Estudio comparado de afinidad árido-betún en hormigones bituminosos
Abstract
En este proyecto vamos a analizar la adhesión existente entre los elementos principales de una mezcla bituminosa caliente. Para ello, el punto de partida ha sido un estudio del “estado del arte” del tema que nos ocupa. La durabilidad de las mezclas asfálticas, su resistencia mecánica, resistencia al envejecimiento y resistencia a las condiciones climáticas, vienen determinadas por el grado de adhesión entre el árido y el betún. Para comprender el comportamiento de los elementos árido-betún y analizar la interacción existente entre ambos al mezclarlos, se han realizado una serie de ensayos en laboratorio. Dichos ensayos pretenden analizar el comportamiento de varios tipos de áridos con una tipología de betún convencional, recogido en el PG3, como el idóneo para la zona sur de España. El grupo de áridos elegidos, combina áridos de cantera y un tipo de áridos procedentes de reciclaje de la fundición de altos hornos, quizás una posible futura vía de desarrollo. De forma experimental hemos seguido los procedimientos marcados por las normas UNE EN 12697-11 y PN- 84/B-06714/22, que vienen a desarrollar ensayos agresivos que simulan, de forma acelerada, el desgaste del hormigón bituminoso, producido por condiciones climáticas adversas, deterioros por envejecimiento, rodadura de vehículos. Tras analizar dicho desgaste, se determina el grado de cobertura de betún existente en los áridos según los tiempos marcados por ambas normativas. Con los resultados obtenidos, podemos determinar qué tipología de árido es la que se ha comportado mejor como solución viable a los ensayos de desgaste que hemos analizado. Dichos resultados resultan aplicables a dos casos muy concretos que ocurren en la ciudad de Sevilla y que preocupa enormemente a la Gerencia de Urbanismo de la ciudad, ya que actualmente no han conseguido dar solución a los mismos. Estos problemas vienen constituidos por las deformaciones en el pavimento que generan los autobuses en las frenadas y la demolición del mismo al paso de los coches de caballos, debido a las pisadas de los equinos. Gracias al estado del arte, los resultados de los ensayos realizados, a las numerosas charlas sobre mezclas bituminosas que he asistido y a mi experiencia profesional propongo como solución a los problemas existentes en la pavimentación en puntos concretos de la ciudad Sevilla, emplear una mezcla bituminosa diferente a la que actualmente están extendiendo y que se ve desarrollada en este trabajo de investigación.
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Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos Estudio Comparado de Afinidad Árido-Betún en Hormigones Bituminosos Autor: Ismael Martín Martín Tutor: Blas González González Departamento de Construcciones Arquitectónicas I Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019
iii Proyecto Fin de Máster Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos Estudio Comparado de Afinidad Árido-Betún en Hormigones Bituminosos Autor: Ismael Martín Martín Tutor: Blas González González Profesor de Construcciones Civiles Departamento de Construcciones Arquitectónicas I Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019
v Trabajo Fin de Máster: Estudio Comparado de Afinidad Árido-Betún en Hormigones Bituminosos Autor: Ismael Martín Martín Tutor: Blas González González El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo Fin de Master arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal
vii Agradecimientos Dice un refrán: “es de buen nacido ser agradecido” … Concluir mis estudios universitarios con la titulación de Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos es un gran logro personal, ya que el camino ha sido duro, lleno de dificultades y momentos débiles que me han llevado a perder la meta de vista, pero en esos momentos de flaqueza siempre he contado con personas maravillosas que me han apoyado y recordado el valor del esfuerzo. En primer lugar, quiero dar las gracias a mi familia, ellos forman los cimientos de mi vida, por lo que todo lo que pudiera decir sobre ellos, es poco. Desde mis abuelos, pasando por mis tíos y primos, siguiendo por mis padres Manuel y Josefa, hasta mi hermana Azucena, pilar fundamental para mí. Gracias a ti, papá, me has permitido elegir el camino que he querido, el que me apasiona, un camino desconocido. Si hubiese elegido continuar con tu negocio, todo habría sido más sencillo, pero no tendría motivación, ni habría conocido lo que tú has sufrido hasta llegar donde estás. Habéis sido los encargados de hacerme creer en mí mismo y que con esfuerzo constante se pueden alcanzar muchas metas. A mis amigas y amigos, porque sois los encargados de hacer que mi sonrisa nunca desaparezca. Gracias por alegrarme los días. A mis compañeros de la carrera, pero en especial a Andrés, Antonio, Benito y Juan Luis, sois mucho más que compañeros. Sois unos grandes amigos para mí. Sin ustedes no habría sido posible. Hemos sido un equipo, una segunda familia para mí en Sevilla, al que cada uno ha aportado su granito de arena y siempre de forma compenetrada. Ojalá que nunca se pierda esta bonita amistad. A mi tutor, D. Blas González González, por la oportunidad que me ha brindado con este trabajo, por guiarme, por su tiempo, por invitarme a continuar cuando el trabajo no lo veíamos claro, pero sobre todo por las capacidades e inquietudes que ha despertado en mí durante este trabajo. Te considero un referente tanto a nivel académico, como personal. Mi más sincero agradecimiento a Marta Wasilewska, profesora en Bialystok University of Technology, por su colaboración desinteresada. No puedo olvidar a todos mis profesores tanto de la Universidad de Sevilla como de la Universidad de Córdoba, ellos han sido los encargados de transmitirme los cocimientos necesarios para intentar abrirme paso en el complicado mundo de la ingeniería. Mi paso por la constructora CONSTRUCCIONES MAYGAR, ha despertado en mí el interés por las mezclas asfálticas, ya que aprendo cada día de los mejores del sector. A todo su equipo, gracias. Ismael Martín Martín Sevilla, 2019
ix Resumen En este proyecto vamos a analizar la adhesión existente entre los elementos principales de una mezcla bituminosa caliente. Para ello, el punto de partida ha sido un estudio del “estado del arte” del tema que nos ocupa. La durabilidad de las mezclas asfálticas, su resistencia mecánica, resistencia al envejecimiento y resistencia a las condiciones climáticas, vienen determinadas por el grado de adhesión entre el árido y el betún. Para comprender el comportamiento de los elementos árido-betún y analizar la interacción existente entre ambos al mezclarlos, se han realizado una serie de ensayos en laboratorio. Dichos ensayos pretenden analizar el comportamiento de varios tipos de áridos con una tipología de betún convencional, recogido en el PG3, como el idóneo para la zona sur de España. El grupo de áridos elegidos, combina áridos de cantera y un tipo de áridos procedentes de reciclaje de la fundición de altos hornos, quizás una posible futura vía de desarrollo. De forma experimental hemos seguido los procedimientos marcados por las normas UNE EN 12697-11 y PN- 84/B-06714/22, que vienen a desarrollar ensayos agresivos que simulan, de forma acelerada, el desgaste del hormigón bituminoso, producido por condiciones climáticas adversas, deterioros por envejecimiento, rodadura de vehículos. Tras analizar dicho desgaste, se determina el grado de cobertura de betún existente en los áridos según los tiempos marcados por ambas normativas. Con los resultados obtenidos, podemos determinar qué tipología de árido es la que se ha comportado mejor como solución viable a los ensayos de desgaste que hemos analizado. Dichos resultados resultan aplicables a dos casos muy concretos que ocurren en la ciudad de Sevilla y que preocupa enormemente a la Gerencia de Urbanismo de la ciudad, ya que actualmente no han conseguido dar solución a los mismos. Estos problemas vienen constituidos por las deformaciones en el pavimento que generan los autobuses en las frenadas y la demolición del mismo al paso de los coches de caballos, debido a las pisadas de los equinos. Gracias al estado del arte, los resultados de los ensayos realizados, a las numerosas charlas sobre mezclas bituminosas que he asistido y a mi experiencia profesional propongo como solución a los problemas existentes en la pavimentación en puntos concretos de la ciudad Sevilla, emplear una mezcla bituminosa diferente a la que actualmente están extendiendo y que se ve desarrollada en este trabajo de investigación.
xvi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3-1. Clasificación de aglomerados asfálticos (Bañón Blázquez, 2000) 32 Tabla 3-2. Designación mezclas bituminosas según normas europeas 42 Tabla 3-3. Designación específicas para capa de rodadura según normas europeas 43 Tabla 4-1. Peso de la muestra ensayada 72 Tabla 4-2. Temperatura a la que se somete la mezcla 72 Tabla 4-3. Resultados obtenidos del ensayo de botella rodante 77 Tabla 4-4. Resultados obtenidos del ensayo de ebullición 86
xviii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Metodología 25 Figura 3-1. Ciclo geológico (Blanco Ferrero) 31 Figura 3-2. Deformación plástica generada por mala dosificación de la mezcla 36 Figura 3-3. Deformación plástica generada por esfuerzos horizontales 37 Figura 3-4. Fisuración pavimento por fatiga, conocida como “piel de cocodrilo” 38 Figura 3-5. Materiales que componen una mezcla bituminosa 40 Figura 3-6. Etapas de un producto para recibir el marcado C.E. 41 Figura 3-7. El sistema de betún-agua-árido en el ángulo Θ> 90 ° 47 Figura 3-8. El sistema de betún-agua-árido en el valor de ángulo deseado Θ <90 ° 48 Figura 3-9. ido poroso (Ej. Escoria de acero) y no poroso (Ej. Caliza) 48 Figura 3-10. Esquema/resumen de los factores que afectan a la adherencia de los hormigones asfálticos 51 Figura 3-11. Esquema de textura de superficie de un pavimento de asfalto 55 Figura 3-12. Componentes básicos de los áridos: forma, textura y angularidad 55 Figura 3-13. Cisterna regadora empleada para la aplicación del betún 59 Figura 4-1. Calentamiento de vaso de precipitación con agua destilada y áridos recubiertos de betún 73 Figura 4-2. Árido cubierto de betún 73 Figura 4-3. Frasco de prueba con varilla 75 Figura 4-4. Máquina de rotación de botellas (A) y botella de prueba (B) 76 Figura 4-5.Grado de recubrimiento de partículas 76 Figura 4-6. Gráfica de resultados obtenidos del ensayo de la botella rodante 78 Figura 4-7. Clasificación de la forma de los áridos 78 Figura 4-8. Granito después de 6 horas de ensayo 79 Figura 4-9. Granito después de 24 horas de ensayo 79 Figura 4-10. Basalto después de 6 horas de ensayo 80 Figura 4-11. Basalto después de 24 horas de ensayo 80 Figura 4-12. Escoria de acero después de 6 horas de ensayo 81 Figura 4-13. Escoria de acero después de 24 horas de ensayo 81 Figura 4-14. Caliza después de 6 horas de ensayo 82 Figura 4-15. Caliza después de 24 horas de ensayo 82 Figura 4-16. Resultado de granito con método de botella 83 Figura 4-17. Resultado de basalto con método de botella 83 Figura 4-18. Resultado de caliza con método de botella 84 Figura 4-19. Resultado de escoria de fabricación de acero con método de botella 84 Figura 4-20. Diferencia entre 6h y 24h de ensayo de botella 85 Figura 4-21. Gráfica de resultados del método de ebullición 86
xix Figura 4-22. Granito después de 3 minutos de ebullición – primera muestra 87 Figura 4-23. Granito después de 3 minutos de ebullición – segunda muestra 87 Figura 4-24. Basalto después de 3 minutos de ebullición – primera muestra 88 Figura 4-25. Basalto después de 3 minutossegunda muestra 88 Figura 4-26. Escoria de fabricación de acero después de 3 minutos: primera muestra 89 Figura 4-27. Escoria de fabricación de acero después de 3 minutos de ebullición – segunda muestra. 89 Figura 4-28. Piedra caliza después de 3 minutos de ebullición – primera muestra 90 Figura 4-29. Piedra caliza después de 3 minutos de ebullición – primera muestra 90 Figura 4-30. Comparación de método polaco y europeo 91 Figura 4-31. Comparación de granito después de la prueba de botella rodante (6h, 24h) y después de la prueba de ebullición 91 Figura 4-32. Comparación de basalto después de la prueba de botella rodante (6h, 24h) y después de la prueba de ebullición 92 Figura 4-33. Comparación de caliza después de la prueba de botella rodante (6h, 24h) y después de la prueba de ebullición 92 Figura 4-34. Comparación de la escoria de fabricación de acero después de la prueba de botella rodante (6h, 24h) y después de la prueba de ebullición 93 Figura 4-35. Superficie de granito con microscopio 93 Figura 4-36. Superficie de caliza con microscopio 94 Figura 4-37. Superficie de escoria de acero con microscopio 94 Figura 4-38. Superficie de escoria de acero con microscopio 95 Figura 4-39. Superficie de basalto con microscopio 95 Figura 5-1. Deformaciones-roderas originadas por la rodadura de autobús (c/Palos de la Frontera y c/Virgen de Luján). 99 Figura 5-2. Roderas debidas al fallo de la capa de rodadura. (Alejandro Padilla, estudio UPC) 99 Figura 5-3. Roderas debidas al fallo en la subrasante. (Alejandro Padilla, estudio UPC) 100 Figura 5-4. Exudación por exceso de betún 100 Figura 5-5. Deformaciones, fisuras y baches por pérdida de capacidad portante en parada de bus (Av/ Menéndez Pelayo) 101 Figura 5-6. Estado de esfuerzos en un pavimento debido al movimiento de una rueda. (Federico París Carballo, 1998, Teoría de la Elasticidad) 102 Figura 5-7. Deterioro del pavimento originadas por caballos (c/ Paseo de las Delicias) 103 Figura 5-8. Deterioro del pavimento originadas por caballos, incluso desaparición de señalización horizontal (c/ Palos de la Frontera). 104 Figura 5-9. Deterioro del pavimento asfáltico y de adoquines de granito originadas por caballos (Parque María Luisa). 105 Figura 5-10. Deterioro del pavimento originadas por caballos (Av/ El Cid) 105 Figura 5-11. Herraduras con vidias 106 Figura 5-12. Herraduras de goma para evitar empleo vidias 106
Introducción 21 1 INTRODUCCIÓN La realización del presente Trabajo de Fin de Máster, lleva por título “Estudio Comparado de Afinidad Árido- Betún en Hormigones Bituminosos” y permite la evaluación de 12 créditos que le otorga el Plan de Estudio. Se enmarca dentro los objetivos académicos para superar y culminar el Máster Universitario de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Sevilla. Este está compuesto de 120 créditos ECTS divididos en dos cursos. El trabajo se ha realizado por el alumno Ismael Martín Martín bajo la coordinación D. Blas González González, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, y profesor perteneciente al Departamento Construcciones Arquitectónicas I de la Universidad de Sevilla, que imparte clases en las asignaturas: “Complemento de Construcciones Civiles” y “Planificación Territorial y de Infraestructuras Civiles”. El Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos es el nivel superior del título en Grado en Ingeniería Civil, el cual, Ismael Mártin Martín obtuvo en la Universidad Politécnica de Bélmez (Córdoba) en el año 2015. Objetivos del Máster La llegada del Plan Bolonia a los estudios Universitarios, ha producido confusión entre las equivalencias de Ingenierías Técnicas y Superiores del plan antiguo, respecto los actuales grados. Tras esta problemática, el Ministerio de Educación publicó en el Boletín Oficial del Estado que los graduados en Ingeniería Civil heredan las competencias profesionales de los Ingenieros Técnicos de Obras Públicas (ITOP), titulación ya inexistente y sustituida por el Grado en Ingeniería Civil, por lo que los estudios de este Máster otorgan las competencias para el ejercicio de la profesión de Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (ICCP). El principal objetivo que el Máster tiene en la Universidad de Sevilla es formar ingenieros con gran cualificación en el campo de la ingeniería civil. De esta forma sus alumnos podrán accedan al mercado laboral con una formación sólida en la materia para afrontar los problemas a resolver. Otro objetivo marcado a lo largo de estos dos años de estudios por parte de la comisión académica del Máster, es que cualquier alumno ha de ser capaz de trabajar en equipo, ejerciendo diferentes responsabilidades y ser capaz de aprender de forma autónoma para estar al día en su profesión, llegando a ser capaz de tomar decisiones correctas ante situaciones imprevistas. Intenta no volverte un hombre de éxito, sino volverte un hombre de valor. - Albert Einstein -
Introducción 22 Objetivos Trabajo Fin de Máster El principal objetivo de este trabajo de investigación, consiste en el estudio del comportamiento de interacción árido-betún de las mezclas bituminosas calientes para poder avanzar en la línea de mejora de la adhesión entre dichos componentes. En concreto, se trata de realizar un estudio profundo del Estado del Arte del tema a estudia en este trabajo de investigación. Para ello se pretende definir y explicar los métodos actualmente existentes para la determinación de la adhesividad, tras un proceso físico-químico que origine la pérdida de cobertura del betún en la superficie del árido, tanto en métodos compactados como sin compactar. De esta forma se realizará un inventario de dichos métodos. Para obtener datos reales y así analizar los resultados, se emplearán mezclas bituminosas calientes sin compactar en varios ensayos de carácter subjetivos ya que los resultados se determinarán de forma visual por el laborante. Este carácter subjetivo no nos permitirá dar cifras exactas, pero sí valores aproximados que proporcionan una idea del comportamiento de cada una de las mezclas con las que se va a trabajar. Así se podrán aportar recomendaciones en cuanto a las prescripciones técnicas exigibles a las mezclas bituminosas en caliente ensayadas. Todo campo relacionado con la investigación puede abrir nuevas líneas de investigación, ya que, si se conocen los Métodos Empíricos que actualmente se desarrollan en los laboratorios, se pueden comparar y comenzar a construir los cimientos para el desarrollo de nuevos métodos de estudios o mejorar los ya existentes. Descripción de la Problemática Existen una serie de circunstancias, periodos de tiempo o factores en la corta vida del autor del presente documento, que han dado lugar a despertar su interés por el mundo de las mezclas asfálticas. Es por ello, que, tras la lectura de numerosos documentos sobre este tema, se ha observado como a nivel internacional el estudio de la adhesión árido-betún está centrado tanto en mezclas compactadas como en mezclas sin compactar, existiendo numerosas publicaciones centradas en ambas ramas. En contraposición, en España el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3) se centra en mezclas bituminosas compactadas en gran medida, y sólo tocando levemente mezclas sin compactación. Es por ello la escasez de estudios a nivel nacional sobre la adhesión árido-betún en mezclas bituminosas sin compactar. El PG-3 en el capítulo IV “Mezclas Bituminosas”, artículo 542 “Mezclas bituminosas tipo de hormigón bituminoso”, cita constantemente que la adhesividad y la cohesión de la mezcla compactada se ha de tener en cuenta empleando la norma UNE-EN 12697-12: 2009 (Mezclas bituminosas. Métodos de ensayo para mezclas bituminosas en caliente. Parte 12: Determinación de la sensibilidad al agua de las probetas de mezcla bituminosa), mediante los métodos: a) Método A: emplea la resistencia a la tracción indirecta de probetas cilíndricas de mezclas bituminosas. b) Método B: emplea la resistencia a la compresión de probetas cilíndricas de mezclas bituminosas. Es decir, con estos ensayos se puede determinar valores de resistencia a tracción indirecta y compresión de las probetas, pero no podemos determinar el porcentaje o valor de adherencia que se mantendrá adherido tras someterlo a un proceso físico-químico que permita la pérdida de betún en la superficie del árido. Para ello se ha de emplear la misma norma, pero en este caso el método: c) Método C: define el valor de adherencia de mezclas bituminosas, una hora después del proceso de mezclado, donde la unión entre el betún y árido puede identificarse como el valor de adherencia. Este método no es mencionado por el PG-3, pero en el capítulo IV “Mezclas Bituminosas”, artículo 543.5.1.4 “Sensibilidad al agua”, se menciona que “en cualquier circunstancia se comprobará la adhesividad árido-betún
Introducción 23 o ligante mediante la caracterización de la acción del agua”, por lo que se puede intuir que se ha de estudiar con el método “C” planteado, pero en ningún momento deja claro con exactitud, que procedimiento se ha de seguir para que la muestra cumpla unos requisitos mínimos de adhesión. Quizás esta deficiencia en el estudio de la afinidad entre los elementos de la muestra sin compactar proviene con anterioridad al PG-3. En el pasado las mezclas bituminosas en España se basaban en las normas NLT, las cuales tampoco analizaban la adhesión. Estas normas existían antes de la entrada en vigor de las Normas Europeas, que permitió caracterizar las mezclas bituminosas y que cumpliesen así el Marcado CE para la libre circulación de productos. La norma que más se acerca al ámbito en el que se ubica el estudio es la NLT-145/72 “Envuelta de Áridos con betún”, la cual sólo estudia que porcentaje de árido queda recubierto de betún una vez que se ha mezclado la muestra, pero no emplea ningún proceso que implique una pérdida de betún para el estudio de la adhesión. Gracias al estudio de todo lo relacionado con estos temas y mi trabajo en una constructora, he podido ir dando sentido a la solución que necesitan una serie de problemas existentes en la pavimentación de puntos concretos de la ciudad de Sevilla. Estos puntos vienen originados por el tránsito de caballos y autobuses, a los cuales la Gerencia de Urbanismo es la encargada de dar solución.
Metodología 25 2 METODOLOGÍA Para poder llevar a cabo los distintos puntos del “Estudio Comparado de Afinidad Árido-Betún en Hormigones Bituminosos”, realizando un análisis del Estado del Arte en el que se encuentra el tema, he establecido el siguiente esquema de trabajo recogido en la Figura 2-1: El éxito es aprender a ir de fracaso en fracaso sin desesperarte. - Winston Churchill - Figura 2-1. Metodología
Estado del Arte 32 Betunes asfálticos, son subproductos de las refinerías de petróleo y como se han comentado anteriormente, son los más empleados en la construcción de firmes de carreteras. Se les conoce también con el nombre de betunes de penetración. Consisten en un sistema coloidal tipo gel que a temperatura ambiente es sólido o semisólido, por lo que requiere un calentamiento previo. Betunes fluidificados, derivados de betún asfáltico, obtenidos mediante su disolución en aceite o fluidificante, cuyo efecto consiste en rebajar la viscosidad. Betunes fluxados, consisten en una variante de los betunes fluidificados en la que el producto usado como fluidificante no es derivado del petróleo, sino que procede de la destilación de la hulla. Emulsiones, son dispersiones de betún puro o algo fluidificado en agua. Son líquidos a temperatura ambiente y con una viscosidad reducida. Las emulsiones pueden ser aniónicas o catiónicas, según la polaridad que el emulgente proporcione a las partículas de betún. Ligantes modificados, son ligantes hidrocarbonados, a los que se le añade aditivos (los más empleados son los polímeros) con el objetivo de incrementar las características reológicas, mejorando así el comportamiento y la durabilidad de los tratamientos que lo utilizan. 3.1.2 Tipología de Mezclas La clasificación de las mezclas bituminosas es distinta dependiendo de los criterios que se tomen para efectuarla, así quedaría según (Blázquez, 2000): Tabla 3-1. Clasificación de aglomerados asfálticos (Bañón Blázquez, 2000)
Estado del Arte 33 A. FRACCIONES DEL ÁRIDO EMPLEADAS: Se puede establecer una clasificación acumulativa en función de los tipos de árido que se van incorporando, obteniendo así cuatro clases de mezclas (Viswanathan, 2005): Masilla bituminosa: formado por una mezcla de polvo mineral o filler y un ligante hidrocarbonado. Mortero bituminoso: a la composición de la masilla se le adiciona árido fino, es decir, arena de tamaño inferior a 8 mm. Macadam bituminoso: se obtiene mezclando árido grueso de granulometría uniforme (macadam) con un ligante. Hormigón bituminoso: es el empleado usualmente en la construcción de capas bituminosas. Se obtiene adicionando árido grueso al mortero, por lo que está formado por tres tipos de materiales: árido grueso (grava), árido fino (arena) y betún. B. TEMPERATURA DE PUESTA EN OBRA Existen, dos tipos de mezclas según su temperatura de puesta en obra: Mezclas bituminosas en frío (MBF): En ellas, el ligante suele ser una emulsión bituminosa –en algunos países se emplean betunes fluidificados-, de forma que la viscosidad es suficientemente baja como para no requerir un calentamiento previo a su puesta en obra. Mezclas bituminosas en caliente (MBC): En este caso, el ligante utilizado para su confección es el betún de penetración, por lo que se necesita reducir su viscosidad calentándolo en obra a temperaturas que oscilan entre los 150 y los 200ºC. De este modo se logra una viscosidad suficientemente baja para obtener una mayor trabajabilidad y docilidad del material. C. PROPORCIÓN DE HUECOS EN MEZCLA Mezclas densas o cerradas: la proporción de huecos mezcla no supera el 6%. Mezclas semicerradas: son mezclas con un contenido de huecos comprendido entre el 6 y el 12%. En este grupo están incluidas las mezclas gruesas. Mezclas abiertas: Si la proporción de huecos mezcla supera el 12 %. Formadas esencialmente por árido grueso y ligante. Mezclas drenantes o porosas: son mezclas con un contenido de huecos superior al 20%. Permiten construir capas de rodadura muy permeables. Siempre deben apoyarse sobre una capa impermeable para evitar que el agua llegue a las capas granulares del firme. D. TAMAÑO MÁXIMO DEL ÁRIDO (Asphalt Handbook 7ª Edition) En función del tamaño máximo del árido empleado cabe distinguir entre las siguientes mezclas: Mezclas de textura fina: En este tipo de mezclas, el tamaño máximo de sus áridos no excede de 8 mm. Destacan las lechadas bituminosas o slurrys ya estudiadas con anterioridad y los microaglomerados en frío y en caliente, todos ellos tratamientos superficiales empleados en la rehabilitación de vías de cierta importancia. Mezclas de textura gruesa: Constituyen la gran mayoría de los aglomerados tipificados en España, empleando tamaños máximos de árido normalizados de 8, 12, 20 y 25 mm. Son los que definen una mejor macrotextura del firme y determinan sus principales propiedades superficiales.
Estado del Arte 34 E. SEGÚN LA GRANULOMETRÍA DE LOS ÁRIDOS La distribución de tamaños en los áridos empleados condiciona las características de la mezcla bituminosa, estableciendo a su vez una división en dos grandes familias: Mezclas continuas: Existe una distribución escalonada de tamaños de árido, de forma que las partículas más finas rellenan los huecos dejados entre las más gruesas. Este tipo de granulometrías es típico de las mezclas cerradas, caracterizadas por un alto contenido en filler. Se emplean de forma generalizada en nuestro país. Mezclas discontinuas: Su granulometría es discontinua, faltando áridos de tamaños comprendidos entre 2 y 8 mm. Son mezclas relativamente impermeables, aunque con peor comportamiento plástico y más caras. F. SEGÚN LA ESTRUCTURA DEL ÁRIDO (Gaweł I., 2001) Según la estructura y ordenación interna que presentan las partículas se distinguen dos tipos de mezclas: Mezclas sin esqueleto mineral: Se trata de compuestos con un elevado contenido en filler y por consiguiente de betún, lo que hace que trabajen únicamente por cohesión al estar dispersos los áridos en el ligante, sin trabazón alguna. Mezclas con esqueleto mineral: Entre ellas se engloban los hormigones y morteros bituminosos, por lo que son las más empleadas en casi todos los países. Se adaptan a cualquier situación de carga y son más económicas que las anteriores, dado que su contenido en ligante es más reducido. Las mezclas normalizadas en España pertenecen exclusivamente a este grupo. Tras la combinación de todos los criterios anteriormente expuestos, se exponen los tipos de mezclas más empleados en España (Montero, 2010): Hormigones bituminosos en caliente: son las más utilizadas. Son mezclas en caliente de granulometría continua, las partículas más finas rellenan los huecos que dejan las más gruesas y todas ellas están recubiertas por una película continua de ligante. Esqueleto mineral que incluye las mezclas cerradas y semicerradas, con tamaño máximo superior a 12 mm. Microaglomerados en caliente: son mezclas cerradas en caliente, finas (tamaño máximo 5‐6 mm). Su campo de aplicación son las vías urbanas. Mezclas de alto módulo: son hormigones bituminosos en caliente, en los que el ligante es un betún duro y que debido a ello presentan un módulo de rigidez superior. Se utiliza en capas de base e intermedias para dotar al firme de mayor resistencia a igualdad de espesor. Mezclas porosas o drenantes: son mezclas en caliente con un contenido de huecos superior a 20%, fuerte esqueleto mineral y tamaño máximo de 10‐12 mm. El alto contenido en huecos hace que la superficie esté libre de agua y que el rozamiento neumáticopavimento sea elevado. Es por ello por lo que se utilizan en capas de rodadura, proporcionando una rodadura cómoda y segura. Microaglomerados discontinuos en caliente: son mezclas cerradas de tamaño máximo de 8‐12 mm en las que suele eliminarse la fracción 2‐4 mm. Tienen un buen esqueleto mineral y una fuerte cohesión porque suelen fabricarse con betún modificado o con betunes convencionales y adición de fibras. 3.1.3 Propiedades Las características exigidas a cada componente que forme una mezcla bituminosa tienen como objetivo conseguir una serie de propiedades que hagan que dicha mezcla sea óptima para su uso. Para que prevalezcan las propiedades que interesan en cada caso, hay que considerar las cualidades de los materiales empleados, su dosificación y las condiciones de fabricación y de puesta en obra de la mezcla.
Estado del Arte 35 Para estudiar estas, se realizan diferentes ensayos de adherencia árido-betún, mediante la aplicación de solicitaciones de diversa magnitud con una frecuencia y velocidad determinadas; evaluando así su capacidad de adherencia y despegue entre áridos y ligantes empleados en dicha mezcla. En este sentido, se puede afirmar que las mezclas bituminosas presentan un comportamiento visco-elasto- plástico: elástico para tiempos de aplicación de carga muy pequeños y temperaturas bajas (módulo de elasticidad constante), y viscoplástico para temperaturas y tiempos de aplicación elevados (Luis Bañón Blázquez, 2000). A modo resumen, se puede decir que, en una mezcla bituminosa, hay que exigir las propiedades siguientes: Estabilidad Resistencia a la deformación plástica Resistencia a la fatiga Flexibilidad Resistencia al deslizamiento Impermeabilidad Durabilidad A. ESTABILIDAD Es la principal característica que se debe tener en cuenta en toda mezcla bituminosa, ya que esta debe soportar las cargas del tráfico y resistir las tensiones que se van a producir con unas deformaciones tolerables. La estabilidad trata de representar la resistencia intrínseca del material, consistiendo en la suma de la resistencia mecánica producida por el rozamiento interno de los áridos y la producida por la cohesión que proporciona el ligante hidrocarbonado. En laboratorio suele medirse dicho parámetro mediante el ensayo Marshall, NTL-159 (CEDEX, 2000ª), para mezclas gruesas y mediante el ensayo de Hubbar-Field, NTL-160 (CEDEX, 1973). B. RESISTENCIA A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA Debido al comportamiento viscoelastoplástico de las mezclas bituminosas, estas tienden a presentar deformaciones plásticas ante fuertes aplicaciones de carga prolongadas en el tiempo, provocando la fluencia del material; roderas, deformaciones longitudinales producidas mayormente en las zonas de rodada de vehículos pesados. Si la mezcla no tiene unas propiedades adecuadas, así como una relación filler-betún, una adecuada angulosidad del árido o una mala adherencia entre otras, pueden producirse acumulaciones de dichas deformaciones, generando baches de diversa consideración. (Ver figura 3-2) Otras deformaciones plásticas que suelen ser usuales son las que se manifiestan mediante arrollamientos o resaltos transversales, comportándose el pavimento como si se tratara de una alfombra arrugada. Estas deformaciones se originan en zonas donde los esfuerzos horizontales son muy fuertes. (Ver figura 3-3) El ensayo más común utilizado en España para determinar la resistencia a la deformación plástica es el ensayo de Pista de laboratorio (NLT-173).
Estado del Arte 36 Figura 3-2. Deformación plástica generada por mala dosificación de la mezcla
Estado del Arte 37 Figura 3-3. Deformación plástica generada por esfuerzos horizontales C. RESISTENCIA A LA FATIGA En zonas donde se produce frecuentemente la acumulación de procesos de carga/descarga se genera una pérdida progresiva de elasticidad y resistencia; aumentando las deflexiones y produciéndose el agrietamiento del firme; fenómeno que se conoce como agotamiento del firme por fatiga. La fisuración por fatiga es una de las principales patologías en los firmes de todo el mundo, siendo además una de las prioridades de investigación en el ámbito de la ingeniería de carreteras, y concretamente, en el diseño de mezclas bituminosas. En la actualidad existen diferentes tipos de ensayos que permiten la evaluación del comportamiento a fisuración por fatiga de mezclas bituminosas, pero a pesar de ello, casi ninguno de estos ensayos se emplea de forma generalizada. Debido a este hecho, no existe una referencia común para evaluar el comportamiento a fisuración por fatiga de mezclas bituminosas; por ello, existen una gran cantidad de investigaciones que pretenden encontrar un ensayo generalizado que pueda extrapolar los resultados obtenidos de varias muestras y entrelazarlos para llegar a hipótesis acertadas, como por ejemplo la tesis doctoral UGR-FACT: University of Granada Fatigue Asphalt Cracking Test.
Estado del Arte 38 Figura 3-4. Fisuración pavimento por fatiga, conocida como “piel de cocodrilo” D. FLEXIBILIDAD La flexibilidad de una mezcla bituminosa juega un papel de vital importancia si va a ser extendida en capas de espesores no superiores a 10cms o en firmes muy flexibles, ya que deben soportar constantes movimientos, de manera, que el conjunto de partículas que componen dicha mezcla debe tener un cierto grado de compactación entre ellas. Este parámetro está muy ligado al anterior (fatiga), ya que para que una mezcla bituminosa sea flexible, su fatiga no debe ser prematura. Para analizar esta propiedad, los ensayos que se realizan en laboratorio son ensayos donde la mezcla se somete a esfuerzos constantes de tracción y compresión, para ver el grado de fisuración que estas presentan frente tales fuerzas. E. RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO Cuando la mezcla va a utilizarse como capa de rodadura, esta debe presentar un elevado coeficiente de resistencia al deslizamiento. Para que esto ocurra, debe realizarse una selección y dosificación óptima de los áridos empleados en la mezcla: la macrotextura de la capa, la microtextura y la capacidad de eliminación de agua (áridos porosos y drenantes). La macrotextura influye principalmente en la resistencia al deslizamiento en zonas que soportan velocidades elevadas; viniendo definida por el tamaño máximo del árido y la cantidad de mortero empleada. Dicho parámetro se mide in situ mediante la norma NLT-335/00: Medida de la macrotextura superficial de un pavimento por la técnica volumétrica. La microtextura se debe a la textura superficial de los áridos gruesos y angulosos de la mezcla, midiéndose este factor en laboratorio mediante el coeficiente de pulimento acelerado, CPA. Por último, la capacidad de eliminación de agua depende del porcentaje poroso que exista en la mezcla
Estado del Arte 39 y el árido, de manera que en laboratorio puedan realizarse ensayos de drenaje mediante el drenómetro. F. IMPERMEABILIDAD El mayor enemigo de un pavimento es el agua; ya que esta puede generar importantes alteraciones en su composición, afectando a sus propiedades y características. Dicho esto, las mezclas bituminosas de las capas superiores de los pavimentos de carreteras, deben proteger la infraestructura frente a la acción del agua que cae sobre el firme. Para ello, las mezclas cerradas son las más impermeables, aunque, por otro lado, las drenantes canalizan el agua en su interior; suponiendo una solución alternativa siempre que se extiendan sobre otra capa que sí posea propiedades impermeabilizantes. (Luis Bañón Blázquez-Tomo 2). La impermeabilización puede confiarse directamente a la capa de rodadura (capa superior) o bien a la capa intermedia, ejecutando sobre ella una capa que permita el paso del agua, formada por una mezcla drenante; de manera que el agua no quede acumulada en su interior y esta circule hasta buscar salida. G. DURABILIDAD Las capas de rodadura se ven sometidas a constantes agresiones externas generadas por los diferentes fenómenos meteorológicos, añadiendo a estos las propias cargas del tráfico que soportan, causando así deterioros en su textura y por consiguiente en su estructura interna. Es lo que se conoce como envejecimiento del firme. Algunos de los deterioros que se originan son irreversibles y se ponen de manifiesto en forma de microfisuras y migraciones de ligantes, entre otras. La durabilidad de las mezclas bituminosas está relacionada con un correcto diseño de la infraestructura y la adecuada fabricación y puesta en obra de la misma. Al ser daños que no se pueden subsanar, ya que estos son causa del tiempo de vida útil que pueda tener el pavimento, las carreteras deben estar sometidas a mantenimientos periódicos. En laboratorio se pueden realizar numerosos ensayos para evaluar la durabilidad de las mezclas, simulando diferentes fenómenos agresivos; sin embargo, cabe mencionar un novedoso ensayo de FÉNIX y EBADE, desarrollado por el Laboratorio de Caminos del Departamento de Infraestructura del Transporte y del Territorio de la Universidad Politécnica de Catalunya. 3.1.4 Diseño de Mezclas Bituminosas en Caliente Cuando hablamos del diseño de una mezcla bituminosa, nos referimos a la fase que sigue las pautas del proyecto de mezcla buscado; es decir, la fase donde se decide el tipo de mezcla que se va a crear, los materiales básicos como áridos y betún y el espesor de la capa más óptimo para las condiciones a las que se va a someter. La dosificación abarca la caracterización y definición de los componentes de la mezcla, las proporciones de los distintos materiales usados, para obtener así la máxima estabilidad y durabilidad. Por estabilidad se entiende la propiedad de la mezcla compactada que le permite soportar los esfuerzos que le impone el movimiento de la carga sobre ruedas sin sufrir una deformación considerable y permanente. Durabilidad es la propiedad de la mezcla compactada que le permite resistir los efectos perjudiciales del aire, agua y de los cambios de temperatura. Para que el pavimento sea satisfactorio, debe ser durable y estable durante toda su vida útil. (Paul H. Wright y Karen Dixon. Ingeniería de Carreteras). En España, los métodos de proyecto y dosificación de mezclas bituminosas en caliente han sufrido constantes modificaciones y etapas. Inicialmente se empleaban los métodos descritos por el Instituto del Asfalto Norteamericano (Asphalt Institute, 2003) para hormigones bituminosos basados en el ensayo Marshall, el cual fue desarrollado por el ingeniero de carreteras del estado de Mississippi, USA, a finales de los años 30; Bruce Marshall.
Estado del Arte 40 Ya en el año 1943, este método fue modificado por el Cuerpo de Ingenieros de EEUU, provocando modificaciones en cuanto a los criterios de análisis de los resultados e introduciendo ensayos complementarios; convirtiéndose en el método más empleado en todo el mundo para la dosificación de mezclas. El ensayo que se emplea en dicho método es el reflejado en la Norma NLT-159. “Resistencia a las deformaciones plásticas empleando el aparato Marshall” (CEDEX, 2000a). Este consiste en la ejecución de varias probetas cilíndricas de mezclas bituminosas, manteniendo la misma granulometría, pero diferenciándolas por el porcentaje de ligante empleado, variando sus cantidades en intervalos de 0,5%. Estas probetas se sumergen en agua a una temperatura de 60ºC y posteriormente se golpean por varias caras, a una velocidad constante y se analizan las diferentes roturas que se generan en ellas, teniendo en cuenta la densidad, huecos en mezcla y huecos en áridos en las probetas compactadas y los resultados del ensayo mecánico a rotura de estabilidad y deformación Marshall; seguido de criterios adicionales como la relación filler/betún. Como hemos mencionado, el Cuerpo de Ingenieros de Estados Unidos, completaron el método Marshall con ensayos complementarios como son el ensayo de resistencia a la deformación plástica mediante la pista de ensayo en laboratorio, NLT-173 (CEDEX, 2000c) y el ensayo de inmersión-compresión, NTL-162 (CEDEX, 2000b). Por otro lado, la serie de normas UNE-EN 13043 da categorías para un rango de otras propiedades agregadas. No todas las propiedades estipuladas deben cumplirse. Cada país miembro de la UE tiene su propia Guía Nacional, que brinda una guía sobre qué propiedades particulares se deben cumplir para los áridos utilizados en cada país miembro. La cantidad de material de cantera en las mezclas de pavimentación de asfalto es generalmente de 90 a 95 por ciento en peso o de 75 a 85 por ciento en volumen. El árido es el principal responsable de la capacidad de soporte de carga del pavimento; en consecuencia, el rendimiento de una mezcla de asfalto en caliente (HMA) está muy influenciado por el árido. Los áridos se clasifican según su tamaño, geología y fuentes. Marcado CE El 1 de marzo del 2018, entró en vigor el llamado Marcado CE para la libre circulación de productos de construcción en el marcado interior de la Unión Europea. Figura 3-5. Materiales que componen una mezcla bituminosa
Estado del Arte 41 Fue establecida por la Comunidad Europea y es el testimonio por parte del fabricante de que su producto cumple con una normativa o un documento de idoneidad técnica Europea (DITE), asegurando los aspectos relativos a seguridad, salubridad y protección del medioambiente requeridos por los Estados miembros de la Unión Europea. Se debe tener presente que el marcado CE no implica la calidad del producto, sino que declara unas prestaciones de acuerdo con un formato determinado y, en ocasiones, cumple unos límites mínimos. En los Reales Decretos 1630/1992 y 1382/1995 se dictan disposiciones para la libre circulación de productos de construcción, en aplicación de la Directiva 93/068/CEE, incluyendo la documentación que han de aportar los fabricantes de productos de construcción para demostrar el correcto cumplimiento del marcado CE (Ministerio de Fomento, 2008). Esta documentación a aportar por parte del fabricante es: Garantizar el cumplimiento del producto con los requisitos esenciales de las Directivas de aplicación. Firmar la Declaración "CE" de conformidad. Elaborar la documentación o expediente técnico. Fijar el marcado "C.E.". Las diferentes etapas posibles por las que un producto ha de pasar desde su fabricación hasta su comercialización en el mercado son: Anteriormente, no se disponían de unos criterios comunes que normalizaran la fabricación de los diferentes tipos de mezclas asfálticas, generando controversias entre los diferentes estados miembros de la UE: por ello, surge la necesidad de armonizar criterios para la fabricación normalizada de las mezclas bituminosas por todos los países miembros. Figura 3-6. Etapas de un producto para recibir el marcado C.E.
Estado del Arte 48 Igualmente es de importancia el proceso de quimisorción; el cual, no siempre continúa con la misma intensidad. La composición de asfalto de los componentes activos se puede dividir en un tipo aniónico y, por lo tanto, la quimisorción será activa en la superficie de la base mineral (con una gran cantidad de carbonato de calcio, CaCO_3) o caliza y dolomita. En el caso de áridos ácidos (que contienen una gran cantidad de sílice, SiO₂), los procesos de quimisorción son insignificantes, mientras que el fenómeno de la adsorción física ocurre asociado con la influencia de las fuerzas intermoleculares. La absorción es otro proceso importante en la formación de un revestimiento de los áridos. Materiales minerales caracterizados por la presencia de huecos (poros) que, durante la mezcla del asfalto con el árido, pueden rellenarse con adhesivo. El betún se adhiere mucho mejor a los granos porosos, absorbiéndolo, en lugar de a los áridos de superficie lisa. Los compuestos orgánicos de asfalto de áridos de bajo peso molecular penetran en los poros, mientras que los de mayor peso molecular permanecen en la superficie del grano. En última instancia, se manifiesta en un aumento de las propiedades mecánicas de la capa de asfalto en la superficie del mineral. El fenómeno de la absorción se encuentra, entre otros, en el caso de la piedra caliza porosa. Figura 3-10. ido poroso (Ej. Escoria de acero) y no poroso (Ej. Caliza) Existen varias teorías para la adhesión. Algunas teorías combinan elementos de otras teorías y otras usan los mismos elementos, pero la definen de manera diferente como un todo. Existen cuatro teorías principales diferentes para la adhesión de áridos bituminosos que son: la teoría de la reacción química, la teoría de la orientación molecular, la teoría mecánica y el enfoque termodinámico. Figura 3-9. El sistema de betún-agua-árido en el valor de ángulo deseado Θ <90 ° (AASHTO (D4867, 2014))
Estado del Arte 49 3.3.1 Teoría Sobre las Reacciones Químicas Esta teoría se basa en la suposición de que la adhesión entre el betún y el árido es causada por reacciones químicas. Después de recubrir el árido con betún, tiene lugar la adsorción de los componentes activos químicos del betún en la superficie del árido. Los componentes químicos activos tanto del betún como del árido interactúan, lo que resulta en transferencias de electrones entre los componentes activos en el betún y el árido y entre los componentes activos en el mismo betún. Las transferencias de electrones son causadas por la diferencia de potenciales. Cuando interactúan diferentes componentes activos, algunos componentes tendrán la tendencia de donar electrones y otros los recibirán. El betún consta de ambos componentes activos de tipo, por lo tanto, de componentes, que tendrán la tendencia a donar electrones rápidamente y componentes, que reciben electrones rápidamente. (Bagampadde, 2005) También los áridos de carbonato consisten en componentes activos de donante y aceptor fáciles. Por otro lado, los áridos de cuarzo consisten predominantemente en componentes, que actuarán principalmente como receptores de electrones. La teoría continúa señalando que se desarrollan enlaces adhesivos más fuertes en las capas de interfaz en las que se obtiene un equilibrio adecuado entre la donación y la recepción de componentes activos tanto del betún como del árido existente. 3.3.2 Teoría de la Orientación Molecular En esta teoría, los grupos funcionales tanto del betún como del árido causan una unión adhesiva. Los grupos funcionales de betún migran y apuntan hacia la superficie del árido, como resultado del campo eléctrico causado por las cargas de dipolos de los grupos funcionales sobre la superficie del árido. Los grupos funcionales de betún se alinean de acuerdo con el campo eléctrico alrededor del árido. El nivel de adsorción y desorción de los grupos funcionales de betún está influenciado por la distancia de la partícula y la magnitud de las cargas del dipolo. A distancias cercanas de la superficie del árido, el grupo funcional de betún con el mayor potencial formará una capa. El potencial de la superficie del árido disminuye a lo largo de una distancia de crecimiento de esta superficie, lo que hace que los grupos funcionales de betún con carga inferior formen una capa unida menos firme alrededor de la primera capa de grupos funcionales de betún. La capa con el enlace más fuerte se llama la capa de popa y la capa secundaria se llama la capa de Gouy- Chapman. La unión adhesiva causada por la unión electrostática y por hidrógeno se reduce cuando el agua está presente en la capa de interacción. El agua es más polar que la mayoría de los grupos funcionales y moléculas de betún. Por lo tanto, existe una preferencia de la superficie del árido para el agua por encima del betún. Esto proporciona una posible explicación para el desmonte. 3.3.3 Teoría Mecánica El supuesto principal de esta teoría es que, durante el recubrimiento del árido, el betún ingresa a los poros, agujeros, grietas e irregularidades presentes en la textura de la superficie del árido. Después del endurecimiento del betún, la unión adhesiva es causada por la fricción de la superficie entre el betún y la superficie del árido. La teoría puede proporcionar una explicación para los enlaces adhesivos más fuertes de texturas de superficie de áridos más rugosos. En primer lugar, más irregularidades proporcionan más interbloqueo para el betún. En segundo lugar, una superficie de árido más áspera tiene un área física de contacto más grande y, por lo tanto, proporciona una mayor fricción de superficie entre el betún y la superficie del árido. Debido a la rugosidad de la superficie del árido, las tensiones en el recubrimiento de betún se redistribuyen mejor. Esto resulta en menos concentraciones máximas de estrés y por lo tanto una disminución en la posibilidad de ruptura. Sin embargo, la teoría también establece que, con un aumento de la rugosidad de la superficie del árido, la humectación con betún se vuelve más difícil y, por tanto, podría quedar incompleta. Esto puede generar una unión adhesiva menos fuerte.
Estado del Arte 50 3.3.4 Enfoque Termodinámico Este enfoque para la resistencia de la unión adhesiva entre el betún y el árido se basa en el cambio de la energía superficial del betún después de recubrir el árido. Combina elementos de la reacción química y la teoría de la orientación molecular. Después de impregnar el árido con betún, las fuerzas intermoleculares en la superficie del árido y el betún interactúan, dando como resultado una energía de unión liberada. El estado de energía inicial y final total de un sistema se denomina energía de Gibbs y la liberación de la energía de enlace da como resultado un cambio de esta. La ruptura del enlace entre la superficie del árido y la energía bituminosa nos da como resultado la adhesión del betún en la superficie del árido. 3.3.5 Observaciones sobre las Teorías de Adhesión Hasta ahora no es posible afirmar que una de las teorías sea errónea o que una teoría describa todo el proceso de adhesión de áridos bituminosos. En general, se piensa que los fenómenos de adhesión son una combinación de las cuatro teorías de adhesión árido-betún. Por lo tanto, la adhesión debe explicarse por todos los elementos mencionados en las cuatro teorías de adhesión. Otra clasificación que se puede hacer más simple acerca de la adherencia es (ASEFMA (Asociación Española de Fabricantes de Mezclas Asfálticas), s.f.): Activo: el betún tratado como un promotor de adhesión activo que desplaza la humedad de una superficie y establece un enlace entre la superficie mineral y el betún. Dinámico: La adhesión entre el árido mineral y el betún es resistente al efecto de bombeo de los vehículos en las capas superficiales húmedas. Pasivo: La capacidad de una unión establecida entre la superficie mineral y el betún para resistir el efecto del agua. Factores que Afectan a la Adhesión en Hormigones Asfálticos Muchos de los deterioros que surgen en las carreteras están causados por una mala dosificación, por falta de calidad de los materiales utilizados y por una inadecuada puesta en obra. Dos aspectos importantes que influyen en gran medida en el comportamiento mecánico y durabilidad de una mezcla bituminosa son la calidad del polvo mineral y la adherencia entre sus elementos. Pueden ser numerosos factores los que afecten a la adhesividad de los hormigones asfálticos, ya que estos son el resultado de la mezcla de varios elementos unitarios, árido y betún; los cuales, a su vez, presentan propiedades y características individuales. Según las características físicas de estos elementos, la mezcla reacciona de una forma u otra, enriqueciendo o empobreciendo algunas propiedades y mejorando o empeorando algunas características finales de la mezcla. Dichas propiedades finales también están íntimamente relacionadas con el proceso químico que experimenta dicha composición tras la mezcla de estos elementos, en función de las propiedades de los elementos básicos de ella. Por último, las mezclas bituminosas son afectadas por fenómenos externos a su composición como son las cargas a las que van a ser sometidas o fenómenos meteorológicos o medioambientales que van a soportar a lo largo de su vida útil. En la figura 3-10. esquematizamos los diferentes factores que influyen en la propiedad de adhesión de los hormigones asfálticos:
Estado del Arte 51 Figura 3-11. Esquema/resumen de los factores que afectan a la adherencia de los hormigones asfálticos Factores que afectan la adherencia Propiedades del árido Composición petrográfica Porosidad El tamaño de la superficie Forma Propiedades del betún Propiedades reológicas Construcción / estructura de asfalto M.B.C. (Mezcla bituminosa caliente) Permeabilidad Contenido de betún Espesor de la capa de asfalto sobre árido Tipo de relleno Mezcla Factores externos Probabilidad de lluvia Humedad La acidez (pH) La presencia de sal Temperatura Ciclo de temperatura Carga del tráfico Diseño de la estructura del pavimento Actuación Deshidratación
Estado del Arte 52 3.4.1 Propiedades de los Betunes Se definen como betunes asfálticos a los ligantes hidrocarbonados sólidos o viscosos, de alta densidad, preparados a partir de hidrocarburados naturales por destilación, oxigenación o "cracking"; que contienen una baja proporción de productos volátiles, poseen propiedades aglomerantes características, y son esencialmente solubles en sulfuro de carbono. Este componente es el que aglomera y da cohesión en las mezclas bituminosas y es el principal responsable de las propiedades de estas. Gracias a sus propiedades principales, los betunes pueden ser fácilmente manipulables, aplicando mayor o menor temperatura, mejorando así su adherencia con los áridos a mezclar y la compactación de las mezclas resultantes de dicho proceso. Además, pueden presentarse en diferentes estados: gaseoso, líquido, semisólido y sólidos. Se sabe por experiencia y por experimentos que algunos betunes poseen características que permiten una muy buena adhesión y otros tipos de una mala adhesión. Los factores más importantes en los betunes son la energía superficial y la viscosidad, los cuales describiremos en apartados posteriores. (CEPSA BETUNES, s.f.) Figura 3-12, Características tipos betunes 3.4.1.1 Constitución del Betún Como anteriormente hemos definido, el betún (también conocido como bitumen) es una mezcla de sustancias orgánicas que se encuentran en la naturaleza, compuestas principalmente de carbono e hidrógeno, muy viscosas, con una elevada densidad, completamente solubles en disulfuro de carbono y compuesta principalmente por hidrocarburos aromáticos policíclicos. Además de sus principales componentes químicos (carbono e hidrógeno), la mayoría de los betunes contienen azufre y varios elementos metálicos como son el níquel, plomo, cromo, mercurio, vanadio, arsénico, selenio y otros elementos de naturaleza tóxica. Los betunes pueden lograr una buena conservación de plantas y animales, que forman fósiles en las rocas. El betún también se halla en los meteoritos, rocas arcaicas, mineralizaciones de cobre y zinc, y en cuevas. Es posible que el betún sea el principal material formado durante la acreción - término que se utiliza para nombrar el crecimiento de un cuerpo por agregación de cuerpos menores - de la tierra y fuera procesado por las bacterias que consumen hidrocarburos. Con el paso del tiempo, la creación de los betunes asfálticos ha pasado de ser un proceso natural a convertirse en un proceso artificial, mejorando así las propiedades y características de estos; obligándolos a cumplir con las condiciones que se les deben superponer para cumplir con las exigencias requeridas en el producto final, las mezclas bituminosas.
Estado del Arte 53 3.4.1.2 Tensión Superficial Directamente relacionada con la composición química es la energía superficial del betún. Las fuerzas intermoleculares en la superficie del betún son capaces de interactuar con las moléculas del árido dando como resultado un enlace adhesivo. En términos generales cada molécula de un líquido está rodeada por otras: la atracción en todas direcciones se compensa en cada punto, excepto en la superficie, donde la resultante es una atracción neta hacia el interior. El líquido tiende a cohesionarse y a minimizar su superficie. La superficie se comporta como una película que ofrece resistencia a su deformación y por tanto a romperse. Por ello, la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud que ejerce una superficie de un líquido sobre una línea cualquiera situada sobre ella. La fuerza debida a la tensión superficial es perpendicular a la línea y tangente a la superficie. También se puede decir que la tensión superficial es la energía por unidad de área que se necesita para aumentar una superficie. 3.4.1.3 Viscosidad La viscosidad es una medida de la resistencia de los líquidos a fluir. Se define como la resistencia que oponen las partículas a separarse, debido a los rozamientos internos que ocurren en el seno del fluido y esta oposición es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido. Se da en la unidad de [Pa · s]. Los dos factores más importantes que hacen variar la viscosidad de un fluido son la temperatura y la presión, siendo este último menos influyente. Durante la mezcla betún-árido, el betún debe tener una viscosidad lo suficientemente baja para lograr el recubrimiento y la absorción óptima sobre los áridos. Esto se establece aumentando la temperatura. Es importante mencionar que la viscosidad es una propiedad de los líquidos que está presente siempre y cuando estos estén en movimiento, ya que, un líquido que se encuentre estático hace que sus moléculas se mantengan fijas, no teniendo la necesidad de interactuar entre sí para tratar de permanecer unidas. Por todo ello, el estudio de esta propiedad se puede analizar siempre y cuando se aplique una fuerza (Ley de Viscosidad de Newton). Como conclusión, se puede decir que mientras más grandes sean las moléculas del betún, mayor será la resistencia que este opondrá al movimiento generado tras aplicar una fuerza externa y por ello, podemos afirmar que el betún es más viscoso y su desplazamiento será más lento. El hecho de que un betún sea más viscoso que otro, quiere decir que tiene una mayor resistencia a su deformación; por tanto, favorece algunas características de la mezcla bituminosa como es la durabilidad. (REPSOL PRODUCTOS, s.f.) 3.4.2 Propiedades de los Áridos Como ya hemos definido en apartados anteriores, los áridos son un material granular de origen natural o artificial, que forma el esqueleto mineral de las mezclas bituminosas. Este componente representa entre el 80% y 90% del peso de dicha mezcla. La finalidad de utilizar áridos en dicha composición son la de aportar resistencia como esqueleto y proporcionando durabilidad. Además, disminuye la retracción que se produce en el betún al someterlo al mezclado con el árido, teniendo una gran importancia el tamaño de sus particulares y el contenido de finos. También se puede mencionar que, gracias al árido, se puede abaratar el coste de la mezcla bituminosa, ya que este material es más económico en comparación con el fluido viscoso. En función de sus características, estas hacen que la mezcla bituminosa sea más o menos adhesiva, cuyos factores
Estado del Arte 54 más importantes de estos son la composición mineralógica, la composición química, la energía de la superficie, la intemperie, la textura de la superficie, el tamaño, la forma y la angularidad, la porosidad y la distribución del tamaño de los poros, así como las impurezas de la superficie del mismo. (Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de Carreteras y Puentes (PG3), Materiales básicos, Diciembre, 2014) 3.4.2.1 Composición Mineralógica La composición mineralógica afecta a la textura de la superficie del árido. Muchos minerales muestran diferentes tipos de textura cuando se fracturan. El cuarzo, por ejemplo, tiene una fractura concoidal. Esta fractura tiene la apariencia de series o arcos. Metales nativos como el cobre tienen una fractura pirateada. Otros tipos de fracturas son fracturas uniformes y desiguales. Por tanto, se puede decir que la composición mineralógica es uno de los principales factores que afectan el desmonte. La composición mineralógica de los áridos depende del origen de las rocas. En la tierra, las rocas se pueden dividir en tres grupos principales: rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. Las rocas ígneas tienen su origen principal en las rocas fundidas dentro de la corteza terrestre, llamadas magma. Las rocas sedimentarias se forman por la acumulación de productos de erosión y desgaste de las rocas desmenuzadas y descompuestas. El último grupo, la roca metamórfica, contiene rocas ígneas y sedimentarias, que se han conversado drásticamente, de modo que la naturaleza y el estado original de las rocas se pierden. (Blanco Ferrero) 3.4.2.2 Composición Química El nivel de acidez de los áridos tiene una fuerte influencia en las reacciones químicas en la interfaz. Se ha encontrado que la presencia de algunos componentes metálicos en la superficie del árido podría ser beneficiosa para la adhesión y la presencia de algunos componentes metálicos podría ser perjudicial. El hierro, el calcio, el magnesio y hasta cierto punto, el aluminio en la superficie del árido a veces es beneficioso. 3.4.2.3 Energía de Superficie Directamente relacionada con la composición química y mineralógica es la energía superficial de los áridos. Las fuerzas intermoleculares en la superficie de los áridos pueden interactuar con las moléculas del betún, dando como resultado un enlace adhesivo. Diferentes productos químicos tienen diferentes tipos de mecanismos de enlace para la interacción con las moléculas en el betún. 3.4.2.4 Meteorización Ya se han realizado investigaciones para relacionar la intemperie con la adsorción de betún y la energía superficial del árido, pero no se han encontraron resultados claros. En general, se piensa que algunos áridos tienden a meteorizarse más rápidamente que otros y la intemperización tiene un efecto negativo en la adherencia entre el betún y la superficie del árido. 3.4.2.5 Textura de Superficie Al principio, una textura de superficie lisa puede ser más fácil de recubrir con una película de aglomerante adecuada, pero la unión mecánica es menor en comparación con una textura de superficie más áspera. Una superficie más áspera tiene un área de superficie más grande por unidad de masa (área de superficie específica) que resulta en una unión adhesiva más fuerte. Sin embargo, cuando el árido es demasiado áspero, es posible que no toda la superficie del árido esté cubierta. (Ver figura 3-11)
Estado del Arte 55 3.4.2.6 Tamaño Las partículas de áridos para la construcción de carreteras en mezclas asfálticas normalmente son más pequeñas que 22 mm. Por razones de procesabilidad y forma, el tamaño máximo de los áridos es limitado. El tamaño de la piedra triturada se limita a 16 mm para las capas superficiales y a 22 mm para las capas intermedias e inferiores. Las partículas de áridos más finas, el relleno, pueden aproximarse a tamaños más pequeños que 2 μm. 3.4.2.7 Forma y Angularidad Las partículas de áridos más redondos, como la mayoría de las gravas y arenas naturales, se recubren más fácilmente con un aglutinante de betún que los áridos de forma angular. Durante la vida útil, la angularidad puede ofrecer buenos puntos de anclaje para el aglutinante de betún para mejorar la adherencia. Sin embargo, se sabe que un aumento de la angularidad también aumenta la probabilidad de perforar la película de betún. De este modo, el agua puede penetrar más fácilmente en la capa de unión adhesiva y, posiblemente, provocar el desprendimiento. (Ver figura 3.11) 3.4.2.8 Porosidad y Distribución del Tamaño de Poro La distribución del tamaño de los poros, en la cual muchos poros están ubicados en la superficie del árido, da Figura 3-13. Esquema de textura de superficie de un pavimento de asfalto Figura 3-14. Componentes básicos de los áridos: forma, textura y angularidad
Estado del Arte 56 como resultado una textura de la superficie más áspera. Una alta porosidad en la superficie también afecta la absorción del aglutinante de betún. Una desventaja es que la cantidad de betún absorbido en los poros del árido no está disponible para el recubrimiento adecuado del exterior del árido. Esta cantidad podría compensarse con una cantidad adicional de betún durante la fabricación de la mezcla. 3.4.2.9 Impurezas en la Superficie del Árido Las impurezas de la superficie incluyen arcilla, polvo (por ejemplo, de trituración de áridos), carbón, esquisto, mica libre, sales y vegetación. Estas impurezas pueden inhibir la unión directa entre el aglomerante de áridos y el betún. De esta manera, no se garantiza una unión adhesiva adecuada. 3.4.3 Propiedades de la Mezcla que Afectan Directamente a la Adhesión La adhesividad entre el árido y el betún de una mezcla bituminosa puede ser influenciada por una serie de factores muy importantes como son la calidad de los materiales que la componen; siendo así de vital importancia la correcta elección y dosificación de estos en el proceso de creación de la mezcla. Muchos de los deterioros que surgen en las carreteras están causados por una mala elección, dosificación y puesta en obra de los materiales que componen la mezcla. Dos aspectos muy importantes que influyen en el comportamiento mecánico y la durabilidad de dicha mezcla son la calidad del árido empleado y la adherencia entre las diferentes capas que compone la carretera. Así pues, se puede decir que una buena adherencia entre capas, logra que el conjunto de materiales que componen la mezcla se comportan como un bloque homogéneo; lo que permite aumentar la durabilidad del producto final. Otro factor a tener en cuenta debe ser el diseño de la propia mezcla bituminosa, ya que sus características varían según el contenido de betún aportado, el porcentaje de huecos o la densidad de la mezcla. El filler también tiene un papel fundamental en el comportamiento de las mezclas bituminosas debido a su elevada superficie específica y al aumento de la cohesión y adherencia que aporta al resto de áridos y ligantes, cuyo papel es el de rellenar los huecos que se generan entre los áridos con granulometrías diferentes, impermeabilizar y densificar el esqueleto de dicha mezcla. Este material (filler) puede proceder de la trituración de los propios áridos que integran la mezcla o pueden ser aportados tras procesos industriales. En resumen, se puede decir que en un sistema multicapa, como es una carretera, se pueden dar movimientos entre ellas, generándose así fisuras de diferentes grados de importancia. Una buena adherencia entre estas capas garantiza el buen comportamiento de un paquete estructural, haciendo que este trabaje solidariamente. La mala adhesión entre capas se traduce a una mala distribución de las tensiones generadas por el tránsito, en el espesor del pavimento (Ricci, 2011). Cuando dos capas trabajan monolíticamente, siendo su interfase ligada rígidamente por el efecto de la adherencia, una única línea neutra pasa a gobernar el comportamiento mecánico del pavimento (Dr. Hector Luis Delbono, 2016). El que esta línea neutra baje, irá en función tanto de las propiedades elásticas de las capas como de su espesor, dándose aquí una gran importancia al espesor del betún que compone la mezcla. 3.4.3.1 Alto Contenido en Huecos y Permeabilidad Se puede decir que el contenido de huecos de aire y la permeabilidad de una mezcla bituminosa va en función del contenido de ligante (betún) que está presente, la proporción de áridos empleada y el grado de compactación. Una capa de firme con altos contenidos de huecos de aire permite la circulación del agua a través de ellos. Diversos estudios han demostrado que si el contenido de huecos de aire en un firme es menor al 4-5%, hace que estos no estén interconectados, por tanto, son impermeables al agua. En febrero del año 1980, se empezaron a emplear en España las mezclas bituminosas porosas para capas de rodadura en carreteras, cuya utilización tuvo mucho éxito ya que suponía una mejora en cuanto a la seguridad y comodidad de conducción del usuario.
Estado del Arte 57 El objetivo que se perseguía al emplear estas mezclas fue el de usarlas en carreteras que se encontraran en climas lluviosos para aumentar la seguridad y comodidad de la circulación de los vehículos mojados, ya que la presencia de agua en el pavimento y neumáticos del vehículo, dificultaba el contacto con la superficie del firme, dando lugar al deslizamiento del mismo. Así pues, gracias a la alta porosidad o huecos de dichas mezclas, se absorbía rápidamente el agua caída en el firme, dejándolo seco para mejorar la adherencia neumático-pavimento. Además de mejorar la adhesividad neumático-pavimento, también se aumenta la macrotextura de este. Las capas de rodadura fabricadas con mezclas bituminosas con un alto contenido en huecos presentan una superficie lisa, llena de oquedades, proporcionando así una alta macrorrugosidad. Esto hace que mejore el rozamiento neumático-pavimento en presencia de agua a altas velocidades, disminuyendo a su vez el ruido producido por este rozamiento, ya que las ondas sonoras se expanden por los huecos presentes en la mezcla. (Viswanathan, 2005) Otra ventaja que genera es la eliminación de la reflexión de la luz en el pavimento, ya que la luz no puede llegar a reflejarse porque los rayos de esta se pierden por los poros; disminuyendo así accidentes causados por una mala visibilidad. 3.4.3.2 Espesor de la Cobertura del Betún sobre el Árido Los áridos son el mayor componente que está presente en una mezcla bituminosa, alrededor del 94% de su peso, y estos proporcionan la superficie sobre la que el betún se adhiere. Por ello, las características físicas del árido como son la angularidad, porosidad, forma o textura, juegan un papel fundamental en la cobertura árido-betún. Si el árido es angular y tiene una textura áspera, la adhesión con el ligante es mayor; mientras que, si el árido tiene una textura lisa y redondeada, esta adhesión irá en menor proporción. Sin embargo, si los áridos son muy angulares en algunos casos son difíciles de recubrir uniformemente y sus bordes pueden perforar la película de ligante haciendo que la mezcla sea más susceptible al agua. Por otra parte, la porosidad y capacidad de absorción del árido permite que el betún penetre en mayor o menor medida, mejorando la unión betún-árido. Si el árido presenta una alta porosidad, el ligante proporcionará una mayor cobertura adhesiva ya que penetrará más profundamente en sus poros. No obstante, se debe tener mucho cuidado con el material elegido para la mezcla, ya que, si el árido es muy poroso, el agua que drena en estos huecos puede ser muy difícil de eliminar mediante el proceso de secado, siendo perjudicial la presencia de agua a la hora de prestar cobertura con el betún (Abo‐Qudais et al., 2007). Cuando el árido es de grandes dimensiones se generará una mejor unión con el betún, ya que este ofrece mayor superficie para su adhesión. Si los áridos están húmedos o cubiertos de filler (polvo mineral), hace que se rompa el vínculo árido-betún, ya que el polvo aumenta la viscosidad del betún y el agua tiende a eliminar dicha viscosidad. Como se puede ver, los áridos proporcionan una superficie heterogénea que presenta varios sitios activos e inactivos que desempeñan un papel importante en la interacción con las moléculas de betún (Curtis et al., 1993). Los sitios activos del árido contienen cargas que atraen y orientan a los compuestos polares del betún. Los grupos polares que están presentes en el punto de contacto del ligante y el árido, se adhieren a la superficie debido a fuerzas electrostáticas, fuerzas de Van der Waal o enlace covalente (Caro et al., 2008). 3.4.4 Influencias Externas Como hemos comentado en apartados anteriores, las características y propiedades de una mezcla bituminosa, están sometidas a factores externos a ellas, a los cuales deben adaptarse para prolongar su vida útil y su óptimo comportamiento en carretera. Los factores externos pueden influenciar tanto al comportamiento del conductor como al del propio vehículo, pudiéndose generar accidentes de tráfico por fallos estructurales o por fallos de cálculo en cuanto a la dosificación de su composición. El proyecto de un firme debe perseguir una optimización resistente y funcional de la estructura, con un coste global mínimo que incluya los costes de construcción, conservación y rehabilitación en un periodo comprendido
Estado del Arte 64 3.5.5.2 Factores Externos Los factores externos más significativos que influyen en el daño producido por la presencia de agua son la fabricación y producción de la mezcla bituminosa, el nivel de tráfico y las condiciones medioambientales. Fabricación y producción de la mezcla bituminosa: Hay que prestar mucha atención al estado de los principales componentes de una mezcla bituminosa. Por una parte, el árido que se emplea en una mezcla, suele estar acopiado y si hay exceso de polvo en ellos, se dificultaría la unión ligante-árido; por tanto, los áridos deben mantenerse limpios y tratados cada cierto tiempo para evitar este problema de adherencia. También se debe tener presente las condiciones climatológicas a las que los acopios de áridos están sometidos, ya que, si llueve, el árido puede absorber el agua a través de sus poros, dificultando su proceso de secado y afectando así directamente a la adherencia árido-betún. Por otro lado, debemos dosificar con exactitud el contenido de ligante en una mezcla, para que no se produzca escurrimientos por una escasez de viscosidad. Las mezclas bituminosas fabricadas en plantas, deben ser trasladadas rápidamente a la zona donde se van a emplear, para evitar un excesivo enfriamiento de esta, dificultando así la adherencia con el árido o capa. Otro factor fundamental a la hora de la producción de una mezcla es su proceso de compactado, el cual tiene como objetivo logar una óptima densidad durante el extendido de dicha mezcla. Una compactación insuficiente será más susceptible al agua, ya que la presencia de huecos o poros en una mezcla hace que el agua pueda filtrarse y circular por ellos, adentrándose en su interior y afectando tanto a la mezcla como a las capas inmediatamente inferiores. La maquinaria empleada para esta compactación tiene que ser la idónea, ya que si está es demasiado pesada o presenta un mal estado, puede fracturar al árido y, por tanto, deteriorar la unión con el betún, dejando este expuesto a la intemperie. Nivel de tráfico: Tanto el tipo como el volumen de tráfico son variables fundamentales. Cuando el firme se encuentra en un estado saturado, el agua presente en los huecos de la mezcla produce presiones o fuerzas interiores, que, junto con el paso de vehículos, generan estados de tensión-deformación que pueden acelerar la aparición de daños producidos por el agua (Shah, 2003; Sengiz, 2007). Condiciones ambientales: Los cambios de temperatura, los ciclos de congelación-descongelación, ciclos de lluvia y sequía, así como el pH del agua pueden provocar daños en la mezcla. Respecto a la temperatura, podemos decir que, si esta es demasiada baja, no se aconseja la ejecución de un firme, ya que resultaría muy dificultoso lograr la densidad deseada. Los ciclos de congelación-descongelación hacen que el agua que se encuentra en los huecos de la mezcla aumente de volumen (congelación), empujando así las paredes internas del árido, y posteriormente disminuya el volumen del agua (descongelación), generando la liberación de fuerzas de empuje y produciendo daños de fracturación interna. Los ciclos de mojado‐seco dictan la cantidad de precipitaciones y las fluctuaciones en la capa freática por debajo del firme. Cuanto mayor es el pH del agua más susceptible son las mezclas bituminosas al agua. 3.5.6 Procedimientos para Apaliar la Sensibilidad al Agua Como se puede observar tras lo descrito, el agua puede generar importantes daños en el firme de una carretera, aumentando la frecuencia de mantenimientos que deben realizarse para su adecuada conservación y, por tanto, generando un gasto adicional a la carretera. Hoy en día, existen diversidad de aditivos que se utilizan para
Estado del Arte 65 mejorar la adhesión entre árido y ligante, dificultando así el agrietamiento o rotura de la mezcla bituminosa y contradiciendo el efecto dañino que puede generar el agua. También, existen una gran cantidad de tratamientos a llevar a cabo directamente en el ligante para reducir la sensibilidad de este al agua, aumentando su resistencia a la presencia de ella. En estos tratamientos se utilizan productos químicos denominados líquidos anti-stripping, los cuales, la mayoría de ellos, contienen aminas que disminuyen la tensión superficial del ligante aumentando la adherencia con el árido, debido a la modificación de la composición química y de la carga eléctrica de la mezcla (Viswanathan, 2005). Estos productos suelen ser catiónicos, lo cual hace que se promueva la adhesión entre la superficie de los áridos ácidos y el betún. No obstante, cabe mencionar que estos productos no cambian las propiedades reológicas del ligante (Kanitpong, 2008). Es fundamental que estos productos químicos sean estables a las altas temperaturas y al almacenamiento, ya que durante largos periodos de tiempo y sometidos a condiciones caloríficas, la eficacia de estos aditivos puede reducirse debido a las reacciones que se pueden originar. En Moghadas introdujeron en las mezclas un aditivo denominado “Zycosoil”, el cual eliminaba de forma permanente la superficie del árido sensible al agua. En las mezclas estudiadas, se empleaba como árido la caliza o el granito. El Zycosoil produce una capa hidrófoba en el árido, convirtiendo el silano en siloxano, y como resultado, mejoraba la adherencia y disminuía la sensibilidad al agua. Según el tipo de árido empleado, se aumentaba la resistencia a tracción indirecta en un 3% en las mezclas que contenían caliza y en un 14% en las que contenían granito. En Aksoy, hacían más hincapié en el tratamiento del ligante, utilizando aditivos que introducía directamente en el betún. Realizaron numerosos ensayos sobre el betún y sobre las mezclas bituminosas y comprobaron que disminuía la sensibilidad al agua en las mezclas a las que se le adicionaban los aditivos. Hay estudios que demostraban que algunos polímeros podían actuar como agentes anti-stripping. En caso Gorkem, utilizaron dos tipos de betunes modificados con polímeros SBS y EAV. Para realizar las mezclas se utilizaron por un lado áridos calizos y por otro una mezcla de áridos tipo basalto y caliza. El resultado fue que el betún modificado con polímeros proporciona una mejor adhesión árido-betún que una mezcla donde se emplee un árido base. Existen polímeros que se aplican al árido, proporcionando un revestimiento resistente al agua, uniendo tanto el árido como el ligante. Los polímeros se seleccionan para que haya compatibilidad con el ligante y mejore el recubrimiento del árido y el enlace con el ligante (Asphalt Institute, 2007). Otro tratamiento que se utiliza para la reducción de la mezcla a la sensibilidad del agua es la adición de cal. Estos aditivos son los que más se utilizan. Puede ser empleada tanto en estado hidratado sobre un árido seco o como sobre un árido húmedo durante el proceso de fabricación de la mezcla. También puede se puede adicionar en la mezcla como lechada de cal, aunque es menos efectiva a la hora de su adherencia, ya que la cal hidratada aumenta la rigidez, resistencia y tenacidad del mastico y mejora la unión interfacial árido-ligante. Los iones de calcio de la cal reaccionan con los ácidos carboxílicos del betún y reemplazan algunos de los cationes de la superficie total, provocando una mejor adhesión (Arambula, 2007). La cantidad de cal hidratada que se utiliza para mejorar la sensibilidad al agua es del orden de 1‐2% sobre el peso de los áridos (Viswanathan, 2005), aunque el efecto que produce varía con la granulometría de la mezcla bituminosa utilizada (Abo‐Qudais, 2007; Khodaii et al., 2012). La adición conjunta de cal y betún modificado con polímero mejora la resistencia de la mezcla a los daños causados por el agua (Kok et al., 2009).
Investigaciones Realizadas 67 4 INVESTIGACIONES REALIZADAS Este capítulo combina las metodologías localizadas mediante el “estudio del arte” del tema a tratar y los métodos empleados según las normativas seguidas en laboratorio. Determinación de la Sensibilidad al Agua Mediante Ensayos de Laboratorio Para determinar la sensibilidad al agua de un firme, se debe simular o reproducir lo máximo posible los efectos que esta produce; por tanto, se debe experimentar en laboratorios tal efecto mediante diferentes ensayos. Existen diversidad de ensayos que tienen como objeto el estudio cualitativo y cuantitativo de la sensibilidad del agua y los efectos negativos que esta produce en un firme, los cuales a su vez se pueden dividir dos grandes métodos. Por un lado, tenemos los métodos de ensayo sobre mezclas bituminosas sin compactar el cual, presenta diferentes métodos como el “Boiling water test”, el “Static Immersion test”, la adhesividad de los ligantes bituminosos a los áridos en presencia de agua, la determinación entre la afinidad entre áridos y ligantes y el “Net Adsorption test”. Por otro lado, podemos diferencias los métodos de ensayo sobre mezclas bituminosas compactadas, los cuales se dividen en el ensayo de “Modified Lottman Test”, el “Immersion‐Compression Test”, el “Tunnicliff and Root test”, el ensayo de inmersión-compresión (España), el de sensibilidad al agua, el “Hamburg Wheel Tracking Device (HWTD)” y el “Environmental conditioning System (ECS)”. 4.1.1 Métodos de Ensayo para Mezclas Bituminosas sin Compactar Los métodos de ensayo para mezclas bituminosas sin compactar consisten fundamentalmente en la inmersión de la mezcla suelta en agua o una solución química, a diferentes grados de temperatura, durante un periodo de tiempo, para posteriormente realizar una inspección visual sobre el estado de adhesión del betún-árido. Como se puede observar, este método se fundamenta en pruebas cualitativas; por tanto, los resultados son bastante subjetivos y dependen de la experiencia e interpretación de la persona que realiza dicho ensayo. Como anteriormente hemos mencionado, existen diferentes métodos de ensayo los cuales son: Boiling wáter test Investigar es ver lo que todo el mundo ha visto, y pensar lo que nadie más ha pensado. - Albert Szent-Györgyi -
Investigaciones Realizadas 68 Este ensayo consiste en sumergir en agua hirviendo una muestra de mezcla bituminosa en caliente sin compactar durante 10 minutos, sometida a un agitamiento constante con una varilla de vidrio. Después de este tiempo, la mezcla se saca del recipiente y se observa de manera visual la superficie total del árido que conserva el recubrimiento original después de la ebullición. Si como resultado obtenemos que el recubrimiento es inferior al 95% del recubrimiento original, se considera que esa mezcla es susceptible al agua. Este método de ensayo sólo refleja la pérdida de adherencia y no contempla la pérdida de cohesión. Además, este método es compatible solamente con áridos de ciertos tamaños, ya que en un árido fino, resulta muy difícil visualizar el porcentaje de recubrimiento del betún. Static Immersion test Este ensayo es similar al anterior. La muestra de mezcla bituminosa se sumerge en agua destilada a una temperatura de 25ºC durante un periodo de tiempo entre 16 y 18 horas. La inspección visual del estado del recubrimiento del betún sobre el árido se realiza estando aún la mezcla sumergida en agua. Si el resultado es inferior al 95% se llega a la conclusión que la mezcla es sensible al agua. Adhesividad de los ligantes bituminosos a los áridos en presencia de agua Este método es el utilizado en España análogo al Stati Immersion test. La mezcla es sumergida en agua a temperatura ambiente (aproximadamente 25ºC) y se deja reposar durante un periodo de tiempo de 16 a 18 horas. Pasado ese tiempo, se visualiza el estado del recubrimiento del betún sobre el árido, usando como parámetro límite el 95%. Determinación entre la afinidad entre árido y ligante Este ensayo tiene como objetivo la determinación de la afinidad entre el árido y el betún. Para ello, se emplea el método de la Botella Giratoria, el cual consiste en introducir en una botella una muestra de mezcla bituminosa y agua destilada a temperatura ambiente, y someterla a un movimiento mecánico giratorio constante y uniforme, observando así el comportamiento del betún sobre el árido adherido. Net Adsorption test. Fue desarrollado por Curtis et al. en 1993. El objetivo que pretendía con este ensayo era el de seleccionar el adecuado betún y árido para una mezcla bituminosa en caliente, así como determinar la eficacia de los aditivos anti-stripping. El ensayo se basa en medir la relación físico-química de la cantidad de betún adsorbido a partir de una solución en el árido. Para ello, se añade una solución de betún en tolueno sobre la mezcla y se mide la cantidad de betún disuelto que se adsorbe sobre la superficie del árido, seguido de la cantidad que es eliminado por la adición de agua. Si la cantidad de betún adsorbido es superior al 90%, el betún y el árido se consideran que son compatibles. El sistema se considera incompatible si el betún retenido es inferior al 70%, mientras que la compatibilidad es cuestionable entre 70‐90%. 4.1.2 Métodos de Ensayo para Mezclas Bituminosas Compactadas Existen diversidad de ensayos para mezclas bituminosas compactadas, tanto ensayos fabricando la mezcla en laboratorio como extrayendo in situ una muestra del firme. Todos ellos, se tratan de métodos cuantitativos, sumergiendo en agua a la mezcla en unas condiciones que generen cambios en sus propiedades mecánicas. La relación entre las muestras acondicionadas y no acondicionadas es las que ayudan a estimar la susceptibilidad al agua comparando su valor con un valor umbral estipulado previamente. Según el resultado numérico, se puede afirmar que la mezcla es susceptible al agua si el resultado del ensayo es inferior al valor umbral. Los ensayos más importantes para mezclas bituminosas compactadas son:
Investigaciones Realizadas 69 Modified Lottman test. Este es el ensayo más utilizado en EEUU. Las muestras de la mezcla extraídas del firme pueden ser compactadas tanto con el compactador Marshall, como con un compactador giratorio. El ensayo consiste en fabricar dos grupos de tres probetas cada uno, con un contenido de huecos aire similar. Un grupo de probetas serán el llamado grupo de control, siendo este el que presente las probetas sin acondicionar, las cuales serán sumergidas en agua a temperatura ambiente (25ºC) metidas en una bolsa de plástico. El otro grupo será el llamado grupo saturado, sumergiendo las probetas en agua y aplicando vacío, durante un periodo de tiempo determinado hasta alcanzar un nivel de saturación que se encuentre entre el 70-80%. Una vez alcanzado este grado de saturación, este grupo se someterá a un ciclo de congelación-descongelación metiendo las probetas en bolsas con agua en un congelador a -18ºC durante 16 horas como mínimo. Pasado este tiempo, se someten a un baño de agua a temperatura de 60ºC durante un día completo (24 horas) y finalmente, 2 horas antes de romper las probetas, se sumergirán en agua a temperatura ambiente (25ºC aproximadamente). El resultado de la relación entre la resistencia a tracción (TSR) de las probetas no acondicionadas y las acondicionadas, nos determinaran el grado de susceptibilidad al agua. El valor umbral que emplean la mayoría de los organismos es de 0.80 (80% de TSR). Si esta relación es inferior al 80% de la resistencia a tracción, se podrá decir que la mezcla es susceptible al agua. Decir que otros organismos, consideran como aceptable el valor de TSR del 70%. Tunnicliff and Root test. En este ensayo, se fabrican seis probetas en total con un contenido de huecos entre 6-8%, clasificándolas en dos grupos de tres probetas. El primer grupo es el que representa a las tres probetas que no han sido acondicionadas y el segundo presenta las probetas restantes acondicionadas; es decir, estas probetas se introducen en un sistema de vacío. Todas las probetas se saturan y después de este proceso, se someten a un baño de agua durante 24 horas a 60ºC. Pasado este tiempo, se someten a una temperatura de 25ºC y se procede a la rotura de las probetas. El TSR mínimo aceptable será entre el 70-80%. Ensayo de inmersión-compresión. En este ensayo español se fabrican un total de 10 probetas, divididas en dos grupos de 5 cada uno (grupo seco y grupo húmedo). Un grupo se mantiene a temperatura ambiente (25ºC) antes de la rotura de ellas. En el otro, se sumergen en un baño de agua a temperatura de 60ºC durante 1 día completo ó 4 días completos a 49ºC, para posteriormente someterlas a un baño en agua a 25ºC durante 4 horas. El resultado que se puede obtener de este ensayo es el llamado índice de resistencia conservada (IRC) mediante la comparación de la resistencia a compresión de probetas de los dos grupos (seco y húmedo). Sensibilidad al agua Este ensayo europeo describe tres métodos diferentes; sin embargo, el más utilizado es el método C. En este método se fabrican 6 probetas cilíndricas que se dividen en dos grupos y se acondicionan. Un grupo se mantiene seco a temperatura ambiente mientras que el otro grupo se satura y se sumerge en agua a una temperatura de 40ºC, durante un periodo comprendido entre 68-72 horas. La fuerza de tracción indirecta de cada grupo se determina siguiendo las pautas descritas en la norma EN 12697-23 (AENOR, 2004b) a la temperatura de 15ºC. Se calcula la relación de la resistencia a tracción indirecta (ITSR) del grupo acondicionado en agua, y del grupo seco, expresándose dicho resultado en porcentaje.
Investigaciones Realizadas 70 Hamburg Wheel Tracking Device (HWTD) Este ensayo, a diferencia de los descritos anteriormente, tiene en cuenta el efecto del paso de tráfico en los daños producidos por el agua. Su objetivo es el de predecir la deformación permanente y el daño producido por el agua en mezclas bituminosas en caliente. Las probetas que se fabrican se sumergen en agua y se someten al paso de una rueda. Los resultados suelen mostrar una curva, en la que se pueden distinguir dos partes: la primera parte es la pendiente de deformación y la segunda parte comienza cuando hay un aumento repentino en la velocidad de deformación, éste punto es conocido como “punto de inflexión stripping”. El número de pasadas necesarias para alcanzar el punto de inflexión se utiliza como una medida relativa de la susceptibilidad a que se produzca pérdida por recubrimiento. Environmental conditioning System (ECS) Este ensayo fue desarrollado por la Universidad de Oregón a través del programa Strategic Highway Research, SHRP. En este sistema también se tiene en cuenta el efecto del tráfico en los daños producidos por la presencia de agua. Este sistema se divide a su vez en tres subsistemas: acondicionamiento del fluido, cámara de acondicionamiento ambiental y un sistema de carga. El sistema de acondicionamiento del fluido está conectado con la cámara de acondicionamiento ambiental en la que se aloja un bastidor de carga. Los extremos de la probeta se encuentran sellados mediante una membrana para realizar el vacío. A la probeta en seco se le determina el módulo resiliente y la permeabilidad. Posteriormente, se pasa el agua a través de la muestra y se aplica vacío. La muestra saturada se somete a tres ciclos térmicos a 60ºC y un ciclo de congelación a -18ºC durante 6 horas, para posteriormente, acondicionar la probeta a temperatura ambiente (25ºC) durante 2 horas y se vuelve a determinar el módulo resiliente y la permeabilidad. La relación del módulo resiliente de las probetas acondicionadas y no acondicionadas debe ser mayor de 0,8 para que la mezcla bituminosa se considere apta. Métodos de Ensayo para Determinar el Efecto del Agua en España: UNE‐EN 12697‐12. El método de ensayo que se ha empleado en España para determinar la susceptibilidad de las mezclas al agua en el laboratorio, hasta la entrada del Marcado CE, es el denominado “Efecto del agua sobre la cohesión de las mezclas bituminosas compactadas (Ensayo de inmersión‐compresión), NLT‐162” (CEDEX, 2000b). Sin embargo, con la entrada de la nueva normativa el ensayo que se utiliza para el mismo fin es el de “Sensibilidad al agua. UNE EN 12697‐12” (AENOR, 2009). Esta norma europea, describe tres métodos para determinar el efecto de saturación y acondicionamiento acelerado de agua. Dichos métodos pueden usarse para evaluar el efecto de humedad, con o sin activantes de adhesividad, incluyendo líquidos, como aminas, y filleres como la cal hidratada o el cemento. El método A emplea la resistencia a la tracción indirecta de probetas cilíndricas de mezclas bituminosas. El método B emplea la resistencia a la compresión de probetas cilíndricas de mezclas bituminosas. El método C, define el valor de adherencia de mezclas bituminosas tipo SA, una hora después del proceso de mezclado, donde la unión entre betún y árido puede identificarse como el valor de adherencia.
Investigaciones Realizadas 71 Se puede decir que tanto el método A como el método B dan el mismo resultado, ya que la resistencia a tracción y la resistencia a compresión están íntimamente relacionadas. Sin embargo, si la esbeltez de las probetas es menor de 0,5 (50%), el método B no es conveniente realizarlo. Añadir que ambos métodos son adecuados para mezclas bituminosas tipo SA con betún de una viscosidad a 60ºC mayor de 4000 mm 2/s. El método C, es adecuado para mezclas bituminosas tipo SA, con un betún de viscosidad a 60ºC de 4000 mm2/s o menor, para el que los métodos A y B no son adecuados. 4.2.1 Sensibilidad al Agua. UNE‐EN 12697‐12, Método C Como anteriormente se ha mencionado, el método C de la norma europea UNE-EN 12697-12, define el valor de adherencia de mezclas bituminosas tipo SA, una hora después del proceso de mezclado, donde la unión entre betún y árido puede identificarse como el valor de adherencia, siendo este método de correcta aplicación para mezcla bituminosas tipo SA con betún de una viscosidad a 60ºC mayor de 4000 mm 2/s, ya que, de lo contrario, se debería aplicar los métodos A ó B. Según la Orden 24/2008 del ministerio de Fomento sobre el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG3-), la adhesividad árido-ligante se comprueba mediante el ensayo de tracción indirecta tras inmersión realizado a 15ºC según la norma UNE-EN 12697-12 (AENOR, 2009). Este método consiste en fabricar seis probetas cilíndricas y agruparlas en dos grupos de tres probetas cada uno. Un grupo se mantiene sin acondicionar, es decir, se mantiene seco a temperatura de 25ºC (temperatura ambiente), mientras que las probetas del otro grupo se saturan y se sumergen en agua a una temperatura de 40ºC durante un periodo de tiempo de entre 68-72 horas. Tras el acondicionamiento, la fuerza de tracción indirecta de cada uno de los grupos se determina de acuerdo con la norma EN 12697‐23 (AENOR, 2004b) a la temperatura de 15ºC. Se determina la relación de la resistencia a tracción indirecta del grupo condicionado en agua, comparando con el del grupo seco, y se expresa en porcentaje. Métodos de Ensayo para Determinar el Efecto del Agua en Polonia: PN-84/B- 06714/22 y EN 12697‐11 En este apartado vamos a describir dos ensayos reales que hemos realizado para evaluar las propiedades de adhesión de áridos tales como granito, basalto, caliza y escoria de fabricación de acero, utilizando dos métodos. El primer método se trata del ensayo de la "prueba de ebullición" según la norma polaca (PN-84/B-06714/22); mientras que el segundo método se trata del ensayo de la "prueba de botella rodante" según la norma europea (UNE EN 12697-11). 4.3.1 Determinación de la Adhesión del Betún. (Método de Ensayo para Asfalto Caliente). PN- 84/B-06714/22 La prueba de adhesión se realizó mediante el método de ebullición según la norma polaca PN-84 B-06714/22, determinación de la adherencia del betún - Métodos de prueba para mezcla asfáltica en caliente. Áridos: Los áridos utilizados para las pruebas se tamizaron para obtener áridos de fracciones 10/12,5 mm con los que se realizaría el estudio. Luego se extrajo una muestra de 300 g. La muestra total se lavó con agua para limpiar el polvo de las partículas de áridos y luego se secó a una temperatura constante de (110 ± 5) ° C. Después del enfriamiento global, se recogieron dos muestras
Investigaciones Realizadas 72 de 100 g como se muestra en la tabla 4.1. Betún: Se calentó una muestra de aproximadamente 200 g de betún en una placa de metal o esmalte, pero no pudiéndose superar la temperatura mostrada en la Tabla 4.2. El betún y el árido se separaron en dos muestras paralelas de acuerdo con la Tabla 4.1. Tipo de betún Peso de la muestra, dependiendo de la fracción de árido, g. 4,0/6,3 6,3/10,0 10,0/12,5 Betún Árido Betún Árido Betún Árido betún 50/70 0,8 30 1,8 50 2,7 100 Tabla 4-1. Peso de la muestra ensayada Mezcla de árido y betún: Se prepararon varias muestras de áridos y betún para posteriormente calentarlas en una cámara de secado, donde la temperatura se mantuvo de acuerdo con la Tabla 4.2. El árido se calentó durante 1 hora, mientras que el betún entre 5-10 minutos. Según la norma polaca PN-EN 12697-35, “Mezclas bituminosas - Métodos de prueba para mezcla asfáltica en caliente. Parte 35: Mezcla de laboratorio. Asfalto calentado a una temperatura de 150 ° C”, el árido adecuadamente calentado y el asfalto se mezclan de manera muy eficaz; por tanto, esta se sometió a la temperatura de 150ºC y se continuó la agitación hasta completar y cubrir uniformemente todo el árido con el betún. La muestra preparada se colocó en un vaso de precipitados y se dejó reposar a temperatura ambiente durante 2 horas. Tipo de betún Temperatura, ˚C. Betún Árido Betún 50/ 70 150-170 150-170 Tabla 4-2. Temperatura a la que se somete la mezcla Procedimiento del ensayo: Realizamos la prueba después de enfriar la muestra a temperatura ambiente. Agregamos agua destilada en una cantidad de 130 g en los vasos de precipitación donde los áridos de cada muestra se fraccionaron 10.0 / 12.5 mm
Investigaciones Realizadas 73 Figura 4-1. Calentamiento de vaso de precipitación con agua destilada y áridos recubiertos de betún Ni que decir tiene que el vaso de precipitados debe estar en el calentador hasta que el agua alcance su punto de ebullición, que debe ocurrir a ± 1 minuto. Una vez iniciada la ebullición, mantuvimos las condiciones de reflujo durante 3 minutos. Durante este proceso, extrajimos el betún que quedaba suelto en la superficie del agua. Una vez finalizado el proceso de cocción, retiramos el exceso de agua de la muestra y vertimos la muestra en un papel de filtro, teniendo cuidado de que la muestra no se deshiciese en granos individuales. Las valoraciones del estado final de la muestra se realizaron de manera visual una vez la muestra se encontraba seca. Comentar que la diferencia del resultado entre dos áridos parelelos, no debe exceder el 10%. En el caso que lo haga, debemos repetir la prueba. En nuestro caso, esta fue satisfactoria, pues la diferencia que había entre el estado de áridos era en torno al 5%, donde el 100% representa la cobertura completa de los granos. Figura 4-2. Árido cubierto de betún
Investigaciones Realizadas 80 Basalto: Estas cifras muestran que alrededor del 90% (la botella 2) del árido está cubierta con betún. Basalto y Caliza son las muestras que tienen más bitumen después de 6 horas, el promedio es de 85%. Estas cifras muestran que alrededor del 25% (la botella 3) del árido está cubierta con betún. Basalto es que la muestra tiene más bitumen después de 24 horas, el promedio es de 30%. Figura 4-10. Basalto después de 6 horas de ensayo Figura 4-11. Basalto después de 24 horas de ensayo
Investigaciones Realizadas 81 Escoria de fabricación de acero: Estas figuras muestran dos muestras diferentes. La primera imagen con el 70% está cubierta con betún (la botella 1) y en la segunda imagen con el 65% (la botella 3), el promedio es del 70%. Estas figuras muestran dos muestras diferentes. La primera imagen con el 15% está cubierta con betún (la botella 1) y en la segunda imagen con el 10% (la botella 2), el promedio es del 15%. Figura 4-12. Escoria de acero después de 6 horas de ensayo Figura 4-13. Escoria de acero después de 24 horas de ensayo
Investigaciones Realizadas 82 Caliza: Estas cifras muestran que aproximadamente el 85% (la botella 1) del árido está cubierta con betún. Basalto es que las muestras tienen más bitumen después de 6 horas, el promedio es de 85%. Estas figuras muestran dos muestras diferentes. La primera imagen con el 5% está cubierta con betún (la botella 1) y la segunda imagen con el 30% (la botella 2). Hay una gran diferencia entre las botellas 1, 3 y 2 porque usamos el mismo proceso (es raro). El promedio es del 15%. Después de 24 horas los áridos tienen micro abrasión. Figura 4-14. Caliza después de 6 horas de ensayo Figura 4-15. Caliza después de 24 horas de ensayo
Investigaciones Realizadas 83 Figura 4-16. Resultado de granito con método de botella Figura 4-17. Resultado de basalto con método de botella 99 15 5 0 20 40 60 80 100 120 0 6 12 18 24 30 Cobertura de betún (%) Tiempo rodando (h) GRANITO 99 90 30 0 20 40 60 80 100 120 0 6 12 18 24 30 Cobertura de betún (%) Tiempo rodando (h) BASALTO
Investigaciones Realizadas 84 Figura 4-18. Resultado de caliza con método de botella Figura 4-19. Resultado de escoria de fabricación de acero con método de botella 99 85 15 0 20 40 60 80 100 120 0 6 12 18 24 30 Cobertura de betún (%) Tiempo rodando (h) Caliza 99 70 15 0 20 40 60 80 100 120 0 6 12 18 24 30 Cobertura de betún (%) Tiempo rodando (h) ESCORIA DE ACERO
Investigaciones Realizadas 85 Figura 4-20. Diferencia entre 6h y 24h de ensayo de botella La precisión de esta prueba aún no se ha establecido oficialmente. Se estima a partir de la práctica normal. Los resultados cercanos a 0 o 100 son más fáciles de determinar visualmente que los resultados de "rango medio" entre 25% y 75%. El betún se adhiere bien a todos los tipos normales de áridos de carreteras siempre que estén secos y libres de polvo (excepto granito y muy bien con basalto). En ausencia de agua prácticamente no hay problema de adhesión de la construcción bituminosa. 10 60 70 55 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Granito Basalto Caliza Escoria de acero Cobertura de betún (%) Áridos
Investigaciones Realizadas 86 Resultados de la prueba de ebullición Se muestran los resultados obtenidos de la prueba de ebullición en la tabla 4.5. Áridos Ensayos realizados Resultados de los ensayos después de 3 min. hirviendo [%] Promedio de calificaciones [%] Promedio de visual operadores [%] Ejemplo 1 Ejemplo 2 Granito 1 20 15 20 20 2 20 20 20 Basalto 1 30 30 30 30 2 25 30 30 Escoria de acero 1 60 75 70 70 2 65 70 70 Caliza 1 5 5 5 5 2 5 5 5 Tabla 4-4. Resultados obtenidos del ensayo de ebullición Figura 4-21. Gráfica de resultados del método de ebullición Estos resultados se obtuvieron porque el método de "prueba de ebullición" es un proceso químico y sólo elimina la superficie del árido de betún. Esta prueba no daña la textura del árido (sin micro abrasión), antes y después de la prueba, el árido tiene las mismas irregularidades de textura. Los materiales porosos o materiales con textura irregular, como la escoria de basalto o acero, se desempeñan mejor que otros materiales porque el betún está dentro de los poros. La precisión de esta prueba aún no se ha establecido oficialmente. Se estima a partir de la práctica normal. Los resultados cercanos a 0 o 100 son más fáciles de determinar visualmente que los resultados de "rango medio" entre 20% y 75%. 99 20 99 30 99 70 99 5 0 20 40 60 80 100 120 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Cobertura de betún (%) Ttiempo de ebullición (min) GRANITO BASALTO ESCORIA DE ACERO CALIZA
Investigaciones Realizadas 87 Estas figuras muestran la pérdida de betún en la superficie. Se muestran cuatro ejemplos diferentes de diferentes áridos: Granito: Estas cifras muestran que alrededor del 25% del árido está cubierto con betún. Figura 4-23. Granito después de 3 minutos de ebullición – segunda muestra Esta figura muestra que alrededor del 20% del árido está cubierto con betún. Figura 4-22. Granito después de 3 minutos de ebullición – primera muestra
Investigaciones Realizadas 88 Basalto: Estas cifras muestran que alrededor del 25% del árido está cubierto con betún. Esta figura muestra que alrededor del 30% del árido está cubierto con betún. Figura 4-24. Basalto después de 3 minutos de ebullición – primera muestra Figura 4-25. Basalto después de 3 minutossegunda muestra
Investigaciones Realizadas 89 Escoria de fabricación de acero: Estas cifras muestran que alrededor del 65% del árido está cubierto con betún. Se ve muy bien la textura irregular. Figura 4-27. Escoria de fabricación de acero después de 3 minutos de ebullición – segunda muestra. Esta figura muestra que alrededor del 70% del árido está cubierto con betún. La escoria de fabricación de acero es la muestra que tiene más bitumen después de 3 minutos de ebullición, el promedio es del 70%. Figura 4-26. Escoria de fabricación de acero después de 3 minutos: primera muestra
Investigaciones Realizadas 96 El porcentaje de filler ha de estar muy controlado. Por un lado, el filler de recuperación es el que se encuentra adherido a los áridos, es el propio polvo que trae el material de la cantera (teóricamente debe de venir sin polvo para la fabricación). Por otro lado, el filler de aportación es el procedente de fábricas de cemento (para mezclas rígidas) o de micronizados de carbonato cálcico (para mezclas flexibles). El filler de aportación se añade a la mezcla en función de los porcentajes que nos marque la fórmula de trabajo. El betún, es el principal elemento que puede ayudarnos a aumentar la adhesión y a crear mejores mezclas porque es un componente alterado en laboratorios en función de nuestras necesidades. El betún proviene de la decantación del crudo y separado por densidades, por lo que una vez extraído, se le pueden añadir elementos y aditivos con el fin de mejorar las propiedades del mismo. De esta forma se pueden crear betunes de alto módulo (betunes modificados) con mayor dureza a la penetración y más elasticidad que lo podemos conseguir con un aporte de polímeros de caucho. Estos betunes modificados consiguen un producto con una estructura microscópicamente homogénea y que garantiza la estabilidad de la mezcla. Están diseñados principalmente para adaptar las carreteras a las mayores exigencias del tráfico actual, los betunes modificados con polímeros aportan grandes ventajas en el comportamiento de las mezclas bituminosas, entre ellas: Mayor cohesión, lo que permite estructuras granulométricas más críticas Mayor resistencia a la fatiga, disminuyendo el riesgo de fisuración Mayor durabilidad en servicio, ya que se consigue una mayor resistencia al envejecimiento en condiciones adversas Mayor adhesividad a los áridos Incremento del intervalo de temperaturas de servicio Mayor resistencia a deformaciones plásticas (roderas) Por su configuración y comportamiento reológico, en los betunes modificados con polímeros no pueden aplicarse las mismas recomendaciones de uso que en los betunes convencionales. Por ello, además de por su elevado coste, hay muchas empresas dedicadas a la fabricación de mezclas bituminosas que no quieren emplearlo
Problemática actual en Sevilla 98 5 PROBLEMÁTICA ACTUAL EN SEVILLA Introduzco este punto con la frase arriba mencionada por Albert Einstein porque en mi opinión es lo que está ocurriendo en la ciudad de Sevilla, es decir, hay diferentes puntos en la ciudad cuya capa de rodadura falla por los mismos motivos, en lugar de buscar una solución definitiva, se reparan y ejecutan siempre de la misma forma y con la misma mezcla asfáltica con la que se ha producido el fallo anteriormente. Los problemas que ocurren son principalmente dos. Por un lado, las deformaciones plásticas tipo roderas en las paradas de autobús debido a los esfuerzos horizontales creados en el pavimento al frenar los autobuses y, por otro lado, la demolición de la capa de rodadura en los carriles por donde circulan los coches de caballos, justo donde pisan los equinos. Deformaciones debidas al tráfico de autobuses Las deformaciones tipo roderas se producen debido a la escasez de capacidad portante. Si se describe el fenómeno podemos decir que el pavimento va acumulando una pequeña deformación plástica, pero no permanente cada vez que circule un vehículo. Dicha deformación consiste en una inclinación y un desplazamiento lateral de la mezcla, pudiendo ocurrir en la capa de rodadura o en capas base. Las roderas suelen ocurrir en zonas cálidas, por eso cuando llegan las intensas temperaturas veraniegas a Sevilla, se producen de forma continua, ya que al alcanzar el pavimento temperaturas de 65ºC (10-20ºC por encima de las temperaturas del ambiente), se producen exudaciones (si existe un exceso de betún) y posteriormente un reblandecimiento de la mezcla que, al paso de los vehículos comienza a deformarse. El motivo por el que ocurren normalmente en las paradas de autobuses es porque es un vehículo pesado por lo que los esfuerzos que transmite al pavimento son mayores que un vehículo ligero, además es el momento en el que se produce la frenada del autobús originando unos esfuerzos horizontales que llegan a superar en magnitud a los verticales. Locura es hacer la misma cosa una y otra vez esperando obtener diferentes resultados. - Albert Einstein -
Problemática actual en Sevilla 99 Figura 5-1. Deformaciones-roderas originadas por la rodadura de autobús (c/Palos de la Frontera y c/Virgen de Luján). Figura 5-2. Roderas debidas al fallo de la capa de rodadura. (Alejandro Padilla, estudio UPC)
Problemática actual en Sevilla 100 Figura 5-3. Roderas debidas al fallo en la subrasante. (Alejandro Padilla, estudio UPC) Figura 5-4. Exudación por exceso de betún
Problemática actual en Sevilla 101 Figura 5-5. Deformaciones, fisuras y baches por pérdida de capacidad portante en parada de bus (Av/ Menéndez Pelayo) En las siguientes imágenes vamos a estudiar los esfuerzos y deformaciones desde un punto de vista crítico mediante un análisis teórico, suponiendo la aplicación de cargas originadas por ruedas con presión y circulación a velocidad constante. Hemos de señalar que las capas del firme, sufrirán cargas dinámicas de diferente magnitud, originadas por el tráfico. Los esfuerzos (normales y cortantes) son transitorios y cambian con el tiempo conforme avanza la carga. Los esfuerzos cortantes cambian de sentido conforme avanza la rodadura del vehículo sobre el punto de estudio. El estado de esfuerzos experimentado en el punto P, debido a una carga en el punto A es, que actúan tanto los esfuerzos cortantes como los esfuerzos normales (ver “a”), cuando la carga se mueve al punto B, los esfuerzos cortantes son nulos y únicamente actúan los esfuerzos normales (ver “b”), en este punto se tiene un estado triaxial de esfuerzos, debido a que sólo se presentan esfuerzos normales, por último, la dirección de los esfuerzos cortantes originados en el punto C, es contraria a la dirección de los esfuerzos originados en el punto A (ver “c”). A medida que el vehículo se acerca al punto P, el esfuerzo cortante se incrementa hasta llegar a un máximo para luego decrecer hasta un valor de cero, en ese momento el esfuerzo vertical es máximo negativo, para después decrecer y llegar a cero; describiendo con este comportamiento una onda senoidal completa. (Lekarp and Dawson, 1997) y (Federico París Carballo, 1998, Teoría de la Elasticidad).
Problemática actual en Sevilla 102 Figura 5-6. Estado de esfuerzos en un pavimento debido al movimiento de una rueda. (Federico París Carballo, 1998, Teoría de la Elasticidad) Deformaciones debidas al tráfico de caballos Las deformaciones debidas a la circulación de equinos por las vías para vehículos de motor no son muy comunes en todas las ciudades de España, ya que por regla general no hay caballos en el centro de las ciudades o un número mínimo que apenas producen daños notables en la calzada. El problema de la ciudad de Sevilla, es el elevado número de coches de caballos dedicado a paseos turísticos por el centro, lo cual hace que cualquier alteración que estén produciendo las pisadas de los equinos aparezca muy rápido en el tiempo, debido al gran número de caballos que pasan por un mismo punto. Realmente la palabra que define lo que ocurre en estos casos no es deformación del pavimento, es más bien
Problemática actual en Sevilla 103 demolición del pavimento. Esta demolición se origina con cada pisada de los equinos y no en la superficie que abarca la superficie o el perímetro de las herraduras, concretamente se produce con las vidias que llevan incorporada cada herradura en los talones o apoyos del caballo. Desde que los caballos son herrados y existe el asfalto se mantiene este problema. En superficies con cemento o con hormigón el caballo herrado tiene un gran riesgo de sufrir resbalones, lo que va ligado a caídas, raspones y torceduras. Dependiendo de la superficie por donde vaya a transitar el animal se piensa en usar vidias, o no usarlas. Por ejemplo, caminar sobre una superficie como tierra no necesita el empleo de vidias, en cambio caminar sobre una superficie como asfalto, si necesita vidias porque estas proporcionan gran estabilidad y seguridad al caballo, evitando así sustos al jinete. En la figura 5.45. se aprecia perfectamente cómo evoluciona el daño en el pavimento. La imagen superior izquierda, hace referencia a un pavimento con días desde su extendido y comienza a marcarse. La imagen superior derecha, refleja la perdida de superficie, tras el inicio de la demolición, dejando el centro del carril (por donde va el caballo) con una deformación convexa. En la imagen inferior podemos apreciar perfectamente como la demolición es completa, llegando a ocasionar baches peligrosos para el tráfico rodado, en especial para motos. Figura 5-7. Deterioro del pavimento originadas por caballos (c/ Paseo de las Delicias)
Problemática actual en Sevilla 104 Figura 5-8. Deterioro del pavimento originadas por caballos, incluso desaparición de señalización horizontal (c/ Palos de la Frontera).
Problemática actual en Sevilla 105 Figura 5-9. Deterioro del pavimento asfáltico y de adoquines de granito originadas por caballos (Parque María Luisa). Figura 5-10. Deterioro del pavimento originadas por caballos (Av/ El Cid)
Nuevas Líneas de Trabajo 113 8 NUEVAS LÍNEAS DE TRABAJO Se propone como nuevas líneas de trabajo para el avance de los hormigones bituminosos las siguientes ideas: Tramo de ensayo con la mezcla propuesta en las conclusiones en el viario urbano de la ciudad de Sevilla, en concreto, en una de las zonas que haya que reparar por las deformaciones causadas por los autobuses y caballos para poder analizar el comportamiento de la mezcla asfáltica durante diferentes periodos de tiempo. Concienciar a los cocheros de Sevilla que los equinos no sufren por cambiar de tipología de herradura y comenzar a emplear herraduras con base de goma. Conocer mejor la fabricación, extendido y comportamiento de las mezclas asfálticas templadas con alto porcentaje de árido procedente de fresado por parte de los especialistas en la materia para comenzar a introducirlas en el mercado. Fomentar el empleo de geotextiles impregnados para evitar la aparición de grietas en la capa de rodadura. Dicho geotextil irá interpuesto entre el soporte fisurado y las capas superiores, el cual es capaz de absorber los esfuerzos originados al paso de los vehículos, al mismo tiempo que sirven de membrana impermeable, evitando la penetración de humedad. Figura 8-1. Empleo de geotextil entre capas asfálticas. España es el primer país productor de aceitunas, generando una media de 37.000 tn de residuos en forma de huesos de aceituna al año, por lo que sería interesante realizar ensayos sustituyendo total o parcialmente los áridos por huesos de aceitunas en la fórmula de trabajo de una mezcla asfáltica y sacar conclusiones de los resultados obtenidos. “Se tendrían que enseñar principios de estrategia que permitan afrontar riesgos, lo inesperado, lo incierto y modificar su desarrollo en virtud de las informaciones adquiridas. Es necesario aprender a navegar en un océano de incertidumbres a través de archipiélagos de certeza.” -Morin, E., 2000 -
115 ANEXO DATOS DE TRABAJO
FECHA ENTRADA:08/08/2017 PROCEDENCIA DEL MATERIAL: Cantera "Sierra de los Caballos" DESCRIPCIÓN MATERIAL: árido 4/12 LOCALIZACIÓN:Sierra de Yeguas (MÁLAGA) "PREASUR-MAYGAR" FECHA INICIO ANÁLISIS:12/08/2017 FECHA FIN ANÁLISIS:19/08/2017 TIPO BET Ú N: Betún 35/50 Cepsasfalt FECHA: 19/08/2017 FIRMA : - Estos resultados sólo afectan a la muestra ensayada. Página 1 de 1 OBSERVACIONES: RESULTADOS OBTENIDOS: TIPO DE MUESTRA: Recogida en cantera, 1 saco de 20kg. Según UNE EN 932-1:1997 IE-AR-CF-01 R01 REFERENCIA: 061/17 El porcentaje de la superficie del árido cubierta por el ligante es superior al 95%. ADHESIVIDAD DE LOS LIGANTES BITUMINOSOS EN PRESENCIA DE AGUA (NLT-166/92)
45 100,0 31,5 100,0 100 22,4 98,6 90/100 16 84,7 70/88 855,0 50/66 440,3 35/50 228,2 24/38 0,5 9,9 11/21 0,25 6,1 7/15 0,125 4,5 5/10 0,063 3,4 3/7 4,32 4,14 0,8 Página 1 de 1 OBRA: DATOS DE TOMA DE MUESTRA Planta de aglomerado: CARMONA Lugar de toma: M.B.C. CONTENIDO EN LIGANTE SOLUBLE UNE- EN 12697-1 Extración con ligante B.1.6 Separación del material mineral B.2.4 Determinación del ligante por diferencia IE-MB-GR-003 R02 17/04/2018 Tipo de mezcla: AC22 SURF 50/70 S OFITA 0106/18 EN PLANTA Camión: 0089FZF Fecha de toma: REFERENCIA: Localización: CARMONA Hora de toma 8:50 Temperatura 173 RESULTADOS DEL ENSAYO: GRANULOMETRIA TAMIZ UNE % QUE PASA HUSO S-20 CONTENIDO EN LIGANTE SOBRE ÁRIDO (%) S20 OF ROD 22 FINA RELACIÓN FILLER BETÚN Fecha: 27/04/18 Firma: - Estos resultados sólo afectan a la muestra ensayada. OBSERVACIONES: CONTENIDO EN LIGANTE SOBRE MÉZCLA (%) 40 25 20 12,5 8 4 2 0,500 0,250 0,125 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
45 100,0 31,5 100,0 100 22,4 100,0 90/100 16 90,0 70/88 860,1 50/66 443,3 35/50 231,2 24/38 0,5 10,8 11/21 0,25 6,3 7/15 0,125 4,6 5/10 0,063 3,5 3/7 4,54 4,35 0,8 Página 1 de 1 OBRA: DATOS DE TOMA DE MUESTRA Planta de aglomerado: CARMONA Lugar de toma: M.B.C. CONTENIDO EN LIGANTE SOLUBLE UNE- EN 12697-1 Extración con ligante B.1.6 Separación del material mineral B.2.4 Determinación del ligante por diferencia IE-MB-GR-003 R02 19/04/2018 Tipo de mezcla: AC22 SURF 50/70 S OFITA120 120/18 EN PLANTA Camión: 0780ATE Fecha de toma: REFERENCIA: Localización: CARMONA Hora de toma 09:10 Temperatura 170 RESULTADOS DEL ENSAYO: GRANULOMETRIA TAMIZ UNE % QUE PASA HUSO S-20 CONTENIDO EN LIGANTE SOBRE ÁRIDO (%) S20 OF ROD 22 FINA 4,2% b/M CON RECICLADO RELACIÓN FILLER BETÚN Fecha: 24/04/18 Firma: - Estos resultados sólo afectan a la muestra ensayada. OBSERVACIONES: CONTENIDO EN LIGANTE SOBRE MÉZCLA (%) 40 25 20 12,5 8 4 2 0,500 0,250 0,125 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
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