Diseño de Base Estabilizada con Asfalto Espumado

DISEÑO DE UNA BASE ESTABILIZADA CON ASFALTO
ESPUMADO
Ejemplo general de diseño
Fidel García Hernández
Universidad Autónoma de Chihuahua, [email protected]
Domingo Eduardo Campos Hernández
Universidad Autónoma de Querétaro, [email protected]
Horacio Delgado Alamilla
Instituto Mexicano del Transporte, [email protected]
Resumen
La construcción y conservación de nuevas carreteras requiere de muchos recursos
tanto naturales como económicos. Por lo cual, una de las técnicas de mayor auge
en la actualidad es la reutilización de material de la carpeta asfáltica mediante su
reciclado (Reclaimed Asphalt Pavement, RAP). La estabilización de bases
hidráulicas con asfalto espumado se ha desarrollado en los últimos años en México.
Sin embargo no se tienen referencias de una metodología de diseño en México.
El presente trabajo muestra la aplicación de la metodología establecida en el manual
Wirtgen Cold Recycling Thecnology del Grupo Wirtgen, el cual considera tres
diferentes niveles de tránsito, para establecer la fórmula de trabajo de una base
estabilizada con asfalto espumado se realizan ensayos de susceptibilidad a la
humedad y una evaluación de las propiedades mecánicas mediante el ensayo
triaxial.
Palabras Clave: Asfalto espumado, Resistencia a la tensión, Bases estabilizadas,
Ensayo triaxial.
1
Asfalto espumado
El asfalto espumado se realiza mediante la inyección de una pequeña cantidad de
agua fría con aire comprimido sobre asfalto caliente, el intercambio de calor
espontaneo deriva en un fenómeno físico que espuma al asfalto (no hay proceso
químico). Este proceso altera temporalmente las propiedades físicas del asfalto, ya
que el asfalto caliente entra en contacto con el agua fría, provocando que este último
se convierta en vapor, el cual es atrapado por miles de pequeñas burbujas de
asfalto.
Dentro de las propiedades que se obtienen al producir espuma de asfalto, éste
reduce su viscosidad considerablemente y en caso contrario aumenta las
propiedades adherentes con los agregados, lo que posibilita mezclarse inclusive
con materiales fríos y húmedos. La Figura 1 presenta el laboratorio de espumado
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Wirtgen WLB-10 S y esquematiza el proceso de espumado del asfalto en la cámara
de expansión del equipo.
Es importante señalar que el estado de espuma se mantiene durante un corto
periodo de tiempo (15-30 segundos), para posteriormente colapsar, por lo que es
importante determinar la correcta combinación porcentaje de Agua-Temperatura del
asfalto para lograr las mejores condiciones espumantes del asfalto.
Figura 1. Equipo de laboratorio Wirtgen WLB 10 S (a), cámara de expansión para asfalto
espumado (b). (Wirtgen 2012)
2
Diseño de una base estabilizada con asfalto espumado
La estabilización de una base mediante asfalto espumado tiene como propósito
construir una base de alta calidad mediante la reutilización de los materiales
existentes en la estructura del pavimento. El asfalto espumado crea una unión
discontinua en el material granular, mejorando tanto su cohesión como su
susceptibilidad a la humedad.
El diseño de una base estabilizada con asfalto espumado, debe tener en cuenta las
diferentes etapas de análisis, las cuales se describen a continuación:
o
o
o
o
Etapa 1: Caracterización de los materiales a utilizar.
Etapa 2: Determinación de la granulometría de diseño y compactación.
Etapa 3: Determinación de las propiedades espumantes del asfalto
Etapa 4: Diseño de la mezcla de materiales (fórmula de trabajo)
 Nivel 1: Determinar la necesidad de “filler Activo”.
 Nivel 2: Determinar el contenido óptimo de asfalto espumado.
 Nivel 3: Determinación de propiedades mecánicas.
2/1
Para simplificación de los puntos mostrados anteriormente, se presenta un
diagrama de flujo del proceso de diseño (Figura 2).
Figura 2. Diagrama de flujo para bases estabilizadas con asfalto espumado.
2.1. Etapa 1. Caracterización de los materiales.
La caracterización de los materiales comprende al material pétreo (de aporte o
recuperado de la base), el material asfaltico y el material reciclado de la carpeta
(RAP). La evaluación de material pétreo se realiza mediante dos ensayos.
Primeramente se evalúa la plasticidad del material por medio de la Norma (ASTM
D4318) “Limites de Consistencia”. Los requerimientos establecidos en la
metodología para determinar la necesidad de un pre-tratamiento del material se
presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Determinación de pre-tratamiento con filler.
ÍNDICE PLÁSTICO < 10
Llevar a cabo pruebas con especímenes
de 100 mm de diámetro para determinar
la necesidad de añadir cemento o
cal hidratada.
ÍNDICE PLÁSTICO > 10
Pre-tratamiento del material con cal
hidratada CIC (Consumo inicial de cal)
se debe determinar primero mediante
la prueba de pH apropiada.
Adicional al ensayo de plasticidad, se realiza la determinación de la granulometría
mediante la Norma ASTM C136 “Análisis Granulométrico del material pétreo Finos
y Gruesos”. Este ensayo es realizado tanto al material pétreo como al material de
RAP.
El material asfáltico puede ser clasificado tanto por viscosidad como por Grado PG.
Para el caso particular de este estudio fue clasificado por Grado PG dando como
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resultado un PG 64 -16. Es importante mencionar que no se pueden utilizar asfaltos
modificados para la realización del asfalto espumado.
2.2 Etapa 2: Determinación de la granulometría de diseño y compactación
Uno de los puntos fundamentales en el diseño de la base estabilizada con asfalto
espumado es el ajuste de la estructura granulométrica de la mezcla de materiales
(Material Granular - RAP). La Figura 3 muestra los límites granulométricos
establecidos para las bases estabilizadas con asfalto espumado y las
granulometrías de los materiales utilizados en el ejemplo.
80
60
40
20
0
0.01
0.1
1
10
Abertura de la Malla en (mm)
100
Porcentaje que pasa en Masa %
100
Virgen 1-1/2"
Rap+ Base
limite 1
Rap+Base (80%) + Virgen 1-1/2" (20%)
Figura 3. Límites granulométricos para bases espumadas.
Este criterio define el máximo porcentaje de RAP a utilizar, debido a que la
granulometría que se obtiene con el fresado generalmente no cumple con la
especificación, por lo cual se tiene que utilizar material pétreo de aporte. Para este
caso se obtuvo una mezcla de 80-20%, el 80% de esta mezcla está constituida por
un 40% de base hidráulica y una 40% de material asfáltico recuperado (RAP) y el
20% restante está constituido por el material de aporte.
2.2.1 Densidad seca máxima
Una vez definida la granulometría de la mezcla de materiales se determina el Peso
Volumétrico Seco Máximo (PVSM, γd). Esta determinación se realiza mediante la
norma M-MMP-1-09/06, variante “D”. Este ensayo permitirá obtener dos parámetros
de diseño los cuales son el contenido de humedad óptima y la densidad seca
máxima. La compactación se realiza en cinco (5) capas, aplicando cincuenta y seis
(56) golpes por capa, con un pisón de 4.54 kg en un molde de 152.4 mm de diámetro
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interior. Los resultados obtenidos fueron de 8% de contenido óptimo de humedad
y un PVSM de 2080 kg/cm3.
2.3. Etapa 3: Determinación de las propiedades espumantes del asfalto
El objetivo de conocer los parámetros espumantes es determinar el porcentaje de
agua así como la temperatura óptima del asfalto que se requiere para producir las
mejores propiedades espumantes de un asfalto, esto con el propósito de obtener
una mayor área de contacto y un mejor revestimiento de los agregados a estabilizar.
Las propiedades espumantes para cada tipo de asfalto se determinan mediante dos
parámetros: Relación de expansión y vida media.
Relación de Expansión (Re).
Es una medida de la viscosidad del asfalto espumado, calculado como la proporción
máxima del volumen de la espuma respecto del volumen original del asfalto.
Vida Media (1/2)
Es una medida de la estabilidad del asfalto espumado, calculado como el tiempo,
en segundos, que tarda la espuma en colapsar a la mitad de su volumen máximo.
La metodología consiste en analizar el volumen máximo del asfalto espumado
mediante una varilla y una cubeta de medición diseñada especialmente para dicho
propósito, a la par se registra el tiempo en el cual el volumen máximo expandido ha
colapsado. El esquema de medición de estos dos parámetros se presenta en la
Figura 4.
Figura 4. Colapso del asfalto espumado después de realizar la descarga.
Para encontrar entonces los valores de Re y 1/2, se procede a realizar diferentes
barridos de temperaturas a 160° C, 170 °C y 180 °C y contenidos de agua (2%, 3%
y 4). La figura 5 muestra la forma en cómo se determina el porcentaje de agua
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óptimo para obtener las mejores propiedades de espumado del asfalto utilizado a
una temperatura de 170°C.
Figura 5. Obtención del porcentaje de agua óptima para el espumado.
La Tabla 2 presenta los requerimientos de aceptación y los valores obtenidos para
las tres temperaturas antes mencionadas. Al igual se observa que a la temperatura
de 170°C el asfalto adquiere sus mejores propiedades de espumado con un
contenido de agua de 2.7%.
Tabla 2. Límites mínimos de asfalto espumado y valores obtenidos
Características del asfalto
espumado (Valores mínimos)
Temperatura
(°C)
% de
agua
(%)
Vida
Media (s)
Re
(Veces)
Temperatura del
agregado
> 15 ºC
160
2.7
8.5
9.8
Re (veces)
8
170
2.7
10.5
12.2
1/2 (s)
6
180
2.75
8.5
9.5
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2.4. Etapa 4: Diseño de la mezcla de materiales
La metodología para el diseño de la base estabilizada con asfalto espumado
considera tres niveles de diseño, los cuales están definidos de acuerdo con el
tránsito al cual va estar sometido el pavimento asfáltico.
2.4.1. Nivel I: Necesidad de filler activo
El presente nivel de diseño tiene como objetivo establecer si la mezcla de materiales
(Base hidráulica - RAP) necesita la inclusión de un filler activo. Para esta
determinación se realizará un ensayo de susceptibilidad a la humedad mediante el
ensayo de TSR (Tensile Strength Ratio por sus siglas en inglés).
En este nivel los especímenes son de =100mm y h= 63.5 mm, se acondicionan 6
especímenes introduciéndolos en un horno durante 72 hrs a una temperatura de
40°C para posteriormente ensayar 3 especímenes en estado seco a una
temperatura de 25 ± 2°C, los otros 3 especímenes son saturados durante 24 hrs a
25°C y seguidamente se secan superficialmente y se ensayan a una temperatura
de 25 ± 2°C.
Los dos fillers activos utilizados para este tipo de material es la cal y el cemento
Portland en porcentajes de 1%. Por lo cual, se realiza una evaluación con cada una
de las tres variables (Sin filler, 1% de cal y 1% de cemento).
Primeramente se realizó la evaluación de la mezcla sin inclusión de filler activo y
utilizando un contenido de asfalto espumado de 2,4%. En esta evaluación se
observó que la mezcla obtuvo un valor de ITS en seco de 219 kPa, la cual es inferior
al valor mínimo requerido, adicionalmente no obtuvo resistencia en condición
saturada, por lo cual se considera que está mezcla no cumple con los requisitos
mínimos de calidad y por consiguiente se requiere agregar un filler activo. Por lo
cual las siguientes dos evaluaciones se realizaron con 1% de Cal y 1% de Cemento
Portland. En la evaluación en seco de las dos mezclas con filler activo se puede
observar que ambas cumplen con el requisito mínimo establecido en la metodología.
Sin embargo, en condición saturada la mezcla con cemento portland pierde
considerablemente su resistencia, por lo cual se considera inadecuada. La mezcla
de materiales con cal también tuvo una reducción de su resistencia en condición
saturada pero menos significativa, por lo cual se considera que la cal es la más
adecuada para la mezcla de materiales propuesta (Figura 6).
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Figura 6. Evaluación de susceptibilidad a la humedad para diferentes tipos de fillers activos.
2.4.2. Nivel II: Determinación del contenido de asfalto espumado
En este nivel, se pretende determinar el contenido óptimo de asfalto espumado que
requiere el material. Una vez seleccionada una de las tres variantes analizadas en
el Nivel I, se realiza un barrido de contenidos de asfalto espumado (4 porcentajes),
determinando el mejor desempeño mediante el ensayo de susceptibilidad a la
humedad. Los rangos de contenido de asfalto espumado varían de acuerdo a los
materiales, porcentaje de RAP y las características de compactación. Los
especímenes son de =150mm y h=95 mm se acondicionan 6 especímenes
introduciéndolos en un horno en una primera etapa a 24 hrs a una temperatura de
40°C y posteriormente en una segunda atapa se introducen 48hrs en bolsas de
plástico a la misma temperatura con la finalidad de guardar la humedad de equilibrio
(50% de su humedad óptima) que es la que representa las condiciones de campo,
al finalizar ambas etapas se ensayan 3 especímenes en estado de humedad de
equilibrio a una temperatura de 25 ± 2°C, y los otros 3 especímenes son saturados
durante 24 hrs a 25°C y seguidamente se secan superficialmente y se ensayan
inmediatamente para conservar la temperatura de 25 ± 2°C.
Los resultados presentados en la Figura 7 indican que solo la mezcla con 2,2% de
asfalto espumado no cumple con la especificación establecida en la metodología.
Se considera que la dispersión de los resultados es de 5%, por lo cual el valor
óptimo de espumado será 2,4% (Primer valor aceptable * 1,05). Esta evaluación
determina la fórmula de trabajo de la base hidráulica estabilizada con asfalto
espumado.
8/1
De estas dos primeras evaluaciones se observa que a pesar de que todos los
valores de ITSSECO son de magnitudes similares, las propiedades en condición
saturada son diferentes. Por lo cual, se puede concluir que el indicador clave en el
diseño (Nivel I y II) es la resistencia de la mezcla en condición saturada, lo cual se
debe tomar en cuenta tanto en el diseño como en el control de calidad de la base
estabilizada con asfalto espumado, ya que uno de los principios del diseño es
asegurar la cohesión de la mezcla con asfalto espumado en condiciones de
humedad.
Figura 7. Contenido óptimo de asfalto con 1% de cal, Nivel II.
2.4.3. Nivel III: Propiedades mecánicas.
Este Nivel tiene como objetivo evaluar las propiedades mecánicas de la mezcla de
materiales definida en los dos niveles previos. Los parámetros a evaluar son el valor
de cohesión y el ángulo de fricción interna, los cuales serán determinados mediante
un ensayo de triaxial. Para esta evaluación se fabricaron 8 especímenes de prueba
para la realización del ensayo triaxial. Se utilizan cuatro condiciones de
confinamiento (0 kPa, 50 kPa, 100 kPa y 200 kPa). Aquí los especímenes son de
=150mm y h=300 mm se acondicionan los 8 especímenes introduciéndolos en un
horno en una primera etapa a 24 hrs a una temperatura de 40°C y posteriormente
en una segunda atapa se introducen 48hrs en bolsas de plástico a la misma
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temperatura con la finalidad de guardar la humedad de equilibrio (50% de su
humedad óptima) que es la que representa las condiciones de campo, al finalizar
ambas etapas se ensayan todos los especímenes en el estado de humedad de
equilibrio a una temperatura de 25 ± 2°C. Es importante mencionar que los
especímenes en los tres niveles se fabrican tomando como referencia la densidad
seca máxima y la humedad óptima del material. La determinación de los valores de
cohesión (C), del ángulo de fricción (Ø) se realizó mediante el Círculo de MohrCoulomb (Figura 8).
Figura 8. Cohesión y Fricción para 2.4% de asfalto espumado y 1% de cal.
En esta evaluación se obtuvo una cohesión promedio de 248 kPa (Mínimo 250
kPa), un ángulo de fricción promedio de 46.9° (Mínimo 40°). Se considera que
las propiedades mecánicas de la base estabilizada con asfalto espumado son
apropiadas. Sin embargo, el valor promedio es inferior a la especificación por lo
cual es necesario hacer la verificación de la cohesión retenida.
La cohesión retenida (CRet) tiene como objetivo de probar la confiabilidad en la
obtención de los parámetros antes mencionados, esta cohesión retenida se
determina de la misma forma que en las probetas anteriores pero en condición
saturada y para un confinamiento de 100 kPa (Figura 9). Un valor mínimo del 75%
de cohesión retenida en una prueba triaxial es aceptable para establecer que los
resultados son confiables. La cohesión retenida se calcula como sigue:
𝐶𝑅𝑒𝑡. =
(𝜎1 𝑠𝑎𝑡−100 )
∗ 100
(𝜎1𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙−100 )
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En esta evaluación se obtuvo una cohesión retenida del 84%. Por lo cual se
considera que las propiedades mecánicas de la base estabilizada con asfalto
espumado son apropiadas.
Cálculo de la cohesión retenida:
𝐶𝑅𝑒𝑡 =
(1620 − 100)
∗ 100 = 𝟖𝟒%
(1920 − 100)
Figura 9. Cohesión retenida para 2.4% de asfalto espumado y 1% de cal.
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Tabla 1 Resumen de resultados de diseño de base estabilizada con asfalto espumado
PARÁMETRO
UNIDAD
VALOR
PVSM
HUMEDAD ÓPTIMA
TEMPERATURA PARA ESPUMADO
AGUA ÓPTIMA PARA ESPUMADO
Relación de expansión
Vida media
Combinación de materiales
Susceptibilidad Humedad (NIVEL I)
TSR Seco
TSR Saturado
FILLER ACTIVO
Susceptibilidad Humedad (NIVEL II)
TSR Seco
TSR Saturado
ASFALTO ESPUMADO
COHESIÓN (NIVEL III)
ÁNGULO DE FRICCIÓN ( NIVEL III)
COHESIÓN RETENIDA (NIVEL III )
Kg/cm3
%
°C
%
Veces
s
%
%
kPa
kPa
2080
8
170
2.7
12.2
10.5
80-20
68
245
166
CAL
83
245
166
2.4
248
46.9
84
%
kPa
kPa
%
kPa
°
%
VALORES DE ACEPTACIÓN
MÍNIMOS
----------------8
6
----60
>225
>100
----60
175
100
----250
40
75
4. Comentarios y conclusiones
Uno de los inconvenientes de la realización del diseño de la base estabilizada con
asfalto espumado es que no se ha establecido un procedimiento de diseño en
laboratorio. Se establece la realización del diseño con la metodología establecida
en el manual de Wirtgen es adecuada para la selección de la fórmula de trabajo de
la base estabilizada con asfalto espumado ya que permite seleccionar la mezcla de
materiales con los mejores desempeños mecánicos.
El reto inicial en el diseño de la base estabilizada con asfalto espumado es definir
una granulometría debido a que el material recuperado del pavimento (RAP) en
general no cumple con los requerimientos establecidos en la metodología y es
necesario agregar material granular de aporte.
En lo referente a las propiedades del espumado se observó que un asfalto PG 6416 (Ekbé) es adecuado para esta aplicación, recordando que no se pueden utilizar
asfaltos modificados para la fabricación del asfalto espumado.
En la evaluación de la resistencia a la tensión indirecta, se pudo observar que los
valores en condición seca son similares para cada una de las variantes analizadas,
siendo la evaluación en condición saturada el parámetro clave en la selección de la
mezcla de materiales en una base estabilizada con asfalto espumado, por lo cual
se le debe prestar especial atención en los procesos de diseño y control de calidad
de este tipo de estabilizaciones.
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La adición del filler mejora la cohesión del material sin embargo reduce la fricción
de la base estabilizada. Además se garantiza el buen comportamiento en una base
estabilizada con asfalto espumado cuando la cohesión retenida se encuentra dentro
de los parámetros aceptables.
Para el caso del contenido de asfalto espumado se observa que al aumentar este
parámetro disminuye la susceptibilidad a la humedad. Por lo cual, se debe realizar
un análisis costo-beneficio para la correcta determinación de este valor durante el
diseño.
BIBLIOGRAFÍA
Abbas, A., Ali, A., Nazzal, M., Alhassan, A., Roy, A., & Powers, D. (2013). Effect of temperature
reduction, foaming water content, and aggregate moisture content on performance of foamed warm
mix asphalt, 48, 1058–1066. Construction and Building Materials.
Austroads Ltd. (2015). Technical Report AP-T303-15. Design and Performance of Foamed Bitumen
Stabilised Pavements: Progress Report 3. Sydney, Australia.
Betti, G., Airey, G., Jenkins, K., Marradi, A., & Tebaldi, G. (2016). Active fillers’ effect on in situ
performances of foam bitumen recycled mixtures, 281-296. Road Materials and Pavement Design.
Dal Ben, M., & Jenkins, K. J. (2014). Performance of cold recycling materials with foamed bitumen
and increasing percentage of reclaimed asphalt pavement, 15:2, 348-371. Road Materials and
Pavement Design.
Fu, P., Jones, D., Harvey, J. T., & Bukhari, S. A. (2010). Laboratory testing methods for foamed
asphalt mix resilient modulus, 10, 187-212. Road Materials and Pavement Design.
He, G.-P., & Wong, W.-G. (2006). Effects of moisture on strength and permanent deformation of
foamed asphalt mix incorporating RAP materials, 30-40. Construction and Building Materials.
He, G.-P., & Wong, W.-G. (2007). Laboratory study on permanent deformation of foamed asphalt mix
incorporating reclaimed asphalt pavement materials, 1809-1819. Construction and Building Materials
Wirtgen. (2012). Wirtgen Cold Recycling Technology. Windhagen, Alemania: Wirtgen GmbH.
Rafaelli, D. (2004). Foamed Asphalt Base Stabilization. Technology Transfer Program. Institute of
Transportation Studies, University of California Berkeley.
Marek, I., & Anna, C.-K. (2013). Laboratory Study on Mechanical Parameters of Foamed Bitumen
Mixtures in the Cold Recycling Technology, 57. Modern Building Materials, Structures and
Techniques
Kim Jenkins, 57th Annual Illinois Bituminous Paving Conference; 12th December 2016
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