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INTRODUCCIÓN
Actualmente en varios países se vienen utilizando aditivos e incluso existe normativa que permite garantizar su uso adecuado y controlar la mezcla en obra, en nuestro país las investigaciones se realizan de una manera continua desde hace aproximadamente dos años, lo que permitirá en el futuro contar con información de laboratorio para validar los resultados esperados en el campo, es así que la Universidad Central del Ecuador no podía quedar exenta de participar en las investigaciones en nuestro país y replicar las que se ejecutan en otras regiones del mundo, todas encaminadas en tener mezclas más duraderas y de un mejor comportamiento.
Existen normas y procedimientos internacionales para el diseño de mezclas asfálticas convencionales, así como especificaciones técnicas, sin embargo es necesario que en nuestro país se inicie con una investigación propia que establezca propiedades del comportamiento de las mismas con diferentes aditivos y fuentes de materiales a fin de que los parámetros que se obtengan sirvan de fuente de consulta y tomadas en consideración para la elaboración de una normativa propia.
Caracterizar los agregados que conforman una mezcla asfáltica hoy en día es fundamental, uno de los aspectos que se ha descuidado en nuestro país y los últimos años ante las necesidades de recursos y proyectos que tienen cada vez mejores controles de calidad. Así mismo la necesidad de obtener mezclas de mejores propiedades ha requerido que los laboratorios de pavimentos cuenten con una tecnología que permita estudiar y garantizar su comportamiento en el campo.
Las mezclas asfálticas en caliente presentan mayor uso en el país, se busca obtener mejores propiedades y desempeño de estas, por tal motivo es primordial investigar el efecto que tiene la incorporación de aditivos para mejorarlas (León et al., 2019).
METODOLOGÍA
En la presente investigación se analizará y comparará las características resistentes relacionados con la deformación plástica a través de la determinación de estabilidad y flujo (ensayo Marshall) y el valor de pérdida por desgaste (ensayo Cántabro), de una mezcla asfáltica convencional y la mezcla asfáltica modificada con los polímeros: SBS, RET, SBS y polialuminio.
El diseño de la mezcla asfáltica se realizó mediante el método Marshall, cabe mencionar que este método es aplicable solo para mezclas asfálticas en caliente con agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1 plg.).
El método Marshall se basa en la determinación de la estabilidad y flujo mediante la utilización de especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½ plg.) y un diámetro de 102 mm (4 plg). La estabilidad nos indica la resistencia máxima que soporta la mezcla asfáltica y el valor del flujo es la deformación que se produce en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad.
Se consideró un tráfico pesado para el diseño de la mezcla asfáltica, de acuerdo con los criterios Marshall que constan en las especificaciones generales para la construcción de caminos y puentes MOP-001-F-2002.
Para que una capa de rodadura tenga un buen comportamiento, sus componentes deben ser de buena calidad, tanto en durabilidad como en resistencia, por lo que se analiza cada una de las propiedades que se debe considerar en los materiales pétreos que forman parte de una mezcla asfáltica en caliente (tabla 1).
Los agregados para ser utilizados en una mezcla asfáltica deben cumplir con las especificaciones generales del MOP-001-F2002 que actualmente están vigentes en nuestro País, que proponen los siguientes requerimientos (ver tabla 2):
La fuente de los materiales utilizados en los proyectos de investigación se detalla en la tabla 3.
Una vez realizada la caracterización de los agregados se realizó el diseño de la mezcla asfáltica convencional, se incorporó el aditivo en varios porcentajes hasta determinar el porcentaje óptimo para mejorar las propiedades físico-mecánicas de cada una de las mezclas en estudio. Como parte de la investigación adicional en el Proyecto N° 1 se realizó el ensayo de tracción indirecta y módulo de rigidez o resiliente.
Resultados de caracterización del material pétreo
El desgaste a la abrasión mide la dureza del material, la resistencia a la abrasión e impacto, los agregados sufren degradación durante la producción, colocación, compactación de la mezcla asfáltica y durante la vida útil del pavimento. Todas las minas cumplen con la especificación del MOP-001-F-2002 (ver figura 1).
El peso específico es una forma de expresar la característica del peso y volumen de los materiales. Esta característica es importante en el diseño de mezclas asfálticas, así como también mediante cálculos nos permite determinar el porcentaje de vacíos de las mezclas (Asphalt institute, 1982).
La capacidad de un agregado de absorber agua o asfalto es también un dato muy importante ya que si un agregado tiene la capacidad de absorción muy alto significaría que seguirá absorbiendo asfalto después del mezclado en la planta, dejando así menos asfalto en su superficie para ligar las demás partículas de agregado. Debido a esto un agregado de mayor capacidad de absorción requiere mayor cantidad de asfalto, esto significaría un aumento en el costo de producción, sin embargo, tampoco se recomiendan agregados con capacidad de absorción muy bajos ya que no tendría una buena adherencia con el asfalto (Asphalt institute, 1982) (ver figuras 2, 3, 4, 5).
La forma de las partículas es un factor muy importante ya que afecta a la trabajabilidad de la capa de rodadura durante su colocación, así como la cantidad de fuerza necesaria para su compactación, y resistencia de la estructura a lo largo de su vida útil, por tal motivo se realiza un control de la cantidad de partículas irregulares y angulares, mediante ensayos como el de caras fracturadas y partículas alargadas y achatadas (León et al., 2019) (ver figuras 6 y 7).
El ensayo de contenido de terrones de arcilla y partículas desmenuzables es de suma importancia, ya que el agregado para uso en mezclas asfálticas se requiere que cumplan con especificaciones técnicas de pureza o limpieza.
Las especificaciones técnicas del MOP001-F-2002, señala que el máximo contenido permisible de partículas desmenuzables y terrones de arcilla es de 1%, en la figura 8 se puede apreciar que el agregado fino de la mina Chaupi Chupa 1 dio como resultado un valor superior al permitido en las especificaciones(ver figuras 8 y 9), sin embargo tiene buenas características en las demás pruebas de caracterización por lo que se optó por su utilización con la recomendación de realizar un proceso de lavado previo a ser incorporado en la mezcla asfáltica.
Entre los ensayos ejecutados se realizó el de solidez de los agregados, mediante el uso de sulfato de sodio y magnesio para determinar el comportamiento que tienen los agregados ante la acción de sales que reflejan el comportamiento de los agregados en estado de servicio, se realizó 5 ciclos de lavado y secado utilizando el reactivo Sulfato de Magnesio (MgSO4) y Sulfato de Sodio (Na2SO4) y al final se determinó, el desgaste o pérdida de masa de los agregados (León et al., 2019) (ver figuras 10, 11, 12, 13).
Figura 10 Porcentaje de desgaste al sulfato de magnesio del agregado gruesoSolidez a la acción de Mg (SO4) (Agr. Grueso)
Figura 11 Porcentaje de desgaste al sulfato de sodio del agregado gruesoDurabilidad a la acción de (Na2SO4) (Agr. Grueso)
Figura 12 Porcentaje de desgaste al sulfato de magnesio del agregado finoSolidez a la acción de Mg (SO4) (Agr. Fino)
Figura 13 Porcentaje de desgaste al sulfato de sodio del agregado finoSolidez a la acción de Na2 (SO4) (Agr. Fino)
El ensayo de equivalente de arena permite especificar la cantidad admisible de finos arcillosos o material nocivo en el agregado fino, cuyos resultados se presentan a continuación (ver figura 14).
RESULTADOS
Resultados de la mezcla asfáltica modificada con polímeros SBS y RET, empleando agregados de la mina del sector de Pifo
Se realizó pruebas con 3 porcentajes de aditivo SBS: 2%, 3% y 4%; y 4 pruebas con porcentajes de aditivos RET: 1%, 1,3%, 1,5% y 2%.
Se evidencia el incremento de la estabilidad y flujo en la mezcla asfáltica modificada con polímero RET y SBS respecto al valor obtenido con la mezcla convencional (ver figuras 15 y 16).
Módulo de rigidez o Resiliente es la prueba para evaluar y medir la rigidez de las mezclas asfálticas compactadas, se basa en los mismos principios del ensayo de tracción indirecta, con la diferencia que las muestras son expuestas a cargas cíclicas. Estas cargas dinámicas, tratan de reproducir la condición real del pavimento, con la limitación de evaluar únicamente el comportamiento elástico del material, despreciando la componente del comportamiento viscoso, como si lo hace el ensayo de módulo dinámico complejo (Minaya & Ordoñez, 2006).
Los valores de las mezclas asfálticas modificadas con polímero RET y SBS presentan una variación (aumento disminución) respecto al valor obtenido con la mezcla convencional, es así que, para temperaturas medias y altas (20°C, 30°C y 40°C, 50°C) se presenta un incremento significativo en el módulo de rigidez y a bajas temperaturas (5°C, 10°C) se obtiene valores relativamente similares e incluso bajos (ver figura 17).
En las mezclas asfálticas modificadas con polímeros SBS y RET respecto a la mezcla convencional, la disminución del módulo de rigidez a bajas temperaturas incide en una menor susceptibilidad a la fisura o agrietamiento por fatiga, en cambio con el aumento de este valor a elevadas temperaturas influye en la disminución del riesgo de deformación permanente mejorando la elasticidad, optimizando significativamente estos aspectos que en las mezclas con asfalto convencional son escasos al presentar un comportamiento termoplástico (susceptibilidad térmica alta), duro y quebradizo a bajas temperaturas y blando con baja recuperación elástica a altas temperaturas, convirtiéndose de esta manera el módulo de rigidez (módulo resiliente), una prueba efectiva para caracterizar el desempeño de las mezclas asfálticas en un rango amplio de temperaturas de servicio (Merizalde et al., 2017).
Figura 17 Módulo resiliente de mezcla asfáltica convencional y modificadaIncorporando porcentajes de polímero SBS y RET, a temperatura de 5ºC, 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC y 50ºC
El ensayo cántabro determina el porcentaje de pérdida por desgaste de mezclas asfálticas abiertas sin embargo como parte de investigación se realizó este ensayo para evaluar la cohesión de la mezcla asfáltica, a la vez que es un parámetro para caracterizar al cemento asfáltico en función al menor porcentaje de desgaste presentado en la mezcla (Pérez & Miro, 2002).
Los resultados de pérdida por desgaste para la mezcla convencional y modificada con polímero SBS y RET se evidencian en la figura 18, que disminuye progresivamente el desgaste conforme aumenta el porcentaje de polímero lo que se ve traducida en un aumento de la cohesión en las mezclas asfálticas disminuyendo problemas de penetración de agua y por ende la oxidación aportando en la durabilidad de la vida útil del pavimento (ver figura 18).
Figura 18 Porcentaje de desgaste de mezcla asfáltica convencional y modificada incorporando porcentajes de polímero SBS y RET
Luego de los análisis de desempeño en base a los ensayos ejecutados se concluye que el porcentaje óptimo de polímero SBS es del 3%. Con este porcentaje se tiene un incremento en la estabilidad del 36 % respecto a la mezcla convencional (Merizalde et al., 2017).
El porcentaje óptimo de polímero RET es de 1.3%. Con este porcentaje se tiene un incremento en la estabilidad del 17 % respecto a la mezcla convencional (Merizalde et al., 2017).
El ensayo de Tracción Indirecta mide la resistencia a la compresión diametral de la muestra asfáltica. En la figura 19 se observa que incrementa con el uso de polímeros tanto para el SBS y RET. Para el porcentajes óptimos de polímero SBS del 3% incrementa la capacidad de tracción de 6.74 kg/cm² a 9.49 kg/cm², incrementando un 40.80 % con respecto a la mezcla convencional, mientras que el polímero RET a 1.3 % incrementa su resistencia de 6.74 kg/cm² a 9.18 kg/cm² en un 36.20 % respecto a la mezcla convencional (ver figura 19).
Resultados de la mezcla asfáltica modificada con polímeros SBS y SBR, empleando agregados de la mina sector de Nayón
Se realizó pruebas con 3 porcentajes de aditivo SBS: 2%, 3% y 4%; y 3 pruebas con porcentajes de aditivos SBR: 1%, 2% y 3% (ver figura 20).
Existe incremento de la estabilidad y flujo en la mezcla asfáltica modificada con polímero SBS y SBR respecto al valor obtenido con la mezcla convencional (ver figura 21).
Los resultados obtenidos por el método Marshall indican que la mezcla modificada con los polímeros SBS y SBR, los que mayor estabilidad se produjo son los de 4% de SBS y 3% de SBR.
Sin embargo, éstas no cumplen con el resto de especificaciones del método Marshall (Porcentaje de vacíos; Vacíos del agregado mineral-VAM; Vacíos llenos de asfalto-VFA), por lo tanto no cumplen las especificaciones generales del MOP-001-F-2002 (ver Tabla 4), por consiguiente y como comprobación, las mezclas modificadas con polímero SBS al 2 % y con polímero SBR al 1 %, son las de mejor desempeño global.
Respecto a los valores de la mezcla convencional al incorporar el polímero SBS al 2% incrementa la estabilidad un 20.58% y con el polímero SBR al 1% aumenta un 15.20%.
En el ensayo de Tracción Indirecta se observa que el uso de polímeros SBS del 2% incrementa la capacidad de tracción de 2.69 kg/cm² a 7.74 kg/cm², incrementando un 188% con respecto a la mezcla convencional, mientras que el polímero SBR a 1 % incrementa su resistencia de 2.69 kg/cm² a 3.71 kg/cm² en un 38.20 % respecto a la mezcla convencional (ver figura 22).
En la figura 23 se puede observar que se produjo un menor desgaste en las mezclas modificadas tanto con polímero SBS como SBR, siendo el porcentaje de desgaste promedio de la mezcla convencional 2.6%, mientras que la mezcla modificada con polímero SBS a 2%, tuvo un desgaste promedio de 2.1%, y la mezcla modificada con polímero SBR a 1%, un valor de desgaste promedio de 1.8%, lo cual significa que para la mezcla modificada con el polímero SBS se obtuvo una disminución del desgaste del 19.23%, mientras que para la mezcla modificada con el polímero SBR se obtuvo una disminución del desgaste del 30.77%.
Resultados de mezclas asfálticas en caliente modificadas con polialuminio y mezcla convencional
Se realizaron dos diseños convencionales: una con agregados de la mina Píntag y otra con agregado de la mina de Guayllabamba, a las cuales se incorporó el aditivo polialuminio. Se realizó pruebas incorporando 4 porcentajes: 0.5%, 1%, 1.5% y 2% para la mezcla convencional de cada mina. El Polialuminio es un material reciclado de envases de tetra pack.
Para el diseño de la mezcla asfáltica empleando agregados de Guayllabamba, se tiene que el porcentaje óptimo de polialuminio es de 1.50%, ya que con valores mayores el flujo sale del rango máximo tolerable. Respecto a los valores de la mezcla convencional al incorporar el polialuminio al 1.5% incrementa la estabilidad en un 1.82% (León et al., 2020) (ver figura 24).
Figura 24 Estabilidad y flujo de mezcla asfáltica con agregado de Guayllabamba incorporando porcentajes de polialuminio
Para el caso de diseño de la mezcla asfáltica con agregados de Píntag, se tiene que el porcentaje óptimo de polialuminio empleado en el diseño de la mezcla es de 1.00%, ya que con porcentajes mayores a este, el flujo de la mezcla asfáltica se sale del rango máximo admisible. Respecto a los valores de la mezcla convencional al incorporar el polialuminio al 1.00% incrementa la estabilidad en un 1.98% (León et al., 2020) (ver figura 25).
Figura 25 Estabilidad y flujo de mezcla asfáltica con agregado de Píntag incorporando porcentajes de polialuminio.
El desgaste cántabro debe ser lo menor posible. En la figura 26 se puede observar que al modificar con polialuminio las mezclas asfálticas convencionales el porcentaje de desgaste disminuye. La mezcla asfáltica convencional diseñada con agregados de Guayllabamba presenta un desgaste del 1.19% mientras que la mezcla modificada con 1.50% de polialuminio presenta un desgaste de 1.11%, así mismo, al analizar la mezcla asfáltica convencional diseñada con agregados de Píntag tiene un desgaste del 4.83% mientras que la mezcla modificada con 1.00% de polialuminio presenta un desgaste de 4.50% (León et al., 2020).
CONCLUSIONES
La cantidad de asfalto se obtuvo mediante la Metodología de Diseño Marshall y el porcentaje de aditivo de manera experimental como se encuentra indicado en las figuras 15, 16, 18, 20, 21, 24 y 26.
El material pétreo debe cumplir con las especificaciones generales establecidas por el Ministerio de Transporte y Obras Públicas para ser utilizadas en una mezcla asfáltica.
Las características físicas y mecánicas de los agregados son diferentes por lo que cada diseño de mezcla asfáltica es específico para cada mina.
De manera general la incorporación de aditivos ayuda a incrementar la estabilidad con respecto a una mezcla convencional, sin embargo el aditivo que mejor aporte obtuvo es el polímero SBS: aumentando un 36% para la mezcla realizada con los agregados de la mina Naranjo López (Pifo) y un 20.58 % para la mezcla utilizando los agregados de la mina Chaupi Chupa 1 (Nayón).
La incorporación de los polímeros a la mezcla asfáltica incrementa la resistencia lateral de la mezclas (tracción indirecta). Para el caso de la mezcla asfáltica con agregados de la mina Chaupi Chupa 1 (Nayón) se observa que el uso de polímeros en la mezcla asfáltica SBS del 2% incrementa la capacidad de tracción de 2.69 kg/cm² a 7.74 kg/cm², incrementando un 188 % con respecto a la mezcla convencional, mientras que el polímero SBR a 1 % incrementa su resistencia de 2.69 kg/cm² a 3.71 kg/cm² en un 38.20 % respecto a la mezcla convencional. Mientras que para la mezcla asfáltica con agregados de la mina Chaupi Chupa (Nayón) para el porcentaje de polímero SBS del 3% incrementa la capacidad de tracción de 6.74 kg/ cm² a 9.49 kg/cm², incrementando un 40.80% con respecto a la mezcla convencional, mientras que el polímero RET a 1.3 % incrementa su resistencia de 6.74 kg/cm² a 9.18 kg/cm² en un 36.20% respecto a la mezcla convencional.
En las mezclas asfálticas modificadas con polímeros respecto a la mezcla convencional, la disminución del módulo de rigidez a bajas temperaturas incide en una menor susceptibilidad a la fisura o agrietamiento por fatiga y en cambio con el aumento de este valor a elevadas temperaturas influye en la disminución del riesgo de deformación permanente mejorando la elasticidad, optimizando significativamente estos aspectos que en las mezclas con asfalto convencional son escasos al presentar un comportamiento termoplástico (susceptibilidad térmica alta), duro y quebradizo a bajas temperaturas y blando con baja recuperación elástica a altas temperaturas. Convirtiéndose de esta manera el módulo de rigidez (módulo resiliente), una prueba efectiva para caracterizar el desempeño de las mezclas asfálticas en un rango amplio de temperaturas de servicio.
Las mezclas asfálticas modificadas con polímero y polialuminio disminuye el porcentaje de pérdida por desgaste al cántabro, esto quiere decir que al incorporar polímero aumenta la cohesión de la mezcla disminuyendo así problemas de penetración de agua y por ende la oxidación aportando así en la durabilidad de la vida útil del pavimento.
En comparación con los resultados obtenidos de investigaciones previas, con respecto a la mezcla modificada con polímero SBS, tenemos que dio como resultado el porcentaje óptimo de polímero SBS del 3% con agregados de la mina Naranjo López (Pifo), dando un aumento de la estabilidad en un 36%, respecto de los valores obtenidos de la mezcla convencional, mientras que para la mezcla utilizando agregados de la mina Chaupi Chupa 1 (Nayón) el porcentaje óptimo de polímero SBS fue al 2%, con un aumento de estabilidad del 20.58%, la diferencia puede darse por las propiedades mecánicas de los agregado utilizados en las investigaciones.
Las mezclas modificadas con polialuminio, respecto a los valores de la mezcla convencional con agregados de Píntag el polialuminio al 1.00% incrementa la estabilidad en un 1.98%, para la mezcla con agregados de Guayllabamba al incorporar el polialuminio al 1.5% incrementa la estabilidad en un 1.82% así como también es un gran aporte ya que se utiliza material reciclado de tetra pack y de esta manera ayuda a proteger el medio ambiente.
A continuación se presenta una evaluación de los resultados obtenidos para su comparación cuantitativa, en la evaluación de desempeño en el envejecimiento del asfalto convencional y asfalto modificado con polímero (PAM) SBS y RET con el Ensayo de Película delgada en horno giratorio (RTFO) con la incorporación de los polímeros SBS y RET la pérdida de masa aumentó, esto quiere decir que aumenta la presencia de volátiles en el asfalto (ver figura 27) .
La evolución del desempeño en el envejecimiento del asfalto convencional y modificado mediante el ensayo de penetración y ductilidad fueron los siguientes (ver figura 28, 29, 30, 31):
Figura 28 Variación de penetración en el asfalto convencional y PMA (SBS-RET) en condición original y envejecida.
Figura 29 Variación del punto de ablandamiento en el asfalto convencional y PMA (SBS-RET) en condición original y envejecida
Figura 30 Variación de la recuperación elástica por ductilómetro del asfalto convencional y PMA (SBS-RET) en condición original y envejecida
De los datos obtenidos en la investigación de las propiedades de penetración, punto de ablandamiento y ductilidad, estas cambian después del envejecimiento. Los PMA mostraron un endurecimiento progresivo representado en una disminución en la penetración y un aumento en la temperatura del punto de ablandamiento.
En la evaluación de desempeño en el envejecimiento del asfalto convencional y asfalto modificado con polímero (PAM) SBS y SBR mediante el Ensayo de Película delgada en horno giratorio (RTFO) los resultados obtenidos con la incorporación de los polímeros SBS y SBR existe mayor presencia de volátiles en el asfalto por consiguiente se produce una mayor pérdida de masa, tal como con el RET, explicado anteriormente.
La evolución del desempeño en el envejecimiento del asfalto convencional y modificado se hizo mediante el ensayo de penetración y ductilidad cuyos resultados fueron los siguientes (ver figuras 32 y 33):
Figura 32 Variación de penetración en el asfalto convencional y PMA (SBS-SBR) en condición original y envejecida.
Figura 33 Variación de la ductilidad en asfalto convencional y PMA (SBS-SBR) en condición original y envejecida
Al respecto el asfalto sufrió un proceso de endurecimiento, lo que implica una disminución de la elasticidad y un aumento de la rigidez al incorporar los polímeros SBS y SBR, mayor será la resistencia de la mezcla asfáltica ante la formación de roderas (ahuellamiento).
RECOMENDACIONES
Los resultados de la caracterización de los agregados pétreos no se deben considerar como valores únicos de la zona, estos se pueden alterar debido a meteorización, tipo de producción, variación de estratos, se recomienda realizar la caracterización de los agregados periódicamente en las minas.
Se debe continuar con la recopilación de información de los proyectos de investigación que se realicen en el Laboratorio de Pavimentos incorporando nuevos aditivos.
Es importante que exista un Laboratorio de Pavimentos en las Universidades, que daría apertura a continuar investigando nuevos aditivos que puedan mejorar las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas y combatir la problemática que existe en la durabilidad de las vías en el país y buscar nuevas mezclas para construcción y mantenimientos viales.
