MEJORAMIENTO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS A PARTIR DE LA IMPLEMENTACION DE CAUCHO COMO MATERIAL GRANULAR FINO

Grupo CECATA, Universidad Javeriana

Fredy Reyes, PhD. Profesor Asociado e investigador de pavimentos, Director de la Especialización en Geotecnia Vial y Pavimentos de la Universidad Javeriana.

Ing Mauricio Camacho, Ingeniero Civil , Universidad Javeriana. Ing Hector Rojas, Ingeniero Civil, Universidad Javeriana.

RESUMEN Dado que se presentan casos en los cuales las características de las mezclas asfálticas obtenidas con ligantes convencionales, no son capaces de resistir la acción conjunta del tránsito y del clima, se hace necesario, entonces, desarrollar mezclas bituminosas más resistentes, mejorando sus propiedades mecánicas, haciendo énfasis en la durabilidad, el ahuellamiento y la fatiga. Se busca un mejoramiento en el comportamiento mecánico mediante la incorporación de caucho de neumáticos como material granular fino de la mezcla asfáltica. Se caracterizó el asfalto procedente de la refinería de Barrancabermeja, con el fin de determinar sus características. Se caracterizaron los agregados según normas del INVIAS. Se diseñaron las mezclas asfálticas con y sin incorporación de caucho, para poder establecer las diferencias del comportamiento mecánico entre la mezcla convencional y la modificada. Luego se realizó la caracterización dinámica, para establecer leyes de fatiga, ahuellamiento y módulos dinámicos. Dentro de las posibles aplicaciones de este tipo de mezclas, en las adiciones elevadas en que se realizó este estudio, puede ser el uso en ciclorutas y parques contribuyendo en parte a la solución de contaminación que produce el plástico. El problema de fisuramiento térmico que se presenta en zonas en altura y en especial en climas muy fríos, se puede resolver con el hecho de tener una mezcla muy flexible, resistente a la fatiga y de bajo modulo. Para usos en tráficos elevados se puede emplear asfaltos más duros o mezclas con plastómeros, para suplir la disminución de rigidez que produce el caucho. 1. INTRODUCION El problema de la infraestructura vial en el país radica en desconocer el comportamiento dinámico de los pavimentos debido a problemas de diseño, a la poca oferta y a la baja calidad de los asfaltos, bajas especificaciones de las mezclas y errores constructivos. Esto se puede ver reflejado en numerosas calles y carreteras del país, donde se encuentra en gran cantidad de fallas tempranas. Las deficiencias en los pavimentos, también se deben a que las mezclas no poseen un buen comportamiento mecánico, debido a que son sometidas a condiciones diferentes de trabajo, como flexión, compresión, tracción, cortante, etc.

En Colombia se están empleando los elastómeros termoplásticos de estireno – butadieno – estireno (SBS) que según las experiencias en otros países mejora sustancialmente la resistencia a la deformación y el fisuramiento asociado a las cargas del tránsito (fatiga) y a cambios térmicos, mejora la adhesividad de los agregados y también favorece la resistencia al envejecimiento1. Debido a que se presentan casos en los cuales las características de las mezclas asfálticas obtenidas con ligantes convencionales, no son capaces de resistir la acción conjunta del tránsito y del clima,2 se hace necesario desarrollar mezclas bituminosas más resistentes, mejorando sus propiedades mecánicas, haciendo énfasis en la durabilidad, ahuellamiento y fatiga. 2. OBJETIVOS Buscar un mejoramiento en el comportamiento mecánico mediante la incorporación de caucho neumático como material granular fino de la mezcla asfáltica, especialmente en:

Caracterización del asfalto a utilizar, con el fin de determinar sus características. Caracterización de agregados para verificar que sus propiedades cumplan con

las normas del INVIAS. Diseño de mezclas asfálticas con y sin incorporación de caucho, para poder

establecer las diferencias del comportamiento mecánico entre la mezcla convencional y la modificada. Caracterización dinámica, para establecer fatiga, ahuellamiento y módulos. Comparación de mezclas, para llegar a las conclusiones del trabajo realizado.

3. MODULOS A la magnitud del módulo complejo de una muestra asfáltica se le denomina Módulo Dinámico. Este depende tanto del tiempo como de la temperatura, por tal razón, es una de las propiedades más importantes de una mezcla asfáltica. El módulo dinámico proporciona información de cuanto se deforma el material bajo la acción de una carga especifica, y esta relacionado al fisuramiento por fatiga, a la deformación permanente y a la propagación de una carga en una capa asfáltica. Un material con un tiempo de carga corto, puede responder elásticamente recuperándose casi en su totalidad de la deformación a la que fue inducida; por otro lado, si es sometida a un tiempo de carga muy prolongado, la muestra presentará un comportamiento viscoso, y la recuperación de la deformación será mínima. 1 MONTEJO, Alfonso. Ingeniería de pavimentos para carreteras, segunda edición. Bogotá D.C.: Universidad Católica de Colombia, 2001. 2 ARENAS, Hugo León. Tecnología del cemento Asfáltico. Cali: Fundación para actividades de investigación y desarrollo, 1999.

Fig. No. 1. Propagación de la carga NAT Course notes, University of Nottingham.

4. FATIGA El fenómeno de fatiga se puede definir como el proceso permanente, progresivo y localizado de cambio de las condiciones estructurales de un material sometido a tensiones repetidas y consecuentemente deformaciones inducidas, y que en el caso de las muestras asfálticas culmina con la aparición de fisuras y grietas que conducen a la rotura total después de un número suficiente de repeticiones. En una estructura de pavimento flexible, la aplicación repetida o ciclos de carga producen deformaciones transitorias a todas las capas que constituyen la estructura del pavimento y que pueden a la vez depender de la magnitud de la carga y la temperatura. Cuando la estructura sufre deformaciones superiores a las admisibles en un lapso corto de tiempo, ésta comienza a acumularlas hasta el punto de producirse fracturamientos, fisuras, agrietamientos en bloque, piel de cocodrilo, baches o depresiones que son la manifestación visual del fenómeno de la fatiga en la superficie del pavimento. 5. AHUELLAMIENTO Este es un efecto causado por el movimiento progresivo de los materiales de las capas asfálticas de rodadura o bases asfálticas bajo cargas repetidas. Esto ocurre por consolidación o flujo plástico. La consolidación es la compactación que sufre la capa después de construida debida al transito. Los ahuellamientos también resultan de la deformación permanente por flujo lateral de tipo plástico de la mezcla asfáltica bajo las huellas de las llantas de los vehículos. El uso de un contenido alto de cemento asfáltico es la causa más común de este fenómeno. Mucho contenido de ligante en la mezcla causa la perdida de fricción interna entre las partículas de agregados, por lo que el cemento asfáltico va a tomar más carga que la estructura mineral.

6. DESARROLLO DEL ESTUDIO 6.1. Ensayos Sobre Agregados Los agregados utilizados para el desarrollo de este estudio fue obtenido de la Planta de Pavimentos y Agregados Patria S.A., ubicada en la cantera Vista Hermosa. Los agregados donados por la planta estaban separados en los siguientes tamaños: grava de 5/8”, grava de 3/8”, Arena de Guamo, Arena de Paquilo y Finos de Trituración. Los cuales pueden ser apreciados en la tabla No. 1. y Figura No. 2.

Tabla No. 1. Análisis granulométrico por tamizado

Gs % ABSORCIÓ

N

DESGASTE (%)

CARAS FRACTURADA

S

APLANAMIENTO (%)

ALARGAMIENTO (%)

EQ. DE ARENA

Fig. No. 2. Granulometría empleada.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 0,075 0,106 0,15 0,25 0,30 0,425 0,60 0,85 1,18 2,0 2,36 4,75 9,5 12,75 19,05 25,4 38,1 50,8 64.0 76.1

No 200 No 140 No100 No 60 No 50 No 40 No30 No20 No 16 No 10 No 8 No 4 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1 1/2" 2" 2 1/2" 3"

22 2.60 1.25 Finos de Trituraci

76 2.61 0.96 Arana de Paquilo

77 2.60 1.17 Arena de Guamo

33.4 29.9 28.9 2.38 3.31 Grava 3/8

27.4 23.8 99.9 3.43 2.37 26.1 Grava 5/8

MUESTRA

6.2. Ensayos Sobre Asfalto El asfalto usado en este estudio proviene de la refinería de Barranca y fue suministrado por la Empresa PATRIA S.A y sus principales características se encuentran en la tabla No. 2:

Tabla No. 2. Características del asfalto.

ENSAYO

Penetración a 25°C 75

Punto de Ablandamiento 48.3°C

Punto de Inflamación 252.2°C

Ductilidad 125 cm

Peso Específico 1.012

6.3. Diseño de Mezclas Asfálticas La determinación del porcentaje óptimo de asfalto en la mezcla se realizó mediante el ensayo Marshall, de el cual se obtuvo un porcentaje óptimo de 6.5 %, cuya composición porcentual se encuentra en la Tabla No. 3.

Tabla No. 3. composición de la mezcla.

Material % Grava de 5/8” 23.0

Grava de 3/8” 28.0

Arena de Guamo 19.0

Arena de Paquilo 17.0

Finos de trituración 6.5

Asfalto 6.5

6.4. Mezclas Modificadas El procedimiento para realizar las mezclas modificadas fue el siguiente:

Teniendo el material con el diseño especificado anteriormente, se separó en bolsas los 1200 gramos de material para cada briqueta. Se tamizó la mezcla, separando las arenas finas (pasa tamiz 40, retiene tamiz

200), material que fue reemplazado por caucho neumático del mismo tamaño en proporciones de 25, 50 y 75 %.

7. CONSTATACIONES OBTENIDAS EN LOS ENSAYOS DINÁMICOS Con el fin de evaluar el comportamiento de las mezclas, tanto convencional como modificadas, ante una excitación cíclica producida por el tráfico, se sometieron a pruebas dinámicas en el Nottingham Asphalt Tester (NAT). 7.1. Módulos Dinámicos El NAT que posee la Pontificia Universidad Javeriana permite determinar los Módulos Dinámicos de dos formas diferentes, por deformación controlada y por esfuerzo controlado. Para el desarrollo de este estudio se encontraron los módulos por medio de ensayos a deformación controlada, a tres frecuencias (1.6, 2.0 y 2.5 Hz) y cada una a tres temperaturas (10, 20 y 30°C). Figuras No. 3, 4 y 5, respectivamente. Debido a que este ensayo no es destructivo, las briquetas que se utilizaron serán de nuevo utilizadas para encontrar el ahuellamiento que se presenta en las mezclas. Los ensayos se realizaron de menor a mayor temperatura y a cada una se le aplicaron las frecuencias de mayor a menor. En las tablas siguientes se presenta el resumen de los ensayos que se realizaron. No se obtuvieron datos de Módulos Dinámicos para la mezcla con 75% de caucho como material granular fino porque la deformación generada con el menor esfuerzo que produce el NAT superaba los 5 micrómetros que se buscan cuando se trabaja a deformación controlada. No se obtuvieron datos de Módulos Dinámicos para la mezcla con 75% de caucho como material granular fino porque la deformación generada con el menor esfuerzo que produce el NAT superaba los 5 micrómetros que se buscan cuando se trabaja a deformación controlada. No se obtuvieron datos de Módulos Dinámicos para las mezclas con 50 y 75% de caucho como material granular fino porque la deformación generada con el menor esfuerzo que produce el NAT superaba los 5 micrómetros que se buscan cuando se trabaja a deformación controlada. En las siguientes graficas se observa el comportamiento de los módulos dinámicos con relación a la temperatura y la frecuencia en las diferentes mezclas. La convención utilizada es la siguiente:

• BC.- Mezcla Convencional • BM 25.- Mezcla con 25% de caucho como material granular fino • BM 50.- Mezcla con 50% de caucho como material granular fino

• BM 75.- Mezcla con 75% de caucho como material granular fino

2.5 2 1.6

BM 50BM 25

BC

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

MÓDULO DINÁMICO

(MPa)

FRECUENCIA (Hz)

TIPO DE MEZCLA

MÓDULOS DINÁMICOS PARA T = 10°C

BM 50BM 25BC

Fig. No. 3. Módulos dinámicos a 10°C.

2.5 2 1.6

BM 50BM 25

BC

0

500

1000

1500

2000

2500

MÓDULO DINÁMICO

(MPa)

FRECUENCIA (Hz)

TIPO DE MEZCLA

MÓDULOS DINÁMICOS PARA T = 20°C

BM 50BM 25BC

Figura No. 4. Módulos dinámicos a 20°C.

2.5 21.6

BM 25

BC0100200300

400

500

600

MÓDULO DINÁMICO

(MPa)

FRECUENCIA (Hz)

TIPO DE MEZCLA

MÓDULOS DINÁMICOS PARA T = 30°C

BM 25

BC

Figura No. 5. Módulos Dinámicos a 30°C.

Se puede observar claramente en las figuras anteriores que el Módulo Dinámico disminuye considerablemente a medida que se le adiciona caucho a la mezcla y de igual forma a medida que la temperatura aumenta. En la Figura No. 6 se puede evaluar la variación de los módulos con la frecuencia.

100

1,000

10,000

1 10

FRECUENCIA (Hz)

MÓ

DU

LO D

INÁ

MIC

O (M

Pa)

BC 20°CBM 25 20°CBM 50 20°CBC 10°C

BM 25 10°CBM 50 10°CBC 30°CBM 25 30°C

Figura No. 6. variación de los módulos con la frecuencia.

7.2. Ahuellamiento En esta prueba las briquetas se someten a 3600 ciclos de esfuerzo de 100 kPa después de realizarse una precarga durante 10 minutos de 10 kPa. El ensayo se debe realizar a una temperatura de 40 °C. La deformación axial final al terminar el ensayo se toma como la medida de la resistencia de la mezcla al ahuellamiento o deformación permanente. Se realizaron dos ensayos para cada una de las mezclas y los resultados obtenidos se observan a continuación en la tabla No. 4.

Tabla No. 4. Resultados del ensayo de ahuellamiento.

MEZCLAS BC-1 BC-2 BM 25-1 BM 25-2 BM 50-1 BM 50-2 BM 75-1 BM 75-2

NÚMERO DE CICLOS DE

CARGA DEFORMACIÓN, %

10 0,4652 0,2422 0,5544 0,2461 0,5028 0,4515 0,6614 0,0000 100 0,5997 0,3695 0,8343 0,3843 0,8061 0,6703 0,0000 0,0000

1000 0,8600 0,7054 1,6905 0,6584 1,4602 1,0937 0,0000 0,0000 1400 0,9343 0,8225 1,9323 0,7178 1,6157 1,1766 0,0000 0,0000 1800 1,0163 0,9503 2,1576 0,7640 1,7668 1,2504 0,0000 0,0000 3600 1,8242 5,4939 2,9934 0,9226 2,5115 1,5363 0,0000 0,0000

Al igual que en los Módulos Dinámicos, no se obtuvieron datos para la mezcla con 75% de caucho como material granular fino.

0,10

1,00

10,00

1 10 100 1.000 10.000

Número de pulsos

Def

orm

ació

n ax

ial [

%]

BC

BM 25

BM 50

Figura No. 7. Resultados del ensayo de ahuellamiento.

De acuerdo con los resultados encontrados se observa que existe un mayor ahuellamiento en las mezclas modificadas. 7.3. Fatiga El ensayo se llevo a cabo con unos niveles de esfuerzo entre 100 y 600 kPa y a una temperatura y frecuencia de 20 °C y 2.5 Hz. Se ensayaron tres briquetas para cada mezcla. Los datos obtenidos se observan en la tabla No. 5

Tabla No. 5. Resultados del ensayo de fatiga.

MUESTRA TEMPERATURA

°C FRECUENCIA

Hz

kPa

MPa

BC 20 2.5 600 2475 497 161 BC 20 2.5 380 2180 357 654 BC 20 2.5 220 2273 198 2320 BM 25 20 2.5 600 597 2060 25 BM 25 20 2.5 420 825 1044 104 BM 25 20 2.5 300 757 812 154 BM 50 20 2.5 500 124 8266 3 BM 50 20 2.5 300 202 3045 10 BM 50 20 2.5 100 183 1120 516

meSmax,xσmax,xε fN

No se obtuvieron datos de fatiga para la mezcla modificada con 75% de caucho como material granular fino ver figura No. 8..

y = 10453,195x-0,503

R2 = 0,997

y = 9525,78x-0,35

R2 = 0,91

100

1.000

10.000

1 10 100 1.000 10.000

Número de Ciclos de Falla

Def

orm

ació

n m

áxim

a ho

rizon

tal

BC

BM 25

BM 50

y = 2.968,14x-0,34

R2 = 0,96

Figura No. 8. Características de Fatiga de las mezclas.

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En esta investigación se encontró que al incorporarle caucho como material granular fino a una mezcla tipo MDC-II no se presentan ventajas con relación a las mezclas convencionales a temperaturas normales después de realizarse una caracterización dinámica que comprendió ensayos de Módulos Dinámicos, Deformación Permanente (Ahuellamiento) y Fatiga. Sin embargo, éste tipo de modificación puede ser empleada en lugares donde se presenten bajas temperaturas, inferiores a 10 °C, y en altitudes superiores a los 3500 m.s.n.m. Es importante señalar que aunque los resultados del estudio fueron los esperados por producir un material muy flexible, este como tal no puede ser aplicado directamente como pavimento, pero será el punto de partida para futuras investigaciones, en donde se recomienda adicionar un plastómero para mejorar el comportamiento mecánico (Módulos Dinámicos, Ahuellamientos y Fatigas) de la mezcla, a lo que si se le añade la flexibilidad encontrada al adicionarle caucho se generará una mezcla que soporte las cargas cíclicas producidas por el tráfico, evitando posiblemente que la carpeta asfáltica sufra fisuramientos. Para estudios posteriores se recomienda realizar el ensayo Marshall para cada una de las mezclas modificadas, esto con el fin de obtener un porcentaje óptimo de asfalto menor al convencional. Esta disminución se presentaría debido a que el caucho le proporciona a la mezcla unas características viscoelásticas que complementan la propiedad de fluencia que el asfalto produce dentro de la mezcla. De igual forma, se recomienda la utilización de un asfalto de mayor dureza que le de rigidez a la mezcla, ya que se observó durante este estudio un comportamiento muy elástico en las muestras modificadas. Una aplicación para este tipo de mezclas modificadas es la utilización en ciclorutas y parques, ya que son estructuras que no están sometidas a grandes esfuerzos, de gran durabilidad y poco mantenimiento. La utilización del caucho neumático en mezclas asfálticas es una solución al problema ambiental que sufre Colombia en estos días, ya que los neumáticos son un material de desecho muy contaminante del que están llenos los botaderos y rellenos sanitarios. Este estudio pretendía realizar los ensayos de fatiga para cada tipo de mezcla en el banco de fatiga, equipo adquirido recientemente por la universidad, para lo cual se construyeron 64 briquetas trapezoidales (16 de cada mezcla). Durante el tiempo de desarrollo del estudio no se logró una adecuada calibración del equipo, debido a esto las briquetas mencionadas no fueron falladas y quedan a disposición de la universidad para colaborar con la calibración y posterior utilización del banco de fatiga.

9. BIBLIOGRAFÍA REYES LIZCANO, Fredy. Diseño por Métodos Racionales. Tomo I, Bogotá,

Universidad de los Andes, 1998. MONTEJO FONSECA, Alfonso. Ingeniería de Pavimentos para Carreteras. Bogotá,

D.C.: Universidad Católica de Colombia, 1998.

INSTITUTO NACIONAL DE VIAS, Ministerio de Transporte, Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras, Tomo II y III. Bogotá, D.C: Escuela Colombiana de Ingeniería, 1998.

ECOPETROL, Cartilla práctica para el manejo de asfaltos Colombianos, Instituto

colombiano del petróleo, 1999. ARENAS, Hugo León. Tecnología del cemento Asfáltico. Cali: Fundación para

actividades de investigación y desarrollo, 1999. ESSO Colombia, Manual de diseño y construcción de pavimentos asfálticos, La

Institución, 1979. ECHEVERRI, Jenny Natalia, RUIZ, Jader Rafael, Estudio de los Parámetros

Mecánicos u Ensayos de Fatiga en Mezclas Utilizando Crudo de Castilla, Universidad de los Andes, 1999.

SANTAMARÍA, Marcela Patricia, Determinación de Módulos Dinámicos de Mezclas

con Asfalto Espumado, Universidad de los Andes, 1999.