Se espera que mezclas con porcentajes
de escoria mayores del 20% tengan estabilidades menores.
Aunque la estabilidad es relativamente alta, las demás propiedades indican que a menor
temperatura de mezclado la mezcla tibia tiende a ser más flexible, menos deformable y se
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encuadra dentro de los límites aceptables por la norma del Artículo 450-13 de las
Especificaciones del Invías 2013.
Se concluye que para temperaturas de mezclado entre 110 0C y 1200C, porcentaje de
escoria de 20% y porcentaje de asfalto del 6.0% se logra obtener una mezcla tibia que es factible
de utilizar en construcción de capas asfálticas. Se considera que esta conclusión se puede
extender hasta porcentajes de escoria del 37.5% y porcentajes de asfalto hasta del 5.5%. Sin
embargo,
se
requiere
de
mayor
investigación
y
verificación,
incluyendo
ensayos
complementarios para confirmar su calidad en aspectos como la adherencia, los valores de los
módulos y las propiedades de resistencia a la fatiga.
Para la mezcla estudiada, se concluye que aditivo HUSIL aumenta la Estabilidad de la
mezcla, aunque no modificó de manera importante las demás propiedades medidas. Es necesario
realizar investigaciones adicionales para determinar con mayor certeza el efecto del aditivo en las
mezclas asfálticas tibias, utilizando diferentes porcentajes del mismo.
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APÉNDICES
APÉNDICE A. CUADROS DE CÁLCULO.
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ANEXOS
Tabla 450-10 del Artículo 450-13, Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras,
Invías 2013-
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