ASFÁLTICA #75

JULIO-SEPTIEMBRE 2023

ISNN 007-2473

Caracterización avanzada de mezclas asfálticas multirecicladas | Evaluación de la deformación permanente y daño inducido por humedad de una mezcla asfáltica tibia que incorpore hule de neumáticos pretratado y activado | Efecto de las propiedades fisicoquímicas en asfaltos modificados con partículas de sargazo | Primer manual en América Latina sobre el uso del equipo LWD en el control de la compactación en campo | Comparativa del desempeño en mezclas asfálticas empleadas para bacheo superficial en la conservación de pavimentos |

Presidente

Víctor Manuel Cincire Romero Aburto

Vicepresidentes

Mauricio Centeno Ortiz

Salvador Fernández Ayala

Antonio Martín del Campo Cerda

Secretario

Javier Herrera de León

Tesorero

Juan Adrián Ramírez Aldaco

Consejeros

Luis Manuel Pimentel Miranda

Paul Garnica Anguas

Hugo Bandala Vázquez

Israel Sandoval Navarro

Leonardo Ambrosio Ochoa Ambriz

Francisco Javier Romero Lozano

J. Jesús Martín del Campo Limón

Alejandro Padilla Rodríguez

Comité de vigilancia

Luis Guillermo Limón Garduño

Raúl Güitrón Robles

Yunuen Alhelí López Barbosa

Comisión de honor

José Jorge López Urtusuástegui

Verónica Flores Déleon

Raymundo Benitez López

Director General

Raúl Vicente Orozco Escoto asfaltica@amaac.org.mx www.amaac.org.mx

SUMARIO

COMITÉ MATERIALES RECICLADOS

Caracterización avanzada de mezclas asfálticas multirecicladas

COMITÉ MEZCLAS ASFÁLTICAS

Evaluación de la deformación permanente y daño inducido por humedad de una mezcla asfáltica tibia que incorpore hule de neumáticos pretratado y activado

COMITÉ MATERIALES ASFÁLTICOS

Efecto de las propiedades fisicoquímicas en asfaltos modificados con partículas de sargazo

Primer manual en América Latina sobre el uso del equipo LWD en el control de la compactación en campo

Comparativa del desempeño en mezclas asfálticas empleadas para bacheo superficial en la conservación de pavimentos

ASFÁLTICA, año 18, núm. 75, julio-septiembre 2023, es una publicación trimestral editada por la Asociación Mexicana del Asfalto, A.C., Camino a Sta.Teresa 187, Parques del Pedregal,Tlalpan, 14010, Ciudad de México.Tel. +52 55 5606 7962, asfaltica@amaac.org.mx.

Editor responsable: Raúl Vicente Orozco Escoto. Reservas de Derechos al uso exclusivo Núm. 04-2013-012513385100-102,

ISSN: 2007-2473. Licitud de Título Núm. 13611, Licitud de Contenido Núm. 11184, ambos otorgados por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Permiso sepomex Núm. PP09-1532. Este número se terminó el 30 de junio de 2023 en su versión impresa y digital. • Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Queda estrictamente prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización.

Producción editorial CODEXMAS, S. de R.L. de CV.

Queridos amigos, llegamos al número 75 de nuestra revista Asfáltica, el principal órgano de difusión del conocimiento de nuestra asociación, con artículos muy interesantes, aportados principalmente por nuestros comités técnicos.

El segundo trimestre de 2023 fue de intensa actividad para la Asociación Mexicana del asfalto (AMAAC).

En abril realizamos el curso de Las mejores prácticas en técnicas de reparación de pavimentos asfálticos, en las instalaciones de la CMIC en la ciudad de León, Guanajuato. En este mismo mes tuvo lugar el Segundo Congreso Académico del Asfalto en las instalaciones de la UMSNH en Morelia, Michoacán, organizado por nuestro Comité Técnico de Impulso Profesional.

Los días 17 y 18 de mayo realizamos a través del Comité Técnico de Construcción y Maquinaria, el curso presencial Colocación y compactación de bases y mezclas asfálticas, en el Instituto Tecnológico de Ciudad Victoria, Tamaulipas.

Del 22 al 26 de mayo realizamos el curso en línea sobre Estudios, diseño y construcción de mezclas asfálticas con RAP, por el Comité Técnico de Reciclados.

Los días 9 y 10 de junio tuvo lugar el primer módulo del programa 2023 de alta dirección de empresas, en conjunto IPADE-AMAAC-AMIVTAC.

El 16 de junio se llevó a cabo el curso de Criterios para la conservación de pavimentos asfálticos, para la Secretaría de Obras y Servicios, y la Planta Productora de Mezclas Asfálticas, del Gobierno de la CDMX.

Así mismo, del 21 al 23 de junio realizamos el curso en línea El ABC de mezclas asfálticas, con más de 700 asistentes, como parte del programa de trabajo 2023 con la Subsecretaría de Infraestructura de la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes(SICT) a través de la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) y el Instituto Mexicano del Transporte (IMT). Este programa técnico está enfocado a la actualización y mejora del diseño y construcción de las mezclas asfálticas en nuestro país, con la actualización y desarrollo de la Normativa SICT de diseño de mezclas asfálticas por desempeño y con método Marshall, el cual incluye la capacitación de los laboratorios y constructores que participan en obras de esta dependencia, y la actualización de las especificaciones particulares correspondientes.

Del 20 al 22 de junio, celebramos un curso de gran interés para personal de los grupos aeroportuarios de nuestro país, proyectistas y contratistas que participan en sus obras, en las instalaciones del Centro Nacional de Investigación de Materiales y Pavimentos Aeroportuarios (NAPMRC, por sus siglas en inglés) que es el brazo técnico de la Administración Federal de Aeropuertos (FAA) de USA, en Atlantic City, NJ.

En el tercer trimestre del año, del 22 al 25 de agosto, Cancún será el punto de encuentro del evento más importante de la industria, el XII Congreso Mexicano del Asfalto, con la importante temática La ruta del asfalto hacia la economía circular, en el Hotel Iberostar Cancún.

En octubre asistiremos al Congreso Mundial de la Carretera (PIARC) que tendrá lugar en Praga, República Checa, donde participaremos en el taller de economía circular y sustentabilidad en carreteras.

Como siempre les deseamos lo mejor a nuestros lectores y que continúen los éxitos. Nos saludamos pronto.

Te invitamos a integrarte como miembro activo de la AMAAC y participar en alguno de nuestros comités técnicos. Forma parte del conocimiento y experiencia de los diferentes comités de la AMAAC en temas relacionados con el ciclo del asfalto en la infraestructura del transporte. Las aportaciones de sus asociados son el motor para la difusión del conocimiento.

¿Quieres ser asociado? vinculacion@amaac.org.mx

¿Eres asociado y te gustaría integrarte a algún comité técnico? ctecnica@amaac.org.mx

CARACTERIZACIÓN AVANZADA DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MULTIRECICLADAS

COMITÉ MATERIALES RECICLADOS

Rey Omar Adame Hernández

Pedro Limón Covarrubias

Sergio Nicolás Rodríguez Navarro

César Martín López Vázquez

Leonardo Ambrosio Ochoa Ambriz

Luis Enrique Ramírez Soto

Domingo Pérez Madrigal

Carlos Humberto Fonseca Rodríguez

Alfonso Díaz Pichardo

Luis Guillermo Díaz Félix

RESUMEN

En los últimos años, los Agregados Pétreos de Reciclaje (APR), también conocidos en inglés como Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) se han tratado de valorizar como material para la construcción de carreteras, por esta razón se han convertido en un tema de relevancia técnica y económica para la industria y los gobiernos nacionales.

El Ministerio francés de la transición ecológica financió desde el 2013 el proyecto Multireciclaje de mezclas asfálticas (MURE) y dentro de éste, el proyecto Innovación en materiales y procesos para la valorización de mezclas asfálticas Multirecicladas (IMPROVMURE). El objetivo de estos proyectos es la caracterización transversal de mezclas asfálticas con altos contenidos de APR, para valorizarlo y aumentar adecuadamente su contenido en mezclas asfálticas futuras. Dentro del proyecto IMPROVMURE se encuentra la subtarea 3.2, la cual se centró en el estudio de las propiedades termo-mecánicas de las mezclas asfálticas con contenidos de APR. Este estudio se llevó a cabo en el marco de la tesis doctoral de A. Pedraza [12], que recibió apoyo financiero de la Agencia Nacional de Investigación de Francia (ANR) y fue objeto de una colaboración entre el Centro de Investigación Corbas de la empresa Eiffage y el Laboratorio de Tribología y Dinámica de Sistemas (LTDS) del École Nationale des Travaux Publics (ENTPE).

El objetivo general de esta subtarea 3.2 fue cuantificar y modelar la evolución de las propiedades termo-mecánicas de las mezclas con contenido de APR a partir de reciclajes sucesivos y con diferentes técnicas de fabricación.

En consecuencia, se fabricaron mezclas asfálticas en caliente y en tibio (espumadas), tanto en condición de laboratorio como en campo. Las mezclas fueron fabricadas utilizando tasas de APR de 0%, 40%, 70% y 100%, además algunos de los APR fueron procesados para obtener hasta tres ciclos de reciclaje.

Sobre muestras de las distintas mezclas asfálticas, se realizaron tres tipos de ensayos de laboratorio, para una caracterización avanzada de tres dominios de comportamiento:

• Tensión-compresión directa sobre probetas cilíndricas (TCD-CY): Para obtener las propiedades del dominio viscoelástico del material [módulo de rigidez E (T°, f), ángulo de fase φ (T°, f) y parámetros del modelo reológico 2S2P1D].

• Contracción térmica con deformación axial impedida: Para adquirir las propiedades de ruptura a bajas temperaturas [temperatura de rotura (Trup) y tensión de fractura (σrup)].

• Flexión con un dispositivo con 4 puntos de apoyo: Para conseguir las propiedades de ruptura y tenacidad del material [altura de la fisura (a), fuerza máxima (Pmax), tasa de restitución de energía de rotura (Gf) y tenacidad (KIC)].

Los resultados fueron satisfactorios, ya que todas las mezclas asfálticas con contenido de APR mostraron propiedades similares a las mezclas sin APR en todos los dominios de comportamiento. Solamente las mezclas con un contenido de 100% de APR no fueron conformes, ya que presentaron resultados atípicos.

1 INTRODUCCIÓN

La red de carreteras francesa (≈980.000 km) representa potencialmente un depósito de varios miles de millones de toneladas de Agregados Pétreos de Reciclaje (APR), también conocidos en inglés como Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). Los APR son el material resultante del fresado de capas de mezcla asfáltica. Estos poseen propiedades con alto potencial como material de construcción de carreteras, por lo tanto, es importante valorizarlos. La reutilización de APR para la fabricación de mezclas asfálticas nuevas ayuda a reducir la cantidad de material depositado en vertederos, al tiempo que garantiza la preservación de los recursos naturales

(asfalto y granulares de cantera). Sin embargo, esta recuperación debe seguir estando sujeta al cumplimiento de los requisitos tecnológicos, mecánicos, ambientales y de salud pública.

Con el fin de limitar la contaminación ambiental, la industria de carreteras ha desarrollado nuevos procesos de fabricación con temperaturas de fabricación más bajas que las habituales, denominadas “tibias” [1]. Estas técnicas reducen el consumo de combustible y las emisiones de gases, al tiempo que limitan la exposición de los trabajadores durante el procesamiento. Además, la reducción del envejecimiento del bitumen durante la fabricación permite prever mayores tasas de incorporación de APR.

Estas nuevas técnicas representan una oportunidad para promover la economía circular y la reducción de la contaminación. Para respaldar estas técnicas sostenibles, los proyectos franceses: Multireciclaje de mezclas asfálticas (MURE) e Innovación en materiales y procesos para la valorización de mezclas asfálticas Multirecicladas (IMPROVMURE) se iniciaron en 2013 y 2014 respectivamente [2], [3] Basado en la investigación colaborativa entre jefes de proyectos, empresas e institutos de investigación, el proyecto MURE consiste en validar el conocimiento a través de la realización de tramos a “tamaño real”. Asociado con MURE, el proyecto IMPROVMURE (patrocinado por la Agencia Nacional de Investigación de Francia (ANR)) tiene como objetivo responder a las preguntas técnicas derivadas del proyecto MURE, donde se utiliza un enfoque científico.

El objetivo principal del proyecto IMPROVMURE es determinar el impacto en las propiedades termo-mecánicas, químicas y ambientales de los materiales con contenido de altas tasas de APR, provenientes reciclajes sucesivos (ciclos de reciclaje) y fabricados con diferentes técnicas de fabricación (fabricación en caliente y en tibio).

Este artículo presenta los resultados de caracterización termomecánica de las mezclas multirecicladas, que era el objetivo la subtarea 3.2 del proyecto IMPROVMURE. La caracterización se realizó sobre la base del estudio de tres dominios de comportamiento:

• Comportamiento viscoelástico lineal (VEL).

• Comportamiento a baja temperatura.

• Propagación de la fisura.

Las mezclas asfálticas fueron fabricadas y compactadas en el Centro de Investigación Corbas de Eiffage Infrastructures y los ensayos fueron ejecutados en el Laboratorio de Tribología y Dinámica de

Sistemas (LTDS) del École Nationale des Travaux Publics (ENTPE) en Vaulx-en-Velin, Francia.

2 MATERIALES

En este estudio se consideró una mezcla asfáltica tipo Béton Bitumineux Semi-Grenu (BBSG) 0/10 de clase 3, de acuerdo con la denominación dada por la normativa europea EN 13108-1 [4]. El BBSG de clase 3 corresponde a una mezcla semidensa, es decir con un porcentaje de vacíos entre 5% y 8%, y concebida como capa de rodadura. La denominación 0/10 describe el esqueleto granular de la mezcla, el cual presenta tamaños de partículas entre 10 mm (Dmax) e inferiores a 0.063 mm. Además, la mezcla BBSG 0/10 de clase 3 tiene como exigencias normativas las siguientes condiciones de formulación:

• Compactación: Contenido de vacíos entre 5% y 8% a 60 giros del compactador giratorio [5].

• Sensibilidad al agua: ITRS ≥ 70% [6]

• Resistencia al ahuellamiento: P ≥ 5% a 60 °C y con un contenido de vacíos entre 5% y 8%.

• Rigidez: E ≥ 7000 MPa a 15 °C/10Hz y con un contenido de vacíos entre 5% y 8%.

• Fatiga: ε6 ≥ 100 µdef a 10 °C/25 Hz y con un contenido de vacíos entre 5% y 8%.

La Figura 1 presenta las 15 variantes evaluadas de la mezcla BBSG 0/10 clase 3, once (11) en condición laboratorio y cuatro (4) en condición de campo (in-situ), estas últimas tomadas de cuatro (4) obras viales realizadas como parte del proyecto MURE (Figura 1-b). Estos especímenes fueron tomados por extracción de muestras del carril de parada de emergencia justo antes de que la carretera se pusiera en servicio.

Las mezclas asfálticas fueron fabricadas manteniendo constante:

• El esqueleto granular (BBSG 0/10 de clase 3) a excepción de la mezcla con 100% de APR0 (Figura 2).

• El contenido de asfaltos total CA = 5.4% (en masa).

Las mezclas de referencia, es decir aquellas con 0% de contenido de APR, fueron fabricadas con un ligante de clase 35/50 según la norma europea EN 12591 [7]

La idea base de la fabricación de las mezclas asfálticas con contenido de APR es mantener la misma consistencia que las mezclas de referencia. Con este fin se estimó la penetración del ligante de mezcla (asfalto de adición + asfalto de reciclaje) con la Ecuación 1:

Donde:

• ����������������������������������������, penetración estimada del asfalto de la mezcla (0,1 mm).

• a, fracción en masa del asfalto de adición.

• b, fracción en masa del asfalto de reciclaje.

• �������������������������������� , penetración del asfalto de adición medido experimentalmente (0,1 mm) (norma EN 1426 [8]).

• ��������������������������������, penetración del asfalto de reciclaje medido experimentalmente (0,1 mm) (norma EN 1426 [8]).

Los otros parámetros de fabricación de las mezclas son mencionados a continuación y presentados en la Figura 1:

• Condiciones de fabricación: en laboratorio (L) o in-situ (S).

• Tipo de fabricación: caliente (H) y tibia espumada (WF).

• Porcentaje de APR: 0%, 40%, 70% y 100%.

• Ciclos de reciclaje: 0, 1, 2 y 3.

El ciclo de reciclaje representa el número de veces que los APR se reintegran en una mezcla asfáltica. En los materiales evaluados, los ciclos presentaron condiciones distintas:

• Mezclas asfálticas de 0 ciclos: sin contenido de APR.

• Mezclas asfálticas de 1 ciclo: con APR 0 extraídos de un proceso de fresado de una capa existente.

• Mezclas asfálticas de 2 ciclos: con APR1 producto de un proceso de envejecimiento en laboratorio de una mezcla asfáltica que contenía APR0. El proceso de envejecimiento se llevó a cabo según la metodología RILEM (4 h a 135 °C + 9 días a 85 °C).

• Mezclas asfálticas de 3 ciclos: con APR2 producto de un proceso de envejecimiento (RILEM) en laboratorio de una mezcla asfáltica que contenía APR1

Los procesos de obtención e integración de los APR1 y APR2 son presentados en la Figura 3 En términos prácticos cada ciclo de reciclaje busca simular el estado de los APR obtenidos de una capa asfáltica después de haber cumplido su vida útil.

La denominación de las mezclas asfálticas se realizó sobre la base de los cuatro parámetros de fabricación de la mezcla. Por ejemplo, la nomenclatura LH40-2 designa una mezcla fabricada en condición de laboratorio, en caliente, con un contenido de APR de 40%, y cuyos APR fueron sometidos a dos ciclos de reciclaje.

Los agregados de aporte utilizados para la fabricación de asfalto en el laboratorio provienen de la Cantera Lafarge Granulats Cusset (CLGC). La Société Lionesa asfaltos (SLE) suministró los APR0 utilizados. Los asfaltos de adición utilizados provienen de la refinería Total Feyzin:

• Mezclas con 0% de APR: asfalto 35/50 (41 1/10 mm).

• Mezclas con 40% de APR: asfalto 50/70 (60 1/10 mm).

• Mezclas con 70% de APR: asfalto 160/220 (180 1/10 mm).

• Mezclas con 100% de APR: No se usó asfalto de adición.

Los procesos de fabricación de asfalto de laboratorio se describen en la Figura 3.

La penetración (pen) y el punto de ablandamiento (TAB) del asfalto de reciclaje proveniente de los APR se determinaron después de cada ciclo de reciclaje, luego de ser sometidos a una extracción [9], [10]. Los resultados, reportados en la Tabla 1 fueron utilizados para la formulación de mezclas (Ecuación 1).

Tabla 1. Características (pen y TAB) de los asfaltos extraídos de APR utilizados para la producción de mezclas asfálticas recicladas.

Luego de cada fabricación de mezcla, estas fueron sometidas a una extracción del asfalto [9]–[11]. Así, la penetración (pen) del asfalto de cada mezcla fue evaluada experimentalmente y se comparó con la estimada a partir de la Ecuación 1

penetración estimada penetración experimental (luego de cada fabricación)

Los resultados (Figura 3) muestran una diferencia entre los valores estimados y las mediciones experimentales, que se explica en parte por el envejecimiento durante la fabricación de las mezclas asfálticas. Cabe señalar que el uso de asfaltos de adición permitió corregir (como se esperaba) la consistencia de los asfaltos de las mezclas con contenido de APR, para aproximarse a la consistencia de las mezclas de referencia LH0-0 (verde) y LWF0-0 (violeta).

3 PROPIEDADES TERMO-MECÁNICAS AVANZADAS

Tres principales dominios de comportamiento de mezclas asfálticas fueron evaluados:

El primero es el comportamiento viscoelástico lineal (VEL). Para evaluarlo se llevaron a cabo ensayos de tensión-compresión directa sobre probetas cilíndricas (TCD-CY) para obtener el módulo complejo [13], en un amplio intervalo de temperaturas y frecuencias. Los resultados se modelaron empleando el modelo reológico 2S2P1D, desarrollado en el Laboratorio de Ingeniería Civil y Estructuras (LGCB) del ENTPE.

El segundo fue el comportamiento a baja temperatura que se caracterizó realizando ensayos de contracción térmica impedida, conocido en inglés como Thermal Stress Restrained Specimen Test (TSRST) [14]. Este ensayo permite acoplar las tensiones térmicas y mecánicas.

Por último, la propagación de fisura se estudió con ensayos de vigas en flexión 4 puntos. La altura de la fisura fue monitoreada durante la prueba utilizando un método de correlación de imágenes. Se determinaron los parámetros característicos de propagación de fisura.

Las muestras cilíndricas y primáticas usadas en los distintos ensayos fueron extraídas de placas de 60 cm x 40 cm x 15 cm, compactadas usando un compactador de rueda francesa [15]

3.1 Comportamiento viscoelástico lineal

Los ensayos de tensión-compresión directa sobre probetas cilíndricas (TCD-CY) fueron ejecutados sobre muestras cilíndricas con un diámetro promedio de D = 7.5 cm y una altura de

h = 14 cm. Las temperaturas del ensayo fueron condicionadas gracias a una cámara térmica, y el esfuerzo fue estimado gracias al captor de fuerza del cual está dotado una prensa hidráulica (Figura 5-a). La Figura 5-b presenta una vista general del dispositivo que se ocupó para la ejecución del ensayo.

Con estos ensayos se determinaron módulos complejos (E*) y ángulos de fase (φ) en un amplio intervalo de frecuencias y temperaturas [9]. Los resultados experimentales de cada uno de los materiales fueron a su vez modelados con el modelo reológico 2S2P1D [16]-[18]

En un análisis habitual, los valores absolutos de los módulos complejos (|E*|) a 15 °C/10 Hz fueron objeto de estudio, ya que corresponden a los valores del módulo de rigidez utilizados convencionalmente en un dimensionamiento de pavimentos en Francia [19]. El contenido de vacíos presentó una tendencia lineal con los valores de |E*| a 15 °C/10 Hz, una para las muestras de uno (1) y dos (2) ciclos, y otra diferente para las muestras con tres (3) ciclos. Las mezclas con 100% de contenido de APR mostraron valores de |E*| muy elevados y no siguen ninguna tendencia, por lo cual fueron excluidas del análisis (Figura 6-a). Con ayuda de regresiones lineares, se calcularon los valores del |E*| con un contenido único de vacíos del v = 5% (Figura 6-b).

Los resultados muestran valores absolutos de módulo muy similares cuando se corrige la influencia del contenido vacío (Figura 6-b). Sin embargo, las mezclas con APR con tres (3) ciclos de reciclaje presentaron valores de |E*| más bajos, lo cual coincide con que fueron las mezclas cuyos bitúmenes presentaron las penetrabilidades medidas más altas (Figura 4).

El promedio de |E*|15 °C/10 Hz de todas las mezclas es |E*| = 11 500 MPa. Si no se tienen en cuenta los valores de las mezclas cuyos APR son 3 ciclos de reciclaje, el valor medio es de |E*| = 11 700 MPa.

Todas las mezclas respetan el principio de equivalencia tiempo-temperatura (PETT), es decir, mostraron curvas continuas en el plano Cole-Cole y el espacio de Black. La Figura 7 presenta las curvas obtenidas de las muestras fabricadas en caliente (LH) con 0%, 40% APR/1 ciclo y 40% APR/2 ciclos. El cumplimiento del PETT quiere decir que es posible la construcción y simulación de las curvas maestras.

(LH) con 0%, 40% APR/1 ciclo y 40% APR/2 ciclos: a. Plano Cole-Cole, b. Espacio de Black.

Las curvas maestras de |E*|, ángulo de fase (φ), fueron trazadas y modeladas utilizando el modelo 2S2P1D (Figura 8).

Los valores asintóticos usados en el modelo 2S2P1D E0 (para frecuencias muy altas) y E00 (para frecuencias muy bajas) presentan diferencias (Figura 9).

La evolución de E0 en función del contenido vacío es evidente (Figura 9-a), mientras que E00 puede considerarse constante (las diferencias no son significativas dada la precisión del ensayo). Para superar estas diferencias y estudiar la evolución del E* en función de la temperatura y la frecuencia, es posible normalizar los valores con la Ecuación 2:

La Figura 10-a presenta la evolución E*norm en el plano de ColeCole, de todas las muestras. La Figura 10-b muestra la evolución E*norm en el plano de Cole-Cole con una discriminación de curvas en función de su contenido de ARPR y modelizaciones 2S2P1D correspondientes, así, es evidente la superposición de los puntos experimentales correspondientes a mezclas con un mismo contenido de APR. Esto quiere decir que los materiales con un mismo contenido de APR exhiben un comportamiento viscoelástico similar. En este plano, solo fue necesario fijar 4 parámetros del modelo 2S2P1D (k, h, δ, β), para obtener la modelización a cada contenido de APR.

3.2 Comportamiento a baja temperatura

Los ensayos de contracción térmica con deformación axial impedida fueron ejecutados sobre muestras cilíndricas con un diámetro promedio de D = 6 cm y una altura de h = 22.5 cm. La Figura 11 presenta un esquema de una muestra instalada e instrumentada para el ensayo. El dispositivo es el mismo que el usado en los ensayos de tensión-compresión directa (parágrafo 3.1).

Durante el ensayo la probeta de mezcla asfáltica tiende a contraerse, pero al evitar que se deforme libremente en el sentido vertical (εz = 0), se genera una tensión creciente al mismo tiempo que decrece la temperatura. Esta tensión aumenta hasta provocar la ruptura del material, a una temperatura dada [14], [20]. Los ensayos fueron realizados en el ENTPE, y durante el ensayo también se pudo medir la deformación radial, pero los resultados no se presentan aquí.

Dos parámetros permiten comparar materiales: la temperatura de rotura (Trup) y la tensión de fractura (σrup).

La Figura 12 muestra los valores promedios y las desviaciones estándar de la Trup y la σ

, resultantes de tres (3) ensayos por tipo de material. Se evidencian diferencias para los valores promedio, pero no parecen muy significativas dadas las desviaciones estándar mostradas. La adición de APR parece aumentar la σrup en comparación con las mezclas asfálticas de referencia que no contienen APR, independientemente del proceso de fabricación o del número de ciclos de reciclaje. Teniendo en cuenta tan solo la condición laboratorio, se encontró una tendencia inicial de la σrup con el contenido

de APR (Figura 13-a). Sin embargo, en un segundo análisis se detectó que en realidad esta tendencia era un efecto secundario del contenido de vacíos, ya que las muestras con menor número de vacíos coincidieron con las de mayor contenido de APR (Figura 13-b).

3.3 Propagación de fisura

Los ensayos de propagación de fisura se llevaron a cabo en vigas de 55 cm x 7 cm x 5 cm, las cuales fueron sometidas a una flexión con un dispositivo con 4 puntos de apoyo (l= 12 cm y L= 36 cm, Figura 15). Las vigas fueron prefisuradas con una muesca de a0 = 2 cm de los 7 cm de altura. Los ensayos se llevaron a cabo en el ENTPE [21], [22] Para analizar la resistencia a la fisuración, la altura de la fisura (a) fue relevada durante todos los ensayos. Durante la tesis de A. Pedraza, se desarrolló el método de medición de a, el cual se realizaba con ayuda de un dispositivo de correlación de imágenes con el que se podría hacer un seguimiento del campo de deformación de la parte central de la viga durante el ensayo, asumiendo que la propagación de la fisura se produce cuando se obtiene una deformación ε = 1 %, con el cual se determinó la altura de la fisura (aEcam) durante el ensayo. Gracias a una cámara térmica adaptada a estas mediciones, los ensayos pudieron llevarse a cabo a la temperatura controlada de -5 °C y -15 °C para todos los materiales (Figura 14).

Se estudiaron tres parámetros para caracterizar las propiedades de resistencia a la fisuración de las mezclas: fuerza máxima (Pmax), tasa de restitución de energía de rotura (Gf) y tenacidad (KIC), estos dos últimos parámetros definidos en el contexto de la mecánica de fractura lineal (Figura 15)[23]. La fuerza fue medida durante el ensayo y se recuperó la Fmax en el mismo instante donde se produce la propagación de la fisura.

).

La Gf corresponde a la energía suministrada (W0) por unidad de área para agrietar completamente la muestra. W0 se obtiene calculando el área de la curva de carga-desplazamiento del pistón, en relación con la superficie del ligamento inicial de la muestra. Las Gf muestran órdenes de magnitud variables y no se pudo establecer un vínculo claro con el porcentaje de vacíos, la tasa de APR, ciclo de reciclaje ni tipo de fabricación de los materiales.

La tenacidad a fractura (KIC) es un parámetro determinante en el comportamiento mecánico de materiales y se define como la resistencia de un sólido a la propagación de grietas en su interior. La determinación de este parámetro durante los ensayos requiere

el conocimiento de la evolución de la carga aplicada (P) y especialmente de la altura de la fisura (aEcam).

La Figura 16-a muestra la KIC en función de aEcam para ensayos a -5 °C y -15 °C para todos los materiales, y los puntos experimentales presentan una superposición de los puntos experimentales, lo cual quiere decir que la tenacidad de las mezclas en caliente así como las tibias, presentan un comportamiento similar.

Por otro lado, la Figura 16-b presenta los puntos experimentales de KIC en función de aEcam a -5 °C y -15 °C, de solamente las mezclas fabricadas en temperatura tibia “espumada”, con los cuales se identificó una tendencia a aumentar KIC con el contenido de APR, haciendo más sensible a la ruptura una mezcla con contenido de APR que una con 0% de APR.

4 CONCLUSIONES

El proyecto IMPROVMURE abordó el estudio del multireciclaje en mezclas asfálticas. Los métodos desarrollados en este proyecto y publicados en revistas y journals revisados por pares, también pueden encontrar aplicaciones en otros campos.

En la subtarea 3.2 del proyecto IMPROVMURE se evaluaron 16 variantes de una mezcla BBSG 0/10 clase 3. Las mezclas fueron fabricadas variando su condición de fabricación (laboratorio/ in-situ), tipo de fabricación (caliente/tibia espumada), porcentaje de APR y ciclos de reciclaje.

La caracterización de las mezclas fue realizada en tres dominios de comportamiento, que a continuación se mencionan.

1. Respecto al comportamiento viscoelástico lineal:

• Se sometieron a ensayos de tensión-compresión directa sobre probetas cilíndricas (TCD-CY) 30 probetas (dos por cada tipo de mezcla asfáltica), en un amplio intervalo de temperaturas y frecuencias.

• Se obtuvieron valores de |E*| a 15 °C/10 Hz ≥ 7000 MPa (valor mínimo normativo). Sin embargo, las mezclas con un contenido de APR de 100% fueron descartadas por presentar

|E*| ≥ 16 000 MPa a 15 °C/10 Hz, pues estos valores son atípicos para una mezcla BBSG 0/10 clase 3. Estos valores se deben a que en este caso la consistencia del bitumen no fue corregida a diferencia de las otras mezclas.

• Se estimaron valores |E*| a 15 °C/10 Hz = 11 500 MPa con un contenido de vacíos fijado en 5%. Este valor es superior a 7000 Mpa, correspondiente al valor mínimo normativo para una mezcla BBSG 0/10 clase 3.

• Se observó una leve diferencia con las mezclas con 3 ciclos de reciclaje, ya que, si éstas no son tomadas en cuenta, el valor de |E*| a 15 °C/10 Hz = 11 700 MPa

• Se evidenció que todas las mezclas cumplen el principio de equivalencia tiempo-temperatura (PETT), por lo cual fue posible la construcción de curvas maestras de |E*| y φ con tendencias similares.

• Se realizó una modelización con el modelo reológico 2S2P1D. Con el modelo se pudo establecer que los valores extremos de E0 y E00 variaron con cada muestra. En los planos normalizados de E* se evidenciaron valores similares para los parámetros del modelo k, h, δ y β en función del contenido de APR.

2. Respecto al comportamiento a baja temperatura:

• 45 probetas (tres por cada tipo de mezcla asfáltica) se sometieron a ensayos de contracción térmica con deformación axial impedida.

• Se obtuvieron valores de Trup ≤ -20 °C, a excepción de la mezcla con 100% de APR, cuyo valor promedio fue de Trup = -13 °C

• Se observó en un primer momento una relación linear entre el σrup y el contendido de APR, pero en un segundo análisis se detectó que la relación era debida al contenido de vacíos.

3. Respecto a la propagación de fisura:

• Se sometieron a ensayos de propagación de fisura en flexión de 4 puntos de apoyo 15 vigas (una por cada tipo de mezcla asfáltica).

• Se adecuó un dispositivo de correlación de imágenes para determinar la altura de la fisura durante los ensayos.

• Se constató que las curvas de KIC en función de aEcam de las mezclas fabricadas en caliente y las fabricadas en tibio se superponen mostrando una resistencia a la ruptura similar.

• Se observó que, entre las mezclas fabricadas en tibio, existe un ligero aumento de ΔKIC = 0.5 MPa m1/2 de las mezclas con contenido de APR respecto a las muestras de referencia (sin APR).

Sobre la base de los resultados experimentales y de campo se ha demostrado que las mezclas asfálticas fabricadas a temperaturas tibias y con contenidos de APR multireciclado hasta un 70%,

5 REFERENCIAS

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conservan propiedades muy similares a las presentadas por una mezcla asfáltica fabricada en caliente y sin APR, valorizando así los APR dentro de nuevas mezclas asfálticas.

EVALUACIÓN DE LA DEFORMACIÓN PERMANENTE Y DAÑO INDUCIDO POR HUMEDAD DE UNA MEZCLA

ASFÁLTICA TIBIA QUE INCORPORA HULE DE NEUMÁTICOS PRETRATADO Y ACTIVADO

Eliceth Llajaira Roa Hernández, 2146558e@umich.mx

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), Morelia, México Rey Omar Adame Hernández, omar.adame@lasfalto.com.mx

Lasfalto, Guadalajara, México

Jorge Alarcón Ibarra, jorge.alarcon@umich.mx

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), Morelia, México

COMITÉ MEZCLAS ASFÁLTICAS

Alejandro Castellanos Cordero

Eymard Ávila Vázquez

Carlos Alberto Jiménez García

César Álvarez

Daniela Bocanegra Martínez

Enrique Villa Huerta

Sergio Serment Moreno

Maricarmen Magaña

RESUMEN

Las características de una mezcla asfáltica se ven afectadas por cada uno de sus componentes, por lo que, en este trabajo de investigación se diseñó y evaluó, a través de ensayos de susceptibilidad al daño por humedad y la deformación permanente, el desempeño de una mezcla asfáltica tibia, a la cual se le incorpora caucho granulado (CR) pretratado y activado mediante una vía semihúmeda. El plan experimental consistió en realizar el diseño volumétrico de tres mezclas asfálticas en caliente: la primera elaborada con un asfalto base sin modificar, la segunda con asfalto modificado con polímero y la tercera con asfalto base más 2% de CR, a fin de comparar la resistencia al daño inducido por la humedad y a la deformación permanente con una mezcla asfáltica fabricada y compactada a temperaturas inferiores, que además incorpora hule de neumáticos. Los resultados de este estudio demuestran que es posible diseñar una mezcla asfáltica tibia que incorpora hule de neumáticos por vía semihúmeda con una resistencia al daño inducido por humedad y a la deformación permanente, dentro de los rangos recomendados en el protocolo AMAAC PA-MA 01/2013.

1 INTRODUCCIÓN

Con el desarrollo de la industria automotriz, el volumen de neumáticos fuera de uso (NFU) es cada vez mayor. El manejo de los NFU plantea desafíos para los propietarios de los vertederos, incluso

han explorado la posibilidad de quemar las llantas de desecho debido al gran espacio que consumen. Sin embargo, la quema de neumáticos de desecho no es una solución económica ni respetuosa con el medio ambiente [1]. Actualmente, existen varias aplicaciones industriales que incorporan el reciclaje de llantas de desecho en sus procesos, por ejemplo, en la industria de la construcción una de sus aplicaciones ha sido como modificador del cemento asfáltico. Los asfaltos modificados con polvo de NFU o caucho granulado (CR) contribuyen a reducir grandes volúmenes de estos residuos depositados en los vertederos. Muchos estudios en la literatura han informado que debido a sus características viscoelásticas, el CR mejora considerablemente el comportamiento de las mezclas asfálticas [2], [3]

El CR se puede incorporar a las mezclas mediante cuatro procesos principales: vía húmeda, vía seca, terminal blend y vía semihúmeda, sin embargo, para implementarse se deben incrementar las temperaturas de mezclado y la compactación en comparación con las mezclas asfálticas en caliente elaboradas con asfalto sin modificar (MAC), ya que el caucho confiere mayor viscosidad al cemento asfáltico y, por lo tanto, se producen mayores cantidades de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) [4]. Con el propósito de resolver la problemática del incremento de temperatura para la producción de mezclas con hule de neumáticos, desde el 2008 se ha propuesto la combinación de tecnologías de mezclas asfálticas tibias (MAT), que ha demostrado que es posible una disminución relativa de las temperaturas en la producción para mezclas modificadas con CR [5]

Por otro lado, a pesar del impacto positivo del CR en el comportamiento de fatiga y ahuellamiento de la mezcla asfáltica, el estudio de la resistencia a la humedad de las mezclas que incorporan hule de NFU siempre se ha considerado un desafío significativo [6]. El daño por humedad es un proceso causado por la infiltración de agua en la mezcla asfáltica compactada, que puede ocasionar diversos deterioros en el pavimento, además de eliminar la adherencia entre el agregado y el asfalto, por ende, la cohesión en la película del asfalto, como resultado, esto causa un desprendimiento de agregados.

La acumulación de deformaciones plásticas en la capa de rodadura de la estructura de un pavimento flexible, debido a la insuficiente capacidad portante de la mezcla asfáltica para soportar las cargas provenientes de la circulación de los vehículos sobre la superficie de pavimento, dan lugar a la formación de canales a lo largo de la trayectoria longitudinal de la circulación de los vehículos, exactamente en las huellas por donde ruedan los neumáticos sobre el pavimento. A lo anterior, se le conoce como deformación permanente o formación de roderas, lo cual es una forma común de deterioro en los pavimentos flexibles. [7]

El comportamiento de las mezclas asfálticas frente a la formación de roderas está íntimamente relacionado con el tipo de ligante asfáltico, la composición granulométrica y la calidad de los agregados pétreos y aditivos (en ciertos casos) empleados en la fabricación de la mezcla [8].

2 OBJETIVO

El objetivo principal de la presente investigación fue diseñar y evaluar una mezcla asfáltica tibia de granulometría densa que incorpora hule de neumáticos por vía semihúmeda, mediante ensayos de susceptibilidad al daño por humedad y deformación permanente por

rodera con el analizador de rueda cargada de Hamburgo. Asimismo, la finalidad de este trabajo fue comparar los resultados con los de MAC con asfalto sin modificar, asfalto modificado y asfalto base más CR.

3 MATERIALES

3.1 Cemento asfáltico

El asfalto base utilizado en este trabajo corresponde a un asfalto clasificado por grado de desempeño como PG 64-22, procedente de la refinería de Salamanca, Guanajuato, México, el cual también se empleó como base para ser modificado con un terpolímero elastomérico reactivo, por sus siglas en inglés RET. De igual forma, el asfalto base se modificó con un aditivo orgánico, auxiliar de compactación. Por lo tanto, los asfaltos utilizados fueron los siguientes:

i. Asfalto base, PG 64-22.

ii. Asfalto modificado con polímero, PG 76E-22.

iii. Asfalto modificado con un aditivo auxiliar de compactación, PG 70-22.

3.2 Agregados

Para esta investigación se utiliza un agregado pétreo triturado de origen basáltico proveniente del banco Asfaltos Guadalajara, Tonalá, Jalisco. La caracterización del agregado pétreo se realizó conforme las normativas ASTM y los parámetros permisibles se basaron en el PA-MA 01/2013 Diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño. En la Tabla 1 se muestran los resultados obtenidos de la caracterización del agregado grueso (grava ½”) y en la Tabla 2 se detalla la caracterización del agregado fino (arena), todos ellos se encuentran dentro de los rangos recomendados.

3.2.1 Granulometría

La granulometría de los agregados se realizó de acuerdo con la norma ASTM C136 Método de prueba estándar para el análisis granulométrico de agregados finos y gruesos, de igual forma, se llevó a cabo la granulometría del polvo de hule de neumáticos, obteniéndose los resultados detallados en la Tabla 3.

3.3 Aditivos para mezclas tibias

En este estudio se empleó un aditivo fabricado y utilizado en México para la elaboración de mezclas asfálticas tibias que en lo sucesivo denominaremos aditivo TB-1, el cual, es un aditivo orgánico cuyas propiedades permiten reducir a la viscosidad del cemento asfáltico, por lo tanto, funciona como un auxiliar de compactación. Conforme las recomendaciones de fábrica, se empleó un 2% del aditivo con relación a la masa del cemento asfáltico.

3.4 Hule de neumáticos reaccionado y activado

El hule de neumáticos utilizado para el estudio se incorpora en la mezcla asfáltica mediante la vía semihúmeda. El porcentaje de hule de neumáticos empleado es de 2% con relación a la masa total de la mezcla.

El hule de neumáticos se incorpora a la mezcla a temperatura ambiente durante el proceso de mezclado de los agregados con el ligante, por lo cual su granulometría se encuentra considerada dentro del esqueleto mineral que conforma la mezcla asfáltica.

4 PLAN DE ENSAYOS

En la Figura 1 se detalla el programa experimental de este estudio, el cual consistió en el diseño y la evaluación de cinco mezclas asfálticas, fabricadas con los asfaltos que se mencionan en la sección 3.1.

Asfalto base sin modificar (PG 64-22)

Mezcla asfáltica en caliente con asfalto base.

Mezcla asfáltica en caliente con asfalto base + 2% de CR.

Asfalto modificado con polímero (PG 64-22 + Terpolímero RET)

Mezcla asfálticaen caliente modificada con polímero.

Asfalto modificado con aditivo para mezcla tibia (PG64-22 + TB1)

Mezcla asfáltica tibia + 2% de CR (mezclado a 135 °C - compactación 125 °C).

Mezcla asfáltica tibia + 2% de CR (mezclado a 135 °C - compactación 115 °C).

La primera etapa experimental consistió en realizar el diseño volumétrico de las mezclas en caliente, las cuales sirvieron como mezclas de control conforme los parámetros establecidos en el PA-MA 01/2013 Diseño de mezclas asfálticas de alto desempeño. El contenido del cemento asfáltico determinado para la MAC+CR fue el utilizado para las MAT, debido a que se usó el mismo asfalto base y el aditivo TB-1 permitió reducir la viscosidad del asfalto, además de brindar lubricidad a la mezcla, lo cual garantizó que con la misma energía de compactación se cumplieran con las propiedades volumétricas a temperaturas de una mezcla tibia. La segunda etapa experimental consistió en ejecutar las pruebas de desempeño de las mezclas (TSR y rueda cargada de Hamburgo).

Las temperaturas de mezcla y compactación para las muestras de control se determinaron de la siguiente forma:

i. Para la MAC con asfalto base, la curva de viscosidad del cemento asfáltico indicó 158 °C y 148 °C, respectivamente.

ii. Mediante el ensayo viscosidad corte cero se determinaron las temperaturas de mezclado y compactación de la MAC con asfalto modificado con polímeros las cuales fueron 175 °C y 165 °C, respectivamente.

iii. Las mezclas asfálticas en caliente que incorporan hule de neumáticos requieren mezclado a 175 °C y compactación a 165 °C, por lo tanto, fueron las temperaturas empleadas para la MAC+CR. Aunque en este caso las temperaturas de trabajo coinciden con las de la MAC con asfalto modificado con polímeros, es importante aclarar que, no siempre es así, debido a que, para los asfaltos modificados, las temperaturas se determinan conforme los resultados obtenidos del ensayo viscosidad corte cero.

iv. Para la determinación de las temperaturas de mezclado y compactación de la mezcla asfáltica tibia, se realizó un análisis de las características volumétricas de los especímenes a diferentes temperaturas con el contenido óptimo de asfalto obtenido para la MAC con asfalto base + CR.

5 GRANULOMETRÍA DE DISEÑO

La granulometría de diseño se propuso conforme los lineamientos establecidos en el PA-MA 01/2013 para una mezcla asfáltica de tamaño nominal de ½”. En la Tabla 4 se indican los puntos de control. El arreglo granulométrico quedó compuesto con un 60% de grava ½”, 37% de arena, 2% de hule de neumáticos y 1% de carbonato de calcio, empleado como sustituto del filler, debido a que, el filler de aportación del agregado fino obtenido de la trituración no cumple con la recomendación AMAAC RA 05/2010. La curva granulométrica se aprecia en la Figura 2

Las mezclas de control MAC convencional y MAC con polímeros no incorporan hule de neumáticos, por lo cual, se sustituyó el 2% de hule de neumáticos por fracciones de arena, quedando el mismo arreglo granulométrico de diseño.

tamaño nominal 1/2”, conforme el PA-MA 01/2013.

6 PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS

La compactación de los especímenes se realizó con el compactador giratorio Superpave, con un ángulo de giro de 1.25°, una carga de 600 kPa, aplicando 125 giros de compactación, con un molde de 6” de diámetro. Las temperaturas estuvieron dadas conforme se detalla en el programa experimental.

6.1. Diseño de la mezcla asfáltica en caliente convencional

Se realizaron especímenes con diferentes contenidos de asfalto, partiendo del 6.0% de asfalto respecto al agregado. Se analizaron todas las propiedades volumétricas, a fin de cumplir con los requisitos volumétricos establecidos en el PA-MA 01/2013, tales como: Gmb, Gmm, % vacíos en el agregado mineral (VAM) y la relación filler-asfalto. A continuación, en la Tabla 5 se detallan los resultados obtenidos para el diseño de la MAC con asfalto sin modificar.

Tabla

mezcla de control MAC con asfalto PG 64-22.

Con base en los resultados obtenidos que se muestran en la Tabla 5, se determinó que el contenido óptimo de asfalto es de 6.2% respecto al peso del agregado, dado que, con este obtenemos el porcentaje de vacíos de aire de 4% y el VAM mayor al 14%.

6.2 Diseño de mezcla asfáltica en caliente con asfalto modificado con polímeros

Al igual que para el diseño de la MAC convencional, para la MAC con asfalto modificado con polímeros se determinaron las propiedades volumétricas elaborando especímenes con diferentes contenidos de asfalto, partiendo del 6.0% de asfalto respecto a la masa del agregado. En la Tabla 6 se presentan los resultados obtenidos.

Como se puede apreciar en la Tabla 6, el contenido óptimo de asfalto corresponde al 6.4%, con el cual se obtuvo un 4.01% de vacíos y un VAM mayor al 14%.

6.3 Diseño de la mezcla asfáltica en caliente que incorpora hule de neumáticos (MAC+CR)

Para el diseño de la MAC que incorpora polvo de hule de NFU mediante un proceso semihúmedo, se elaboraron especímenes con un contenido de asfalto base sin modificar de 5.6% y

6.0% respecto a la masa de los agregados. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 7

Tabla 7. Propiedades volumétricas de la mezcla de control MAC con asfalto PG 64-22 + 2% de CR.

Como se puede observar en la Tabla 7 el contenido óptimo de asfalto para la mezcla de control MAC+CR fue del 5.6%.

6.4 Diseño de mezcla asfáltica tibia que incorpora hule de neumáticos pretratado y activado (MAT+CR)

Para el diseño de la mezcla asfáltica tibia que incorpora hule de neumáticos pretratado y activado, se utilizó el asfalto base con grado PG 64-22 con 2% de TB-1. El contenido de asfalto determinado para la mezcla de control MAC+CR, el cual fue de 5.6% se empleó también para la mezcla asfáltica tibia.

Con el objetivo de determinar las temperaturas de mezclado y compactación para la mezcla asfáltica tibia que cumpliera con los parámetros volumétricos, se realizaron especímenes a diferentes temperaturas. A continuación, se exponen los resultados conseguidos en la Tabla 8 y Figura 3

Tabla 8. Propiedades volumétricas de las mezclas asfálticas con aditivo TB-1, con 2% de CR y 5.6% de contenido de asfalto a diferentes temperaturas.

En la Tabla 8 se observa que el uso del aditivo TB-1, como auxiliar de compactación, permitió mantener el porcentaje de vacíos de aire (% Va) de la mezcla en valores cercanos al 4%, para así cumplir con los requisitos del PA-MA 01/2013, en rangos de temperaturas de mezclado de 165 °C hasta 115 °C. Con lo anterior se demuestra que el aditivo reduce la viscosidad del asfalto y aporta lubricidad a la mezcla asfáltica.

Como se puede apreciar en la Tabla 8 y la Figura 3, se logró reducir la temperatura de mezclado hasta 115 °C y la temperatura de compactación hasta 105 °C, cumpliendo con los parámetros volumétricos, tales como el % de vacíos y VAM. Sin embargo, para la evaluación de la mezcla en este estudio se seleccionó 135 °C como temperatura de mezclado, considerando que esto significa una reducción de 40 °C en comparación con la MAC con asfalto base + CR, tomando en cuenta que, una mayor reducción de temperaturas pondría poner en riesgo el cumplimiento de las propiedades de la mezcla. De igual forma, se evaluaron dos temperaturas de compactación: 125 °C y 115 °C, lo cual permite evaluar el desempeño de la mezcla al reducir las temperaturas de compactación.

7 SUSCEPTIBILIDAD AL DAÑO INDUCIDO POR HUMEDAD, (AASHTO T 283)

El ensayo para determinar la susceptibilidad al daño inducido por humedad consiste en fabricar seis probetas de mezcla de 100 ± 2.5 mm de diámetro y 63 ± 2.5 mm de altura, con un contenido de vacíos al 7.0 ± 0.5%, las cuales se dividen en dos grupos (un grupo de tres especímenes acondicionados previamente y un grupo de tres especímenes secos). Empleando un equipo de carga centrada y la mordaza tipo Lottman, los especímenes se someten a compresión diametral vertical hasta la fractura del espécimen. Finalmente se realiza el análisis de la susceptibilidad al daño inducido por humedad de la mezcla mediante la relación de esfuerzo a la tensión indirecta (TSR) de los especímenes acondicionados y no acondicionados.

La resistencia a la tensión indirecta de los especímenes (acondicionados y no acondicionados) se determina con la siguiente ecuación:

���������������� = 2000�������� ������������������������

Donde:

St [kPa] = resistencia a la tensión indirecta del espécimen, con aproximación de 0.1 kPa (1 decimal).

P [N] = carga máxima del espécimen, con aproximación de 0.1 N (1 decimal).

t [mm] = altura del espécimen, con aproximación de 0.1 mm (1 decimal).

D [mm] = diámetro del espécimen, con aproximación de 0.1 mm (1 decimal).

TSR [%] = St especímenes acondicionados / St especímenes sin acondicionar * 100. Se fabricaron seis especímenes para cada una de las mezclas, obteniéndose los resultados de daño inducido por humedad que se muestran en la Tabla 9 y Figura 4.

con asfalto PG 64-22 +2% CR

con asfalto PG 64-22 + 2% CR - 135°C-115°C

+ asfalto PG 64-22

con asfalto PG 64-22 + 2% CR - 135°C-125°C

Como se puede observar en la Figura 4, tanto las mezclas en caliente como las mezclas asfálticas tibias a las cuales se les incorporó hule de neumáticos obtuvieron valores de resistencia al daño inducido por humedad superiores al 80%. Este porcentaje es el mínimo sugerido en la recomendación AMAAC RA 04/2010.

8 RUEDA CARGADA DE HAMBURGO, (AASHTO T 324)

Las roderas se consideran uno de los principales problemas del pavimento asfáltico; es la acumulación de deformación permanente en la mezcla asfáltica provocada por cargas repetidas a altas temperaturas de trabajo [9]

El ensayo rueda cargada de Hamburgo es un indicador de la susceptibilidad a la falla prematura debido a una estructura granular débil, a un asfalto con rigidez inadecuada, daño por humedad y falta de adherencia entre el agregado y el asfalto [10] .

Se fabricaron probetas cilíndricas de 150 mm de diámetro y 60 mm de espesor que se compactaron a un porcentaje de vacíos de aire de 7 ± 1%, las cuales se sometieron al ensayo rueda cargada de Hamburgo. En la Tabla 10 se observan los resultados conseguidos para cada una de las variables en estudio. Es importante mencionar que todas las mezclas evaluadas se encuentran con valores de deformación dentro del parámetro recomendado en la recomendación AMAAC RA 01/2017, siendo de 10 mm transcurridos 20 000 pasadas.

En la Figura 5 se puede apreciar que la mezcla que obtuvo una menor deformación durante las 20 000 pasadas de la rueda cargada de Hamburgo fue la mezcla asfáltica en caliente que incorpora hule de neumáticos pretratado y es activado mediante un proceso semihúmedo. Asimismo, se puede observar que la mezcla con mayor deformación es la mezcla asfáltica

en caliente con asfalto sin modificar, por otro lado, es importante mencionar, que las mezclas asfálticas tibias obtuvieron una deformación inferior a la de la mezcla de control con asfalto sin modificar.

8 CONCLUSIONES

En este estudio se diseñó y evaluó una mezcla asfáltica tibia que incorpora hule de neumáticos por vía semihúmeda, para lo cual se utilizó un asfalto modificado con un aditivo orgánico auxiliar de compactación, denominado TB-1. Asimismo, se elaboraron mezclas en caliente con asfalto sin modificar, asfalto modificado por polímeros y una MAC con asfalto sin modificar pero que incorpora CR con el objeto de comparar el efecto de la reducción de temperaturas en las propiedades de la mezcla.

El uso de TB-1 permitió la reducción de 40 °C en las temperaturas de trabajo, en los procesos de mezclado y compactación de una mezcla asfáltica que incorpora CR, garantizando el porcentaje de vacíos de aire requeridos conforme el PA-MA-01/2013 (4%), manteniendo la manejabilidad y las propiedades volumétricas.

En cuanto al daño inducido por humedad, todas las variables muestran una resistencia conservadora mayor al 80%, las mezclas con asfalto sin modificar resultan con el menor porcentaje de daño, sin embargo, las mezclas con asfalto modificado resistieron mayores cargas. Las mezclas tibias con hule de llanta muestran también resistencias conservadas mayores a 80% aunque con cargas ligeramente menores a las mezclas en caliente (con asfalto sin modificar y con hule de neumático), por lo que se concluye que al usar el aditivo TB-1 y el hule de neumático se garantizan las propiedades volumétricas y el daño por humedad no es significativamente diferente o menor comparado con las MAC.

Para el daño por humedad y deformación permanente en la rueda de Hamburgo, las mezclas en caliente con asfalto modificado y con hule de neumático presentan deformaciones muy bajas (debajo de los 3 mm), mientras que para las mezclas tibias con hule de neumático + TB-1 las deformaciones están entre 6 y 7 mm, condición de cumplimiento para esta prueba, lo cual indica un asfalto más blando y susceptible a las roderas pero que no sacrifica esta propiedad.

Finalmente, el uso del aditivo TB-1 garantiza un ahorro económico en el consumo de combustible, menor emisión de gases de efecto invernadero y menor envejecimiento del asfalto, al reducir hasta 40 °C las temperaturas de trabajo, además se le agregó un 2% de hule de neumático, lo cual equivale a 20 kg por tonelada de mezcla producida, mejorando su desempeño y disminuyendo considerablemente la cantidad de neumáticos en lugares donde representan contaminación al medio ambiente.

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EFECTO DE LAS PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS EN ASFALTOS MODIFICADOS CON PARTÍCULAS

DE SARGAZO

COMITÉ MATERIALES ASFÁLTICOS

Rosita Martínez Arroyo

Israel Sandoval Navarro

Norberto Cano

César Álvarez

Raymundo Benítez

Ernesto González

Gabriel Hernández Zamora

Andrés Guerrero

Alondra Vanessa López

Juan Daniel Ruvalcaba

Jorge Vázquez

Adrián Ramírez

Karla Cecilia Camarena

RESUMEN

El asfalto es un material fundamental en la construcción de carreteras y otros proyectos de infraestructura. Sin embargo, su durabilidad y resistencia pueden verse comprometidas por factores como la exposición al sol, la humedad y el tráfico vehicular. Es por ello que se han desarrollado diversas técnicas para mejorar las propiedades del asfalto y prolongar su vida útil. Por otra parte, en los últimos años, el sargazo se ha convertido en un problema en nuestro país, invadiendo las playas de diversas regiones del Golfo de México y el Mar Caribe. Aprovechar las propiedades del sargazo para mejorar el desempeño de asfaltos modificados con sargazo podría ser una opción natural para combatir la contaminación del mar. Esta investigación evalúa el mecanismo de refuerzo del asfalto mezclado con partículas de sargazo definido como asfalto modificado con sargazo. Este trabajo presenta los resultados preliminares de una investigación más completa donde se estudiará al sargazo combinado con polímeros y su efecto en propiedades reológicas. De manera particular, este proyecto se centró en ensayos de viscosidad, temperatura de reblandecimiento, microscopía y separación de fases para caracterizar las propiedades de mezclas de dicho asfalto modificado con partículas de sargazo. Los resultados de las pruebas indican que el efecto de refuerzo aumenta con el incremento de las partículas de sargazo. La viscosidad a temperatura elevada aumenta con relación a las partículas de

sargazo en el asfalto, debido a la interacción de estas con el propio asfalto; sin embargo, existe una fracción crítica donde las partículas de sargazo interactúan entre sí, lo que provoca la disminución de la propiedad. La concentración óptima de partículas de sargazo depende de las características de las partículas y de su morfología. Las micrografías de epifluorescencia muestran el refuerzo de las fibras en el asfalto mediante una estructura tridimensional.

1 INTRODUCCIÓN

Las mezclas de asfalto modificado se usan en la construcción de pavimentos. Sin embargo, su producción y uso tienen un impacto ambiental significativo debido a la gran cantidad de energía y emisiones de gases de efecto invernadero que se generan durante su fabricación. En este contexto, la utilización de materiales alternativos y sostenibles en la producción de mezclas asfálticas se presenta como una solución viable y necesaria para reducir el impacto ambiental de la industria de la construcción [1]

El asfalto es una mezcla compleja de hidrocarburos sólidos, líquidos y gaseosos, que se encuentra en forma natural en la tierra o se produce a partir de la destilación del petróleo crudo. Las características químicas del asfalto pueden variar según su origen y lo hacen un material único y valioso para su uso en la construcción de carreteras y otros proyectos de infraestructura [1,2]

Existen diversos materiales que pueden utilizarse para modificar las propiedades del asfalto y mejorar su desempeño en diferentes aplicaciones. Algunos de los materiales más comunes empleados para la modificación de asfalto son:

1. Polímeros: los polímeros se usan ampliamente para modificar las propiedades del asfalto y mejorar su durabilidad y resistencia a la deformación. Entre los polímeros utilizados se encuentran el estireno-butadieno-estireno (SBS), el estireno-butadieno (SB), el policloropreno (CR) y el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS).

2. Caucho reciclado y látex de caucho: los neumáticos reciclados y otros productos de caucho también se manejan para modificar las propiedades del asfalto, mejorando su resistencia a la fatiga y a la deformación. El caucho, además, se puede añadir al asfalto en forma de partículas o en forma de látex.

3. Aditivos orgánicos: se utilizan aditivos orgánicos para mejorar la adherencia del asfalto, su resistencia al envejecimiento y su resistencia al agua y otros productos químicos. Los aditivos orgánicos más comunes son los surfactantes y los ácidos grasos.

4. Aditivos inorgánicos: los aditivos inorgánicos, como el polvo de piedra caliza, la sílice y el cemento, se emplean para mejorar la resistencia del asfalto y su capacidad para soportar cargas pesadas.

5. Mezclas con materiales naturales: algunos materiales naturales, como las fibras vegetales y el sargazo, se han usado para modificar las propiedades del asfalto y mejorar su resistencia a la fatiga y a la deformación.

En general, la modificación del asfalto es una práctica común para mejorar su desempeño y prolongar su vida útil. Los materiales utilizados para la modificación dependen del tipo de aplicación y las condiciones ambientales en las que se utilizará el asfalto [3,4]

El sargazo es un género de alga marina que se encuentra en grandes cantidades en las costas de diversos países, especialmente en el océano Atlántico, el Caribe y el Golfo de México. Es un alga parda que crece en aguas cálidas y superficiales, y se caracteriza por tener un tallo largo y delgado con hojas anchas y dentadas. Se caracterizan porque cada nivel de ramificación con sus respectivos filoides se originan a partir de un eje principal (estipe) así como los receptáculos en ramas auxiliares. Hay dos especies de sargazo involucrados en la afluencia de sargazo: Sargassum natans y Sargassum fluitan.

El color marrón característico de las algas pardas se debe a la presencia predominante de los pigmentos xantofila y fucoxantina, lo que oculta a los otros pigmentos como la clorofila a y c, los β-carotenos y otras xantofilas. Estas algas suelen almacenar sus reservas alimenticias en forma de polisacáridos complejos y alcoholes superiores. Además, algunas especies de algas pardas pueden tener un saco de aire para flotar en la superficie del agua y recibir la luz solar necesaria para la fotosíntesis. Sin embargo, es importante destacar que las algas pardas tienen una afinidad especial por los iones divalentes y, en particular, por metales como el Pb, Hg, Cr, Cu y Cd. Este hecho es especialmente relevante porque estos metales son considerados contaminantes tóxicos debido a las altas cantidades que son liberadas al medioambiente y a la elevada toxicidad que presentan algunas de sus formas químicas.

La pared celular de las algas cafés se caracteriza por tener una matriz fibrosa con espacios intracelulares ricos en polisacáridos sulfatados, grupos hidroxilos y carboxílicos. La mezcla única de polisacáridos, principalmente celulosa, alginato y fucoidan, es responsables de dar a estas algas su resistencia y flexibilidad. Estos compuestos forman geles en la matriz intercelular, lo que les permite resistir las tensiones causadas por las olas y las corrientes marinas. En definitiva, la combinación de estos componentes otorga a las algas cafés una estructura resistente y adaptada a su entorno marino [5,6]

2 MATERIALES, PREPARACIÓN Y METODOLOGÍAS DE CARACTERIZACIÓN

2.1 Material

El asfalto utilizado para esta experimentación fue donado por Ergon Asfaltos México. El sargazo empleado fue colectado en la playa de Miramar en la ciudad de Madero, Tamaulipas, México. La recolección del sargazo se llevó a cabo en la estación de verano. El sargazo fue sujeto a un tratamiento de limpieza con agua destilada para remover el exceso de impurezas, posteriormente se llevó a un proceso de secado a 60 °C durante 24 horas, molido y tamizado

con tamiz No.35 (tamaño de partícula 500 mm) como se muestra en la Figura 1

Dentro de la caracterización de la composición básica del sargazo obtenida por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS) se identificaron un total de 24 compuestos, que correspondían al 100% de los volátiles extraídos por la técnica de espacio de cabeza de CG-MS. Los componentes que se encontraron en mayor proporción fueron: el propilenglicol (15.7% en peso), seguido del 5-metil-2-furancarboxaldehído (13.64% en peso).

2.2 Preparación de las mezclas asfálticas

Las mezclas asfálticas se prepararon con diferentes proporciones de sargazo de 0, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0% peso/peso, realizadas a 180 °C y 90 minutos de temperatura y tiempo de mezclado respectivamente, la velocidad de mezclado se realizó a 1500 rpm considerando un tamaño de partícula obtenida en un tamiz No.35 ASTM (tamaño de partícula 500 mm). Al término del tiempo de mezclado, la mezcla fue filtrada en una malla ASTM No.20.

2.3 Metodologías de caracterización

La caracterización elemental de las partículas de sargazo fue determinada por análisis elemental mediante el espectrómetro Xenemetrix EX3600. Para la evaluación de las propiedades físicas de los asfaltos modificados y el asfalto original se realizaron las metodologías estandarizadas que se mencionaran a continuación.

2.4 Caracterización convencional: viscosidad dinámica, punto de reblandecimiento, penetración y estabilidad térmica

La prueba de viscosidad dinámica fue realizada en un viscosímetro Brookfield DV-II +Pro bajo la metodología ASTM D36-95/53. El método para determinar la temperatura de reblandecimiento se desarrolló por la metodología ASTM D36/D36M-14. La prueba de penetración fue desarrollada en un equipo de penetración digital

de acuerdo con la metodología ASTM D5-86/64. La prueba de estabilidad térmica se determinó por el método ASTM D5892-00/M-MMP-4-05-022/02, para definir si existe separación de fases en la mezcla asfáltica. Por último, la prueba de microscopia epifluorescente se desarrolló en un equipo Carl Zeiss, para determinar la dispersión de las partículas de sargazo en la matriz asfáltica.

3 RESULTADOS

3.1 Viscosidad dinámica

Para evaluar la viscosidad dinámica en las mezclas de asfalto modificado con partículas de sargazo, fue seleccionado el rotor SC4-27, a una velocidad rotacional de 20 rpm y variaciones de temperatura de 135, 150, 160 y 180 °C. El incremento del parámetro de viscosidad con la adición de las partículas de sargazo en el asfalto presenta una mejora en la resistencia a la deformación de las mezclas asfálticas como se muestra en la Figura 2; este efecto puede deberse a la constitución fisicoquímica del aditivo, su textura y las dimensiones de su área superficial lo cual ayuda a formar una red de fibras, que interactúa para formar una red continua a través de la matriz del asfalto. La viscosidad refleja un aumento de 350% con la concentración de 1.5 wt % de partículas de sargazo, esto es porque el material orgánico comienza a formar una estructura de red localizada, la cual actúa como una estructura soporte, reforzando al asfalto, aumentando su resistencia a la deformación. Chen y Lin [7], señalan que la adición de una gran cantidad de fibras conduce a una interacción fibra-fibra, además mencionan que demasiado contenido de refuerzo puede dar lugar a mezcla quebradiza. Es importante señalar que la viscosidad está relacionada con el contenido de sargazo en el asfalto y con el aumento del área superficial de las partículas de sargazo, un incremento de estas propiedades mejora la resistencia de la matriz asfáltica e incrementa su deformación. Es fundamental señalar que a partir de 20 rpm las mezclas asfálticas presentan un comportamiento newtoniano.

La temperatura es un factor clave en las mezclas asfálticas con partículas de sargazo presentando un efecto significativo en el parámetro de viscosidad. Cuando la temperatura aumenta, la viscosidad de la mezcla asfáltica disminuye, lo que puede hacer que la mezcla sea más fluida y fácil de trabajar. Sin embargo, a temperaturas más altas, las partículas de sargazo pueden separarse de la mezcla de asfalto modificado y hacer que dicha mezcla pierda su estabilidad estructural. Por otro lado, cuando la temperatura disminuye, la viscosidad del asfalto modificado con sargazo aumenta, lo que puede hacer que la mezcla sea más difícil de trabajar. Es importante establecer una temperatura específica dónde el asfalto modificado con sargazo pueda fluir adecuadamente durante la colocación, evitando problemas en la compactación y deformación de la superficie. En la Figura 3 se presenta el efecto de la temperatura en los asfaltos modificados con sargazo con 1.5wt % de partículas de este.

3.2 Caracterización física convencional

El punto de reblandecimiento es un indicativo de la tendencia del material a fluir a elevadas temperaturas de uso. En la Tabla 1 se muestran los resultados de punto de reblandecimiento en referencia con el asfalto virgen, donde se observa un máximo aumento de 30% con respecto al asfalto. Este comportamiento correspondiente a la mezcla con 1.5wt % de partículas de sargazo, debido a que estas aportan un efecto de mejora en la resistencia a altas temperaturas, obteniendo además buena compatibilidad y la

interacción óptima entre el sargazo modificador y el asfalto. Este mismo hecho se parece a un trabajo reportado por Nciri y col. [8] cuando evaluaron el polvo de concha de ostra en asfalto.

En esta misma tabla se puede observar que los valores de penetración decrecen a medida que aumenta la adición de sargazo modificador, sin embargo, no hay un comportamiento lineal de este efecto. La penetración representa la medida de la dureza del asfalto y su capacidad para fluir bajo presión y temperatura. En los asfaltos modificados con partículas de sargazo, la penetración tiene un efecto significativo en la resistencia y durabilidad de la mezcla. En general, cuanto menor sea la penetración del asfalto utilizado en la mezcla, mayor será su resistencia a la deformación y a la fatiga. Esto es especialmente importante en áreas con temperaturas altas, donde el asfalto puede ablandarse y deformarse con facilidad. Es crucial encontrar un equilibrio adecuado entre la resistencia y la flexibilidad de la mezcla, para resistir a altos esfuerzos.

La prueba de separación de fases en un asfalto modificado con partículas de sargazo nos puede proporcionar información de la compatibilidad entre el modificador y el medio asfáltico. Djaffar [9] considera que un asfalto estable es aquel donde la diferencia entre la temperatura superior e inferior sea menor a 3 °C, valores superiores indican la separación de los componentes de la mezcla, es decir, la separación del asfalto y las partículas de sargazo. Este efecto puede tener un impacto negativo en la calidad y la durabilidad de la mezcla. La mezcla que presenta la mayor separación en esta matriz experimental es la mezcla con un 3.0 wt % de partículas de sargazo.

En la Figura 4 se muestran las micrografías de las mezclas de asfalto modificado con sargazo con tamaño de partícula 500 mm. Ahora bien, el utilizar un menor tamaño de partícula se observa un mejor nivel de dispersión, donde la mezcla al 1.5wt % de partículas de sargazo confirma que se encuentra en una fase continua homogénea. De igual manera, conforme va aumentando la concentración se van presentando algunas zonas con acumulación de partículas aglomeradas, sin embargo, se observa una buena distribución y compatibilidad entre el modificador y el asfalto.

4 CONCLUSIONES

La adición de partículas de sargazo al asfalto incrementa el parámetro de viscosidad, y este efecto se ve reflejado significativamente con la mezcla al 1.5 wt % de partículas de sargazo. Este efecto apoya a mejorar la resistencia a la deformación de las mezclas asfálticas. Esto se debe a que las partículas de sargazo ayudan a formar una red continua de fibras a lo largo de la matriz asfáltica. Además, el aumento de la temperatura disminuye la viscosidad en la mezcla del asfalto modificado con sargazo, lo que es positivo para las operaciones de bombeo y mezclado de dicho asfalto. En la prueba de punto de reblandecimiento, la adición de partículas de sargazo aumenta esta propiedad y hace que la mezcla con 1.5wt % de aditivo sea la que presente la mayor modificación.

Las fibras orgánicas aportadas por el sargazo ayudan al asfalto a presentar valores de susceptibilidad a altas temperaturas. Los resultados en la prueba de penetración muestran una disminución en los valores, esto es favorable debido a que las mezclas de asfaltos modificados con valores más bajos son menos susceptibles a las deformaciones permanentes.

En la prueba de microscopía se observa que el sargazo fluoresce, lo cual ayuda a observar su distribución en la mezcla del asfalto modificado, logrando apreciar algunas zonas más ricas en sargazo posiblemente por acumulación de las partículas que no logran disociarse a pesar de la agitación a la que se ven sometidas, aunque en términos generales estas acumulaciones se encuentran en menor proporción con respecto a las partículas mejor dispersas.

Finalmente, la prueba de separación de fases en una mezcla de asfalto modificado con partículas de sargazo nos puede proporcionar información de la compatibilidad entre el modificador y la matriz del asfalto, observando una excelente compatibilidad sin diferencias mayores a 3 °C.

Este trabajo inicial abre la posibilidad de estudiar el efecto sinergístico de este producto natural con otros modificadores como elastómeros de SBS, que será motivo de otra publicación, y que pudiera extenderse al estudio de aplicación en diseños de mezcla en caliente para valorar la potencial mejora en el ahuellamiento por rueda cargada.

5 BIBLIOGRAFÍA

[1] Nath Gotame, Y. (2016). Tesis de maestría. Relationship between physical and chemical properties of straight and recovered asphalt binders from Ontario. Universidad de Queen. Ontario, Canadá.

[2] Zapién-Castillo, S., Rivera-Armenta, J. L., Chávez-Cinco, M. Y., Salazar-Cruz, B. A., & Mendoza-Martínez, A. M. (2016). Physical and rheological properties of asphalt modified with SEBS/montmorillonite nanocomposite. Construction and Building Materials, 106, 349–356.

[3] Ramos-Galván, Claudia Esmeralda, Rivera-Armenta, José Luis, Salazar-Cruz, Beatriz Adriana, Escobar-Medina, Francisco Javier (2019). Efecto de la mezcla de materiales compuestos de estireno-butadieno/plumas de pollo en la modificación de asfaltos, Revista de Ingeniería Civil, Vol.3 No.9 1-6.

[4] Jesús Daniel Martínez-Anzures, Samuel Zapién-Castillo, Beatriz Adriana Salazar-Cruz, José Luis Rivera-Armenta, Rocio del Carmen Antonio-Cruz, Gabriel Hernández-Zamora & María Leonor Méndez-Hernández (2018). Preparation and properties of modified asphalt using branch SBS/nanoclay nanocomposite as a modifier, Road Materials and Pavement Design.

[5] Francisco Javier Escobar-Medina, José Luis Rivera-Armenta, Gabriel Hernández-Zamora, Beatriz Adriana Salazar-Cruz, Samuel Zapién-Castillo and Cynthia Graciela Flores-Hernández (2021), Sargassum-Modified Asphalt: Effect of Particle Size on Its Physicochemical, Rheological, and Morphological Properties, Sustainability 2021, 13, 11734.

[6] B.A. Salazar-Cruz1, S. Zapien-Castillo2, G. Hernández-Zamora, J.L. Rivera-Armenta (2020). Investigation of the performance of asphalt binder modified by sargassum, Construction and Building Materials, 271, 15 February 2021, 121876.

[7] Chen, J.S.; Lin, K.Y.I. Mechanism and behavior of bitumen strength reinforcement using fibers. J. Mater. Sci. 2005, 40, 87–95.

[8] N. Nciri, T. Shin, H. Lee, N. Cho. Potential of waste oyster shells as a novel biofiller for hotmix asphalt, Appl. Sci. 8 (415) (2018) 1–25.

[9] Djaffar, S. B., Samy, D., & Khadidja, A. M. (2013). Rheological properties and storage stability of SEBS polymer modified bitumen. International Journal of Engineering Science, 5, 1031–1038.

Hacemos referencia al artículo: la relevancia de la relación filler-asfalto en mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño, y los límites establecidos para diseño, publicado en la revista Asfáltica No. 74, abril-junio, 2023, por:

P.A.C.C.S.A. INGENIERÍA, Tlalnepantla de Baz, México c.jimenez830301@gmail.com

COMITÉ CONTROL DE CALIDAD Y SUPERVISIÓN

En la página 32, por error, al momento de diseñar se cambió el símbolo ≥ que obedece a una interpretación completamente diferente de lo plasmado en el artículo. Dejamos aquí la gráfica correcta. En la versión digital se hizo el cambio en su momento. Agradecemos su comprensión.

Figura 1. Representación gráfica de una granulometría densa fina (DFG) y una granulometría densa gruesa (DCG) para el tamaño nominal de 19.0 mm.

PRIMER MANUAL EN AMÉRICA LATINA SOBRE

EL USO DEL EQUIPO LWD EN EL CONTROL DE LA COMPACTACIÓN EN CAMPO

Omar Viveros, nuevas.tecnologias@sct.gob.mx

Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes, México, México.

Vinicio Serment, vserment@sct.gob.mx

Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes, México, México.

1 INTRODUCCIÓN

Actualmente, el módulo elástico es uno de los parámetros fundamentales para el diseño de una estructura de pavimento por el método empírico-mecanicista. Asimismo, el módulo elástico es una propiedad mecánica que poseen los materiales y no son la excepción los pavimentos, tanto rígidos como flexibles. El módulo elástico es una propiedad que bien se correlaciona con la compactación de los materiales térreos para su control en campo. Tener una adecuada densificación del material constituyente de alguna de las capas del pavimento, contribuye a alcanzar un módulo tal que, genere un desempeño adecuado a lo largo de la vida útil de la estructura. Las normativas actuales exigen que la compactación alcance cierto porcentaje de la Masa Volumétrica Seca Máxima (ɣdmax) del material, esto según la capa de la cual estemos hablando.

En un laboratorio se puede obtener el ɣdmax, gracias a la prueba AASHTO estándar o AASHTO modificada que en México están establecidas en el manual M·MMP·1·09/06 [1]. Una vez obtenido el ɣdmax es posible buscar dicho valor de la capa compactada en campo de ese mismo material ya analizado. Lo anterior se hace a través de lo que conocemos como cala, donde se verifica la Masa Volumétrica Seca (ɣd) del sitio. Realizando una comparativa con la ɣdmax es posible obtener un grado de compactación (Gc) de la capa [2]

Este procedimiento se lleva a cabo por medio de la prueba del cono y arena o trompa y arena basado en el manual M·MMP·1·08/03 [3]. Realizar esta prueba en campo consume tiempo valioso y sobre todo es complicado llevarla al tiempo en que se está compactando la capa, lo cual es de suma importancia para no perder humedad.

Derivado de lo anterior, se han buscado alternativas que brinden parámetros que en primer lugar se relacionen mayormente con los parámetros de diseño, es decir, si una estructura de pavimento se diseña mediante módulos, entonces es imprescindible que el control de la calidad de la compactación se lleve a cabo mediante módulos de igual manera. Algunas de esas alternativas son el densímetro nuclear, el equipo Geogauge y el Deflectómetro de Impacto Ligero (LWD).

1.1 Equipos utilizados para medir compactación

1.1.1 Densímetro nuclear

El densímetro nuclear consiste en una fuente de radiación que emite un haz de partículas y un sensor que contabiliza las partículas recibidas que son reflejados por el material o que pasan por él. Cuando se calcula el porcentaje de partículas que regresan al sensor, el equipo puede ser calibrado para determinar la densidad y la estructura interna del material [4].

1.1.2 Geogauge

El equipo Geogauge es un cilindro portátil, no nuclear y su uso es no destructivo; con él, rápidamente se mide la rigidez de los suelos. Pesa aproximadamente 10 kg; tiene un diámetro de 25 cm y 25.4 cm de altura y descansa sobre una base tipo anillo que se coloca directamente sobre el suelo. De acuerdo con su ficha técnica, este equipo cuenta con un vibrador que genera fuerzas dinámicas a 25 frecuencias en el rango de 100 a 200 Hz. La fuerza es transmitida hacia el suelo por medio de un anillo y el desplazamiento es medido por medio de dos sensores de velocidad. El desplazamiento obtenido se utiliza para calcular la rigidez para cada frecuencia aplicada; el valor de rigidez se reporta como un valor promedio de los 25 valores obtenidos. A partir de los valores de rigidez se determina el módulo de elasticidad [5].

2 DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO LIGERO (LWD)

2.1 Significado y uso

El equipo LWD es un dispositivo portátil que puede medir el módulo de rigidez de superficie obtenido directamente de la capa compactada con respecto al módulo de rigidez logrado en el laboratorio, alcanzando así una relación de rigideces. El equipo LWD consta de un dispositivo guía con amortiguador, una masa generadora de impacto, un sistema de medición de carga y una placa de carga.

2.2 Antecedentes del equipo LWD

El primer prototipo de un Deflectómetro de Impacto Ligero se realizó en 1970 en Alemania. Este equipo se dio a conocer en 1981, en Magdeburgo, Alemania, y fue desarrollado como un dispositivo para la evaluación in situ por el Federal Highway Research Institute y la HMP Company en Alemania [6]

El equipo LWD ha ganado aceptación y popularidad en varios países, como Estados Unidos, ya que existe un interés creciente en su uso como dispositivo de pruebas in situ para el control de la compactación en campo. Este dispositivo también se conoce con otros nombres como: Light Falling Weight Deflectometer (Deflectómetro de Impacto Ligero), Light Drop Weight Tester (Dispositivo de Ensaye de Impacto Ligero) y Dynamic Plate Load Test (Prueba de Placa de Carga Dinámica). Existen diferentes tipos de LWD, sin embargo, el principio de su funcionamiento es el mismo.

De acuerdo con su sistema de medición, los equipos LWD se clasifican en dos grupos: el primero, que emplea una celda de carga para realizar la medición de la fuerza en cada impacto; en el segundo grupo, el equipo no utiliza una celda de carga porque la fuerza de impacto está considerada como un valor constante.

En 2007, la American Society for Testing and Materials (ASTM) dio a conocer la norma para equipos LWD que operan con una celda de carga ASTM E2583-07 (2020) [7], mientras que en el año 2011 se publicó la norma para aquellos equipos que no cuentan con una celda de carga, la norma ASTM E 2835-11 (2015) [8]

Posteriormente, en el año 2017 la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) elaboró la norma para el uso del equipo LWD en campo, AASHTO TP 123-01 [9] y para el empleo del equipo en laboratorio la norma AASHTO TP 456-01 (2017) [10]

En 2019, en México, la SICT elaboró la EP-04 para el uso del equipo LWD para la verificación de la calidad de la compactación en pavimentos.

Para el año 2020, la SICT publicó el manual del uso del equipo LWD M·MMP·1·16/20, Grado de Compactación con Deflectómetro de Impacto Ligero (LWD) y como complemento un Boletín Técnico sobre consideraciones y fórmulas del funcionamiento básico del equipo. Este manual es el primero en América Latina para el uso de esta tecnología.

2.3 Principio de funcionamiento del equipo

El funcionamiento básico del equipo LWD se lleva a cabo mediante el principio de caída libre y rebote de una masa sobre un sistema de amortiguamiento. El amortiguador se conecta a la placa, que a su vez está en contacto con el suelo. Una vez que la masa cae sobre el amortiguador, el equipo LWD y el suelo se desplazan juntos en modo acoplado [11]. El sistema LWD-suelo es un sistema

con dos grados de libertad. Durante la carga y el rebote y hasta el momento en que la fuerza de impacto se vuelve cero, el sistema se desacopla, tal como se muestra en la Figura 1

masa de impacto

masa de la placa

De acuerdo con Schwartz y sus colaboradores, el sensor de velocidad (geófono) o acelerómetro registra la velocidad o aceleración de los movimientos de la placa de carga o suelo según la posición del sensor. La posición y tipo de sensor de deflexión es diferente entre los equipos LWD. Una vez finalizada la prueba, el desplazamiento máximo se calcula mediante la doble integración de las aceleraciones o la primera integración de las velocidades, según corresponda. El historial de fuerza y la fuerza máxima se miden mediante una celda de carga o en el caso de equipos sin celda de carga, se considera como una constante. Algunos tipos de LWD también proporcionan geófonos adicionales para medir la deflexión de la superficie con una mayor profundidad [11]

3 MANUAL M·MMP·1·16/20, GRADO DE COMPACTACIÓN CON DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO LIGERO (LWD) [12].

3.1 Contenido

El manual describe el procedimiento para determinar la compactación a través de la relación de rigideces de los materiales compactados de revestimientos, terracerías, subbases y bases.

3.2 Objetivo

Determinar el grado de compactación de una capa de material compactada, definido como el cociente del módulo de rigidez de superficie obtenido en campo, en el módulo de rigidez objetivo obtenido en laboratorio, ambos determinados mediante el equipo LWD.

3.3 Esquema del equipo

En la Figura 2 se muestra un esquema que ubica cada uno de los componentes básicos del equipo LWD.

dispositivo generador de impacto

3.4 Condiciones de uso del equipo

celda de carga (opcional)

sistema de registro de datos

placa de carga transductor de deflexión

Los componentes del deflectómetro de impacto ligero expuestos al medio ambiente, serán capaces de operar bajo lo siguiente:

Operable entre -10° C y 50° C, resistente a la humedad, lluvia y brisa, polvo, golpes y vibraciones tenues.

Impacto de onda semisenoidal con amplitud entre 20 y 50 kN (con celda de carga). Duración del impacto entre 20 y 40 m.

• Sin celda de carga duración de impulso entre 10 y 30 m.

Placa de carga rígida para campo de 150 a 300 mm. Medición de deflexión al centro.

• Diámetro de placa para laboratorio de 150 mm, compatible con molde AASHTO variantes B y D.

Transductor de deflexión capaz de medir el desplazamiento vertical máximo. Pudiendo ser de desplazamiento, velocidad o aceleración.

Celda de carga capaz de medir la carga aplicada en cada impacto.

• De no contar con ella la fuerza de impacto será constante.

Sistema de registro y procesamiento de datos:

• Mostrar y registrar valores de carga y deflexiones aplicadas.

• Con celda de carga, resolución de ± 1µm o menor. Periodo de registro de al menos 60 m. Precisión para celda de carga de ± 0,1 kN y para el transductor de ± 2 µm.

• Con celda de carga, resolución de ± 20 µm o menor. Periodo de registro de al menos 50 m. Precisión para el transductor de ± 40 µm. El equipo debe ser portátil.

3.5 Módulo de rigidez objetivo (Eobj)

3.5.1 Procedimiento

Para cada tramo de estudio, siempre que las características del material de construcción sean las mismas en dicho tramo, se determinará el módulo de rigidez objetivo, Eobj en laboratorio para lo cual se prueban 5 porciones de material de una misma muestra, como se indica a continuación:

1. 40 kg del material de construcción en mismas condiciones.

2. Se preparan y compactan las 5 porciones mediante el procedimiento AASHTO, variantes B y D [1]

• Se apoya el molde AASHTO.

• Se coloca el deflectómetro.

• Se aplican 6 impactos (altura de acuerdo con el tipo de equipo).

3. Se calcula el coeficiente de variación de las deflexiones de cada porción de prueba. Si el coeficiente de variación es menor de 10%, se continúa con el procedimiento de compactación AASHTO, de lo contrario se repite la prueba. El coeficiente de variación se calcula mediante la siguiente expresión:

�������� �������� = �������� �������� ∗ 100

• Donde: C.V. es el coeficiente de variación medido en %, S es la desviación estándar de las deflexiones, δi medida en m y χ es la media aritmética de las deflexiones, δi medida en m.

4. Se registran para cada porción de prueba i, las deflexiones como δi, en mm, y las cargas aplicadas, Fi, en N, las alturas de caída, hi, en mm, y en el caso de equipos que cuenten con celda de carga, el módulo de rigidez de la porción de prueba i, como Epi, en MPa.

En la Figura 3 se representa un esquema del uso del equipo en laboratorio. Se calcula la rigidez del suelo, ki, para cada porción de prueba i, cuando el equipo no cuente con una celda de carga, mediante la siguiente expresión:

=

placa de carga

molde para la prueba de compactación AASHTO

Donde: ki es la rigidez del suelo de la porción de prueba i medida en N/mm, Fmáx es la carga máxima, aplicada por el equipo de los 3 últimos impactos medida en N y δmáx es la deformación máxima promedio, producida por el equipo de los últimos 3 impactos medida en mm.

3.5.2 Cálculo del módulo de rigidez objetivo, Eobj

De manera gráfica se puede calcular directamente para Deflectómetros de impacto ligero que proporcionen el módulo de rigidez de la porción de prueba i, Epi, durante la ejecución de la misma. Se obtiene el contenido de agua óptimo ω0, en %, y a su vez la ɣdmax Cuando el equipo no facilite directamente cada proporción de prueba, i, el módulo de rigidez, Epi, se calcula mediante la siguiente expresión: ������������������������ =

Donde Epi es el módulo de rigidez de la porción de prueba i, medido en MPa, υ es el coeficiente de Poisson según el tipo de material (en el manual se muestra una tabla con valores típicos para ciertos materiales), H es la altura del molde en mm, D es el diámetro de la placa de carga en mm y k ha sido definida anteriormente. Una vez obtenida la ɣdmax y ω0 del material se puede graficar y encontrar con ayuda de ω0 el Eobj, tal como se muestra en la Figura 4

3.5.3 Corrección del módulo de rigidez objetivo para bases

Por efecto del espesor finito de capa de las bases, cuando se tenga un sistema de dos capas, siempre que el espesor de la capa de base sea menor que el diámetro de la placa de carga que esté utilizando el deflectómetro, el módulo de rigidez objetivo corregido, Eobj-corr, se calcula mediante la siguiente expresión:

Donde ELWDObj-corr es el módulo de rigidez objetivo corregido de la capa de base compactada medida en MPa. E1 es el módulo de rigidez objetivo de la capa de base medido en el laboratorio con el equipo el LWD en MPa. El E2 es el módulo de rigidez de superficie medido en el campo de la capa inferior compactada (subrasante o subbase más subrasante) medido en MPa. Finalmente, h es el espesor de la capa superior en mm y ro es el radio de la placa de carga en mm.

3.6 Módulo de rigidez de superficie en campo, ELWD

Para obtener el módulo de rigidez de superficie en campo, ELWD , debe utilizarse el mismo equipo LWD que se usó en el laboratorio con el fin de eliminar posibles diferencias en las mediciones. Asimismo, es indispensable obtener el ELWD dentro de las dos primeras

horas de haber compactado la capa, pues de esta forma se garantiza la confiabilidad de las mediciones al evitar pérdidas de humedad.

3.6.1 Distribución y frecuencia de los puntos

Para el caso de la distribución y frecuencia de los puntos de prueba en capas de revestimiento y terracerías, se tomará en cuenta la Figura 5 a). Para capas de subbases y bases, se tomará en cuenta la Figura 5 b)

3.6.2 Determinación del intervalo de contenido de agua en campo

Se establece el contenido de agua del sitio, de acuerdo con el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·04, al momento de realizar el tendido y compactación de la capa. El valor del contenido de agua deberá estar dentro del siguiente intervalo:

ωo 3%≤ ωcampo ≤ ωo +2%

Donde ωo es el contenido de agua óptimo de acuerdo con lo indicado en el M·MMP·1·04 [12] en % y ωcampo es el contenido de agua en campo del suelo compactado en %.

3.6.3 Procedimiento

En la Figura 6 se observa el esquema a seguir para el uso del equipo LWD en campo, en el manual se explica más a detalle.

Realizar ajustes en el equipo

Limpiar y nivelar la superficie

Dispositivo generador de impacto del deflectómetro

del tramo en estudio

Posicionar el equipo LWD sobre el punto de sondeo determinado

6 impactos Verificar el coeficiente de variación de las deflexiones

Obtención de los módulos ELWD directamente

Si el equipo no obtiene directamente el módulo, calcularlo como sigue:

Donde el ELWD es el módulo de rigidez de superficie de la capa compactada medido en campo en MPa, k y υ ya se han definido anteriormente, A es un factor de distribución de esfuerzo,

2 para suelos mixtos, 8/3 para suelos granulares y π/2 para suelos cohesivos (adimensional) y ro es el radio de la placa de carga en mm.

3.7 Cálculo del grado de compactación (relación de rigideces)

Una vez obtenido el Eobj o en el caso de bases, el Eobj-corr y el ELWD correspondiente, se calcula y reporta el grado de compactación (Gc) del suelo, para cada punto muestreado, como se indica en la Ecuación 7 y 8

Donde RGTS es la relación de rigideces para bases, RGB es la relación de rigideces para revestimientos, terracerías y subbases, Eobj, Eobj-corr y ELWD ya han sido definidos anteriormente.

Cuando los valores de la relación de rigideces (grado de compactación) alcanzados sean iguales a 1 o mayores, significa que el grado de compactación para cada punto de prueba es igual o mayor al indicado en el proyecto o aprobado por la SICT.

Cuando más del 80% de los puntos de prueba tengan relaciones de rigideces iguales a 1 o mayores, significa que el grado de compactación para el tramo en estudio es el indicado en el proyecto o aprobado por la SICT. Si esta condición no se cumple, se considera que el grado de compactación del tramo en estudio no cumple con lo indicado.

3.8 Precauciones para evitar errores

Calibración del equipo dentro del periodo que indique el fabricante y en condiciones óptimas para su uso.

Que en el campo, la superficie de la capa por estudiar sea plana y libre de escombros de manera que permita un contacto completo y uniforme de la placa de carga del equipo LWD.

Que se evite el uso del equipo LWD cuando se observe que el material por compactar en laboratorio tenga un exceso de agua.

Que se limite el uso del equipo LWD únicamente a suelos, excluyendo capas de rodadura.

4 OTRAS CONSIDERACIONES

4.1 Equipos que no cuentan con una celda de carga

Para el caso de equipos que no cuentan con una celda de carga, se considera una fuerza de impacto de 7.07 kN (7 070 N) desde una altura de caída máxima que dependerá del equipo pero que aproximadamente puede rondar los 724 mm. Para alturas de caída diferentes de la máxima, ésta se puede calcular basándose en un modelo mecánico de un grado de libertad como el que se muestra en la Figura 1b, empleando las ecuaciones siguientes:

Donde E es la energía potencial N·mm, la m es la masa en kg, la g es la gravedad en m/s², la h es la altura también en mm, k es la rigidez en N/mm, ∆x es la deflexión en mm, F es la fuerza en N, P es la presión o esfuerzo en N/mm² y A es el área en mm².

Si se requiere obtener una altura para un diámetro de placa diferente, se deberá realizar una igualdad entre la relación de la fuerza y el área correspondiente de cada placa:

Una vez calculada la altura de acuerdo con las áreas de cada una de las placas de carga (para laboratorio o para campo), se calcula la fuerza necesaria para obtener el mismo esfuerzo en cada placa al usar el concepto de un grado de libertad como se muestra en la Figura 7 [11]

Por lo anterior y para el caso de los equipos sin celda de carga, donde la fuerza aplicada desde una altura máxima de caída probable de 724 mm es de 7,07 kN (7 070 N) con la placa de campo (D=300 mm), la fuerza aplicada para el caso del uso en laboratorio con su respectiva placa (D=150 mm) es de 1,7675 kN (1 767,5 N) a una altura de 45,25 mm, esto para el caso del equipo Zorn. En los equipos LWD, como Zorn, que no cuentan con una celda de carga, la fuerza es constante, generando un valor continuo de 22.5. Al aplicar la Ecuación 13 se obtiene el módulo de rigidez de superficie (ELWD).

�������������������������������� = 1,5 �������� �������� �������� = 22,5 ��������

Donde ELWD ya se ha definido con anterioridad, R es el radio de la placa de carga medido en mm, δ es la deflexión máxima promedio medida en mm, σ es el esfuerzo constante de 0,1 N/mm² o MPa. Con la Ecuación 12 no se requiere el valor de rigidez de la capa, sin embargo, es posible obtenerla utilizando la Ecuación 2

4.2 Variables de afectación en el equipo

El diámetro de la placa de carga modificará el módulo debido a la profundidad de influencia [15]. La profundidad de influencia va de 1.0 a 1.5 veces el diámetro de la placa. De acuerdo con la literatura, la medición del ELWD con la placa de carga de 300 mm de diámetro incrementó en 1.15 veces al aumentar el esfuerzo de contacto de la placa de 35 a 120 kPa [16]. Los investigadores recomiendan utilizar amortiguadores de metal debido a que el amortiguador Buffer se ve afectado por el cambio de temperatura hasta en un 30% de variación en los resultados [17]. El factor de rigidez de la placa de carga depende de la rigidez de ésta y del tipo de material compactado [15]. Los ELWD de referencia de los materiales se deben tomar por tipo de LWD empleado, puesto que la literatura demuestra que el equipo LWD de Dynatest es el que mide los valores más altos [18]. En diversas experiencias de la SICT con equipos LWD, se puede comentar que los equipos sin celda de carga tienden a emitir ELWD más bajos y poseen una menor sensibilidad para indicar variaciones de compactación, por ejemplo, entre la zona lateral y central de una vialidad. Los equipos que sí cuentan con una celda de carga tienen mayor sensibilidad y los módulos tienden a ser mayores hasta en un 30%. Se demostró que el ELWD es sensible a la variación de los procesos de carga y descarga del suelo [19]

5 CALIBRACIÓN DE RANGOS DE MÓDULOS DE RIGIDEZ DE SUPERFICIE ELWD MEDIANTE DATOS OBTENIDOS EN LA VERIFICACIÓN DE CALIDAD DE LAS OBRAS CARRETERAS EN MÉXICO.

En la Tabla 4 del manual M·MMP·1·16/20 se pueden encontrar valores de referencia del ELWD para diferentes materiales, sin embargo, estos valores son tomados de investigaciones en EE. UU. por lo cual a través del programa de verificación de calidad para las obras de la infraestructura carretera en México a cargo de la SICT-DGST se han recopilado datos de los últimos 3 años para realizar una calibración de los rangos de ELWD para las condiciones y suelos mexicanos, tomando como referencia lo investigado por Kim y sus colaboradores [14]. A continuación, de manera resumida de la estadística realizada, se muestran los rangos hasta el momento de algunos materiales:

6 CONCLUSIÓN

Sin duda, el uso del Deflectómetro de Impacto Ligero (LWD) es prometedor para el control de la compactación en campo, asimismo, hay diversas líneas de investigación en todo el mundo respecto de este equipo ya que, las ventajas que ofrece incrementarán conforme se realice más investigación. La idea principal de este documento es que el lector conozca el manual que forma parte de la Normativa para la Infraestructura del Transporte y lo que hace la SICT con relación al tema, esperando que aquellos países que aún no cuenten con un manual o con normas las puedan desarrollar a futuro y sobre todo adaptarlas a cada necesidad, así como tropicalizar los datos para los materiales existentes de cada uno. La SICT-DGST seguirá trabajando en la recopilación de datos conforme se ejecuten los contratos de verificación de calidad de las obras carreteras para generar los rangos para los diferentes materiales existentes en el país. Es conveniente decir que hasta la fecha las investigaciones con el uso del equipo LWD aún tienen participación en diversos congresos internacionales. Todavía hay mucho que investigar sobre este equipo, sobre su uso en laboratorio y en campo, y sobre las correlaciones que puede tener con

otros equipos y con el diseño de pavimentos mediante enfoque empírico mecanicista. Además, se están recopilando datos para bases estabilizadas con asfalto espumado, y su uso en carpetas asfálticas recién compactadas que será tema de nuevos trabajos de investigación.

7 BIBLIOGRAFÍA

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[3] Normativa para la Infraestructura del Transporte. (2003). M·MMP·1·08/03, Masas Volumétricas y Coeficientes de Variación Volumétrica. México. Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT). Obtenido de https://normas.imt.mx/ busqueda-desplegable.html#08

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[12] Normativa para la Infrestructura del Transporte. (2020). M·MMP·1·16/20, Grado de Compactación con Deflectómetro de Impacto Ligero (LWD). Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT). Obtenido de https://normas.imt.mx/busqueda-desplegable.html#16

[13] Normativa para la Infraestructura del Transporte. (2003). M·MMP·1·04/03, Contenido de Agua. Manual, Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y TraNsportes (SICT). Obtenido de https://normas.imt.mx/busqueda-desplegable.html#04

[14] Kim, J. R., ASCE, M., Kang, H. B., Daehyeon, K., Park, D. S., & Kim, w. J. (2007). Evaluation of In Situ Modulus of Compacted Subgrades Using Portable Falling Weight Deflectometer and Plate-Bearing Load Test. Journal of Materials in Civil Enginnering, 10. doi:10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:6(492).

[15] Duddu, S. R., & Chennarapu, H. (2022). Quality control of compaction with lightweight deflectometer (LWD) device: a state of art. International Journal of Geo-Engineering, 14. doi:https://doi.org/10.1186/s40703-021-00171-2.

[16] Fleming, P. (2000). Small-scale dynamic devices for the measurement of elastic stffness modulus on pavement foundations. ASTM International, West Conshohocken, 3, 41-58.

[17] Larsen , B. W., White, D. J., & Jahren, C. T. (2008). Evaluation of Dynamic Cone Penetration Quality for Cohesive Soil Embankment Construction. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 9. doi:https://doi.org/10.3141/2081-10.

[18] Pérez Salazar, A., Pérez García, N., & Lara Esperanza, C. A. (2022). Elaboración de recomendaciones para el uso del LWD en el control de la construcción de capas de pavimento. Investigación, Instituto Mexicano del Transporte (IMT).

[19] Gosk, W. (2016). Stiffness estimation of the soil built-in road embankment on the basis of light falling weight deflectometer test., 143, págs. 395-402.

COMPARATIVA DEL DESEMPEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EMPLEADAS PARA BACHEO SUPERFICIAL EN LA CONSERVACIÓN DE PAVIMENTOS

Bruno López, brunolopezher@gmail.com

Vinicio Serment, vserment@sct.gob.mx

Jorge López, jlopezvi@sct.gob.mx

Jose Ramos, jose.ramos@sct.gob.mx

Jordan Ramos, jordan.fic95@gmail.com

Miguel Barragán, vazqui.angel.11@gmail.com

Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes, México, México.

Jorge Alarcón, jorge.alarcon.ibarra@hotmail.com

Universidad

1 INTRODUCCIÓN

Los pavimentos tienden a desgastarse lo cual no llega de forma repentina, sino gradual y progresivamente debido a su uso intensivo y a las condiciones climatológicas. Los deterioros que consigue presentar una carpeta asfáltica disminuyen su vida útil, la comodidad y seguridad del usuario; con frecuencia se deben a un mal diseño de la mezcla (contenido de asfalto, porcentaje de vacíos, el tipo de agregado mineral utilizado, contenido de finos, granulometría y naturaleza del asfalto) [3,4,5,6,7,12]. La carpeta asfáltica presenta deterioros denominados “baches” [15], que son oquedades y producto del desprendimiento o desintegración de la mezcla asfáltica compactada que en general son clasificados por su nivel de severidad (diámetro y profundidad del deterioro) [11,12]

El mantenimiento de la infraestructura del transporte en México que tiene a su cargo la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT), ha adquirido una gran importancia y tiene como objetivo contribuir al bienestar social mediante la construcción, modernización y conservación para una infraestructura carretera accesible, segura, eficiente y sostenible, [13] por lo consiguiente, resulta crucial analizar eficazmente la problemática que afecta el desempeño de las carpetas asfálticas [14]

El presente estudio se realizó para cubrir las necesidades de la SICT, la cual necesitaba contar con diferentes opciones de solución para la reparación de los baches con mezclas asfálticas de fácil

aplicación que se encuentran actualmente en el mercado nacional. Se emplearon 8 mezclas asfálticas, 6 en frío, otra con aditivo rejuvenecedor con agregado 100% RAP y una mezcla asfáltica en caliente de granulometría densa utilizada como referencia [1,2,8]. Todas las mezclas se analizaron con base en la normativa nacional cuyos parámetros se muestran en la Tabla 1 [9]. Además se incorporaron las pruebas para mezclas asfálticas de alto desempeño

2 PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES DE PRUEBA

2.1 Análisis Granulométrico

Las curvas granulométricas presentadas de cada una de las mezclas asfálticas evaluadas, indican el posible comportamiento mecánico. La composición granulométrica de las mezclas 3 y 4 no se puede modificar ya que son mezclas prefabricadas con presentación en costales de 25 kg y 2.0 kg; las mezclas 1, 2, 3 y 8 cumplen con los límites granulométricos en la norma

SICT [10] para un tamaño nominal de 19.0 mm (3/4”). Sin embargo, la mezcla 4, no cumple los requisitos establecidos. Las curvas granulométricas se exponen en la Figura 1

La mezcla 5 se realizó con 50% de agregado grueso y 50% de agregado fino; la mezcla 6 se elaboró con 60% de agregado grueso y 40% de agregado fino y la mezcla 7 se fabricó con 80% de agregado grueso y 20% de agregado fino, para analizar el comportamiento del aditivo en el RAP, como se muestra en la Figura 2

Límites

2.2 Fabricación de especímenes

Se realizó el análisis comparativo de las 8 mezclas asfálticas ya mencionadas, las mezclas 1 y 2 son en caliente y las mezclas 3, 4, 5, 6, 7 y 8 son en frío para trabajos de bacheo; la mezcla 1 se elaboró como referencia empleando un cemento asfáltico PG 76-22, que es el asfalto más utilizado a nivel nacional y un agregado de origen calizo con tamaño nominal de 19 mm; la mezcla 2 fue elaborada con los mismos materiales de la mezcla 1 y se le añadió un aditivo reductor de temperatura; la mezcla 3 es un producto para bacheo denominado para “emergencia”, elaborada con agregado mineral de origen calizo y basáltico con un tamaño nominal de 19 mm; la mezcla 4 está fabricada de materiales reciclados con agregado mineral de tamaño nominal de 12.5 mm; las mezclas 5, 6 y 7 se fabricaron en su totalidad con material 100% RAP y aditivos rejuvenecedores; se emplearon dos muestras con tamaño máximo nominal de 9.5 mm a finos y de 6.3 mm a finos; la mezcla 8 se creó con un polímero aglutinante y un material pétreo de origen calizo de tamaño nominal de 19 mm; en la Tabla 2 se muestran las 3 pruebas de desempeño a las que fueron sometidas los especímenes elaborados para determinar la estabilidad y flujo Marshall, la susceptibilidad de las mezclas asfálticas compactadas al daño inducido por humedad (TSR) y la deformación permanente por rodera con rueda cargada de Hamburgo [14,16]. Finalmente se realizó un análisis con los resultados de las mezclas evaluadas.

Los parámetros volumétricos de las mezclas asfálticas están en función del material pétreo, los aditivos usados y la energía de compactación utilizada. Es por ello que se fabricaron los especímenes de prueba mediante el método Marshall con 75 golpes por cara. De igual forma, para las mezclas para alto desempeño, los especímenes fueron elaborados con 75 giros, de acuerdo con lo que se indica en la Tabla 3

Con la finalidad de verificar la estabilidad y flujo Marshall de las mezclas 1 y 2, se crearon pastillas con 75 golpes por cara, a las temperaturas de 160 °C, 140 °C, 20 °C,100 °C, 90 °C y 80 °C. Para establecer la comparación de la estabilidad y flujo, se fabricaron las pastillas de las mezclas 3, 4, 5, 6, 7, 8 a 75 golpes, determinando que las mezclas elaboradas en frío (de acuerdo con la normativa nacional) son evaluadas de la misma forma que una mezcla convencional en caliente y esta evaluación es distinta de acuerdo al país.

2.3 Determinación de la estabilidad y flujo

Una de las finalidades para la determinación de la estabilidad y flujo

Marshall es evaluar el comportamiento de las mezclas destinadas a trabajos de bacheo [9]. En esta etapa del estudio se realizó el

análisis comparativo que se tiene al reducir la temperatura de compactación de la mezcla 1 utilizada como referencia y la mezcla 2 con la incorporación de un aditivo reductor de temperatura. Se exhiben los resultados obtenidos de la mezcla de referencia en la Tabla 4

La mezcla 2 muestra un incremento considerable en la resistencia en cada una de las baterías compactadas a las diferentes temperaturas. Los resultados obtenidos de la prueba estabilidad y flujo Marshall se presentan en la Tabla 5

Se muestra la comparativa al medir la estabilidad y flujo, reduciendo la temperatura de compactación, afectando la manejabilidad de la mezcla, lo cual provoca falta de cohesión en los especímenes fabricados y causa un aumento en la deformación y decremento en la resistencia; el 83% de las baterías ensayas con la mezcla 1 (aun al tener variaciones de temperatura de compactación) presentan un desempeño aceptable; las pastillas compactadas a 160 °C y 140 °C muestran valores aceptables de carga y deformación al entrar en una zona deseable de comportamiento. Por otra parte, las mezclas compactadas a 120 °C, 100 °C y 90 °C exponen de forma importante problemas en la manejabilidad y densificación de la mezcla, lo

que conduce a una caída en la resistencia y una deformación considerablemente menor; así mismo el 17% de los especímenes correspondientes a la mezcla compactada a 80 °C exhibe problemas de manejabilidad, acomodo y densificación colocándola en una zona no deseable, como se puede observar en la Figura 4

kN

80°: 5.7 mm, 7.605 kN

La mezcla 2, elaborada con un aditivo reductor de temperatura, presenta un incremento en el desempeño de las mezclas evaluadas, al aumentar de forma considerable en un 75% la estabilidad. Las mezclas mantuvieron sus características dúctiles, conservando su manejabilidad y logrando una mejor densificación. De igual forma, se redujo el flujo con respecto a la mezcla de referencia, como se muestra en la Figura 5

160°: 3.9 mm, 23.583 kN

Verificar que tanta resistencia a la deformación tiene y que tan frágil es

140°: 4.3 mm, 18.096 kN

Zona no deseada; mezcla muy rígida

160 °C

140 °C

120°: 4.1 mm, 13.303 kN

Zona con suficiente rigidez; verificar que tanta resistencia a la deformación permanente se tiene equivalentes

Zona óptima para más de 1 millón y menos de 10 millones de ejes equivalentes

90°: 4.9 mm, 12.802 kN

Zona no deseada

80°: 4.9 mm, 12.622 kN

100°: 4.7 mm, 12.871 kN

Zona no deseada; muy desfavorable

Flujo (mm)

Se tomaron los valores más desfavorables de estabilidad y flujo de las mezclas 1 y 2 elaboradas con 75 golpes por cara a una temperatura de 80 °C, sometidas al mismo procedimiento de acondicionamiento, maduración y compactadas de la misma manera que las mezclas para bacheo en frío. Los resultados se muestran en la Tabla 6. Así mismo, se presentan los valores obtenidos de las mezclas 3, 4, 5, 6, 7 y 8.

2.4 Resistencia la tensión indirecta (TSR)

Las mezclas 1, 2, 3, 5 y 8 son las que han presentado un mejor comportamiento durante la evaluación de la susceptibilidad de las mezclas al efecto del agua y el impacto en la resistencia a la tensión indirecta, lo cual es un indicador de la cohesión que han alcanzado las mezclas [2] durante el proceso de compactación. Lo anterior se muestra en la Tabla 7

2.5 Susceptibilidad a la humedad y deformación permanente

La medición de la deformación permanente por rodera de las mezclas asfálticas mediante la rueda cargada de Hamburgo (HWT), es un indicador del daño que provoca el paso del tránsito vehicular, lo cual indica que las mezclas asfálticas son más susceptibles [14]

Cabe señalar que la normativa nacional actualmente no considera esta prueba de desempeño como parte de los requisitos de calidad de las mezclas para bacheo [9] mostrados en la Tabla 8 Tabla

3 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS MEZCLAS

En la Figura 6 se observa la variabilidad de resultados de las mezclas 3, 4, 5, 6 y 7, a excepción de la mezcla 8 que presenta un incremento importante en la estabilidad lo que indica que es una mezcla rígida. Por su parte, las mezclas 1 y 2 muestran un desempeño aceptable.

En la Figura 7 se expone la variación porcentual en la Estabilidad Marshall de las mezclas evaluadas y se muestra el desempeño obtenido de cada una de ellas con respecto a la mezcla de referencia, presentando un incremento del 676% y un decremento del 73%.

En la Figura 8 se observa la variación porcentual del flujo Marshall obtenido de cada una de las mezclas evaluadas con respecto a la mezcla de referencia; la mezcla 4 presenta un incremento del 142%, lo que indica una mayor susceptibilidad a la deformación, mientras que la mezcla 3 presentó un decremento del 68-%.

La Figura 9 muestra la gráfica que representa el comportamiento de las mezclas evaluadas ante los esfuerzos de tensión indirecta y de la estabilidad Marshall alcanzada en los especímenes acondicionado del TSR indicando así las peores condiciones de servicio de la mezcla de referencia; se observa que las mezcla 3 y 5 presentan un esfuerzo a tensión indirecta aceptable pero baja resistencia en estabilidad, obteniendo mezclas con alta susceptibilidad a la deformación plástica no recuperable con la alta posibilidad de presentar deterioros de forma prematura; la mezcla 2, fabricada con la incorporación de un aditivo reductor de temperatura, mantiene la manejabilidad de la mezcla de referencia, lo que logra una densificación y un incremento en los esfuerzos a tensión indirecta y estabilidad óptimos; la mezcla 8 expone un incremento en los esfuerzos y en la estabilidad indicando una mezcla demasiado rígida lo cual la hace muy susceptible al desgranamiento y fracturación; así mismo, la mezcla 1 se comporta favorablemente en las dos pruebas siendo una mezcla con valores aceptables.

La mezcla 3, al ser un producto de aplicación en frío, presenta un porcentaje de vacíos adecuado, pero un bajo desempeño en la Prueba de Resistencia a la Tensión Indirecta. Los especímenes de la mezcla 5 se fabricaron con material 100% de carpeta asfáltica recuperada y la utilización de un aditivo rejuvenecedor que generó una mezcla con poca cohesión y un alto porcentaje de vacíos, permeabilidad y susceptibilidad a la humedad. La mezcla 2, elaborada con un aditivo reductor de temperatura y compactada a una temperatura de 130 °C, manteniendo una buena manejabilidad aún con una temperatura baja, presentó una resistencia a la tensión indirecta aceptable y permeabilidad reducida; la mezcla 1, tomada como referencia y fabricada como mezcla en caliente y mezclada a una temperatura de 160 °C, dio resultados óptimos; sin embargo la mezcla 8, fabricada con un polímero aglutinante presentó permeabilidad, disminución de la cohesión por efecto de la saturación, con lo cual se obtuvieron resultados desfavorables en la resistencia a la tensión indirecta, como se muestra en la Figura 10

La mezcla 1 presentó una deformación máxima de 3.5 mm a 20 0000 pasadas y tuvo un comportamiento aceptable, con poca susceptibilidad a la deformación permanente. La mezcla 2, fabricada con un aditivo reductor de temperatura y compactada a 130 °C, sostuvo una deformación de 3.8 mm a 20 000 pasadas y presentó un desempeño similar a la mezcla de referencia, el empleo del aditivo permite reducir las temperaturas de mezclado y compactación de la mezcla asfáltica sin afectar la trabajabilidad. La mezcla 3 mostró una deformación de 10 mm a 1 790 pasadas lo cual es un desempeño bajo a la deformación permanente. Así mismo, la mezcla 5, fabricada con material con 100% (RAP), tuvo una deformación de 10 mm a 1 074 pasadas y presentó problemas de permeabilidad y susceptibilidad a la humedad. La mezcla 8 expuso 10 mm de deformación a las 11 473 pasadas, mostrando un mejor desempeño con respecto a las mezclas en frío, como se muestra en la Figura 11

4 CONCLUSIONES

Las mezclas en frío arrojaron resultados de estabilidad y flujo Marshall con un decremento del 28% y del 87% con respecto a la mezcla de referencia.

La mezcla elaborada con material recuperado de carpeta asfáltica RAP y un aditivo rejuvenecedor dio un decremento en estabilidad del 46% y decremento en flujo de 58% con respecto a la mezcla de referencia.

La mezcla fabricada con asfalto y un aditivo reductor de temperatura tuvo un aumento de estabilidad de 66% y decremento en el flujo del 14% con respecto a la mezcla de referencia.

La mezcla 8, elaborada con un polímero aglutinante, es susceptible a la humedad y a la temperatura de un orden de 50 °C, lo que la hace una mezcla demasiado rígida con probabilidades de agrietamientos prematuros.

Las pruebas susceptibilidad al daño inducido por humedad (TSR) y determinación de la susceptibilidad a la humedad y deformación permanente mediante la rueda cargada de Hamburgo (HWT) resultan ser muy drásticas para evaluar las mezclas utilizadas para bacheo con los requisitos que actualmente están en rigor.

Las mezclas convencionales usadas para trabajos de bacheo solo funcionan satisfactoriamente a corto plazo y presentan de forma prematura deterioros y deformaciones. Es importante

señalar que se puede tener un incremento en el desempeño de las mezclas, aumentando el tiempo de vida con la utilización de aditivos y clasificando de forma correcta la severidad del bache para la adecuada selección de las mezclas asfálticas para bacheo, tomando en cuenta el lugar de la aplicación y la intensidad vehicular.

Cabe mencionar que, es de interés de la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes continuar con la evaluación de mezclas asfálticas para bacheo y ver a futuro los desafíos y oportunidades de nuevas propuestas, así como desarrollar una actualización en la normativa nacional para un método de evaluación apropiado para las mezclas para bacheo. De igual forma, dar seguimiento a las obras a nivel nacional para ver el desempeño que pueden tener las mezclas en futuros trabajos.

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[3] Delgado, H., Ayala. (2021). Evaluación de las propiedades mecánicas a deformación permanente de mezclas asfálticas para carreteras de alto tránsito. Artículo técnico. Congreso Mexicano del Asfalto.

[4] Flores, M., Delgado, H., Gómez, J.A. (2018). Evaluación del desempeño de mezclas asfálticas con la rueda cargada de Hamburgo. Publicación técnica núm. 568. San Fandila, Qro.

[5] Flores, M., Delgado, H., Gómez, J.A. (2018). Manual de ensayos para mezclas asfálticas en caliente (mac) parte 1, para el cálculo de volumetría y ensayos de desempeño laboratorio. Publicación técnica núm. 516. San Fandila, Qro.

[6] Delgado, H., Ayala, Y., Zambrano, J.M. (2021). Análisis y modelación de la variación de parámetros de diseño en el comportamiento a deformación permanente de una mezcla asfáltica. Publicación técnica núm. 632. San Fandila, Qro.

[7] Garnica, P., Delgado, H., Gómez, J.A. (2004). Aspectos del diseño volumétrico de mezclas asfálticas. Publicación técnica núm. 246. San Fandila, Qro.

[8] Flores, M., Delgado, H., Gómez, J.A. (2018). Evaluación del desempeño de mezclas asfálticas con la rueda cargada de Hamburgo. Publicación técnica núm. 568. San Fandila, Qro.

[9] Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes. Normativa para la infraestructura del transporte (2018). Calidad de Mezclas Asfálticas para Carreteras, N·CMT·4·05·003/16.

[10] Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes. Normativa para la infraestructura del transporte (2017). Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas, N·CMT·4·04/17.

[11] Garnica, P., Flores, M., Delgado, H., Gómez, J.A. (2005). Caracterización geomecánica de mezclas asfálticas. Publicación técnica núm. 267. San Fandila, Qro.

[12] Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes. (2020) Programa Sectorial Derivado del Plan Nacional de Desarrollo 2019-2024.

[13] Dirección General de Servicios Técnicos (2014). Guía de procedimientos y técnicas para la conservación de carreteras en México.

[14] Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes. Normativa para la infraestructura del transporte (2021). Deformación Permanente por Rodera con Rueda Cargada de Hamburgo, M·MMP·4·05·053/21.

[15] Wang, T., Sekou, Y.A. (2022). Advanced cold patching materials (CPMs) for asphalt pavement pothole rehabilitation: State of the art. Journal of Cleaner Production. Beijing, China.

[16] Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes. Normativa para la infraestructura del transporte (2021). Susceptibilidad de las Mezclas Asfálticas compactadas al daño inducido por humedad, M·MMP·4·05·052/21.

EVENTOS

La Asociación Mexicana del Asfalto A.C. (AMAAC), en su incesante labor de difusión del conocimiento, realizó durante el segundo trimestre del 2023, los siguientes cursos:

20 | 21 ABRIL

Las mejores prácticas en técnicas de reparación de pavimentos asfálticos Instalaciones de la CMIC, León, Guanajuato.

17 | 18 MAYO

Colocación y compactación de bases y mezclas asfálticas

Instituto Tecnológico de Cd. Victoria, Tamps.

22 | 26 MAYO

Estudios, diseño y construcción de mezclas asfálticas con RAP A través del Comité de Materiales Reciclados Curso en línea. Ponentes del curso:

16 JUNIO

Criterios para la conservación de pavimentos asfálticos A través de la Planta Productora de Mezclas Asfálticas Con la Secretaría de Obras y Servicios, CDMX.

20 | 22 JUNIO

Curso para personal de los grupos aeroportuarios de nuestro país. Atlantic City, NJ. Centro Nacional de Investigación de Materiales y Pavimentos Aeroportuarios (NAPMRC).

21 | 23 JUNIO

El ABC de las mezclas asfálticas en México La Subsecretaría de Infraestructura de la SICT, a través de la DGST y en coordinación con el IMT y la AMAAC. Curso en línea.