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PROYECTO FIN DE CARRERA INFLUENCIA DE LA NATURALEZA DEL FÍLLER DE APORTACIÓN EN LA ADHESIVIDAD ÁRIDO-LIGANTE PARA MEZCLAS BITUMINOSAS DISCONTÍNUAS AUTOR Miguel Ángel Moreno Pérez DIRECTORES Icíar Alfaro Ruiz José Miguel Fuertes Arnal ESPECIALIDAD Mecánica CONVOCATORIA Septiembre 2011 2 Agradecimientos: La realización de este proyecto no habría sido posible sin la ayuda inestimable de ciertas personas, cuyo esfuerzo ha sido muy importante antes, durante y después de realizar dicho estudio. En primer lugar, quiero mostrar todos mis agradecimientos a la empresa Mariano López Navarro, por brindarme la oportunidad de llevar a cabo este proyecto. En especial a José Miguel y Alberto, que son las personas que me han ayudado a realizarlo, dentro de su disponibilidad en su horario de trabajo. Quiero agradecer a mi directora de proyecto, Icíar Alfaro Ruiz, por haberme dado la oportunidad de desarrollar este proyecto, gracias a su participación en la Cátedra que la Universidad de Zaragoza comparte con el grupo constructor Mariano López Navarro. Agradecerle su atención, motivación y apoyo durante la realización del proyecto. No me quiero olvidar de María Ángeles Pérez, por su esfuerzo inicial para contactar con la empresa, ya que sin su labor, seguramente no hubiera podido realizar este proyecto. Por último, agradecer el apoyo tanto de amigos como de mi familia, en especial a mis padres y mi hermano, que siempre son el mejor apoyo que tengo día a día. 3 ÍNDICE GENERAL: CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Motivación del proyecto............................................................................................... 9 1.2 Objetivos..................................................................................................................... 10 1.3 Contenido del proyecto............................................................................................... 11 CAPÍTULO 2: Firmes 2.1 Introducción................................................................................................................13 2.2 Funciones del firme..................................................................................................... 14 2.3 Características funcionales del firme.......................................................................... 15 2.3.1 Características superficiales................................................................................. 15 2.3.2 Características estructurales................................................................................. 18 2.4 Tipos de firmes ........................................................................................................... 20 2.4.1 Firmes flexibles.................................................................................................... 20 2.4.2 Firmes rígidos...................................................................................................... 22 2.4.3 Firmes mixtos ...................................................................................................... 22 2.5 Constitución del firme................................................................................................. 23 2.5.1 Capa de rodadura................................................................................................. 24 2.5.2 Capa intermedia o binder..................................................................................... 29 2.5.3 Capa de base ........................................................................................................ 29 2.5.4 Capa sub-base...................................................................................................... 31 4 2.5.5 Explanada mejorada.............................................................................................31 2.5.6 Capas especiales................................................................................................... 31 2.6 Materiales empleados en la construcción de firmes ................................................... 32 CAPÍTULO 3: Mezclas asfálticas en la construcción de firmes 3.1 Definición ................................................................................................................... 35 3.2 Componentes de las mezclas asfálticas....................................................................... 36 3.2.1 Agregados pétreos................................................................................................ 36 3.2.1.1 Definición ................................................................................................... 36 3.2.1.2 Clasificación de los áridos.......................................................................... 37 3.2.1.2.1 Criterio de naturaleza mineral................................................................ 37 3.2.1.2.2 Criterio de procedencia.......................................................................... 39 3.2.1.2.3 Criterio de adhesividad árido-ligante..................................................... 40 3.2.1.2.4 Criterio de granulometría...................................................................... 41 3.2.1.3 Propiedades y caracterización de los áridos.................................................. 41 3.2.1.3.1 Propiedades de conjunto: granulometría............................................... 43 3.2.1.3.2 Forma y tamaño de los áridos. Angulosidad. Tamaño máximo. .......... 44 3.2.1.3.3 Resistencia mecánica al desgaste.......................................................... 46 3.2.1.3.4 Resistencia al pulido.............................................................................46 3.2.1.3.5 Durabilidad ........................................................................................... 47 3.2.1.3.6 Afinidad entre árido y betún................................................................. 47 3.2.1.3.7 Propiedades de las partículas finas ....................................................... 48 5 3.2.2 Ligantes................................................................................................................ 50 3.2.2.1 Definición y tipos.......................................................................................... 50 3.2.2.1.1 Ligantes modificados............................................................................. 51 3.2.2.2 Procedencia y obtención............................................................................... 53 3.2.2.3 Propiedades..................................................................................................55 3.3 Clasificación de las mezclas asfálticas ....................................................................... 57 3.3.1 Por el árido empleado.......................................................................................... 58 3.3.2 Por la temperatura de puesta en obra................................................................... 58 3.3.3 Por el porcentaje de huecos en mezcla ................................................................ 59 3.3.4 Por el tamaño máximo de los áridos.................................................................... 60 3.3.5 Por la granulometría de los áridos ....................................................................... 61 3.3.6 Por la estructura del árido.................................................................................... 61 CAPÍTULO 4: Mezclas bituminosas en caliente discontínuas para capas de rodadura 4.1 Definición ................................................................................................................... 63 4.2 Materiales y criterios de diseño.................................................................................. 64 4.2.1 Ligante hidrocarbonado....................................................................................... 64 4.2.2 Áridos...................................................................................................................66 4.2.2.1 Características generales.............................................................................. 66 4.2.2.2 Árido grueso................................................................................................. 66 4.2.2.3 Árido fino.....................................................................................................68 4.2.2.4 Polvo mineral............................................................................................... 69 6 4.3 Tipo y composición de la mezcla................................................................................ 70 4.4 Parámetros de análisis................................................................................................. 72 4.5 Ventajas de uso respecto a las mezclas tradicionales................................................. 74 CAPÍTULO5: Ensayos experimentales. Resultados y conclusiones. 5.1 Metodología................................................................................................................ 75 5.1.1 Selección granulométrica y fórmula de trabajo.................................................. 75 5.1.2 Elección tipo de ligante....................................................................................... 80 5.1.3 Elección porcentaje de ligante............................................................................ 80 5.2 Realización de ensayos............................................................................................... 81 5.2.1 Preparación y realización de las probetas..........................................................81 5.2.2 Densidad y análisis de porcentaje de huecos en la mezcla................................. 92 5.2.2.1 Cálculo de densidad relativa........................................................................ 93 5.2.2.2 Determinación de los huecos....................................................................... 95 5.2.3 Ensayo Cántabro................................................................................................. 98 5.2.3.1 Objeto y campo de aplicación....................................................................... 98 5.2.3.2 Aparatos y material necesarios..................................................................... 99 5.2.3.3 Procedimiento del ensayo Cántabro............................................................ 100 5.2.3.4 Cálculos y resultados obtenidos.................................................................. 105 7 5.3 Resultados obtenidos ................................................................................................106 5.3.1 Resultados en serie de probetas filler silicio.....................................................107 5.3.2 Resultados en serie de probetas filler calizo.....................................................110 5.3.3 Resultados en serie de probetas filler cemento................................................. 113 5.3.4 Resultados en serie de probetas filler incineración lodos depuradora............... 116 5.3.5 Fotografías de las probetas tras su estudio....................................................... 119 5.4 Conclusiones.............................................................................................................121 5.5 Perspectivas futuras ..................................................................................................126 Bibliografía.....................................................................................................................127 8 9 Capítulo 1: Introducción 1.1 Motivación del proyecto Los requerimientos de seguridad al tránsito exigidos hoy en día a las superficies de rodamiento, han llevado a desarrollar materiales con características diferentes a los convencionales. La Mezcla Asfáltica Drenante (MAD) o Mezcla Asfáltica Porosa (MAP), es un material que ha sido desarrollado en esta línea de pensamiento. Este tipo de mezclas se caracterizan por tener un elevado porcentaje de huecos interconectados entre sí (16 a 25% o más, dependiendo del uso, habitualmente en capas de rodadura). Estos huecos permiten el paso del agua a través de la misma, favoreciendo su eliminación en la superficie del camino, y presentando una alta macrotextura y microtextura, ésta última como consecuencia de la calidad de los áridos usados. El diseño de estas mezclas presenta un compromiso entre su porosidad y su resistencia al desgaste. El equilibrio de estas propiedades trae como consecuencia una mezcla óptima, ya que al ser éstas contrapuestas, el aumento de la porosidad suele inducir una disminución de la resistencia al desgaste. Esta última es necesaria para que la capa no se desintegre y pueda responder satisfactoriamente a las solicitaciones del tránsito. En el presente proyecto se intenta participar de forma activa en la investigación de este tipo de mezclas para su posterior utilización en elementos de obras públicas ,como son las carreteras, mediante una serie de ensayos en el Laboratorio I+D del grupo constructor Mariano López Navarro, situado en la localidad de Bárboles (Zaragoza). 16 1.- Resistencia al deslizamiento: Muy importante para asegurar el contacto en todo momento entre vehiculo y carretera, sobre todo en los tramos complicados. Esta propiedad esta íntimamente relacionada con la textura superficial del firme y el tipo de árido empleado en su construcción. 2.- Resistencia superficial: Afecta sobre todo a la comodidad del usuario y viene determinada por el grado de alabeo tanto longitudinal como transversal del pavimento. En este sentido, las deformaciones con pequeñas longitudes de onda son las que mayor sensación de incomodidad producen, conllevando en ocasiones cierto peligro. 3.- Drenaje superficial: La rápida evacuación de las aguas pluviales caídas directamente sobre el firme hacia los laterales es otro factor a considerar de cara a la seguridad de los usuarios. Un correcto drenaje superficial evita salpicaduras, perdidas de agarre, y fenómenos de "aquaplanning". 4.- Reflexión lumínica: El brillo del firme, producido por la reflexión de fuentes luminosas, el sol durante el día, o los faros y luminarias por la noche, es otra propiedad a considerar, para evitar molestos y peligrosos fenómenos de reducción de visibilidad y deslumbramiento, especialmente por la noche. 5.- Ruido de rodadura: La generación del ruido ocasionada por el contacto entre neumático y pavimento es una de las principales fuentes de contaminación acústica en núcleos de población. Además, los ocupantes del vehiculo también sufren de forma continua sus efectos nocivos. Estos aspectos del firme están principalmente asociados con la textura y regularidad superficial del pavimento. En la Tabla 1 puede observarse la incidencia de cada uno de estos factores sobre las cualidades del firme. Dentro de la textura se suele distinguir entre la microtextura, irregularidades superficiales del pavimento menores de 0.5 mm, la macrotextura, irregularidades de 0.5 a 50 mm, y la megatextura, irregularidades de 50 a 500 mm. 17 La primera sirve para definir la aspereza del pavimento, la segunda su rugosidad y la tercera está más asociada con los baches que puede haber en el firme. Tabla 1. Efecto de las características superficiales en los firmes Como puede observarse en dicha tabla, la microtextura, la aspereza del pavimento, es necesaria para conseguir una buena adherencia. La macrotextura es necesaria para mantener esa adherencia a altas velocidades o con el pavimento mojado. La macrotextura mejora también la visibilidad con pavimento mojado, elimina o reduce los fenómenos de reflexión de la luz, que tienen lugar en los pavimentos lisos mojados, y mejora la percepción de las marcas viales. Por contra, los pavimentos rugosos, con fuerte macrotextura, producen un mayor desgaste de los neumáticos y suelen resultar ruidosos. 18 La megatextura y la irregularidad superficial resultan indeseables desde cualquier punto de vista. Inciden negativamente sobre la comodidad y aumentan el ruido de rodadura, los gastos de mantenimiento de los vehículos y los gastos de conservación de la vía. 2.3.2 Características estructurales Se hallan relacionadas directamente con las propiedades resistentes (físicas y mecánicas) de los materiales que constituyen el firme y con el espesor de las capas que lo conforman. Los materiales pétreos que componen cada capa deben ser cuidadosamente seleccionados, de forma que se garantice una calidad suficiente para que el firme sea resistente y duradero. En este sentido, es importante que los áridos presenten una adecuada composición granulométrica, una forma regular con bordes angulosos y un bajo contenido en finos. La normativa española, mas concretamente el PG-3 (pliego de prescripciones técnicas), especifica con mayor detalle los requisitos que deben cumplir los materiales en función de la capa. El espesor de las capas también define la forma de transmisión y el grado de amortiguamiento de las vibraciones ocasionadas por los vehículos. Lógicamente, un mayor grosor contribuirá a mejorar las propiedades resistentes de una determinada capa. El diseño de cada capa debe ser armónico con el de los limítrofes, de forma que las tensiones se disipen gradualmente, consiguiendo un buen comportamiento estructural del conjunto. Puede decirse que un firme bien proyectado es aquél en el que todas sus capas trabajan a la máxima tensión admisible y presentan un coeficiente de seguridad a la rotura similar, de forma que teóricamente todas ellas colapsarían a la vez ante una solicitación excesiva. 19 Una afirmación que puede extraerse del anterior párrafo es que la calidad de un firme no depende de su espesor, tal y como se creía antiguamente, sino de la homogeneidad tensional, es decir, de unas condiciones de trabajo similares en cada capa del firme. En el siguiente esquema, se resume de manera intuitiva los conceptos importantes de este apartado 2.3 : Tabla 2. Resumen de las propiedades del firme 20 2.4 Tipos de firmes Actualmente, la técnica de construcción de carreteras cuenta con una gran variedad de firmes que se adaptan a las diferentes exigencias del entorno. No obstante, y atendiendo a la composición de sus capas, y por tanto, a la forma que tienen de resistir y transmitir los esfuerzos, pueden distinguirse los siguientes tipos, recogidos en este esquema: Tabla 3. Tipología de firmes 2.4.1 Firmes flexibles Este tipo de firmes se caracterizan por estar constituidos por una serie de capas cuyos materiales presentan una resistencia a la deformación decreciente con la profundidad; este hecho obedece al mantenimiento de la proporcionalidad entre tensión y deformación en cada punto del firme, intentando conseguir un trabajo conjunto de la totalidad de las capas. Las capas más superficiales están formadas por mezclas bituminosas, compuestas por áridos y ligantes hidrocarbonados convenientemente dosificados, lo que otorga al firme el carácter flexible que le da nombre. Estas capas se apoyan sobre capas granulares formadas por zahorras de origen natural o artificial, de menor capacidad portante, encargadas de repartir adecuadamente las tensiones verticales. 21 Dentro de este tipo de firmes encontramos los drenantes y semirrígidos. En concreto, la capa de rodadura de los flexibles drenantes, son el objeto de estudio de este proyecto. Firmes semirrígidos El aumento de las intensidades y las cargas de tráfico dio lugar a los firmes semirrígidos, que presentan sus capas inferiores estabilizadas con cemento o mayores espesores de las capas bituminosas. Este hecho dota al firme de una mayor rigidez y de un comportamiento estructural muy distinto, ya que la capacidad portante de las capas aumenta con la profundidad. A pesar de esta notable diferencia, los firmes semirrígidos suelen incluirse dentro del grupo de los firmes flexibles debido a la análoga composición de sus capas superiores, formadas por mezclas bituminosas. Firmes drenantes Este tipo de firmes ha surgido con la aparición de los nuevos betunes modificados con polímeros (BMP). La innovación que presentan con respecto a los firmes tradicionales es la doble función drenante y resistente de la capa de rodadura; de este modo, el agua caída sobre el firme se filtra directamente, evacuándose por gravedad a través de la red porosa. Además de mejorar las condiciones de resistencia al deslizamiento en firme mojado se reducen otras características indeseables, tales como la producción de ruido o la generación de charcos y salpicaduras. En zonas secas, presentan el inconveniente de que la red porosa puede llegar a obturarse por falta de precipitaciones que vayan lavando las partículas en suspensión. 22 2.4.2 Firmes rígidos Los firmes rígidos constan de un pavimento formado por una losa de hormigón apoyada sobre diversas capas, algunas de ellas estabilizadas. Se distinguen distintos tipos en función de de la clase de pavimento empleado. En este tipo de firme la losa actúa al mismo tiempo como capa de rodadura y como capa base. La capa soporte no tiene ningún fin estructural sino el de proporcionar una capa de apoyo adecuada a la losa de hormigón y facilitar la construcción de esta. Dentro de los pavimentos de hormigón se engloban: • Pavimento de hormigón armado • Pavimento de hormigón pretensado • Pavimento de hormigón compactado • Pavimentos prefabricados de hormigón • Pavimento de losas cortas o largas También se engloban los adoquines de hormigón, empleados sobre todo en zonas urbanas e industriales dado su alta resistencia al trafico pesado. 2.4.3 Firmes mixtos Este tipo de firmes viene a ser un híbrido entre los dos grandes grupos ya comentados anteriormente. Su pavimento está formado por una capa de hormigón de baja calidad, recubierta por un pavimento bituminoso, que es el que asumirá las características de rodadura. Se emplean sobre todo en zonas urbanas, y se justifican por la presencia de redes de servicios bajo la calzada, que deben protegerse de la acción del tráfico pero que con frecuencia deben ser objeto de operaciones de reparación y mantenimiento. 23 2.5 Constitución del firme Como ya se ha dicho, el firme es una estructura multicapa constituida por un conjunto estratificado de capas sensiblemente horizontales que reposan una sobre otra, pudiendo existir entre ellas distintos tipos de tratamientos que mejoren su adherencia. Tradicionalmente se distinguen cuatro zonas dentro del firme, en función del cometido que desempeñan. Cada una de estas zonas puede estar compuesta por una o más capas: (a) Pavimento: Es la parte superior del firme, encargada de resistir directamente las solicitaciones originadas por el tráfico. Además, actúa como medio de contacto con el vehículo, por lo que es el responsable de las características superficiales del firme. Estructuralmente, absorbe los esfuerzos horizontales y parte de los verticales. (b) Capas de base y sub-base: Situada justo debajo del pavimento, tiene una función eminentemente resistente, amortiguando gran parte de las cargas verticales. Pueden estar formadas por zahorras naturales o artificiales, o por materiales granulares tratados con algún tipo de conglomerante. (c) Capas especiales: Se emplean en circunstancias especiales, como en terrenos heladizos (capa anti-hielo) o en suelos de mala calidad (capa anticontaminante). (d) Explanada mejorada: Es la capa más superficial de la obra de tierra que soporta el firme, estando convenientemente preparada para su recepción. En el caso de firmes con mezclas bituminosas, existen además una serie de “capas de espesor cero”, constituidas por riegos asfálticos aplicados durante la construcción del firme en la superficie de determinadas capas para mejorar sus características de adherencia con la capa superior. 24 En el siguiente dibujo, podemos apreciar las distintas capas que componen el firme. A continuación, se detallan las capas del firme flexible en la imagen 1: Imagen 1. Capas genéricas de un firme 2.5.1 Capa de rodadura Esta capa conforma la parte más superficial del pavimento, por lo que está sometida a la intemperie y en contacto directo con los neumáticos; por ello, es la que está sometida a un mayor número de exigencias, debiendo cumplir estos 4 requisitos: 1.- Debe ser resistente, ya que debe resistir fuertes presiones verticales de contacto ejercidas por los neumáticos (hasta 15 kg/cm2, considerando impactos) y absorber la práctica totalidad de los esfuerzos tangenciales provocados por el frenado, la aceleración centrífuga o la propia rodadura de los vehículos. 2.- Otro requisito que debe cumplir es el de ser antideslizante, ofreciendo un coeficiente de resistencia al deslizamiento entre neumático y carretera –tanto longitudinal como transversalsuficiente para garantizar la seguridad de los usuarios, especialmente en condiciones meteorológicas adversas. Una textura superficial áspera con áridos angulosos favorecerá este aspecto. 25 3.- También debe ser duradera, es decir, que sus propiedades perduren a lo largo del tiempo, degradándose lo menos posible. Suele exigirse al firme una durabilidad correspondiente al periodo de proyecto estipulado, normalmente entre 15 y 25 años. Para mejorar las cualidades adherentes de esta capa, puede aplicarse sobre ellas un riego de una mezcla denominada comunmente slurry de varios milímetros de espesor, compuesto por un mortero de arena silícea y betún asfáltico que aumenta el rozamiento, sobre todo en carreteras deterioradas por el uso, con áridos excesivamente pulidos: Imagen 2. Extensión de una capa de slurry sobre un firme en servicio 4.- Por último, debe ser impermeable, evitando el paso del agua a capas más profundas y susceptibles a la presencia del líquido elemento. Además, debe poseer una textura superficial que facilite la evacuación de las aguas pluviales. 32 (b) Membranas y geotextiles: Este tipo de elementos han ido sustituyendo a las capas anticontaminantes ya que son más ligeros y efectivos, consiguiendo aislar rigurosamente la explanada de las capas del firme. (c) Capas anti-hielo: Se emplean en zonas de bajas temperaturas, donde el suelo está sujeto a un continuo proceso de congelación y descongelación. Estas capas suelen tener un espesor considerable –entre 40 y 60 cm-, empleándose para su construcción materiales granulares insensibles a la helada. (d) Capas estabilizadas: En zonas de frecuentes lluvias puede ser necesario estabilizar con betún o cemento los últimos centímetros de la coronación de la explanación, para protegerla del agua y permitir el paso de la maquinaria de obra. 2.6 Materiales empleados en la construcción de firmes Las materias primas empleadas en la confección de las diferentes capas de un afirmado son las que se citan a continuación: - Suelos granulares seleccionados: Empleados para confeccionar la explanada mejorada e incluso ciertas capas del firme, ayudados por algún tipo de conglomerante. - Materiales pétreos: Los áridos, tanto naturales como de machaqueo, son parte indispensable del firme, ya que forman su esqueleto resistente y confieren al mismo sus características superficiales y estructurales más importantes. 33 - Ligantes bituminosos: Este grupo lo conforman aquellos materiales obtenidos de la destilación del petróleo y que desempeñan un papel aglomerante. De entre ellos cabe destacar los betunes asfálticos, emulsiones bituminosas, betunes fluidificados o las emulsiones. - Conglomerantes hidráulicos: Empleados en la confección de capas granulares estabilizadas o de capas de rodadura en pavimentos rígidos (de hormigón). Los más empleados en carreteras son el cemento y la cal aérea, aunque también se usan otros de origen industrial: escorias granuladas, cenizas volantes, etc. - Agua: Imprescindible para la humectación y compactación de las capas granulares, confección de riegos y mezclas bituminosas o la fabricación del hormigón empleado en los pavimentos y bases de los firmes rígidos. - Materiales auxiliares: Dentro de este grupo se incluyen las armaduras de acero empleadas en el armado de firmes rígidos, aireantes, colorantes y plastificantes para hormigones, activantes para las mezclas bituminosas, geotextiles, etc. Todos estos materiales se combinan entre sí para formar diferentes mezclas y compuestos, que son los que realmente configuran el firme. Los más empleados son: - Capas granulares: Formadas únicamente por áridos de granulometría continua, zahorras naturales y artificiales, o de granulometría discontinua y uniforme, como es el caso del macadam. - Estabilizaciones: En este grupo de compuestos se engloban los suelos estabilizados con conglomerantes –cemento o cal- o productos bituminosos. Algunos de los más populares son la gravacemento, gravaescoria, gravaemulsión, etc. 34 - Mezclas bituminosas: Compuestas por áridos embebidos en un ligante bituminoso. Reciben diferentes denominaciones en función de su apariencia, constitución y puesta en obra. Se emplean en las capas superficiales de los firmes flexibles. - Hormigones: Forman el pavimento de los firmes rígidos - Tratamientos superficiales y riegos: En este grupo se engloban diferentes compuestos cuya misión es mejorar determinadas características del firme o restaurar aquéllas que se han perdido con el paso del tiempo. Destacan los slurrys, los riegos de imprimación, adherencia y curado y las lechadas bituminosas. 35 Capítulo 3: Mezclas asfálticas en la construcción de firmes 3.1 Definición Las mezclas asfálticas, también reciben el nombre de aglomerados, están formadas por una combinación de agregados pétreos y un ligante hidrocarbonado, de manera que aquellos quedan cubiertos por una película continua de éste. Las mezclas asfálticas están constituidas aproximadamente por un 90 % de agregados pétreos grueso y fino, un 5% de polvo mineral (filler) y otro 5% de ligante asfáltico. Los componentes mencionados anteriormente son de gran importancia para el correcto funcionamiento del pavimento y la falta de calidad en alguno de ellos afecta el conjunto. El ligante asfáltico y el polvo mineral son los dos elementos que más influyen tanto en la calidad de la mezcla asfáltica como en su costo total. En el siguiente apartado se explica con detalle estos componentes de las mezclas asfálticas. 36 3.2 Componentes de las mezclas asfálticas Como se ha visto anteriormente, se constituyen de dos elementos importantes: los agregados pétreos y el ligante. 3.2.1 Agregados pétreos 3.2.1.1 Definición Los materiales pétreos o áridos se definen como un conjunto de partículas minerales de distintos tamaños y formas y que proceden de la fragmentación natural o artificial de las rocas. Este tipo de materiales constituyen un elevado porcentaje en la constitución de las distintas capas de un firme, normalmente superior al 90% en peso. Puede decirse, por tanto, que forman el esqueleto resistente del firme. Por ello, es importante tener en cuenta la procedencia de estos áridos a la hora de hacer una carretera, pues si los áridos no se encuentran relativamente cerca, esto implica un aumento en los costes de fabricación, debido al transporte de un gran volumen de los mismos. Asimismo, para determinar la validez de este tipo de elementos se establecen diferentes procedimientos normalizados de ensayo, cuyo fin es cuantificar cada una de las propiedades exigibles a un árido, dependiendo de la capa del firme de la que forme parte. Estos ensayos deben realizarse sobre muestras representativas para garantizar su calidad. 37 3.2.1.2 Clasificación de los áridos Atendiendo al esquema de la siguiente imagen, podemos clasificarlos según 4 parámetros: Tabla 4. Clasificación de los áridos 3.2.1.2.1 Criterio de naturaleza mineral Es de sobra conocida la gran variedad de rocas existentes, divididas en tres grandes grupos genéticos: rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. A su vez, dentro de éstos existen subgrupos, familias y series minerales que agrupan materiales de composición afín. La idoneidad de un determinado árido depende principalmente de una serie de factores relacionados con las características intrínsecas de la propia roca, aunque pueden influir de manera notable aspectos como su correcta fabricación, transporte y puesta en obra. 38 De cara al análisis para su empleo en carreteras, resulta práctico establecer grupos que reúnan materiales de parecida composición mineralógica y estructura interna, lo que asegura una cierta homogeneidad en el comportamiento de los áridos dentro de un mismo grupo. De acuerdo con esta clasificación, diferenciando entre ácidos y básicos, los áridos más comunes en la construcción de carreteras se resumen en el siguiente esquema: Tabla 5. Áridos más comunes empleados en carreteras 39 3.2.1.2.2 Criterio de procedencia Existen diferentes formas de obtener materias primas para la construcción de carreteras, pudiendo establecerse una clasificación de los áridos en función de su lugar de procedencia: (a) Áridos naturales: Dentro de este grupo se engloban aquellos áridos que se encuentran ya machacados, pudiendo ser directamente empleados tal y como se encuentran en la naturaleza; únicamente es necesario someterlos a un proceso de selección, refinado y clasificación por tamaños. Se hallan en graveras, canteras y otro tipo de yacimientos al aire libre, por lo que su extracción es relativamente sencilla. (b) Áridos artificiales o de machaqueo: Obtenidos a partir de la disgregación de un macizo rocoso, empleando generalmente procedimientos de voladura con explosivos. Necesitan un mayor tratamiento que los anteriores, por lo que es necesario procesarlos en plantas de machaqueo; en ellas, el material es limpiado, machacado, clasificado y almacenado en acopios. (c) Productos sintéticos industriales: Este grupo lo componen materiales de diversa índole, como productos de desecho o subproductos de procesos industriales, materiales calcinados, procedentes de la demolición y reciclado de firmes existentes o áridos manufacturados con características mejoradas. 40 3.2.1.2.3 Criterio de adhesividad árido-ligante La adhesividad de los agregados pétreos con los ligantes asfálticos es de gran importancia, debido a que se pueden presentar fenómenos fisicoquímicos en la superficie de los agregados empleados en las capas de firme. En estos fenómenos complejos intervienen tanto factores físicos como la textura del agregado, la porosidad del mismo, viscosidad y tensión superficial del ligante, espesor de la película de ligante, etc. Y a su vez factores químicos relativos al ligante y al agregado. Si los agregados están absolutamente secos, se dejan mojar fácilmente por los ligantes asfálticos; sin embargo la situación es muy diferente con algo de humedad que siempre puede existir, ya que la superficie del agregado se polariza con un signo u otro dependiendo de su naturaleza. Atendiendo a ese criterio los agregados se clasifican en ácidos y básicos: (a) Agregados Ácidos: La acidez es por lo general consecuencia de un alto contenido en sílice y determina una gran afinidad del agregado por el agua (hidrofilia) y una polaridad negativa. La adhesividad entre los agregados silíceos (o ácidos en general) y los ligantes asfálticos no es buena, pudiendo llegar a ser necesaria la disminución de la tensión superficial del ligante mediante procesos de activación en los que se carga electropolarmente para crear una adhesividad. (b) Agregados Básicos: Son menos hidrofilicos que los silíceos y se cargan positivamente en presencia de agua. Por ello pueden presentar cierta atracción por los ácidos libres en los ligantes y, en consecuencia una mejor adhesividad con los mismos. 41 3.2.1.2.4 Criterio de granulometría (a) Áridos gruesos: Están compuestos fundamentalmente por gravas. Este tipo de áridos presentan tamaños comprendidos entre 60 y 5 mm. y conforman el esqueleto mineral en cualquier tipo de mezcla bituminosa. (b) Áridos finos: Se corresponden con las arenas, por lo que se excluyen aquellas partículas que no atraviesen el tamiz de 5 mm. de la serie UNE. Generalmente se emplean como recebo del árido grueso, de forma que ocupen los huecos existentes, para hacer la mezcla más compacta. (c) Filler o rellenador: Se define como la fracción mineral que pasa por el tamiz 0.063 mm . Esta especie de polvillo fino se obtiene como un producto residual procedente del lavado de los áridos machacados. Dada su gran superficie específica, desempeña un papel fundamental en las mezclas bituminosas, mejorando en ciertos casos sus propiedades reológicas. 3.2.1.3 Propiedades y caracterización de los áridos La aptitud de un árido como material de construcción depende de las propiedades físicas y químicas de sus partículas, por lo que es necesario establecer procedimientos normalizados de ensayo para su determinación. Además, según sea la capa del firme a la que vaya destinado, se le exigirán ciertas propiedades y características que aseguren su correcto comportamiento. 48 En la siguiente imagen, se aprecian ejemplos de buena y mala adherencia entre árido y ligante, en diversas muestras: Imagen 9. Ejemplos de adhesividad árido-ligante 3.2.1.3.7 Propiedades de las partículas finas La mayoría de las propiedades y ensayos vistos anteriormente hacen referencia a áridos gruesos, por lo que este apartado se centra en estudiar las particularidades que presentan los elementos finos y ultrafinos. 49 Áridos finos El árido fino empleado en firmes se caracteriza fundamentalmente por tres propiedades: limpieza, plasticidad y adhesividad. La norma NLT-172 se encarga de definir un coeficiente de limpieza para áridos finos, de tal forma que no presenten elevada plasticidad. Para determinar el grado de plasticidad del árido fino se emplea el método del equivalente de arena (NLT-113). Un equivalente inferior a 20 corresponde a un árido muy contaminado, mientras que uno superior a 50 da idea de la pureza del árido fino. Otro aspecto a cuidar es la adhesividad del árido-ligante, dada la gan superficie específica de este tipo de partículas. A estos efectos se emplea el procedimiento de Riedel-Weber (NLT-355) Filler o rellenador El filler empleado en carreteras puede proceder del machaqueo de los áridos, tratarse de un producto comercial de naturaleza pulverulenta (cemento, cenizas volantes, etc.) o un polvo generalmente calizo especialmente preparado para este fin. La normativa española da ciertas recomendaciones acerca de si el filler de las capas bituminosas puede ser el propio de los áridos o debe ser un material de aportación externa; en cualquier caso, debe tratarse de un material no plástico. En las restantes capas del firme, esta fracción se considera conjuntamente con el árido fino, siendo por supuesto de su misma naturaleza. Los ensayos de caracterización del filler habitualmente exigidos son el de emulsibilidad (NLT-180) y el de densidad aparente en tolueno (NLT-176). 50 Por todo esto visto anteriormente, se recoge en la siguiente tabla los parámetros que afectan a los áridos en las capas de rodadura. Tabla 6. Exigencias en áridos para capas de rodadura 3.2.2 Ligantes 3.2.2.1 Definición y tipos. Los ligantes que se utilizan para la fabricación de mezclas bituminosas para carreteras son los betunes asfálticos. Son materiales bituminosos de color negro procedentes de la destilación del petróleo que proporcionan consistencia, aglutinación y ductilidad a las mezclas asfálticas. A temperatura ambiente se encuentran en estado sólido o semisólido, por lo que para ser utilizado en estado líquido requiere de un calentamiento previo a elevadas temperaturas. Dentro de estos ligantes existen los betunes asfálticos, betunes fluidificados o fluxados, emulsiones bituminosas y ligantes modificados. Los betunes asfálticos son subproductos de las refinerías de petróleo. Es un sistema coloidal tipo gel que a temperatura ambiente es sólido o semisólido, con lo cual requiere un calentamiento previo. 51 Los betunes fluidificados o fluxados son una disolución de betún asfáltico en un fluidificante. En el caso de los betunes fluidificados la disolución es en aceite o en un fluidificante derivado del petróleo. En los betunes fluxados el fluidificante no es derivado del petróleo, sino que procede de la destilación de la hulla. Las emulsiones bituminosas son dispersiones coloidales de betún asfáltico en agua. A temperatura ambiente son líquidas. Los ligantes modificados son ligantes hidrocarbonados a los que se añaden aditivos para modificar la reología de la mezcla. Para este proyecto, se empleará betún modificado con polímeros, cuyo nombre técnico es " Olexobit MF (BM-3C) ". Por ello se comenta a continuación un breve apartado sobre éstos, resaltando el por qué de su utilización actualmente. 3.2.2.1.1 Ligantes modificados Aunque con los productos ya vistos se cubren la práctica totalidad de necesidades que pueden surgir en la construcción de carreteras, existen situaciones en las que el ligante debe ofrecer una mejor respuesta: grandes cargas de tráfico, condiciones externas agresivas, gran variabilidad térmica, etc. Los ligantes modificados surgen para tratar de cubrir este hueco. Con ellos se pretende mejorar ciertas características con respecto a los betunes convencionales, como la susceptibilidad térmica, reología, comportamiento mecánico y fluencia, adhesividad pasiva, resistencia al envejecimiento o una mayor durabilidad. La composición de este tipo de productos tiene como ingrediente básico un betún de penetración o una emulsión bituminosa, al que se le incorporan aditivos de diversa naturaleza que modifiquen ciertas propiedades. 52 La inclusión de polímeros aumenta el coste inicial del ligante, llegando a alcanzar hasta el doble de valor que otro convencional. Sin embargo, este sobrecoste queda ampliamente compensado a lo largo de la vida útil de la carretera, dado que este tipo de ligantes reduce las operaciones de mantenimiento y alarga la vida de servicio del pavimento. Además, con los ligantes modificados pueden ejecutarse capas de menores espesores que las ordinarias obteniendo unas prestaciones equivalentes, además de una reducción de costes. En la siguiente imagen, se puede ver cómo se mejora la viscosidad en betunes modificados con polímeros, respecto a los convencionales, conforme aumenta la temperatura. Imagen 10. Viscosidad en betunes convencionales y modificados con polímeros 53 3.2.2.2 Procedencia y obtención Existen dos formas conocidas de procedencia de los betunes aptos para su empleo en carreteras: (a) Betunes naturales: Proceden de la descomposición de organismos marinos, aflorando a la superficie en lagos de asfalto o impregnados en las rocas. Destaca por su importancia el "asfalto de Trinidad", que se extrae de un gran lago de asfalto existente en la isla del mismo nombre; posee más de un 50% de betún natural y tiene excelentes propiedades plásticas, resistentes e impermeabilizantes, por lo que se emplea en la pavimentación de vías. (b) Betunes artificiales: Se obtienen como subproductos del petróleo, una mezcla de hidrocarburos con impurezas. Según sea la naturaleza del mismo se conseguirán betunes más o menos aptos para su empleo en carreteras. La obtención de betunes asfálticos a partir de crudos del petróleo se realiza en las refinerías, empleándose para ello diversas técnicas y procesos industriales como la destilación, basadas en la separación de componentes del petróleo en base a su volatilidad. La figura de la página siguiente muestra un esquema de este proceso contínuo de fraccionamiento, así como los productos que se obtienen del petróleo, ente ellos, los betunes asfálticos, que son los utilizados en este proyecto. 54 Imagen 11. Productos derivados del petróleo: obtención del betún asfáltico 55 3.2.2.3 Propiedades En general, todos los betunes presentan una serie de características físicas comunes, tales como su color oscuro, la facultad de presentar buena adhesividad con la superficie de las partículas minerales o su inmiscibilidad con el agua. En cuanto a su comportamiento mecánico, debe decirse que es muy complejo y que depende de varios factores, como son la solicitación aplicada, el tiempo durante el que ésta actúa o la temperatura ambiente. Todo este complejo comportamiento trata de explicarse desde el punto de vista global de la reología. Las propiedades más destacables de los betunes desde el punto de vista de la técnica de construcción de carreteras son las siguientes: (a) Adhesividad: Facilidad que presenta el betún para adherirse a la superficie de una partícula mineral. Esta característica es muy importante en mezclas asfálticas, donde betún y áridos deben formar un conjunto homogéneo y continuo. (b) Viscosidad: Se define como la resistencia que oponen las partículas a separarse, debido a los rozamientos internos que ocurren en el seno del fluido. En el caso de los betunes varía con la temperatura, lo que da una idea de su susceptibilidad térmica. (c) Susceptibilidad térmica: Indica la propensión que presenta el betún a variar ciertas propiedades reológicas –especialmente la viscosidadcon la temperatura. Gracias a esta propiedad pueden manejarse con facilidad a altas temperaturas, presentando una mayor estabilidad a temperatura ambiente. 56 (d) Plasticidad: Define el comportamiento mecánico del betún ante diferentes estados físicos y temporales de carga. Un betún poco plástico no soportará deformaciones excesivas sin que se produzcan grietas . (e) Envejecimiento: Fenómeno de degradación y transformación química de los componentes del betún debido a la acción oxidante del aire y la presencia de humedad y radiaciones solares, haciendo que el betún pierda sus propiedades reológicas y adhesivas. En base a las propiedades anteriormente descritas, pueden establecerse las características que debería cumplir el ligante ideal: 1.- Debe ser fluido durante su puesta en obra para que sea trabajable y penetre en profundidad, recubriendo la superficie de los áridos y dándoles adherencia. Para ello se calienta a altas temperaturas, sin llegar a inflamarlo. 2.- Por el contrario, debe ser suficientemente consistente y viscoso a temperaturas ambiente altas, para que el firme sea poco deformable bajo la acción continuada de las cargas de tráfico, sin que presente fenómenos de fluencia. 3.- A bajas temperaturas debe presentar flexibilidad, para que el pavimento no se vuelva frágil y quebradizo, y trabaje de la forma como se ha ideado. 4.- La película de ligante debe tener un espesor suficiente para que el proceso de envejecimiento no le afecte en demasía. 57 3.3 Clasificación de las mezclas asfálticas Dada la gran cantidad de parámetros que definen un aglomerado asfáltico, existen diversos criterios para efectuar su clasificación. El siguiente esquema hace un breve resumen de todos ellos, que serán analizados seguidamente: Tabla 7. Clasificación de las mezclas asfálticas 64 4.2 Materiales y criterios de diseño 4.2.1 Ligante hidrocarbonado El Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares fijará el tipo de ligante hidrocarbonado a emplear, que será seleccionado, en función de la categoría de tráfico pesado, definida en la Norma 6.1 IC de Secciones de firme o en la Norma 6.3 IC de Rehabilitación de firmes. Los tipos de ligante empleados pues, se recogen en la siguiente tabla: Tabla 8. Elección del ligante en función de la categoría de tráfico En este proyecto, se empleará un BM-3c, de nombre técnico " Olexobit MF", pues se quiere analizar este tipo de mezclas en las condiciones de tráfico más restrictivas, esto es, la T00. Destacar por ello en todas las tablas que se explicarán en este capítulo, que hay que fijarse en los parámetros referentes a una condición de tráfico T00. La estructura del firme, depende, entre otros factores, de la acción del tráfico, fundamentalmente del tráfico pesado, durante el período de proyecto del firme. Por ello, la sección estructural del firme dependerá en primer lugar de la intensidad media diaria de vehículos pesados (IMDp) que se prevea en el carril de proyecto en el año de puesta en servicio. Dicha intensidad se utilizará para establecer la categoría de tráfico pesado. Para ello la norma dicta ocho categorías de tráfico pesado, según sea la IMDp que se prevea para el carril. Dichas categorías se recogen en la tabla 9, en la que se puede apreciar que la T00 es la más restrictiva, pues presenta el IMDp más elevado. 65 Categoría tráfico pesado IMDp T00 4000 T0 2000-3999 T1 800-1999 T2 200-799 T31 100-199 T32 50-99 T41 25-49 T42 <25 Tabla 9. Categorías de tráfico pesado que clasifica el PG-3 A continuación, se resumen las propiedades de este tipo de ligante empleado en la realización de este proyecto, mediante su ficha técnica obtenida en la página web del grupo British Petroleum (www.bp.com) . Tabla 10. Características técnicas del ligante empleado en el proyecto 66 4.2.2 Áridos 4.2.2.1 Características generales Los áridos a emplear en las mezclas bituminosas discontinuas en caliente podrán ser naturales o artificiales, siempre que cumplan las especificaciones recogidas en la norma del PG-3. Los áridos se producirán o suministrarán en fracciones granulométricas diferenciadas, que se acopiarán y manejarán por separado hasta su introducción en las tolvas en frío. Los áridos no serán susceptibles de ningún tipo de meteorización o alteración físico-química apreciable bajo las condiciones más desfavorables que, presumiblemente, puedan darse en la zona de empleo. Tampoco podrán dar origen, con el agua, a disoluciones que puedan causar daños a estructuras u otras capas del firme, o contaminar corrientes de agua. Debido a que los áridos se recogen directamente de la planta de selección de áridos de la empresa MLN no ha sido necesario realizar los ensayos pertinentes sobre cada uno de ellos, ya que en dicha planta se realizan de manera periódica. 4.2.2.2 Árido grueso Se define como árido grueso la parte del árido total retenida en el tamiz 2 mm de la UNE-EN 933-2. A continuación, se verá qué propiedades, de las descritas en el capítulo anterior, se le exigen para las mezclas bituminosas discontinuas en caliente: 67 Angulosidad del árido grueso (Partículas trituradas) La proporción de partículas trituradas del árido grueso, según la UNE-EN 933-5, deberá cumplir lo fijado en la tabla 11 : Tabla 11. Proporción de partículas trituradas del árido grueso Forma del árido grueso (Índice de lajas) El índice de lajas de las distintas fracciones del árido grueso, según la UNE-EN 933-3, deberá cumplir lo fijado en la tabla 12: Tabla 12. Índice de lajas del árido grueso Resistencia a la fragmentación del árido grueso (Coeficiente Los Ángeles) El coeficiente de Los Ángeles del árido grueso, según la UNE-EN 1097-2, deberá cumplir lo fijado en la tabla 13: Tabla 13. Coeficiente de los Ángeles del árido grueso En nuestro caso, hay que fijarse en la mezcla M con la condición T00. 68 Resistencia al pulimento del árido grueso (Coeficiente de pulimento acelerado) El coeficiente de pulimento acelerado del árido grueso, según el anexo D de la UNE 146130, deberá cumplir lo fijado en la tabla 14: Tabla 14. Coeficiente de pulimento acelerado del árido grueso Limpieza del árido grueso (Contenido de impurezas) El árido grueso deberá estar exento de terrones de arcilla, materia vegetal, marga u otras materias extrañas que puedan afectar a la durabilidad de la capa. El contenido de impurezas, según el anexo C de la UNE 146130, del árido grueso deberá ser inferior al cinco por mil (0,5%); en caso contrario, el Director de las Obras podrá exigir su limpieza por otros métodos, tales como lavado o aspiración. 4.2.2.3 Árido fino Se define como árido fino la parte del árido total cernida por el tamiz 2 mm y retenida por el tamiz 0,063 mm de la UNE-EN 933-2. El árido fino deberá proceder de la trituración de piedra de cantera o grava natural en su totalidad, o en parte de yacimientos naturales. El árido fino deberá estar exento de terrones de arcilla, materia vegetal, marga u otras materias extrañas. 69 Resistencia a la fragmentación del árido fino Cuando el material que se triture para obtener árido fino sea de la misma naturaleza que el árido grueso, deberá cumplir las condiciones exigidas sobre el coeficiente de Los Ángeles. Se podrá emplear árido fino de otra naturaleza que mejore alguna característica, en especial la adhesividad, pero en cualquier caso procederá de árido grueso con coeficiente de Los Ángeles inferior a veinticinco. 4.2.2.4 Polvo mineral Se define como polvo mineral la parte del árido total cernida por el tamiz 0,063 mm de la UNE-EN 933-2. El polvo mineral podrá proceder de los áridos, separándose de ellos por extracción en la central de fabricación, o bien aportarse a la mezcla por separado de aquellos, como un producto comercial o especialmente preparado. En el presente estudio, se empleará cuatro tipos de polvo mineral o filler : filler proveniente de árido silicio, filler calizo, filler cemento y otro tipo de filler obtenido de un residuo orgánico, mediante incineración de lodos de depuradora. La proporción de polvo mineral de aportación a emplear en la mezcla deberá cumplir lo fijado en la tabla 15: Tabla 15. Proporción del polvo mineral de aportación (% en masa del resto del polvo mineral, excluido el inevitablemente adherido a los áridos) 70 El polvo mineral que quede inevitablemente adherido a los áridos, tras su paso por el secador, en ningún caso el 2% de la masa de la mezcla. Por último, destacar que la densidad aparente del polvo mineral, según la NLT- 176, deberá estar comprendida entre cinco y ocho decigramos por centímetro cúbico (0,5 a 0,8 g/cm3). 4.3 Tipo y composición de la mezcla La granulometría del árido obtenido combinando las distintas fracciones de los áridos (incluido el polvo mineral), según el tipo de mezcla, deberá estar comprendida dentro de alguno de los husos fijados en la tabla 16. El análisis granulométrico se hará según la UNE-EN 933-1. En este proyecto, se utilizará la mezcla M10. Tabla 16. Husos granulométricos. Cernido acumulado (% en masa) Destacar que los valores que aparecen en esta tabla, delimitan los valores máximos y mínimos de porcentaje de pase de árido por cada tamiz. Para carreteras con categoría de tráfico pesado T00 a T1 se emplearán las mezclas bituminosas discontinuas en caliente tipo M. 71 El Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares fijará el tipo, composición y dotación de la mezcla bituminosa discontinua en caliente que deberá cumplir lo indicado en la tabla 17 : Tabla 17. Tipo, composición y dotación de la mezcla Salvo justificación en contrario, la relación ponderal recomendable entre los contenidos de polvo mineral y ligante hidrocarbonado determinada en la fórmula de trabajo, según el tipo de mezcla, deberá estar comprendida en los siguientes intervalos: -Entre trece y diecisiete décimas (1,3 a 1,7) para las mezclas tipo F. -Entre once y trece décimas (1,1 a 1,3) para las mezclas tipo M. 72 4.4 Parámetros de análisis Dentro de este capítulo se ha visto que este tipo de mezclas se dividen en dos grandes grupos: las de tipo F, y las de tipo M. El uso de ambas persigue el mismo objetivo: buscar el equilibrio óptimo entre resistencia y permeabilidad, para su uso en capas de rodadura. Pero la forma de analizar cada una de ellas es distinta, según indica la norma en el PG-3. Las mezclas tipo F, se rigen por el ensayo Marshall, en el que se analiza la estabilidad-deformación de las mezclas. Las mezclas tipo M, se rigen por el ensayo de pérdida de desgaste, conocido como ensayo Cántabro. En el caso de mezclas bituminosas de tipo F, se debe cumplir la siguiente tabla: Tabla 18. Criterios de dosificación de mezclas tipo F con el ensayo Marshall En el caso de las mezclas bituminosas discontinuas tipo M el análisis de huecos y la pérdida por abrasión en el ensayo cántabro, según la NLT-352, cumplirán los valores especificados en la tabla 19. Tabla 19. Criterios de dosificación de mezclas tipo M con el ensayo Cántabro 73 La temperatura de fabricación de la mezcla deberá corresponder, en principio, a una viscosidad del ligante hidrocarbonado comprendida entre ciento cincuenta y ciento noventa centistokes (150 y 190 cSt). En cualquier circunstancia se comprobará la adhesividad árido-ligante mediante la caracterización de la acción del agua. Para ello, en mezclas bituminosas discontinuas tipo F, la pérdida de resistencia en el ensayo de inmersión-compresión, según la NLT-162, no rebasará el veinticinco por ciento y, en mezclas tipo M, la pérdida por abrasión en el ensayo cántabro, según la NLT-352, tras ser sometidas a un proceso de inmersión en agua durante un día a sesenta grados, no rebasará el veinticinco por ciento. Muy importantes son estos valores a la hora de analizar resultados. 80 5.1.2 Elección tipo de ligante Este factor viene determinado por 3 parámetros: tipo de capa, zona térmica y categoría del tráfico. La tabla que resume estos valores bajo la norma del PG-3, es la que se explicó en el capítulo 3. Por tanto y como se explicó con detalle, el ligante usado en este proyecto será un betún modificado con polímeros: BM-3C. 5.1.3 Elección porcentaje de ligante Existe una gran variedad de métodos encaminados a proyectar mezclas bituminosas que reunan las propiedades adecuadas para su empleo en una determinada capa del firme, pudiendo establecerse dos grandes grupos: - Métodos basados en al superficie específica. - Métodos basados en ensayos mecánicos. Destacar que en este proyecto, el tanto por ciento de ligante ha sido facilitado por experiencia de la empresa ( partiendo del contenido mínimo impuesto por la norma), pues no hay que ir variando su dosificación y analizar su influencia en el comportamiento de las probetas. Como se dijo desde un principio, la proporción de todos los elementos de la M10 es constante, solo varía el tipo de filler (naturaleza) de aportación. 81 5.2 Realización de ensayos Tras determinarse la fórmula de trabajo, se pasa a efectuar los ensayos requeridos, utilizando la metodología Marshall, la cual se desglosa paso por paso a continuación. 5.2.1 Preparación y realización de las probetas En general, el número de probetas mínimo especificado por la norma a fabricar por cada tipo de mezcla es tres. Dicha imposición permite poder obtener tres resultados de cada mezcla, y así poder encontrar si se ha producido algún resultado muy disperso. En este proyecto, para cada mezcla con distinto tipo de filler, usaremos seis: tres para ensayo en seco, y otras tres para ensayo en húmedo. Para realizar correctamente una probeta, se deberá de seguir los siguientes pasos: 1. Se introduce el bote de betún modificado en un horno y se espera hasta que la viscosidad del betún disminuya hasta unos valores que permitan manejarlo con facilidad. La temperatura del horno se fijará sobre 170ºC. En la figura se muestra la imagen del horno utilizado: Imagen 14. Horno empleado en el laboratorio 82 2. Se preparan los áridos de la mezcla en una bandeja. Consiste básicamente en la colocación de la bandeja sobre una báscula (precisión = 0,01 kg), se tara y se añade la fracción correspondiente de la mezcla total de un árido de determinada granulometría. Después se sigue pesando sucesivamente las cantidades de cada una de las fracciones de tal modo que se van añadiendo los de áridos de diferente granulometría que faltan para completar la fórmula de trabajo. Destacar que el fíller va a parte. Se puede apreciar lo anteriormente comentado en las siguientes imágenes: Imagen 15. Báscula de precisión 83 Imagen 16. Bandejas con contenido de áridos, para 3 probetas. El filler se puede apreciar que va a parte (bandejas superiores). 3. Cuando se tiene la mezcla con los porcentajes de cada componente correcto, se introduce al horno. El árido no puede tener una temperatura mayor a 15ºC respecto al ligante. Es suficiente con introducirlo 30 min antes del comienzo de la mezcla. 4. Además, previamente a la realización de la mezcla, también debe de introducirse en el horno todos componentes que se vayan a usar en el mezclado para que no se produzca una disminución en la temperatura (collar, placa base, molde y espátula). 84 A continuación, se adjunta la imagen 17 que engloba los pasos 3 y 4: todo el material necesario a calentar en el horno almacenado por separado. Imagen 17. Todo el material necesario dentro del horno Se puede apreciar como en la parte superior, se encuentra el betún y los moldes; en la parte media el filler de aportación; y en la parte inferior los áridos en distintas bandejas, cada una de ellas conteniendo las fracciones de árido 0/6 y 6/12 mezcladas, en su cantidad correcta determinada por la fórmula de trabajo. 85 5. Se enciende una placa eléctrica instantes antes de comenzar el mezclado. Sobre su base se coloca la cazuela, en la que se hará la mezcla para que se mantenga a la temperatura adecuada. Imagen 18. Placa eléctrica y olla para cocinar 6. Se prepara en una bandeja a parte el contenido de filler determinado en la fórmula de trabajo. A continuación se muestran imágenes de los cuatro tipos de filler de aportación: Imagen 19. Filler silicio 86 Imagen 20. Filler calizo Imagen 21. Filler cemento Imagen 22. Filler lodos depuradora 87 7. Cuando el betún alcanza una viscosidad baja, se saca la cazuela de la placa eléctrica (precalentamiento) y se coloca sobre la báscula. A continuación se vierten los áridos en el recipiente para el mezclado y se efectúa una mezcla ligera en seco de los mismos. Se forma un cráter en su centro y se añade por pesada la cantidad exacta de ligante calculada para la mezcla. 8. Vertido el porcentaje de ligante deseado, se traslada la cazuela sobre la placa eléctrica y se inicia el proceso de mezclado mediante una cuchara hasta que la mezcla quede homogéneamente cubierta. Durante el mezclado se debe controlar la temperatura de la mezcla para controla que esta dentro de los límites especificados. 9. A continuación se vierte el filler y se vuelve a remover hasta que la mezcla sea homogénea. 10. Se monta el conjunto de compactación que consiste en una placa base, sobre lo que se encaja el molde (tiene asa para poder ser manejable) y encima se coloca el collar (esta elongación permite que la mezcla no se salga al verterla sobre el molde). Cuando está montado correctamente, se coloca un papel de filtro circular, del diámetro del molde en su fondo y se vierte sobre él la mezcla recién fabricada, evitando las segregaciones del material. Es necesario que la mezcla se distribuya bien mediante la espátula caliente por medio de 15 golpes efectuados es su periferia y 10 en su interior. Finalmente se alisa la superficie de la mezcla y se coloca otro papel de filtro circular. A continuación se muestran dos imágenes: una con los componentes por separado, y otra con el conjunto ensamblado. 88 Imagen 23. Molde, placa base y collar Imagen 24. Conjunto ensamblado 11. Antes de que se realice la compactación se debe de medir la temperatura de la mezcla con un termómetro, para ver si está entre los límites establecidos ( 140-150 ºC ). 12. Se desplaza el conjunto de compactación a la máquina de compactar donde se ajusta correctamente. Mediante el empleo de una maza, se da 50 golpes sobre una cara de la probeta, e inmediatamente se desmonta el collar, se invierte el molde y, fijado de nuevo el conjunto de compactación, se aplica igual número de golpes sobre la otra cara de la probeta. A continuación se muestran dos imágenes: una el conjunto de compactación insertado dentro del resorte de la máquina, y otra en la que se ve la máquina de compactación. 89 Imagen 25. Ajuste del conjunto de compactación en los resortes de la máquina de compactación Imagen 26. Máquina de compactación 96 Con el objeto de facilitar los cálculos de huecos, se determina el valor de la densidad relativa de la mezcla de áridos, cuya expresión teórica es el cociente entre la suma de las masas de todos los componentes áridos de la mezcla, y la suma de las masas de volúmenes, respectivos, iguales de agua. Teniendo en cuenta las relaciones escritas anteriormente, se obtiene para esta densidad la expresión: Siendo T1, T2 , T3 , etc., los tantos por ciento de cada árido sobre el total de áridos de la mezcla, y d1, d2 , d3, etc., las densidades relativas aparentes de estos mismos áridos. Ahora se determina la densidad máxima teórica de las mezclas compactadas. Teóricamente esta densidad es la que se obtendría si al compactar una mezcla asfáltica se consiguiera una masa formada por áridos y ligante en la que no existieran huecos. Partiendo de una expresión teórica análoga a la de la densidad de la mezcla de áridos, pero incluyendo además las masas de ligante, se obtiene para esta densidad la siguiente expresión: Siendo Ta y Tb los porcentajes sobre mezcla total de los áridos y ligante, Da y Db sus respectivas densidades relativas. 97 La densidad relativa del ligante viene dada por el fabricante (ver ficha técnica del Olexobit MF) y vale 1,023 gr/cm 3 . Destacar que para obtener la densidad relativa de los áridos hay que seguir los pasos que se indican en la NLT-167 (Cálculo de densidad relativa de áridos en aceite de parafina). En el caso de este proyecto, no es necesario calcular la densidad relativa de cada árido por separado, puesto que por experiencia de la empresa, se sabe la densidad relativa que suman las tres fracciones de árido, esto es: la del 0/6 más la del 6/12 más la del filler de aportación, resultando un valor total de : 2,67 gr/cm 3 . Como ya se ha obtenido todos los parámetros necesarios para poder calcular el tanto por ciento de huecos en la mezcla, se determina cómo se hace. Los huecos de una mezcla compactada, representan la diferencia entre el volumen aparente de la mezcla y el volumen teórico ocupado por el betún y los áridos. Por consiguiente, el tanto por ciento de huecos en la mezcla, valdrá: Siendo Dp la densidad relativa aparente de la mezcla compactada. La normativa del PG-3 incluye una imposición para el porcentaje en huecos de las mezclas abiertas, que en concreto para una M10 y como se explicó en el capítulo 4, debe ser mayor o igual al 12% . Es importante tener en cuenta que antes de ensayar las probetas, éstas deben cumplir tanto valores de densidad (altura de las probetas) como de huecos que indique la norma. En caso contrario, se desechan las probetas. 98 5.2.3 Ensayo Cántabro 5.2.3.1 Objeto y campo de aplicación El presente apartado se rige fundamentalmente por las normas NLT-352 (ensayo cántabro seco) y NLT-362 (ensayo cántabro húmedo). Estas normas decriben el procedimiento a seguir para determinar la pérdida de cohesión que se produce por la acción del agua en mezclas bituminosas compactadas de granulometría abierta, de utilización en construcción de carreteras. Destacar que este procedimiento se aplica a MB de granulometría abierta fabricadas tanto en caliente como en frío, con ligantes modificados o sin modificar, cuyo tamaño máximo de árido sea inferior a 25mm . El objetivo de este ensayo es comparar resultados entre series duplicadas de probetas, unas mantenidas en aire y otras sometidas a la acción del agua. Por ello se realizará series de seis probetas por cada tipo de filler (recordar que eran 4 tipos, haciendo un total de 24 probetas a ensayar). De cada serie de probetas, a tres se les realizará el ensayo en seco, y a las otras 3 el húmedo. 99 5.2.3.2 Aparatos y material necesarios -Tamices UNE : 25mm, 12.5mm, 10mm, 5mm, 2.5mm, 630 µm,320 µm y 80 µm. -Estufas: que puedan alcanzar y mantener las temperaturas de 25ºC, 45ºC y 60ºC, con precisión de ± 1ºC. -Balanza: hasta 2kg de carga con 0,1 gr de sensibilidad -Conjunto y maza de compactación: referidos a la norma NLT-159 del ensayo Marshall, en cuanto a la fabricación de probetas. - Malla de plástico: tipo mosquitera, para la sujeción de probetas. - Baño termostático: de capacidad suficiente para alojar las probetas del ensayo y que pueda mantener la temperatura deseada constante dentro de ± 1ºC. - Máquina de los Ángeles: su empleo en este ensayo, viene determinado por la norma NLT-149. Más adelante se explicará su funcionamiento detalladamente. - Cámara termostática: que asegure una temperatura constante durante el ensayo. 100 5.2.3.3 Procedimiento del ensayo Cántabro 1.- Las series de probetas fabricadas, se dividen aleatoriamente en dos grupos numéricamente iguales. En el caso de este estudio, seis probetas, se divide en dos grupos de tres. Imagen 31. Seis probetas divididas en dos grupos de tres 2.- Se determina la masa de cada probeta, con aproximación de 0,1 gr y se anota ese valor como P1. 3.- Uno de los grupos de probetas, se deja reposar a temperatura ambiente (25ºC aprox) durante al menos 24h. 4.- El otro grupo de probetas, se sumerge durante 24h en un baño de agua a 60ºC , con un margen de ± 1ºC (en el caso de mezclas fabricadas en caliente). 101 Imagen 32. Probetas en baño de agua a 60 ºC Seguidamente, se sacan las probetas del baño y se dejan reposar a temperatura ambiente otras 24h. Pasado este tiempo, se determina la masa de cada probeta con aproximación de 0,1 gr y se anota como Pc. * Nota: la diferencia entre Pc y P1, representa la masa de agua retenida por la probeta después del período de secado a temperatura ambiente. Esta diferencia ( Pc-P1) se tiene en cuenta en el cálculo del resultado de pérdida de desgaste (%P), restándola de P2, que es el peso final de las probetas tras el ensayo. 5.- Después de las acciones y tiempos que se describen en los pasos 3 y 4, se procede a determinar la pérdida por desgaste por medio del ensayo cántabro, de acuerdo con la norma NLT-352, de cada una de las probetas de ambos grupos. Para ello se empleará la máquina de desgaste de Los Ángeles. 102 Imagen 33. Máquina de desgaste de Los Ángeles Imagen 34. Probeta a ensayar dentro del tambor 103 Imagen 35. Tambor cerrado máquina de desgaste Imagen 36. Máquina de desgaste con las puertas de seguridad cerradas 104 6.- El número de vueltas del tambor de la máquina de Los Ángeles es de 300 para mezclas en caliente ( 200 vueltas, para mezclas en frío). Imagen 37. 300 vueltas en el display de la máquina 7.- Al final de someter a la probeta a ese número de vueltas dentro de la máquina de Los Ángeles, se saca la probeta ensayada y se determina nuevamente su masa con aproximación de 0,1 gr, y se anota este valor como P2. 8.- El ensayo se repite de igual manera, con cada una de las probetas de cada serie fabricadas. Imagen 38. Probetas antes ( fila inferior) y después ( fila superior) del ensayo Cántabro 105 5.2.3.4 Cálculos y resultados obtenidos El título de este proyecto hace referencia a la "adhesividad árido-ligante" en MBC tras añadirles distintos tipos de filler. Esto es, se va a analizar ese factor como la fuerza o cohesión presente en la mezcla, tras practicarle el ensayo Cántabro (tanto seco como húmedo) a cada probeta. Por ello, se verá qué filler otorga mejores propiedades a cada mezcla, evaluando la pérdida por desgaste en cada una de las mismas. Esta pérdida por desgaste, expresada en tanto por ciento de la masa inicial, se calcula de la siguiente manera: Siendo: P = valor de la pérdida por desgaste, en % P1 = masa inicial de la probeta P2 = masa final de la probeta Con todo esto, se determina el valor medio de los porcentajes de las pérdidas de las probetas de cada grupo por separado, anotándose como "Pa" las probetas en seco, y "Ps" las probetas sumergidas en agua. Así pues, el último paso es establecer una comparación entre ambos valores, resultando así lo que se denomina como " índice de aumento de pérdidas". Expresado como porcentaje, se calcula como: ( Ps / Pa ) x 100 Este último parámetro, debe redondearse al 1% para expresarlo como resultado del ensayo. 112 Desgaste cantabro humedo filler Calizo 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 123 desgaste cantabro humedo desgaste maximo pg3 Imagen 44. Desgaste húmedo filler calizo En las tres gráficas se analizan huecos y desgaste en las probetas de filler calizo. En color rosa aparece el valor que dicta la norma del PG-3, y en color azul los resultados obtenidos. En el caso de los huecos, se ve que todas las probetas superan el 12% ; en el desgaste en seco se puede apreciar que es inferior al 15% y en el desgaste en húmedo, se ve también que es inferior al 25%. Por tanto se cumple con la norma en todo momento en esta segunda serie de probetas. Se realizará una comparativa con las otras series de probetas, en el apartado 5.4. 113 5.3.3 Resultados en serie de probetas filler cemento. Conocida la fórmula de trabajo, se fabrican seis probetas añadiendo filler de tipo cemento, cumpliendo en todo momento con la norma. Tras dividirlas en dos grupos de tres (para cada tipo de ensayo cántabro), se analizará en todas ellas: densidad (gr/cm3), huecos (%), y pérdida de desgaste (%) . Obteniendo la siguiente tabla: Probeta Densidad Huecos Desgaste seco 1 2.090 15.670 8.236 seco 2 2.055 17.088 9.118 seco 3 2.102 15.195 8.406 humedo 1 2.002 19.233 19.817 humedo 2 2.019 18.535 18.746 humedo 3 2.091 15.631 12.876 Tabla 26. Resultados filler cemento Destacar que todas las probetas cumplen las dimensiones establecidas por la norma, así como la temperatura antes de la compactación. Esto se aprecia en un valor más o menos parecido de densidad entre las mismas. También se puede ver que los valores de porcentaje de huecos en mezcla y pérdida por desgaste, cumplen con la norma según lo exigido en el PG-3 para una mezcla M10. A continuación se adjunta una serie de gráficas en las que se observa la evolución de estos parámetros en la serie de probetas. 114 Huecos filler cemento 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 123456 huecos filler cemento limite norma pg3 Imagen 45. Huecos filler cemento Desgaste cantabro seco filler cemento 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 123 desgaste cantabro seco desgaste maximo pg3 Imagen 46. Desgaste seco filler cemento 115 Desgaste cantabro humedo filler cemento 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 123 desgaste cantabro humedo desgaste maximo pg3 Imagen 47. Desgaste húmedo filler cemento En las tres gráficas se analizan huecos y desgaste en las probetas de filler cemento. En color rosa aparece el valor que dicta la norma del PG-3, y en color azul los resultados obtenidos. Viendo estos valores, no solo se aprecia que se cumple la norma, si no que además es la serie de probetas que presenta mejor resistencia al desgaste. No obstante, se hará comparativa con todas las series de probetas en el apartado 5.4. 116 5.3.4 Resultados en serie de probetas filler incineración lodos depuradora. Conocida la fórmula de trabajo, se fabrican seis probetas añadiendo filler de lodos depuradora, cumpliendo en todo momento con la norma. Tras dividirlas en dos grupos de tres (para cada tipo de ensayo cántabro), se analizará en todas ellas: densidad (gr/cm3), huecos (%), y pérdida de desgaste (%) . Obteniendo la siguiente tabla: Probeta Densidad Huecos Desgaste seco 1 2.034 17.944 29.662 seco 2 2.017 18.631 37.934 seco 3 2.019 18.564 41.320 humedo 1 2.080 16.098 51.585 humedo 2 2.033 17.999 55.340 humedo 3 2.002 19.239 64.796 Tabla 27. Resultados filler lodos depuradora A pesar de que los valores de densidad salen parecidos debido al cumplimiento de la norma en cuanto a dimensiones de las probetas y temperatura antes de la compactación, los valores obtenidos en los ensayos son pésimos. Tan sólo se cumple con el valor de porcentaje de huecos que indica la norma (superior al 12%). En cuanto al valor de desgaste tanto en seco como en húmedo, se aprecia valores muy por encima de los que indica el PG-3. Por ello se deduce de estos ensayos que este filler no es apto como aportación en las M10, según los parámetros de la fórmula de trabajo. Podría ser utilizado, si se cambiase la dosificación en las probetas para este tipo de filler. A continuación se adjunta una serie de gráficas en las que se observa la evolución de estos parámetros en la serie de probetas. 117 huecos filler cenizas lodos depuradora 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 123456 % huecos filler lodos depuradora minimo norma pg3 Imagen 48. Huecos filler lodos depuradora desgaste cantabro seco filler cenizas lodos depuradora 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 123 desgaste cantabro seco desgaste maximo pg3 Imagen 49. Desgaste seco filler lodos depuradora 118 Desgaste cantabro humedo filler cenizas lodos depuradora 0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000 123 desgaste cantabro humedo desgaste maximo pg3 Imagen 50. Desgaste húmedo filler lodos depuradora Se aprecia en estas gráficas que se supera el valor de desgaste permitido por la norma del PG-3. Por ello esta serie de probetas sirve para darse cuenta que este tipo de filler, cuyo fin era valorizar un residuo, no es apto, puesto que presenta un valor de resistencia a la disgregación en los componentes de la mezcla muy bajo. 119 5.3.5 Fotografías de las probetas tras su estudio 1.- Primera serie de probetas (filler silicio): Imagen 51. Fila superior, tras ensayo cántabro seco. Fila inferior, tras ensayo cántabro húmedo. 2.- Segunda serie de probetas (filler calizo): Imagen 52. Fila superior, tras ensayo cántabro seco. Fila inferior, tras ensayo cántabro húmedo. 120 3.- Tercera serie de probetas (filler cemento): se puede apreciar el buen comportamiento frente a desgaste tanto en seco como en húmedo. Imagen 53. Fila superior, tras ensayo cántabro seco. Fila inferior, tras ensayo cántabro húmedo. 4.- Cuarta serie de probetas (filler lodos depuradora): probetas prácticamente destrozadas tras su ensayo. Imagen 54. Fila superior, tras ensayo cántabro seco. Fila inferior, tras ensayo cántabro húmedo. 121 5.4 Conclusiones A simple vista se puede apreciar tras las gráficas, tablas y fotografias del apartado anterior, que variando únicamente el tipo de filler, bajo unas mismas condiciones de fabricación, compactación y ensayo de probetas, así como de dosificación, se obtienen resultados diferentes. Esto da una idea, efectivamente, de que la naturaleza del tipo de filler de aportación influye muy notablemente en este tipo de mezclas. Esto es debido a la acción de su gran superficie específica que presenta, dentro de la mezcla bituminosa. El objetivo del proyecto es estudiar qué filler confiere mejores propiedades de resistencia a las mezclas, analizando este aspecto bajo el ensayo cántabro de pérdida de desgaste, relacionado a su vez con la adhesividad árido-ligante (cohesión en la mezcla). Como objetivo secundario, se puede analizar cómo influye también la naturaleza del fíller en la porosidad de las mezclas, esto es, el porcentaje de huecos. Por ello, y a modo de resumen del presente proyecto, se presenta la siguiente tabla donde se recogen los valores medios de cada parámetro a analizar, según el filler de aportación: Naturaleza filler Densidad Huecos mezcla Desgaste ( seco ) Desgaste ( humedo ) Silicio 2.1245 14.2928 7.8473 20.5687 Calizo 2.0822 15.9980 8.5207 20.1655 Cemento 2.0601 16.8920 8.5866 17.1467 Lodos depuradora 2.0307 18.0793 36.3052 57.2402 Tabla 28. Resumen de los valores medios obtenidos en el proyecto, según la aportación de distinto filler