Ucl Colombiano

Influencia de la temperatura, la granulometra y el agua en la cohesin de mezclas asflticas*Influence of Temperature, Granulation, and Water in the Cohesion of Asphalt Mixtures** Influncia da temperatura, da granulometria e da gua na coeso das misturas asflticas***scar Javier Reyes-Ortiz**** Sebastin Milln-Montejo*****

* Fecha de recepcin: 21 de febrero de 2009. Fecha de aceptacin para publicacin: 7 de septiembre de 2009. El artculo es el resultado de un proyecto de investigacin denominado Influencia de la cohesin en mezclas asflticas, financiado por la Vicerrectora de Investigaciones de la Universidad Militar Nueva Granada, Bogot, Colombia. ** Submitted on February 21, 2009. Accepted on September 7, 2009. This article results from the research project called Influence of Cohesion in Asphalt Mixtures, financed by the Universidad Militar Nueva Granada Vice-Presidents Office for Research, Bogot, Colombia. *** Data de recepo: 21 de fevereiro de 2009. Data de aceitao para publicao: 7 de setembro de 2009. O artigo o resultado de um projeto de pesquisa denominado Influncia da coeso em misturas asflticas, financiado pela Vice-reitoria de Pesquisa da Universidade Militar Nueva Granada, Bogot, Colmbia. **** Ingeniero civil. Mster en Ingeniera Civil, Universidad de los Andes, Bogot, Colombia. Doctor, Universidad Politcnica de Catalunya, Espaa. Profesor de la Facultad de Ingeniera, Universidad Militar Nueva Granada, Bogot, Colombia. Correo electrnico: [email protected]. ***** Ingeniero civil, Universidad Militar Nueva Granada, Bogot, Colombia. Correo electrnico: sebastian.millan@ unimilitar.edu.co.Ing. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009. ISSN 0123-2126

310 scar Javier Reyes-Ortiz, Sebastin Milln-Montejo

Este estudio tiene como objeto principal estudiar la influencia de la temperatura, del agua y de la granulometra en la cohesin de las mezclas asflticas. El estudio se realiz mediante la ejecucin del ensayo Caracterizacin Universal de Ligantes (UCL), en seco y hmedo. Se inici con la caracterizacin del material granular y de tres asfaltos con comportamiento diferente (60/70, 85/100 y modificado con polmero SBS). Las curvas granulomtricas empleadas corresponden a las denominadas md10 y md12, del Instituto de Desarrollo Urbano. Se determin el porcentaje ptimo de asfalto con el aparato de Marshall en muestras sin relleno, segn un procedimiento del ensayo UCL. Se construyeron muestras con el porcentaje ptimo de asfalto y se ensayaron en la mquina de los ngeles, a diferentes temperaturas caractersticas de Colombia, en estado seco y hmedo (curva de estado). Entre los resultados obtenidos se determin que el asfalto modificado presenta mayor cohesin que los asfaltos convencionales, que el agua disminuye la cohesin entre las partculas y el asfalto, sin importar el tipo que se use y que la granulometra md12 presenta mayores prdidas que la md10.

Resumen

Abstract

This research studies the influence of temperature, water, and granulometry in the cohesion of asphalt mixtures. The study was carried out by subjecting dry and wet samples to the UCL test. The research started by characterizing the granular material and three asphalts with different behaviour (60/70, 85/100 and modified with polymer SBS). The grain size curves used correspond to the so established as md10 and md12 by the Instituto de Desarrollo Urbano (IDU). The asphalt optimal percentage was determined via the Marshall apparatus in samples without filler, following UCL test procedures. Several samples were built with the optimal percentage and tested by means of an Angeles Machine at different typical Colombian temperatures in dry and wet state. The results obtained show that the modified asphalt presents a higher cohesion rate than conventional asphalts; that water diminishes the cohesion between the asphalt and the particles irrespective of the granule used, and that the md12 granulometry yield higher losses than the md10 grain size.

Resumo

Este estudo tem como objeto principal estudar a influncia da temperatura, da gua e da granulometria na coeso das misturas asflticas. O estudo realizou-se mediante a execuo do teste Caracterizao Universal de Ligantes (UCL), em seco e mido. Iniciou-se com a caracterizao do material granular e de trs asfaltos com comportamento diferente (60/70, 85/100 e modificado com polmero SBS). As curvas granulomtricas empregadas correspondem s denominadas md10 e md12, do Instituto de Desenvolvimento Urbano. Determinou-se a porcentagem tima de asfalto com o aparelho de Marshall em amostras sem enchimento, segundo um procedimento do ensaio UCL. Construram-se amostras com a porcentagem tima de asfalto e foram testadas a diferentes temperaturas caractersticas da Colmbia, em estado seco e mido (curva de estado). Com os resultados obtidos determinou-se que o asfalto modificado apresenta maior coeso que os asfaltos convencionais, que a gua diminui a coeso entre as partculas e o asfalto, sem importar o tipo que se use e que a granulometria md12 apresenta maiores perdas que a md10.

Palabras clave

Mezclas de asfalto-efecto de la temperatura, granulometra, cohesin.

Key words

Asphalt mixtures-effect of temperature, granulometry, cohesion.

Palavras chave

Misturas de asfalto-efeito da temperatura, granulometria, coeso.

Ing. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009

Influencia de la temperatura, la granulometra y el agua en la cohesin de mezclas asflticas

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IntroduccinLa temperatura es una variable muy importante en las obras civiles y, ms an, en aquellas que estn en constante uso, recibiendo todo tipo de cargas y efectos climatolgicos, como es el caso de las vas. Por lo tanto, al tener en cuenta que este factor incide en el comportamiento de los pavimentos, la vida til de estos tambin se ve afectada. La mezcla asfltica debe deformarse sin romperse al recibir esfuerzos debidos a las cargas que varan de acuerdo con su magnitud; por esto se estudia la resistencia al corte, considerando la friccin y la cohesin, esta ltima elemental y definitiva en el momento de evaluar el comportamiento de la mezcla asfltica. Durante mucho tiempo se han caracterizado los asfaltos con diferentes ensayos experimentales, por ejemplo, el ensayo Fraass, que determina la temperatura de fragilidad a partir del momento en que el asfalto no se puede flectar sin fisurarse, o el ensayo de anillo y bola, que determina la temperatura en la que el asfalto pierde consistencia y se reblandece (Asphalt Institute, 1996). El Strategic Highway Research Program (SHRP) desarroll un procedimiento conocido como superpave donde, a partir de las propiedades del asfalto (mdulo complejo, ngulo de desfase, deformacin, entre otros), plantea parmetros que definen el comportamiento de la mezcla (G*sen() para fatiga y G*/sen() para deformaciones plsticas). As mismo, superpave establece el comportamiento de la cohesin y la adhesividad en la mezcla, con los ensayos de traccin indirecta y resistencia conservada (Kennedy et al., 1994). Por otra parte, el Laboratorio de Caminos, de la Universidad Politcnica de Catalua, desarroll un procedimiento de ensayo para estudiar la cohesin y la adhesividad del asfalto con el rido. Este procedimiento, llamado Mtodo Universal de Caracterizacin de Ligantes (UCL), permite establecer, a partir de las prdidas de masa por disgregacin, la cohesin y la adhesividad en funcin de la temperatura de ensayo y su granulometra (Mir, 1994). Por ltimo, con los resultados de las propiedades de cohesin y adhesividad de los asfaltos, se cuenta con otro parmetro para seleccionar de una maneraIng. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009


ms adecuada la granulometra y el tipo de asfalto que se van a utilizar en los pavimentos, de forma que exista la posibilidad de reducir sus fallos o daos. El objetivo de est investigacin es analizar la influencia de la temperatura, del contacto del agua y de la granulometra en la cohesin del asfalto con el granular, mediante ensayos UCL, a diferentes temperaturas.

1. Marco conceptualEl UCL est basado en el ensayo cntabro de prdida por desgaste, que consiste en introducir en la mquina de los ngeles una probeta tipo Marshall y someterla al ensayo de desgaste sin ningn tipo de carga abrasiva (Figura 1). Durante el ensayo se van desprendiendo, por impacto y abrasin, los ridos ms superficiales de la probeta y luego se determina, tras un nmero de revoluciones, la prdida de peso de la probeta referida, en tanto por ciento, al peso inicial:pc = Pi Pf Pi *100

(1)

Donde: Pc = prdidas al cntabro (%). Pi = Peso inicial (g). Pf = Peso final (g). Figura 1. Mquina de ensayo de los ngeles, Universidad Militar Nueva Granada

Fuente: presentacin propia de los autores.



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Las probetas utilizadas en el procedimiento UCL estn fabricadas con el aparato de Marshall y estn compactadas con 50 golpes, por cara. La caracterstica principal de la granulometra de la mezcla asfltica utilizada es que carece de filler, lo cual hace que se tenga una mezcla abierta con porcentajes de vacos altos. Como resultado del ensayo, se obtuvo la curva de susceptibilidad trmica o curva de estado (Figura 2), donde se representan los valores de prdidas respecto a la temperatura de la probeta, lo que da una idea de la capacidad del asfalto para mantener unidos los ridos en la mezcla, y cmo cuando estas uniones son dctiles y tenaces, las prdidas son bajas, y cuando resultan frgiles o poco consistentes, las prdidas aumentan. Figura 2. Influencia de las prdidas y la temperatura en el comportamiento de una mezcla asfltica100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -40 -30 -20 Fases de comportamiento del betn Frgil Elastoplastic Inconsistente

Prdidas al cntabro (%)

-10

0

10 20 30 Temperatura (C)

40

50

60

70

80

Fuente: Bianchetto, Mir y Prez, 2007.

Las prdidas de masa de la mezcla asfltica (rido y asfalto) a una temperatura determinada se deben a una prdida de cohesin intergranular, producto del desprendimiento de los ridos (Figura 3). Esta prdida de cohesin se inicia cuando los esfuerzos en la probeta, generados por el impacto dentro del equipo, superan el umbral de cohesin entre asfalto-rido. A medida que aumenta el nmero de revoluciones, crece la cantidad de partculas descohesionadas, hasta llegar en ocasiones a la disgregacin total de la mezcla (Prez, 2002; Mir, Martnez y Prez, 2006).Ing. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009


Figura 3. Estado de las muestras UCL despus de ensayadas


2. MetodologaEn la Figura 4 se presenta el diagrama de la metodologa empleada en la investigacin, que inicia con la seleccin de la granulometra y los tipos de asfalto y sigue con la caracterizacin de los materiales. Con la ayuda de la metodologa de Marshall se determina el porcentaje ptimo de asfalto, mediante el anlisis de estabilidad, densidad y flujo. A continuacin se hacen las muestras de UCL y se ensayan a diferentes temperaturas, por medio del ensayo en seco y hmedo. Por ltimo, se determina la cohesin de los diferentes asfaltos y mezclas estudiadas. Figura 4. Metodologa empleada en la investigacinSeleccin granulometra y tipo de asfalto

Caracterizacin de los materiales

Caracterizacin del asfalto

Determinacin % ptimo de asfalto Fabricacin de muestras de UCL Ejecucin de ensayos UCL a diferentes grados de temperatura y contacto con el agua Conclusiones y recomendaciones

Fuente: presentacin propia de los autores.Ing. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009


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2.1 Seleccin de granulometra y tipo de asfaltoLas granulometras empleadas en la investigacin son las usadas en la construccin de pavimentos en la ciudad de Bogot, segn las especificaciones del Instituto de Desarrollo Urbano (2005) y corresponden a las denominadas md10 y md12 en su parte media sin relleno (figuras 5 y 6). El asfalto utilizado es producido por la refinera de Barrancabermeja, Colombia, y el modificado, por Shell. Figura 5. Granulometra empleada en la investigacin md10100,00

80,00

60,00 % PASA 40,00 20,00 0,00 100,00

10,00

1,00 ABERTURA TAMIZ (mm) Media Inferior

0,10 Superior

0,01


Figura 6. Granulometra empleada en la investigacin md12100,00

80,00

60,00 % PASA 40,00 20,00 0,00 100,00

10,00

1,00 ABERTURA TAMIZ (mm) Media Inferior

0,10 Superior

0,01



2.2 Caracterizacin del granular y de los asfaltosEl material granular se caracteriz realizando los ensayos de laboratorio que aparecen en la Tabla 1. Tabla 1. Caractersticas del material granular EnsayoAbsorcin agregado grueso (%) Peso especfico aparente Absorcin agregado fino (%) Peso especfico aparente Desgaste agregado (%) Equivalente de arena (%)

NormaASTM C 127 ASTM C 127 ASTM C 128 ASTM C 128 ASTM C 535 ASTM D 2419

Resultado3,36 2,38 2,57 2,46 25,60 65,00


Los asfaltos se caracterizaron realizando los ensayos de laboratorio que aparecen en la Tabla 2. Tabla 2. Caractersticas de los asfaltos EnsayoPenetracin (0,1 mm) Ductilidad (cm) Punto de ablandamiento (C) Punto de llama e ignicin (C) Viscosidad a 135 (C)

NormaASTM D 5-97 ASTM D 113-99 ASTM D 36-95 ASTM D 3143-98 ASTM D-2170

Resultado62 115 43 240 y 265 0,56

Resultado95 120 47 230 y 260 0,40

Resultado54 156 54 220 y 242 2,37


3. Anlisis de resultadosLa primera parte de la investigacin correspondi a establecer el contenido ptimo de asfalto para las dos granulometras del estudio y los tres asfaltos utilizados. A partir del anlisis de la estabilidad, del flujo y de la densidad de la mezcla (figuras 7, 8 y 9, respectivamente), se determinaron los porcentajes ptimos de asfalto, que aparecen en la Tabla 3.



317

Figura 7. Estabilidad de las mezclas asflticas md10 y md121.600

1.200 Estabilidad [kg]

800

400

0

4,0

4,5

5,0Asfalto 60/70 md12 Asfalto 85/100 md10

5,5 % de asfalto

6,0

6,5Asfalto 85/100 md12 Asfalto Modificado md10

7,0

Asfalto 60/70 md10 Asfalto Modificado md12


Figura 8. Flujo de las mezclas asflticas md10 y md128,00

6,00

Flujo [mm]

4,00

2,00

0,00 4,0

4,5


5,5 % de asfaltoAsfalto 60/70 md10 Asfalto modificado md12

6,0

6,5Asfalto 85/100 md12 Asfalto modificado md10

7,0




Figura 9. Densidad de las mezclas asflticas md10 y md122,45

Densidad [kg/cm^3]

2,35

2,25 4,0

4,5


5,5 % de asfaltoAsfalto 60/70 md10 Asfalto modificado md12

6,0

6,5Asfalto 85/100 md12 Asfalto modificado md10

7,0


Tabla 3. Porcentajes ptimos de asfalto para las curvas granulomtricas del estudio Granulometramd10 md12

60/705,75 5,75

Asfaltos 85/100 Modificado5,75 5,75 6,00 6,00


Fabricadas las muestras y ejecutados los ensayos de UCL, en estado seco y hmedo, a las diferentes temperaturas (0, 10, 20, 30 y 40 C), los resultados son los siguientes: la cohesin de los asfaltos en la granulometra md10 se puede observar en las figuras 10 (estado seco) y 11 (estado hmedo). En la primera se puede observar que en la medida en que la temperatura aumenta, la cohesin de los diferentes asfaltos disminuye, con mayores prdidas para el asfalto con penetracin 60/70. Adicionalmente, se puede establecer que el asfalto modificado presenta un comportamiento de cohesin con el rido muy similar para las temperaturas estudiadas. Las prdidas por cohesin para el asfalto modificado, con respecto al asfalto 60/70, son aproximadamente 300% menores y del 9%, para el asfalto 85/100.Ing. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009


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Figura 10. Influencia de la temperatura en la cohesin para las muestras con granulometra md10 en estado seco30 25 Prdidas por desgaste (%) 20 15 10 5 0 0 5 10 15Asfalto 60/70

20 Temperatura (C)Asfalto 85/100

25

30

35

40

Asfalto modificado


Figura 11. Influencia de la temperatura en la cohesin para las muestras con granulometra md10 en estado hmedo45 40 Prdidas por desgasste (%) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15Asfalto 60/70


25

30

35

40

Asfalto modificado


De la Figura 11 se puede establecer que para la mezcla md10 y el ensayo UCL en estado hmedo las prdidas por desgaste, sin importar el tipo de asfalto, son mayores a temperaturas bajas (0 C) y que existe un comportamiento muy similar entre los 10 C y los 30 C. El asfalto que presenta mejor comportamientoIng. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009


a la cohesin es el modificado, seguido del asfalto convencional con penetracin 85/100. Por ltimo, se observa una tendencia muy similar del comportamiento de los tres asfaltos con la temperatura. Por otro lado, en las figuras 12 y 13 se muestran los resultados del desgaste para la granulometra md12 en estado seco y hmedo. Figura 12. Influencia de la temperatura en la cohesin para las muestras con granulometra md12 en estado seco35 30 Prdidas por desgaste (%) 25 20 15 10 5 0 0 5 10Asfalto 60/70

15


25

30

35

40

Asfalto modificado


En la Figura 12 se puede observar que el comportamiento del asfalto modificado entre los 0 C y los 20 C decrece de forma lineal y, posteriormente, entre los 20 C y los 40 C permanece relativamente constante. Este comportamiento muestra la influencia de la temperatura en la prdida de cohesin en la mezcla a temperaturas bajas y su poca afectacin a temperaturas altas. En el caso de los asfaltos convencionales (60/70 y 85/100), se podra manifestar que la totalidad del rango de temperaturas influye de manera significativa en la cohesin de la mezcla. Adicionalmente, se determin aproximadamente una diferencia entre la cohesin del asfalto modificado con los convencionales, de aproximadamente entre 200% y 300% su valor.



321

Figura 13. Influencia de la temperatura en la cohesin para las muestras con granulometra md12 en estado hmedo45 40 35 Prdidas por desgaste (%) 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10Asfalto 60/70

15


25Asfalto modificado

30

35

40

Fuente: presentacin propios de los autores.

De la Figura 13 se puede concluir que la cohesin de los diferentes asfaltos estudiados respecto al ensayo UCL en estado hmedo desciende en forma lineal para los asfaltos convencionales (60/70 y 85/100) desde la temperatura baja (0 C) hasta las temperaturas altas (40C), y para el asfalto modificado el descenso es mayor a las temperaturas de 0 C y 20 C, y muy similar para las temperaturas superiores a 20 C. Por ltimo, en las figuras 14 y 15 se presentan los resultados en seco y hmedo del desgaste para las granulometras y asfaltos estudiados. Figura 14. Curvas de estado para la granulometra md1045 40 35 Prdidas por desgaste (%) 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 Temperatura (C)Asfalto 85/100 Hmedo Asfalto 85/100

30

35

40

Asfalto 60/70 Hmedo Asfalto 60/70

Asfalto modificado hmedo Asfalto modificado



De la Figura 14 se concluye que el efecto del agua es una variable crtica en la cohesin en la mezcla asfltica con granulometra md10, pues reduce la cohesin en todas las temperaturas ensayadas y con los tres tipos diferentes de asfalto utilizados. Las reducciones mayores se presentan para las temperaturas de 0 C y 10 C, y las menores a las temperaturas mayores, de 30 C y 40 C. Las reducciones en cohesin respecto al contacto con el agua oscilan entre 60% y 200%; las mayores son para las temperaturas bajas. Figura 15. Curvas de estado para la granulometra md12

45 40 35 Prdidas por desgaste (%) 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 Temperatura (C)Asfalto 85/100 hmedo Asfalto 85/100

30

35

40

Asfalto 60/70 hmedo Asfalto 60/70

Asfalto modificado hmedo Asfalto modificado


En la Figura 15 se puede observar que el comportamiento de la cohesin de los asfaltos se reduce si hay contacto con agua, especialmente para el asfalto modificado del estudio. Por otra parte, para la temperatura de 40 C, la incidencia en la cohesin por el contacto con el agua es menor que a temperaturas bajas. Por ltimo, el mejor comportamiento de la cohesin es para el asfalto modificado, sin importar del ensayo en estado seco o hmedo; as mismo, su comportamiento es relativamente constante entre los 20 y 40 C.

4. ConclusionesDe los resultados de los ensayos con UCL, en estado seco y hmedo, a diferentes temperaturas, con los tres asfaltos estudiados y con las granulometras md10 y md12 del IDU, se puede concluir que:Ing. Univ. Bogot (Colombia), 13 (2): 309-324, julio-diciembre de 2009


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Lacohesindelosasfaltosconelgranularsereducesiexistepresenciade agua en las mezclas asflticas estudiadas, pues se presentan mayores prdidas relativas (estado seco y hmedo) en el caso del asfalto modificado. Sin embargo, los asfaltos convencionales presentan como valor absoluto (cohesin seca o hmeda) mayores prdidas de cohesin. Este comportamiento se debe a la adhesividad del asfalto con el material granular, que en el caso de los asfaltos modificados es mayor, tal como se observ en la investigacin. Latemperaturadelensayoesunavariablecrticaenlacohesindelamezcla: a temperaturas bajas (0-10 C), la cohesin es baja, y a temperaturas altas (40 C), se incrementa sustancialmente. En el caso del asfalto modificado, irrelevantemente de la presencia de agua o no, la cohesin es mayor y se debe, sobre todo, a que el polmero crea mayor resistencia de unin entre los agregados. Paralagranulometramd10seobservqueentrelastemperaturasde10y 30 C, el comportamiento de la cohesin en estado seco y hmedo presenta un valor relativamente constante; caso contrario de la granulometra md12, cuyo comportamiento es lineal decreciente en dichas temperaturas. Elusodeasfaltomodificadoincrementalacohesindelamezcla,sinimportar la granulometra utilizada y el estado del ensayo (seco o hmedo). Lagranulometramd12,sinimportareltipodeasfaltoytemperaturade ensayo, presenta un mejor comportamiento a la cohesin en estado seco y hmedo.

AgradecimientosLos autores agradecen a la Universidad Militar Nueva Granada, especialmente a los laboratorios de Ingeniera Civil, por su colaboracin en la realizacin de las pruebas y ensayos; a la Vicerrectora de Investigaciones, por el apoyo al Grupo de Geotecnia; al programa de Jvenes Investigadores e Innovadores de Colciencias, y a la firma Murcia Murcia S. A., por la donacin de los agregados ptreos usados en la investigacin.

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