CAPÍTULO 5 - UDEPa. Se determina el peso de la probeta en seco, con una aproximación de 0.10 gramos (ml). Antes de someterla al ensayo, la probeta debe mantenerse a la temperatura

CAPÍTULO 5

CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE GRANULOMETRÍA ABIERTA MEDIANTE EL EMPLEO

DEL ENSAYO CANTABRO. 5.1 JUSTIFICACIÓN. En el Laboratorio de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Santander, España, en el año 1979, se inician los estudios relacionados a la caracterización de las mezclas asfálticas de granulometría abierta a ser aplicadas en capas de rodadura. [PEREZ JIMENEZ, F.E., 1980] La caracterización de este tipo de mezclas no convencionales debido a la falta de procedimientos que permitieran analizar su comportamiento mecánico resulto ser uno de los principales problemas, puesto que en el presente método no se mide la estabilidad máxima porque nada tiene que ver con este parámetro y mas bien lo que nos interesa son otras propiedades y características mas acordes con los fines basados y las solicitaciones a que van a estar sometidas. 5.2 FUNDAMENTO Y DESARROLLO DEL ENSAYO CANTABRO. Debido a que los ensayos tradicionales no permiten evaluar la cohesión y la resistencia a la disgregación fueron razones suficientes para llevar a los investigadores a desarrollar el ensayo cántabro de perdida por desgaste. Para su desarrollo considera la disminución de los finos y del porcentaje de ligante lo cual lleva consigo un aumento de la permeabilidad, y por ende una disminución de su cohesión y resistencia a la disgregación. Como resultado del ensayo se obtienen el valor de la pérdida expresado en porcentaje del peso inicial. Para su análisis el ensayo de desgaste cántabro usa la máquina de los ángeles, pero sin carga abrasiva. La muestra ensayada consiste en una probeta cilíndrica (Ø = 101.6 mm.), con un peso de 1000 gramos aproximadamente de árido, más el ligante, compactado mecánicamente el procedimiento Marshall. El desarrollo seguido para la preparación de las probetas es el normalizado para determinar la “Resistencia a la deformación plástica de mezclas bituminosas empleando el aparato Marshall” NLT – 159/8 o ASTM D-1559 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], para lo cual se empleó una energía de compactación de 50 golpes por cara y una temperatura que corresponde a una viscosidad del ligante de 2.8 poises.

94

Para analizar la pérdida de desgaste de cada una de las probetas ensayadas se realiza el siguiente procedimiento:

a. Se determina el peso de la probeta en seco, con una aproximación de 0.10 gramos (ml). Antes de someterla al ensayo, la probeta debe mantenerse a la temperatura de ensayo (25 ºC) en un tiempo mínimo de 6 horas.

b. Se introduce la probeta en la máquina de los ángeles sin ninguna clase de carga abrasiva, y se la somete a 300 revoluciones.

c. Se saca la probeta, y se pesa con una aproximación de 0.10 gramos (m2), se

observa como se ésta se ha reducido [MIRO RECANSES J.R., 1994] Fotos 5.1 y 5.2

La pérdida de desgaste se expresa en tanto por ciento referida al peso inicial de la probeta:

1001

)21( xm

mmm −= (5.1)

Donde: m = pérdida por desgaste. m1= peso inicial de la probeta en gr. m2 = peso final de la probeta en gr. En el resultado se incluye el valor medio de las pérdidas de todas las probetas ensayadas (la norma del ensayo cántabro NLT-352, recomienda un mínimo de tres o, de preferencia cuatro probetas por cada contenido de ligante). 5.3 SENSIBILIDAD DEL ENSAYO CANTABRO. Al aplicar el método y observar los resultados obtenidos se puede indicar que en el mismo es muy susceptible de detectar pequeñas variaciones en la composición de la mezcla, en especial cuando se tiene variaciones de porcentajes de partículas deletéreas que es el propósito de la presente investigación. Esta sensibilidad es especialmente notable a la variación del contenido de ligante de la mezcla. [MIRO RECANSES J.R., 1994] En la gráfica 5.1 se puede observar que la pérdida por desgaste disminuye al aumentar el contenido de asfalto. Por otra parte cuando el contenido de ligante varía entre 2,5 y 4 % los mismos que están por debajo del óptimo especificado para este tipo de mezclas (4 a 5%), las pérdidas por desgaste disminuyen considerablemente. De otro lado, cuando los contenidos de asfalto varían entre 4 y 5 % las pérdidas son moderadas, finalmente, cuando el contenido de asfalto varía entre 5 y 5,5 %, las pérdidas se vuelven casi constantes. Graficando estos resultados, nos da la curva donde se define un punto anguloso donde éstas cambian de una pendiente pronunciada o fuerte a una línea casi horizontal o de pendiente suave, como se muestra en la gráfica 5.1.

95

Gráfica 5.1. % ligante Vs. Pérdidas al cántabro del asfalto usado en el estudio Por otro lado, el ensayo cántabro tiene la sensibilidad suficiente para poner en evidencia la cohesión que proporciona a la mezcla el betún asfáltico. Si bien el ensayo es de relativa facilidad, se debe tener mucho cuidado en el momento de determinar el pesado de los materiales así como de la colocación de la mezcla en el molde de compactación, se debe evitar la segregación de la misma, y por ende la concentración del mástico a un solo sector de la probeta. De llegar a ocurrir aquello, se tendrá un desgaste excesivo en la parte donde tenga menos ligante; y, casi ningún desgaste en la parte donde se ha concentrado el mástico, lo que nos llevará a obtener resultados erróneos.

Foto 5.1. Probetas redondeada producto de desgaste uniforme. Laboratorio UTPL.

Se debe tener cuidado con la temperatura de compactación al momento de elaborar todas las probetas, puesto que al aumentar la misma se obtiene mayores valores de densidad y

% ASFALTO vs PÉRDIDAS POR DESGASTE

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

2.8 3.3 3.8 4.3 4.8 5.3

% LIGANTE

PÉR

DID

AS

POR

DES

GA

STE

(%)

96

menores pérdidas al cántabro; por el contrario al disminuir la temperatura, se obtiene menores valores de densidad y mayores pérdidas al cántabro. 5.4 ANÁLISIS ESTADÍSTICO. REPETIBILIDAD Y REPRODUCIBILIDAD

DEL ENSAYO CÁNTABRO. Los resultados de las pruebas mecánicas que se realicen a un material aplicado al proceso de medida de una de sus propiedades lleva con él asociada una precisión. Al ensayar distintas muestras de un mismo material, manteniendo constantes todas las condiciones de ensayo, lo más probable es que no obtengamos idénticos resultados. Esto se debe a los errores que se producen cuando se procede a preparar los materiales que servirán para la elaboración de probetas y en su proceso de medición. [MIRO RECANSES J.R.,1994].

Para el desarrollo de la presente investigación se ha aplicado los mismos criterios analizados en la investigación realizada por Miro Recanses la misma que consiste en analizar los siguientes parámetros: 5.4.1 Repetibilidad y reproducibilidad de un proceso de medida. La repetibilidad de un ensayo es el valor por debajo del cual se puede estimar que la diferencia absoluta entre dos resultados de ensayo, obtenidos en condiciones de repetibilidad (resultados en un solo laboratorio), se sitúa con una probabilidad del 95 %. La reproducibilidad de un ensayo es el valor por debajo del cual se puede estimar que la diferencia absoluta entre dos resultados de ensayo, obtenidos en condiciones de reproducibilidad (resultados entre laboratorios), se sitúa con una probabilidad del 95 %. Valores pequeños de repetibilidad y reproducibilidad, nos indican que preciso ha sido el ensayo. 5.4.2 Media aritmética, desviación típica y coeficiente de variación.

a) Media aritmética.

Dados una serie de resultados de ensayo (X1, X2, X3,…, Xn). Se define la media o media aritmética como la suma algebraica de esos resultados dividida para el número de ellos. O sea:

NXn)...XX(XX ++++

=321

(5.2)

Donde: X = media o media aritmética de los valores de ensayo obtenidos.

X1, X2,….Xn = valores de resultados de ensayo obtenidos.

N = número de resultados de ensayo obtenidos.

97

b) Desviación típica.

Dados una serie de resultados de ensayo (X1, X2, X3,…, Xn). Se define la desviación típica o estándar como la raíz cuadrada de la relación entre la sumatoria de la diferencia de cada valor y la media, esto elevado al cuadrado dividido para el número de ensayos. Es decir:

N

XXiS

n

i

2

1)(∑

=

−=

(5.3)

Siendo: S = desviación típica o estándar

Xi = resultados de ensayo X1, X2, X3,…, Xn

X = media de los resultados de ensayo

N = número de ensayos desde 1, 2, 3,…, n

c) Coeficiente de variación.

Se define el coeficiente de variación (Cv

) como la relación entre la desviación típica o estándar y la media. O sea:

XSCv =

(5.4)

Donde: Cv = coeficiente de variación

S = desviación típica o estándar

X = media aritmética

Los estudios realizados para obtener los parámetros de repetibilidad y reproducibilidad del Ensayo Cántabro han llevado a determinar que el coeficiente de variación del ensayo (CV

), relación entre la desviación y la media, está comprendido entre:

0,123 y 0,159 para la repetibilidad 0,278 y 0,292 para la reproducibilidad.

98

5.4.2 Diseño de una mezcla abierta mediante el Ensayo Cántabro. Foto 5.2 a,b.

a) b)

Foto 5.2 a) Probetas ante de la prueba, b) Después de la prueba. Laboratorio UTPL. El presente estudio tiene por objeto, además de la caracterización de ligantes asfálticos mediante el ensayo Cántabro (método UCL®

), verificar la sensibilidad del mismo para detectar variaciones en los componentes de la mezcla y variaciones cuando se use agregados con presencia de partículas deletéreas.

Para el diseño de mezcla la misma que mantiene constante la granulometría. Se ha escogido una mezcla abierta A12, que consta en la Tabla 5.2. del capitulo V, y se muestra en la gráfica 5.2. Además se usó un sólo tipo de ligante: asfalto de penetración 60-70. Se ha tratado de situar la curva granulométrica de la mezcla, cerca del límite inferior de la faja de especificaciones (gráfica. 5.2.), es decir, que nos de una mezcla lo más abierta posible. Para la obtención de la granulometría de la mezcla, se realiza una serie de tanteos, tabla 5.1, obteniéndose como resultado los siguientes porcentajes de agregados componentes: agregado 3/4” (58 %), agregado 3/8” (40%) y arena (2 %), ajustándose a la franja de diseño según norma española A12 NLT-352. Se ha usado agregados triturados (3/4” y 3/8”), provenientes de la cantera Ducupale y arena proveniente de la cantera Cañicapa, cantón Saraguro, provincia de Loja. De la caracterización de los agregados de las canteras Ducupale como Cañicapa se obtienen los resultados que se presentan en la tabla 5.2

99

CURVA GRANULOMETRICA

19

12.59.5

4.75

2.38

0.07

5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.01 0.1 1 10 100

ABERTURA DE TAMICES mm

POR

CEN

TAJE

QU

E PA

SA

L. SUPERIOR L. INFERIOR F.T. L. I. F. T. L. S. C.GRAN. Gráfica 5.2. Curva granulométrica.

Tabla. 5.1 Datos para la curva granulométrica.

ESPECIFICACIÓN

19 12.7 9.5 4.75 2.38 0.075LÍMITE SUPERIOR 100 90 75 40 20 4LÍMITE INFERIOR 100 65 50 20 5 2MEZCLA 100 84 55 25 15 3

TAMAÑO Y PORCENTAJE QUE PASA

Tabla. 5.2 Características de los agregados.

3/4" 3/8" Arena DELETEREOSNaturaleza Mina Mina MinaProcedencia "Ducupale" "Ducupale" "Cañicapa"Tamaño máximo (mm) 19 9.5 Pasa Nº 4 1% 3%Desgaste Los ángeles (%) 21.99 23.00 18.27 21.98 * 26.39 *Equivalente de Arena 64.57Densidad SSS (gr/cm3) 2.561Densidad Estado Seco (gr/cm3) 2.502Porcentaje de absorción (%) 2.356Densidad Aparente (gr/cm3) 2.569Disgregación por sulfatos (%) 1.37% 0.27% 9.89%

2.637

1.88914.6452.61289%

CARACTERÍZACIÒN

85.562.552

Mina"Ducupale"

2.166

TIPO DE AGREGADO

2.4990.021

* Los resultados que se indican se obtuvieron combinando los agregados con el porcentaje respectivo de deletéreo.

La caracterización de los agregados se ha realizado de acuerdo a las Especificaciones

100

Generales para la Construcción de Caminos y Puentes del Ecuador. [MOP-001-F-2002].

Tabla 5.3 Resultados del uso de nomograma de Heukelom.

Penetración(100gr,25°C,5seg) 64Punto Reblandecimiento (°C) 52Ductilidad (cm) a 25°C 108Ensayo del Flotador (seg) 725Viscosidad (poises) a 135°CPunto de Inflamación °C 274Indice de Penetración 0.52Temperatura (T800) 48.5Temperatura Mezcla °C 157Temp. Compactación °C 145

CARACTERÍSTICAS ASFALTO

Para la caracterización de los asfaltos, ésta se realizó de acuerdo a las especificaciones establecidas. Para determinar la temperatura T800 (que es la temperatura relacionada al Punto de Ablandamiento del Asfalto) y el Índice de penetración, se siguió el procedimiento y el nomograma de Heukelom, figura 3.11 del capítulo III., cuyos resultados sen encuentran en la Tabla 5.3. Los resultados de la caracterización de los asfaltos se dan en la Tabla 5.4.

Tabla. 5.4 Características del cemento asfalto.

CARACTERÍSTICAS ASFALTOASFALTO

MODIFICADO AL 1% SBS

Penetración(100 gr.,25ºC,5 seg 42 57Punto Reblandecimiento (ºC) 52 57Ductilidad (cm) a 25 ºC 108 No se realizóViscosidad (poises) a 135 ºC 5.76 4.25Punto de inflamación ºc 274 296Temperatura Mezcla ºC 157 165Temp.Compactación ºC 145 155

Las probetas se elaboran estas en un número de cinco por cada porcentaje de ligante desde 2,5 % a 5,5 % con un intervalo de 0,5 % de peso de agregado según el procedimiento de diseño Marshall. Las probetas se compactan con un número de 50 golpes por cara con un martillo normalizado y con una temperatura de compactación correspondiente a 2.8 poises para cada porcentaje de ligante asfáltico. Para el mezclado, el asfalto se calienta a una temperatura correspondiente a una viscosidad de 2,8 poises y el agregado a una temperatura de 20 ºC más que la del asfalto, según la norma ASTM D-1559. [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004].

101

Luego de elaborar las briquetas, cada una de ellas se somete al desgaste a 300 revoluciones en la máquina de los ángeles previo a mantenerlas a 25 ºC en una estufa durante un período de 6 horas. Luego de ensayadas las mismas, se realizó el procedimiento para determinar el porcentaje óptimo de ligante, de acuerdo al siguiente análisis:

a. El primer valor del porcentaje de asfalto es el que corresponde a la máxima Gravedad Específica Bulk alcanzada, para la presente investigación es de 4.58% de asfalto.

b. El segundo valor en la gráfica de % de vacíos Vs. % Asfalto al que corresponda entre los valores que estén en el rango de 20 a 25% de Vacíos, para el presente caso es de 4.5% de asfalto

c. El tercer valor que formará parte para sacar el promedio que será el porcentaje óptimo de asfalto es el que corresponda en la gráfica de % de Desgastes Vs. % de Asfalto el que se encuentre en el intervalo de menor ó igual al 25% de desgastes, y que corresponde a un valor de 4.87% de asfalto.

d. El valor óptimo de asfalto de la mezcla es el valor promedio de los obtenidos, el cual en la presente investigación es de 4.65% de Asfalto.

El valor óptimo obtenido en el diseño es el porcentaje de cemento asfáltico que debe intervenir en la fabricación de la mezcla asfáltica en la obra, empleando el mismo tipo de agregado y asfalto utilizados en el diseño de laboratorio.

Los cálculos para el análisis y el cálculo del porcentaje óptimo de asfalto se los encuentra en los Anexos. 5.5 PROPIEDADES A DETERMINAR EN EL ENSAYO CÁNTABRO. Con el propósito de comprobar la validez del ensayo cántabro de pérdida por desgaste en la valoración de las propiedades fundamentales de los ligantes, y poder valorar el comportamiento del ligante como parte integrante de la mezcla se debe evaluar las siguientes propiedades: [MIRO RECANSES J.R., 1994]. Cohesión. Susceptibilidad térmica. Adhesividad árido-ligante. Envejecimiento. Características del másico filler-betún.

La presente investigación tiene como finalidad determinar la sensibilidad del ensayo frente a la presencia de las partículas deletéreas en diferentes porcentajes, además analizar su comportamiento con el uso de modificadores de asfalto como es el polímero SBS. 5.5.1 APLICACIÓN A LA MEDIDA DE LA COHESIÓN. Con el propósito de aglomerar las distintas partículas del árido se utiliza el ligante asfáltico, produciendo con ello cohesión a la mezcla, para evaluar esta propiedad nos apoyamos en el ensayo Cántabro, creado precisamente con este fin.

102

En la presente investigación se realizó mezclas asfálticas de granulometría abierta utilizando la franja A12 de husos granulométricos que se encuentran en la tabla 4.2 del capítulo IV, se ensayaron las probetas mediante el ensayo Cántabro el cual permite determinar la cohesión en las mezclas asfálticas con este tipo de granulometría. Con el propósito de analizar la “influencia de partículas deletéreas” se ha preparado probetas con diferentes porcentajes de deletéreos esto es con el 0%, 1%, y 3%, y se ha ensayado a 100,200 y 300 revoluciones. Con el propósito de evaluar la Cohesión, se elaboró 3 probetas por cada tipo de mezclas variando el porcentaje de partículas deletéreas y utilizando el asfalto de penetración 60-70, con una energía de 50 golpes por cara mediante el procedimiento de la norma ASTM D-1559 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004] del método Marshall. Se analizan estas probetas determinando La gravedad Específica Bulk, % de vacíos y la desviación estándar de los porcentajes de vacíos de acuerdo a la norma ASTM D-3203 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], la gravedad específica máxima teórica y su desviación estándar de acuerdo a la norma ASTM D-2041 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], obteniendo las siguientes características tabla 5.5:

Tabla.5.5 Determinación de las Densidades para evaluar la cohesión.

0% 1% 3% 1% POL."SBS"Densidad BULK 1.892 1.934 1.946 1.993Desviación BULK 0.0022 0.0033 0.014 0.0113Vacios en Mezcla 20.03 18.24 17.82 15.75Desviación Estándar 0.16 0.2 0.61 0.5

PORCENTAJE DE DELETÉREOS.CARACTERÍSTICA

Se debe comprobar que las probetas cumplan con la Norma ASTM D-3203 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], de no suceder esto se debe eliminar las mismas, la comprobación se realiza antes de someterlas al ensayo Cántabro. Las probetas a ensayar han permanecido a 25°C durante 12 horas luego de ser elaboradas y se las ha ensayado a 100,200 y 300 revoluciones en la máquina de los Ángeles obteniendo los siguientes resultados tabla 5.6.

Tabla. 5.6 Resultados de la evaluación a la Cohesión.

POLIMERO0% 1% 3% 1% " SBS"

100 6.48 6.69 6.96 4.55200 13.45 13.53 13.58 12.54300 21.46 21.66 26.82 18.12

PÉRDIDAS AL CÁNTABRODELETEREOSNº. REV.

103

Con estos resultados se obtiene siguiente gráfica:

EVALUACIÓN DE LA COHESIÓN PARA DIFERENTES SEVERIDADES DE ENSAYO

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0 100 200 300No. DE REVOLUCIONES

PÉ

RD

IDA

S A

L C

ÁN

TAB

RO

(%)

SIN DELETEREOS 3% DELETEREOS1% DELETEREOS 1% POLÍMERO "SBS"

Gráfica 5.3. Perdidas al cantabro Vs. N º revoluciones. La gráfica de COHESIÓN que se muestra, nos indica que el material proveniente de la cantera Ducupale y que contiene entre 0% de partículas deletéreas y el 1% la diferencia de la cohesión no es notable en comparación con el 3% de partículas deletéreas ensayadas a 300 revoluciones, que ha aumentado su porcentaje de desgaste en aproximadamente un 10%. Cuando se prepara probetas con material proveniente de río generalmente se obtiene valores de cohesión menores al 20% sin embargo en la presente investigación con estos materiales provenientes de la cantera Ducupale se ha obtenido resultados que superan este porcentaje, razón suficiente para investigar que pasa con la cohesión cuando se trabaja con agregado incluido el 3% de deletéreos y con el 1% de polímero modificador de asfalto SBS (estireno butadieno estireno). Bien los resultados son satisfactorios como se puede observar en la gráfica 5.3. Las características del polímero y las justificaciones para su uso se describen en el literal 5.6 del presente capítulo. 5.5.2 APLICACIÓN A LA MEDIDA DE LA SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA. El análisis de la susceptibilidad térmica tiene como objetivo fundamental determinar el comportamiento de los ligantes bituminosos frente a esta propiedad, analizar el comportamiento frágil a bajas temperaturas, elasto-plástico a temperaturas medias y un comportamiento inconsistente a temperaturas elevadas, en la gráfica 5.4, se observa su comportamiento.[MIRO RECANSES J.R., 1994].

104

Gráfica 5.4. Curva de estado.

Si analizamos la figura 5.4 vemos que a temperaturas medias de servicio a las que suele encontrarse las mezclas asfálticas en la carretera que varía entre 15 a 30 °C., el asfalto tiene un comportamiento visco-elástico y posee una gran ductilidad y tenacidad. Al ir disminuyendo la temperatura el asfalto va aumentando su rigidez, convirtiéndose en un material frágil lo que da lugar, entre otros fallos a la fisuración de la mezcla por retracción térmica. Cuando la temperatura aumenta, el ligante pierde la consistencia y la mezcla su estabilidad, convirtiéndose en un material deformable. Mediante el Método Marshall, basado en la norma ASTM D-1559 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004] se elaboró 7 grupos de probetas de 3 cada uno, con una energía de compactación de 50 golpes por cara, con la finalidad de evaluar la aplicación a la medida a la Susceptibilidad Térmica. Cada grupo de probetas se mantiene por el tiempo de 12 horas a las temperaturas de -5, 0, 5, 10, 25, 40, 60 °C [3]. respectivamente por cada tipo de mezclas, así mismo se fue variando el porcentaje de partículas deletéreas y utilizando el asfalto de penetración 60-70. Además se determinó la gravedad Específica Bulk, % de vacíos y la desviación estándar de los porcentajes de vacíos de acuerdo a la norma ASTM D-3203 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], la gravedad específica máxima teórica y su desviación estándar de acuerdo a la norma ASTM D-2041 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004].

105

Con el propósito de evitar desprendimiento de las partículas de la probetas que se someten a elevadas temperaturas (arriba del punto de ablandamiento de los ligantes), se construyó un molde de malla metálica que permite introducir las mismas y evitar este problema, inclusive el momento de retirar el molde de las mismas ya que estas podrían llegar a desmoronarse por encontrarse en estado inconsistente foto 5.3.

Foto 5.3 Probetas expuestas a temperaturas elevadas. Laboratorio UTPL.

El momento de ensayar las probetas a 100, 200 y 300 revoluciones, la máquina de los

ángeles debería encontrarse a igual temperatura a la que se van a ensayar estas, pero debido

a que esto no es posible se realizó los ensayos con la máquina a una temperatura

aproximada de 25 ºC.

Foto 5.4 Probetas mal extraída del molde malla metálica.

106

Foto 5.5 Probetas luego de estar -5 ºC (izquierda) y a 60 º C (derecha). Lab. UTPL.

Las características de las probetas confeccionadas se dan en la tabla 5.7

Tabla. 5.7 Determinación de las Densidades para evaluar la susceptibilidad térmica.



Luego de determinar sus características las probetas deberían ser ensayadas en la maquina de los Ángeles a 25 °C a 100, 200 y 300 revoluciones, sin embargo en el presente caso solo se probaron a 300 revoluciones por considerar la condición mas desfavorable. Los resultados de los ensayos de susceptibilidad térmica a 300 revoluciones se describen en la tabla 5.8.

Tabla. 5.8 Resultados de la evaluación a la Susceptibilidad Térmica.

SIN DELETEREOS1% DELETEREOS 3% DELETEREOS 1% "SBS"-5 ºC. 58.11 58.96 67.96 55.120 ºC. 56.00 57.08 59.60 50.635 ºC. 42.75 44.00 52.63 41.7210 ºC. 38.51 43.49 48.28 32.2025 ºC. 21.46 21.66 26.82 18.4240 ºC. 12.04 16.92 28.99 10.2560 ºC. 46.62 48.65 50.04 43.57

PERDIDAS AL CANTABRO A 300 REVOLUCIONESTEMPERATURA

107

Con estos resultados se obtiene la % de desgaste Vs. Temperatura de prueba.

CURVA DE ESTADO

GRÁFICA TEMPERATURA VS PÉRDIDAS AL CÁNTABRO A 300 REVOLUCIONES

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

TEMPERATURA (ºC)

PÉR

DID

AS

AL

CÁ

NTA

BR

O (%

SIN DELETEREOS

3% DELETEREOS

1% DELETEREOS

1% POLÍMERO "SBS" Gráfica 5.5. Pérdidas al cántabro Vs. Temperatura (ºC).)

El comportamiento de los ligantes bituminosos se caracteriza por ser frágil a bajas temperaturas, elasto-plástico a temperaturas medias y un comportamiento inconsistente a temperaturas altas. La caracterización de ligantes asfálticos mediante el empleo del Ensayo Cántabro (Método UCL®

), busca determinar las llamadas curvas de estado, las cuales pondrán de manifiesto el comportamiento frágil del ligante a bajas temperaturas: altas pérdidas al cántabro, su comportamiento elasto-plástico a temperaturas medias: pérdidas bajas al cántabro, y su inconsistencia a altas temperaturas: desde un bajo a un fuerte incremento de las pérdidas.

En la presente investigación, para ensayar las probetas a temperaturas elevadas tal como se observa en la Gráfica 5.5, esto es (25°C, 40°C, 60°C) se lo consigue utilizando hornos digitales, que permiten controlar la variación de temperatura, por el contrario para temperatura bajas (-5°C, 0°C, 5°C y 10°C) y se recomienda utilizar congeladores capaces de regular la variación de temperatura.

Para determinar la calidad del material que conforman las probetas de granulometría abierta, se puede analizar el punto donde comienza el reblandecimiento, de experiencias en agregados procedentes de canto rodado o material de río éste alcanza pérdidas al cántabro de 0 a 15% con asfalto de penetración 60-70, mientras que en mezclas elaboradas con materiales procedentes de la cantera como la de Ducupale y con presencia de partículas deletéreas en el 1%, se obtuvo un valor de 16.92% de pérdidas mientras que con el 3% de deletéreos se tiene un valor de 28.99% de pérdidas al cántabro, razón suficiente para

108

utilizar polímero “SBS” con el cual se logró mejorar la propiedad de Susceptibilidad Térmica en estas mezclas, tal como se observa en la grafica 5.5. 5.5.3 APLICACIÓN A LA MEDIDA DE LA ADHESIVIDAD ÁRIDO-LIGANTE. Con el propósito de conseguir una adecuada resistencia al desgaste es necesario que el ligante se adhiera de la mejor manera al árido. El ensayo cántabro de pérdida por desgaste no es suficiente para valorar la adhesividad mecánica árido – ligante, ya que existen otras propiedades del ligante que influyen como es su consistencia, fragilidad, viscosidad, etc. mientras que por parte del árido influye la textura, dureza, etc., pero el ensayo Cántabro tiene aplicación en la medida de la adhesividad, adhesión del ligante al árido en presencia de agua.[ MIRO RECANSES J.R., 1994]. Para determinar la medida adhesividad árido – ligante en la presente investigación se elaboró 2 grupos de probetas por cada porcentaje de deletéreo (0%, 1%, 3%), de las cuales 3 probetas se ensayaron directamente a 100, 200 y 300 revoluciones después de mantenerlas durante 12 horas a 25 ºC, y el resto fueron ensayadas a 100, 200 y 300 revoluciones después de permanecer estas sumergidas 4 días en agua (Baño de María) a 35 ºC y 1 día secándose al aire a 25 ºC. foto 5.6 a, b, c

a) b)

c)

Foto 5.6 a), b) Evaluación de la adhesividad y efecto del agua sobre mezclas asfálticas con partículas deletéreas, c) Probetas ensayadas a diferentes revoluciones Laboratorio UTPL.

100 REVOLUCIONES 200 REVOLUCIONES 300 REVOLUCIONES

109

Tabla. 5.9. Determinación de las Densidades para evaluar la adhesividad árido-ligante.



Luego de comprobar que estas probetas cumplen con la normativa estipulada en el ensayo cántabro, estas son probadas a 100, 200 y 300 revoluciones, de lo cual se obtiene los siguientes resultados:

Tabla. 5.10 Resultados de la evaluación a la adhesividad.

EN SECO

TRAS INMERSIÓN

EN SECO

TRAS INMERSIÓN

EN SECO

TRAS INMERSIÓN

EN SECO

TRAS INMERSIÓN

100 6.48 11.44 6.69 13.51 6.96 14.49 4.55 10.05200 13.45 34.83 13.53 35.99 13.58 36.06 12.54 30.42300 21.46 55.29 21.66 54.70 26.82 60.37 18.12 43.10

1% POLÍMERO "SBS"

PÉRDIDAS POR DESGASTE.

No. Rev.

SIN DELETÉREOS 1% DELETÉREOS 3% DELETÉREOS

Con estos resultados se obtiene la siguiente gráfica. 5.6

EFECTO DE LA DESENVUELTA DEL AGUA SOBRE LAS PÉRDIDAS POR DESGASTE

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

50 100 150 200 250 300 350

No. REVOLUCIONES

PÉRD

IDAS P

OR DE

SGAS

TE (%

SIN DELETEREOS (EN SECO) 3% DELETEREOS (EN SECO)

SIN DELETEREOS (TRAS INMERSIÓN) 3% DELETEREOS (TRAS INMERSIÓN)

1% DELETEREOS (EN SECO) 1% DELETEREOS (TRAS INMERSIÓN)

1% POLÍMERO "SBS" EN SECO 1% POLÍMERO "SBS" TRAS INMERSIÓN

Gráfica 5.6. Resultados de la evaluación a la adhesividad.

110

De acuerdo a la gráfica se observa que las pérdidas por desgaste en seco a 300 revoluciones con el 3 % de deletéreos superan el 25 % establecido por la norma, no sucediendo esto con 0% y 1% de deletéreos. En igual forma si se analiza las pérdidas por desgaste tras inmersión, se observa que para todas las condiciones estas superan el valor de 50%, razón suficiente para decidir se en utilizar aditivos mejoradotes de adherencia. En el presente caso se usó un polímero “SBS” adicionándole primeramente aceite térmico, con el 1% de polímero 4 % de aceite y 3% de partículas deletéreas, se logró obtener resultados menores a los especificados demostrando con ello la efectividad de trabajar con el polímero “SBS”. 5.5.4 APLICACIÓN DE LA MEDIDA AL ENVEJECIMIENTO. La resistencia al envejecimiento de los ligantes bituminosos por la acción de los rayos ultravioleta y los agentes atmosféricos – aire, calor, agua, etc.- es una propiedad de los ligantes relacionada muy directamente con su durabilidad. Cuanto más rápida sea esta oxidación y envejecimiento, mayor será la rapidez con la que el ligante se volverá frágil, disminuyendo su resistencia a la acción abrasiva del tráfico. El envejecimiento del ligante se inicia el momento que este al mezclarse con los áridos alcanza elevadas temperaturas, y luego progresa durante su vida útil por reacciones de oxidación, deshidrogenización y volatilización. En el presente caso al mantener constante la granulometría de los áridos, las mezclas fabricadas con cada porcentaje de partículas deletéreas presentan una porosidad similar y por ende una superficie expuesta a envejecimiento similar. Se fabricó 15 probetas con cada porcentaje de partículas deletéreas, distribuidas en 5 grupos de tres probetas cada uno, a las cuales se les determina el peso específico bulk, % de vacíos y la desviación estándar de los porcentajes de vacíos, de acuerdo a la norma ASTM D-3203 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004]], la gravedad especifica máxima teórica y su desviación estándar de acuerdo a la norma ASTM D-2041. [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004]. Un grupo de probetas se evalúan sin someterse a ningún periodo de envejecimiento, con el fin de disponer de una muestra sometida en condiciones naturales, los otros grupos restantes permanecen durante 5, 20, 40 y 72 horas respectivamente a 163 ºC. Debido a que la temperatura de preparación es muy elevada; es necesario colocar cada probeta dentro de una malla metálica, con el fin de evitar el desprendimiento de los agregados. Las probetas sometidas a estas elevadas temperaturas tienden a adquirir una forma cónica debido al escurrimiento del ligante, para que este escurrimiento sea homogéneo se invierten estas después de 2,5 horas. Una vez que se ha cumplido el tiempo de horas de preparación de las probetas (5, 20, 40 y 72 horas) estas se las enfría durante doce horas y se ensayan en la máquina de los ángeles a 25 ºC a 100, 200 y 300 revoluciones. Los resultados de las pruebas a 100, 200 y 300 revoluciones luego de ser sometidas las probetas a 163 ºC se describen en la tabla 5.12.

111

GRÁFICA TIEMPO DE ENVEJECIMIENTO VS PÉRDIDAS AL CÁNTABRO PARA 300 REVOLUCIONES

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80

TIEMPO DE ENVEJECIMIENTO (HORAS)

PÉ

RD

IDA

S P

OR

DE

SG

AS

TE

(%

)

SIN DELETEREOS 3% DELETEREOS 1% DELETEREOS 1% POLÍMERO "SBS"

Tabla. 5.11. Determinación de las Densidades para evaluar al envejecimiento.


PORCENTAJE DE DELETÉREOSCARACTERÍSTICA

Tabla. 5.12. Resultados de la evaluación al envejecimiento.

SIN DELETÉREO

S

1% DELETÉREO

S

3% DELETÉREO

S

1% "SBS"

0 6.48 6.69 6.96 6.125 13.05 14.56 22.10 10.5020 29.10 32.06 32.21 28.4340 39.02 40.76 43.40 31.4272 45.84 50.04 49.28 45.00

0 13.45 13.53 13.58 12.865 17.57 18.33 31.62 16.1020 38.62 40.53 43.53 31.7440 50.68 51.19 54.06 40.2572 61.01 63.27 64.89 59.33

0 21.46 21.66 26.82 19.625 36.22 36.85 48.83 25.3020 63.69 65.20 65.55 41.5340 81.67 84.66 85.59 65.9472 93.39 94.72 94.24 82.10

300

COMPARACIÓNPÉRDIDAS POR DESGASTE TIEMPO DE

ENVEJECIMIENTO (HORAS)

Nº REVOL.

100

200

Con estos resultados se gráfica el estado de envejecimiento.

Gráfica 5.7. Pérdidas al cántabro Vs. Tiempo de envejecimiento.

112

El efecto de las partículas deletéreas, se gráfico únicamente a 300 revoluciones debido a que a 100 y 200 las curvas no difieren en consideración. Gráfica 5.7 Como se observa las curvas de envejecimiento tienen la misma forma y presentan pendientes más fuertes a corto plazo (0 a 5 horas) y se suavizan para los tiempos de envejecimiento más largos, el envejecimiento más rápido se produce al inicio de su vida de servicio, y se vuelve más lento a largo plazo; esto se debe a que la pérdida de aceites y volátiles que componen el asfalto se da a medida que este envejece, a largo plazo esta pérdida ya se ha producido y su efecto desaparece. Con el 3 % de deletéreos, observamos el envejecimiento de la mezcla, en intervalos de 0 a 5 horas la pendiente es más fuerte, que cuando la mezcla tiene 0 ó 1% de deletéreos, y consecuentemente a largo plazo por el contrario se suaviza más que las otras, pues ha perdido más rápidamente los aceites y volátiles que lo conforman, lo que no sucede con la presencia del 3% de deletéreos y el 1% de polímero SBS, ya que por acción de este se prolonga por más tiempo el envejecimiento y la presencia de aceites y volátiles. 5.6 USO DEL POLIMERO ESTIRENO BUTADIENO ESTIRENO “SBS” O

CAUCHO TERMOPLÁSTICO. De acuerdo a los resultados que se indican y con el propósito de mejorar las características del ligante que se utiliza en el Ecuador se recurrió a emplear un modificador de asfaltos, debido a la gran variedad de polímeros existentes, se decidió en modificar los ligantes bituminosos con polímeros estireno butadieno estireno SBS. “Los polímeros idóneos para mejorar las propiedades de los asfaltos para uso vial son aquellos que cumplen las siguientes características:

Cadena general suficientemente larga. Baja polaridad, para facilitar su compatibilidad con el asfalto. Peso molecular elevado pero no excesivamente alto, para disminuir riesgos por

excesiva viscosidad y problemas de dispersión. Baja temperatura vítrea, para permitir mejora los problemas de deformación a bajas

temperaturas. De acuerdo a las características señaladas anteriormente los polímeros más utilizados son los plastómeros generalmente EVA y los elastómeros generalmente “SBS” (estireno butadieno estireno) en esta oportunidad se utilizó polímero “SBS” [RUBIO, B., 1992], elastómero que permite mejorar la adherencia, resistencia a las deformaciones y a la tensión. Además se utilizó aceite térmico en proporción del 4% en peso, para lograr este objetivo se fabricó un equipo dispersador de asfalto y se trabajó a temperaturas entre los 185 y 190 ºC.

La modificación del asfalto con polímero SBS en mínima cantidad se consiguió mediante la siguiente dosificación:” [HERNADEZ O. J.J., 2005]

113

Cantidad de asfalto 10 Kg. Cantidad de Polímero SBS (1%) 100 g. Cantidad de Aceite térmico ( 4%) 400 g. Temperatura de dispersión 185 a 190°C Velocidad de Agitación 600 r.p.m. Forma de adicionar el polímero durante 1 hora, 50g c/media hora

En los laboratorios de CHOVA del Ecuador se iniciaron los procedimientos de dispersión y comprobación tal como se observa en las siguientes fotos 5.7. a), b), c).

Foto 5.7 Asfalto modificado con polímero “SBS” a) dispersión, b) polímero SBS, c) control de dispersión. Laboratorio CHOVA Ecuador.

5.7 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE POLÍMERO “SBS”. Con el propósito de evaluar la mezcla asfáltica modificada con polímero SBS, se elaboró 3 probetas variando el porcentaje de polímero (0%, 1%, 2%, 3%), usando asfalto de penetración 60-70, con una energía de compactación de 50 golpes por cara tal como lo describe la norma ADTM D 1559 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004] del Método Marshall., Luego se determinan las propiedades de las probetas como es, gravedad especifica bulk, % de vacíos y la desviación estándar de de los porcentajes de vacíos de acuerdo a la norma ASTM D- 3203 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004], la gravedad específica máxima teórica y su desviación estándar de acuerdo a la norma ASTM D-2041 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004], obteniéndose los resultados que se indican en la tabla 5.13.

Tabla. 5.13 Determinación de las Densidades con diferentes porcentajes de deletéreos.


PORCENTAJE DE DELETÉREOSCARACTERÍSTICA

Luego de este análisis y después de haber comprobado que cumplen con las normas se describen los resultados a 300 revoluciones y a 25ºC en la tabla 5.14.

114

Tabla. 5.14 Pruebas a 300 revoluciones, con diferentes porcentajes de polímero.

Nº. REV. % POLÏMERO % DESGASTE

0% 21.461% 11.962% 11.973% 13.45

300

Con estos datos obtenemos la gráfica 5.8, que nos determina el porcentaje óptimo de polímero “SBS”.

Gráfica 5.8 Porcentaje de Desgaste Vs. Porcentaje de Polímero “SBS”.

De los resultados se concluye que el 1% de polímero es suficiente para mejorar nuestra mezcla asfáltica y cumplir con los requerimientos del ensayo cántabro. Para tener una mejor idea de cómo se comporta el polímero con el asfalto determinamos la relación entre el punto de reblandecimiento y penetración tabla 5.15, y representada en la gráfica 5.9. Tabla. 5.15. Reblandecimiento y penetración para diferentes porcentajes de polímero.

PORCENTAJE POLIMERO SBS REBLANDECIMIENTO ºc PENETRACIÓN 0.1

mm.0 % POLÍMERO

SBS 52 42

1 % POLÍMERO SBS 57 57



GRÁFICA % POLÍMERO SBS VS % DESGASTE PARA DIFERENTES SEVERIDADES DE ENSAYO

10.00

15.00

20.00

25.00

0.00 % 0.50 % 1.00 % 1.50 % 2.00 % 2.50 % 3.00 % 3.50 %

% POLÍMERO SBS

% D

ESG

ASTE

300 REVOLUCIONES

115

Gráfica 5.9 Reblandecimiento y penetración para diferentes porcentajes de polímero.

Como se observa en la gráfica para los diferentes porcentajes de polímero SBS, el punto de

reblandecimiento y penetración aumenta en forma directa, esto significa que el asfalto se

hace más plástico, actuando el polímero como se esperaba.

REFERENCIAS. [1] PEREZ JIMENEZ, F.E.(1980): “Estudio de la dosificación, características y

comportamiento de las mezclas bituminosas porosas para capas de rodadura drenantes”, E.T.S.I.C.C.P. Universidad de Santander.

[2] STANDARD SPECIFICATIONS FOR TRANSPORTATION MATERIAL AND

METHODS OF SAMPLING AND TESTING. 24 th. Edition 2004. [3] MIRO RECANSES J.R.(1994): “Metodología para la Caracterización de Ligantes

Asfálticos mediante el empleo del ensayo Cantabro”., Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona,. Pág. 148; 151; 152; 178; 192; 195.

[4] Especificaciones Generales para la Construcción de Caminos y Puentes,(2002).

MOP-001-F-2002 tomo I Sección IV Pág., 397. [5] HERNADEZ O. J.J. (2005): “II Seminario de Asfalto, IQ., México, Pág.:6 [6] RUBIO, B.(1992): “Caracterización en laboratorio de betunes modificados con

polímeros” XIX de la Carretera, pp.327-356 . Asociación Española de la Carretera. Toledo.

REBLANDECIMIENTO Y PENETRACIÓN

3035

40455055

606570

7580

0 1 2 3 4

% DE POLÍMERO SBS

% R

EBLA

ND

ECIM

IEN

TO Y

PE

NET

RA

CIÓ

N (0

.1m

m.)

REBLANDECIMIENTO PENETRACIÓN

Documents

CAPÍTULO 5 - UDEPa. Se determina el peso de la probeta en seco, con una aproximación de 0.10 gramos (ml). Antes de someterla al ensayo, la probeta debe mantenerse a la temperatura