Articulo científico
Comportamiento de una mezcla asfáltica tibia
fabricada en una planta de asfalto
Hugo Alexander Rondón Quintana*
Oswaldo Ignacio León Vergara**
Wilmar Darío Fernández Gómez***
1* Doctor en Ingeniería. Profesor asociado Facultad del Medio
Ambien te y Recursos Naturales de la Universidad Distrital Francisco José de
Cal das. Bogotá, Colombia. harondonq@udistrital.edu.co.
2** Ingeniero civil. Director técnico, CONCRESCOL S.A. Bogotá,
Colombia. oleon@concrescol.com.
3*** Doctor en Ingeniería. Profesor asociado Facultad del Medio Am
biente y Recursos Naturales de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas. Bogotá, Colombia. wfernandez@udistrital.edu.co.
RESUMEN
Este artículo presenta los resultados de una fase experimental
diseñada para evaluar y comparar la resistencia mecánica que experimenta una
mezcla asfáltica tibia con una en caliente cuando ambas son fabricadas a escala
real en una planta de asfalto de bacheo. Para tal fin fueron reali zados
ensayos de resistencia bajo carga monotónica (Marshall y tracción indirecta) y
cíclica (módulo resiliente, deformación permanente y resis tencia a fatiga).
Para la fabricación de la mezcla tibia se empleó un aditivo químico que espuma
el asfalto a aproximadamente 80 °C. Como ligante, para la fabricación de las
mezclas se utilizó cemento asfáltico CA 60-70. La granulometría de control
utilizada fue la de una mezcla densa en caliente MDC-19 (1). Esta mezcla de
control se fabricó y compactó a temperaturas de 150 y 140 °C, respectivamente.
Para el caso de la mezcla tibia, estas temperaturas fueron de 120 y 110 °C,
respectivamente. Como conclusión general se reporta que la resistencia mecánica
de la mezcla asfáltica tibia fabricada en planta de asfalto es superior a la de
control en caliente, a pesar de que la primera fue fabricada y compactada a 30
°C menos.
INTRODUCCIÓN
En Colombia, a la fecha de elaboración de este artículo no existe
especificación sobre mezclas asfálticas tibias. Internacionalmente son
conocidas como mezclas wma (por sus siglas en inglés).
Con base en la temperatura empleada para fabricar mezclas
asfálticas en plantas especializadas de asfalto se han establecido las
siguientes cuatro denominaciones: mezclas en frío - cma (temperatura inferior a
60 °C), mezclas semi tibias - hwma (temperatura entre 60 y 100 °C), mezclas
tibias - wma (temperatura entre 100 y 140 °C) y mezclas en caliente - hma
(temperatura entre 140 y 190 °C).
Se denomina mezcla asfáltica tibia (wma) a aquella que mediante el
uso de diferentes técnicas logra reducir las temperaturas de mezclado y
compactación de una mezcla asfáltica caliente sin alterar demasiado la calidad
de la mezcla asfáltica resultante.
De acuerdo con 2, la disminución mínima de la temperatura de
fabricación de mezcla en la planta de asfaltos debe ser de 28 °C para
denominarse wma. Sin embargo, investigadores como (3) mencionan que dicha
disminución debe alcanzar los 40 °C.
La reducción de las temperaturas de mezclado y compactación trae
consigo una disminución en la energía requerida para la elaboración de la
mezcla y de las emisiones a la atmósfera 2) - (8.
Según 9), (10, mezclas wma generan menores emisiones contaminantes
durante su proceso de fabricación y construcción en comparación con mezclas
hma, y el ahorro de energía es de aproximadamente 30%. De acuerdo con (11), la
reducción de CO2, SO2, compuestos orgánicos volátiles, CO, NOx y cenizas es de
30 - 40 %, 35, 50, 10 - 30 %, 60 - 70 % y 20 - 25 %, respecti vamente, en
comparación con mezclas hma. Adicionalmente, reportan un ahorro en costo de
combustibles superior al 40 %, y dicho ahorro es mayor cuanto más costoso sea
el combustible en el país donde se desarrolle la tecnología wma.
Desde el punto de vista técnico se reporta, por lo general, menor
oxidación y envejecimiento a corto plazo del ligante asfáltico en mezclas wma.
Lo anterior debido a las menores temperaturas que se generan durante los procesos
de fabricación, extensión y compactación de este tipo de mezcla. Esto incide en
un aumento en la resistencia a fatiga por carga, al agrietamiento por bajas
temperaturas y por oxidación del tipo Top-Down tdc 12) - (17.
Existen diferentes evidencias in situ y de laboratorio que
demuestran que mezclas wma pueden experimentar propiedades comparables e
incluso superiores a las hma 14), (18) - (23. Sin embargo, en algunos casos,
las propiedades físicas y mecánicas de las mezclas wma son menores en comparación
con las de mezclas hma, principalmente en la resistencia al ahuellamiento y al
daño por humedad 24) - (27. Las menores temperaturas de fabricación pueden
generar un secado insuficiente del agregado pétreo en las plantas de asfalto,
lo cual produce pérdida de adherencia entre el agregado pétreo y el ligante
asfáltico 25), (28) - (35. Lo anterior produce mezclas más susceptibles al daño
por humedad y al fenómeno de stripping.
Existen tres metodologías generales de fabricación de mezclas tipo
wma: modificar el asfalto con aditivos orgánicos, con aditivos químicos y
espumar el asfalto. Entre los aditivos químicos se pueden encontrar el
Cecabase®, el rtevotherm®, el HyperTherm®, el Rediset wmx®, el Qualitherm® y el
Sonnewarmix®, y entre los orgánicos se encuentran el Sasobit®, el Thio-pave®,
el tla-x®, el revixtm y el Asphaltan-B, entre otros. Estos aditivos suelen
mezclarse con el asfalto antes de entrar al tambor mezclador en la planta de
asfalto (vía húmeda).
La técnica de espumar el asfalto se ha utilizado durante más de 50
años para producir mezclas asfálticas en frío. Algunas metodologías utilizan
zeolitas sintéticas o materiales químicos que se introducen al agregado pétreo
para espumar el asfalto, disminuir su viscosidad y mejorar así el recubrimiento
de los agregados pétreos y la trabajabilidad de la mezcla durante su proceso de
fabricación. Algunas zeolitas naturales son piedras que al ser calentadas
producen gran cantidad de vapor de agua. Este vapor de agua liberado, al entrar
en contacto con el asfalto, lo espuman. De acuerdo con 2, las zeolitas son
minerales que tienen aproximadamente 20 % en peso de agua atrapada en su
estructura porosa. Por calentamiento a aproximadamente 85 °C, el agua se
libera, y cuando esto se hace en presencia del asfalto en caliente, este se
espuma.
Dos zeolitas muy utilizadas en el mundo son la Aspha-Min® y la
Advera® (desarrolladas por Hubbard Group y pq Corporation). Otros aditivos
utili zados para espumar asfaltos son AccuShear, Aquablack foam, AquaFoam,
Double Barrel Green/Green Pac, ecofoam-ii, Low Emission Asphalt (lea), Meeker
warm Mix foam, Terex foam, Tri-Mix foam, Ultrafoam GX, wAM-Foam y LT Asphalt.
Otra técnica para espumar asfalto consiste en combinar el ligante
asfáltico en caliente con chorros a presión de agua (también denominada de
asfaltos celulares). Es una tecnología utilizada principalmente para
estabilización de materiales granulares no tratados o para la fabricación de
mezclas en frío y recicladas. Consiste en adicionar agua fría (1 a 2 % del peso
del asfalto) y aire a presión, en una "cámara de expansión", a un
cemento asfáltico que se encuentra a alta temperatura (160-180 °C) con el fin
de espumarlo, incrementar su volumen rápidamente (alrededor de 15 veces),
reducir la viscosidad del ligante e incrementar la adherencia entre el asfalto
y el agregado pétreo.
Espumar el asfalto reduce su viscosidad considerablemente y aumenta
sus propiedades adherentes y de trabajabilidad 36 en el corto plazo, lo cual lo
hace apto para mezclar con agregados fríos y húmedos. A pesar de lo anterior,
esta metodología tiene como principal desventaja que el ligante espumado en
algunas ocasiones experimenta baja resistencia al daño por humedad, y en este
caso existe la necesidad de usar aditivos mejoradores de adherencia y anti-stripping.
Otra técnica de espumar asfalto consiste en introducir agregados
pétreos húmedos a la mezcla. Se denomina Low-Energy Asphalt® (LEA) y fue
desarrollada por Fairco de Zozay, Francia 4.
El proceso consiste en mezclar el cemento asfáltico (por lo general
modifica do) (entre 135 a 180 °C) con agregados pétreos gruesos en caliente
(145 °C), para después incorporar parte de los agregados pétreos finos húmedos
a temperatura ambiente. La humedad en los agregados finos (entre el 3 y el 4
%), en combinación con el calor, genera que el asfalto espume. Para el uso de
esta tecnología se hace necesario implementar diversas modificaciones a las
plantas de asfalto convencionales.
La técnica wam-Foam®, desarrollada por Shell International
Petroleum Company Ltda. y Kolo-Veidekke, consiste en un sistema aglutinante de
dos componentes: un cemento asfáltico blando con uno rígido espumado. El
asfalto blando se mezcla con el agregado en la primera etapa de producción de
la mezcla entre 100 y 120 °C. En una segunda etapa, un cemento asfáltico rígido
se espuma a alta temperatura mediante la adición de agua fría (entre 1 a 5 %) y
se adiciona dicha espuma a la mezcla obtenida en la primera eta pa. La
compactación de la mezcla se realiza entre 80 y 110 °C. El cemento asfáltico
blando representa en masa entre el 20 y el 30 % del total del asfalto.
A través de la modificación por vía húmeda de un cemento asfáltico
tipo ca 60-70 (fabricado por la Empresa Colombiana de Petróleos S. A. -
Eco-petrol) con un aditivo denominado husil (el cual es desconocido por los
productores de asfaltos), se modificaron las características de viscosidad y
trabajabilidad del material base (cemento asfáltico) al espumarlo. Lo anterior
con el fin de poder mezclarlo en las plantas de asfaltos con el agregado pétreo
a temperaturas más bajas, y así producir una mezcla asfáltica que disminuya las
emisiones contaminantes a la atmósfera y el uso de energía durante los procesos
de fabricación (mezcla tibia).
El ca 60-70 fue escogido debido a que es el más utilizado en la
fabricación de mezclas asfálticas en Colombia. Como mezcla de referencia o de
control se utilizó la mdc-19 1, ya que es la más utilizada en la construcción
de capas de rodadura en proyectos de pavimentación vial.
El proyecto evaluó el comportamiento que experimentó la mezcla
desarrollada cuando fue sometida a cargas monotónicas (Marshall y tracción
indirecta), dinámicas (módulo resiliente, resistencia a la deformación
permanente y fatiga) y al daño por humedad. Adicionalmente se evaluó la
respuesta reológica que experimenta el asfalto cuando se modifica con el
aditivo. Las mezclas asfálticas ensayadas fueron fabricadas a escala real en
una planta de asfalto. El nombre técnico-comercial del aditivo y las
características químicas no se darán a conocer porque se prevé un posible
desarrollo tecnológico o secreto industrial.
El aditivo espuma los asfaltos colombianos a aproximadamente 80 °C,
lo cual lo hace ideal para disminuir la temperatura de fabricación, al
facilitar el recubrimiento del asfalto con los agregados pétreos.
METODOLOGÍA
METODOLOGÍA
Fase experimental en
laboratorio
Caracterización
del agregado pétreo y el asfalto
En las tablas 1 y 2 se presentan los valores obtenidos de los ensayos de
caracterización ejecutados al agregado pétreo y al asfalto ca 60-70, respecti
vamente. Se observa en las tablas que ambos materiales cumplen los requi sitos
mínimos de calidad exigidos para la fabricación de mezclas asfálticas.
Tabla
1 Caracterización
del agregado pétreo
Tabla
2 Características
generales del CA 60 - 70
Caracterización del
asfalto modificado
El aditivo químico líquido empleado (husil) actúa como una zeolita sintética, es un material inorgánico que no inflama, y no es considerado peligroso o material contaminante por el "Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals" 37. Adicionalmente es un material que presenta valores de pH entre 10 y 12, y no es considerado cancerígeno o teratogénico. El aditivo inicialmente se agregó al asfalto en proporciones de 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10.0 % con respecto a su masa (husil/ca=0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10.0 %). La mezcla entre el asfalto y el aditivo se realizó a una temperatura de 80 °C durante resultados del ensayo. Se observa que el efecto del envejecimiento a corto plazo (ocurrido durante los procesos de fabricación de mezcla en planta de asfalto, y extensión y compactación de la misma en obra) es casi nula sobre el asfalto modificado. Los números de onda relacionados a la oxidación fueron de 1030 y 1700 cm-1. Estas magnitudes describen grupos Sulfóxido (s=o) y Carbonilo (c=o), respectivamente, los cuales se forman durante el envejecimiento. Adicionalmente se observa que los asfaltos modificados con husil no reportan en el espectro ningún pico, lo cual significa que el oxígeno no se une con azufres o átomos de carbono y, por lo tanto, la oxi dación es baja o inexistente.
Mezcla asfáltica tibia
fabricada en planta de asfalto
Durante la ejecución del estudio era importante conocer si el
proceso de fabricación de la mezcla asfáltica tibia era posible de realizar a
escala real en una planta de asfalto. Ya en estudios anteriores 38) - (http://40 la mezcla había sido analizada a nivel de laboratorio, y
demostró buen comportamiento mecánico y durabilidad. Por tal motivo se gestionó
la producción en una planta de bacheo de un metro cúbico de mezcla en caliente
convencional tipo mdc-19 mezclando los materiales (asfalto y agregado pétreo) a
150 °C, y otro metro cúbico mezclando los mismos materiales más el aditivo
husil a 120 °C (wma-19).
La planta donde se fabricó la mezcla fue escogida debido a que el
asfalto y los agregados pétreos que se utilizaron en la fase de laboratorio
provenían de dicha planta.
El aditivo se agregó al asfalto y al agregado pétreo en el preciso
momento en que estos dos materiales se mezclaban a 120 °C.
Para fabricar la mezcla tibia empleando el aditivo no hubo
necesidad de cambiar o modificar la planta de asfalto o alguno de los procesos
de pro ducción.
El contenido de asfalto utilizado fue 5.5 %, ya que este es el que
la planta de asfalto utiliza normalmente para producir mezclas tipo mdc-19 con
base en el diseño que ellos han establecido durante sus años de servicio
fabricando mezclas de este tipo. El contenido de aditivo husil agregado al
metro cúbico de mezcla wma-19 fue de 1 % con respecto a la masa del asfalto
(husil/ca=1 %). Como ya se mencionó con anterioridad, este por centaje fue
escogido con base en los resultados reportados por el grupo de investigación en
un estudio similar ejecutado en laboratorio 38) - (40.
Con el fin de evaluar las propiedades mecánicas de las mezclas
mdc-19 y wma-19 fabricadas en la planta, se manufacturaron 90 briquetas
Marshall (45 para mezcla mdc-19 y 45 para wma-19), siguiendo los lineamientos
es tablecidos en 41. Con estas muestras se ejecutaron los siguientes ensayos:
1. Marshall (inv. E-748-13). 10 briquetas por tipo de mezcla fueron
ensayadas. Las briquetas fueron compactadas a 75 golpes por cara. La temperatura
de compactación - TC y de mezcla - tm fueron de 140 y 150 °C para la mezcla de
control en caliente (mdc-19) y de 120 y 110 °C para la mezcla wma-19,
respectivamente.
2.
Marshall (inv. E-748-13). Sobre
muestras sumergidas en agua durante 6 meses, 5 briquetas por tipo de mezcla
fueron ensayadas. Estas briquetas fueron compactadas a 50 golpes por cara con
el fin de aumentar su porosidad y facilitar la evaluación del efecto del agua
sobre la resistencia bajo carga monotónica en el ensayo Marshall. El agua utilizada
provino del acueducto de la ciudad de Bogotá, D.C. Cada tres días durante los
seis meses, el agua era cambiada con el fin de no permitir la acumulación de
material contaminante en las muestras.
3.
Módulo resiliente (astm D
4123-82). Sobre la mezcla asfáltica en caliente mdc-19 de referencia (husil/ca
= 0%, tm=150 °C) y la tibia wma-19 (husil/ca = 1%, tm=120 °C) fueron ejecutados
ensayos de módulo resiliente (astm D 4123 - 82) bajo tres temperaturas (5, 15 y
40 °C) y frecuencias de carga (2.5, 5.0 y 10.0 Hz) utilizando un equipo
Nottingham Asphalt Tester (nat). Cada ensayo de módulo resiliente fue realizado
sobre 9 muestras (3 por cada temperatura). Las briquetas fueron compactadas a
75 golpes por cara, siguiendo los lineamientos establecidos en inv. 748-13.
4.
Deformación permanente (une-en
12697-25:2006; cen, 2005). Cinco briquetas por tipo de mezcla fueron ensayadas.
La deformación permanente bajo carga repetida fue medida bajo un esfuerzo de
100 kPa y a 3600 ciclos de carga, utilizando un equipo NAT. Las briquetas
fueron compactadas a 75 golpes por cara, siguiendo los lineamientos
establecidos en inv. 748-13.
5.
Resistencia a fatiga (une-en
12697-24:2012 anexo e). Doce briquetas por tipo de mezcla fueron ensayadas. El
modo de carga del ensayo fue el de esfuerzo controlado. La temperatura y
frecuencia de carga utilizadas en el ensayo fueron 20 °C y 10 Hz,
respectivamente. Las briquetas fueron compactadas a 75 golpes por cara,
siguiendo los lineamientos establecidos en inv. 748-13.
En la tabla 3 se presentan los resultados de los ensayos realizados sobre
el ca 60-70 modificado con husil.
Tabla
3 Caracterización
del CA 60-70 modificado con HUSIL
En la tabla 3 se observa que i) el aditivo incrementa la gravedad
específica de la mezcla asfalto-aditivo a medida que incrementa el contenido de
husil. Lo anterior es debido principalmente a que el aditivo presenta una mayor
gravedad específica (1.32 g/cm3) que el asfalto ca 60-70 sin
modificar (1.012 g/cm3); ii) el asfalto modificado con el aditivo
incrementa su resistencia a inflamar a altas temperaturas; iii) el aditivo
tiende a rigidizar notablemente el asfalto, y las mayores rigideces se
presentan cuando el aditivo se agrega en proporciones de husil/ca= 0.75 % y 1.0
% (incrementa el punto de ablandamiento y disminuye la penetración); iv) la
ductilidad disminuye de manera lógica, ya que el aditivo se rigidiza cuando
ocurre el enfriamiento del asfalto modificado, luego de que este ha espumado.
Los resultados de penetración y punto de ablandamiento del asfalto
mo dificado con el aditivo son coherentes con los obtenidos en los ensayos de
caracterización reológica a temperaturas altas de servicio. Las tablas 4 y 5 muestran los resultados de caracterización reológica del
asfalto de referencia (sin aditivo, husil/ca=0 %) y modificado con husil/ca=1
%, respectivamente. El grado de desempeño a altas e intermedias temperaturas de
servicio del asfalto de referencia ca 60-70 (sin aditivo, husil/ca=0%) es 58 °C
(| G*\/sind >
1.0 kPa para asfalto sin envejecer y | G*\/sind >
2.2 kPa para asfalto envejecido en rtfot) y 22 °C (| G* | x sin5 > 5000 kPa
para asfalto envejecido en rtfot + pav), respectivamente. G*, d, rtfot y pav se
refieren a módulo de corte complejo, ángulo de fase, envejecimiento a corto
plazo en horno de película delgada rotatorio y envejecimiento a largo plazo en
vasijas sometidas a presión, respectivamente. Cuando se modificó el asfalto ca
60-70 con husil/ca=1 % el grado de desempeño a altas temperaturas de servicio
aumentó a 70 °C, lo cual es indicador de un ligante más resistente a fenómenos
como el ahuellamiento en climas de alta temperatura. Adicionalmente, a
temperaturas intermedias, el grado de desempeño mejoró (disminuyó de 22 a 19
°C), debido tal vez a que el aditivo aumenta la resistencia del asfalto al
envejecimiento. No se ejecuta ron ensayos de caracterización reológica a bajas
temperaturas de servicio porque el objeto de estudio fue para países tropicales
como Colombia.
Tabla
4 Caracterización
reológica del asfalto CA 60-70
Tabla
5 Caracterización
reológica del asfalto modificado (HUSIL/CA=1 %)
Ensayos ejecutados sobre
WMA-19 y MDC-19 fabricada en planta de asfalto
La tabla 6 presenta el resumen de resultados del ensayo Marshall
ejecutado sobre la mezcla en caliente tipo mdc-19 (tm=150 °C, husil/ca=0%) y la
tibia wma-19 (tm=120 °C, husil/ca=1 %). Se observa en la tabla que la mezcla
wma-19 presenta un contenido de vacíos similar al de la mezcla mdc-19
(indicador de composición volumétrica similar), a pesar de que la primera fue
fabricada a una temperatura de 30 °C menos. Lo anterior es un indica dor de que
el aditivo mejora el proceso de trabajabilidad y compactibilidad de la mezcla
al espumar el asfalto. La rigidez bajo carga monotónica en el ensayo Marshall,
evaluada a través de la relación entre la estabilidad y el flujo (e/f), es
mayor en la mezcla wma-19. Adicionalmente se reporta una perdida de 46.4 % en
dicha rigidez cuando las mezclas convencionales mdc-19 son sumergidas en agua
durante 6 meses, y de 41.3 % para el caso de las mezclas wma-19. En síntesis,
para el caso del ensayo Marshall, la mezcla tibia wma-19 experimenta mayor
rigidez bajo carga monotónica y resistencia al daño por humedad en comparación
con la mezcla de control mdc-19.
Tabla
6 Resumen del
ensayo Marshall ejecutado sobre las mezclas MDC-19 y WMA-19
Módulo resiliente y deformación permanente
En la figura 2 se presentan los resultados del ensayo de módulo resiliente.
Se observa que la mezcla wma-19 presenta mayor rigidez bajo caga cícli ca que
la mezcla mdc-19, a pesar de que la primera fue fabricada a una temperatura de
mezcla de 30 °C menor que la segunda. Bajo temperatura de ensayo de 5 °C, la
mezcla wma-19 desarrolló en promedio un módulo 1.25 veces superior con respecto
al de la mezcla mdc-19, y para 15 °C ex perimentó entre 1.7 y 1.95 veces mayor
módulo. Para 40 °C no es posible hacer este tipo de comparación, ya que las
muestras de mezcla mdc-19 se desmoronaron a dicha temperatura y no fue posible
ejecutar el ensayo. Por lo anterior, en la figura 2 se reporta para esta mezcla un módulo resiliente igual a 0.
Es inportante resaltar que, por el contrario, las mezclas wma-19 desarrollaron
módulos resilientes entre 764 y 1743 MPa bajo temperaturas de ensayo de 40 °C.
Lo anterior es un indicador de mayor resistencia a la deformación permanente en
clima de alta temperatura por parte de la mezcla wma-19. Estos resultados son
coherentes con los presentados en la figura 3 , en la que se observa que la mezcla wma-19 experimenta
mayor resistencia a la deformación permanente que la mdc-19.
Figura
2 Módulo
resiliente. a) MDC-19, b) WMA-19
Figura
3 Deformación
permanente
En la figura 4 se presenta la evolución de la vida a fatiga (número de
ciclos de falla) de las mezclas mdc-19 y wma-19. Se observa que bajo el modo de
carga de esfuerzo controlado, la mezcla wma-19 experimenta mayor resistencia a
fatiga en comparación con la de referencia mdc-19, ya que la magnitud del
esfuerzo necesario para hacer fallar las mezclas mdc-19 y wma-19 al millón de
ciclos de carga (o6) es de 84 kPa y 170 kPa, respectivamente.
Asimismo, las pendientes de las leyes de fatigas de las curvas reportadas para
las mezclas mdc-19 y wma-19 son -0.298 y -0.218, respectivamente. Para una
magnitud de esfuerzo aplicado de 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa, 400 kPa, 500 kPa y
600 kPa, la vida a fatiga de la mezcla wma-19 es de 20.8, 8.8, 5.4, 3.8, 2.9 y
2.3 veces superior en comparación con la mezcla mdc-19. Estos resultados son
coherentes con lo enunciado ampliamente en la litera tura de referencia, la
cual reporta mayor vida y resistencia al fenómeno de fatiga por carga cuanto
mayor sea la rigidez de la mezcla. Caso contrario sucede cuando el modo de
carga es el de deformación controlada, en la que las mezclas asfálticas
experimentan su mayor vida a fatiga generalmente cuando su rigidez es
menor 42)-(44.
Figura
4 Resistencia
a fatiga
Este estudio midió la resistencia bajo carga monotónica y cíclica
que ex perimenta una mezcla asfáltica tibia fabricada en una planta de asfalto
usando un aditivo químico que espuma el bitumen. Con el fin de evaluar dicha
resistencia fueron ejecutados ensayos Marshall, módulo resiliente, deformación
permanente y resistencia a fatiga. Con base en los resultados obtenidos se
concluye: i) aunque el contenido de aditivo agregado a la mezcla es bajo (1 %
con respecto a la masa del asfalto), se reportan cambios significativos en las
propiedades del asfalto modificado (incremento de la rigidez y mejoramiento del
grado de funcionamiento del asfalto a tempe raturas altas e intermedias de
servicio); ii) el aditivo husil permite reducir la temperatura de la mezcla en
30 °C, logrando propiedades volumétricas similares, y ligeramente mayor
resistencia bajo carga monotónica en el ensayo Marshall con respecto a la
mezcla en caliente de referencia mdc-19 fabricada a 150 °C; iii) la mezcla
tibia experimenta mayor resistencia al daño por humedad en comparación con la
de referencia fabricada a 150 °C; iv) la mezcla asfáltica tibia experimenta
mayor rigidez bajo carga cíclica, resistencia a la deformación permanente y a
fatiga (este último bajo el modo de carga de esfuerzo controlado) en
comparación con la mezcla en caliente de control, lo cual induce a pensar en su
empleo en vías que se construyan donde el clima sea de alta temperatura y en
capas asfálticas gruesas; v) la mezcla asfáltica tibia al ser fabricada a 30 °C
por debajo de la mezcla en caliente debe generar menores emisiones a la
atmósfera y reducir el uso de combustibles en las plantas, lo cual redundará en
menor contamina ción al medio ambiente; vi) la mezcla asfáltica tibia objeto de
este estudio puede ser fabricada a escala real en una planta de asfalto
convencional sin necesidad de modificar dicha planta o de adquirir equipamiento
adicional; vii) la mezcla asfáltica tibia fabricada en planta de asfalto
desarrolló las mismas ventajas de aquellas fabricadas en laboratorio: mayor
resistencia bajo carga monotónica y cíclica y mayor resistencia al daño por
humedad en comparación con la mezcla en caliente de control.
Teoría
Cemento
y asfalto en la ingeniería civil en la ingeniería civil
El
cemento es un polvo fino que se obtiene al calcinar una mezcla de piedra caliza
y arcilla a altas temperaturas. Este proceso da lugar al clinker de cemento,
que luego se muele para obtener el polvo que conocemos como cemento. El cemento
es un componente esencial en la construcción, ya que se utiliza para unir y
fijar materiales de construcción, como ladrillos, bloques y piedras. También es
un ingrediente clave en la fabricación de hormigón, que es una mezcla de
cemento, arena, grava y agua. El hormigón es muy versátil y se utiliza en una
variedad de estructuras, desde edificios hasta puentes y presas.
Por
otro lado, el asfalto, también conocido como alquitrán o betún, es un material
viscoso y pegajoso que se deriva del petróleo crudo. Se utiliza principalmente
en la construcción de carreteras y pavimentos. El proceso de pavimentación con
asfalto implica calentar el material hasta que se vuelva líquido y luego se
vierte sobre una superficie preparada. A medida que el asfalto se enfría y se
solidifica, forma una superficie lisa y duradera para la circulación vehicular.
Ambos
materiales tienen sus ventajas y desventajas. El cemento es duradero y
resistente a la compresión, lo que lo hace adecuado para estructuras que
requieren soporte pesado. Sin embargo, puede ser propenso a agrietarse con el
tiempo debido a movimientos del suelo. El asfalto, por otro lado, es flexible y
puede acomodar mejor los movimientos del suelo, lo que lo convierte en una
opción popular para carreteras y pavimentos. Sin embargo, es menos resistente a
la compresión que el cemento y puede desgastarse con el tiempo debido al
tráfico y las condiciones climáticas.
En
resumen, tanto el cemento como el asfalto desempeñan roles vitales en la
construcción y la infraestructura modernas. Cada uno tiene sus propias
características únicas que los hacen adecuados para diferentes aplicaciones. La
elección entre cemento y asfalto dependerá de factores como el tipo de
proyecto, el presupuesto, las condiciones climáticas y las necesidades
específicas de la infraestructura.
1.-Cemento
1.1
*Composición y Fabricación: El cemento se produce mediante un proceso químico y
térmico llamado calcinación. La piedra caliza y la arcilla se extraen de
canteras y se mezclan en proporciones específicas. Esta mezcla se calcina en un
horno rotatorio a temperaturas de alrededor de 1450 grados Celsius (2642 grados
Fahrenheit), lo que provoca la formación de clinker de cemento. El clinker se
muele finamente para obtener el polvo de cemento.
1.2. *Tipos de Cemento: Hay varios tipos de
cemento, cada uno con propiedades específicas para satisfacer diferentes
necesidades de construcción. Algunos ejemplos incluyen el cemento Portland, que
es el tipo más común utilizado en la construcción, y el cemento de alta
resistencia, que tiene una mayor capacidad para soportar cargas pesadas.
1.3. *Uso en la Construcción: El cemento se
utiliza para unir materiales de construcción y crear estructuras sólidas. Es un
componente esencial en la fabricación de hormigón, que es una mezcla de cemento,
arena, grava y agua. El hormigón es versátil y se puede utilizar en la
construcción de edificios, puentes, carreteras, represas y mucho más. El
cemento también se utiliza en la construcción de muros, pavimentos, cimientos y
otros elementos estructurales.
1.4. *Propiedades y Ventajas: El cemento tiene
varias propiedades beneficiosas, como resistencia a la compresión, durabilidad
y capacidad para soportar cargas pesadas. Además, puede moldearse en diferentes
formas antes de endurecerse, lo que permite la creación de estructuras
personalizadas. También es resistente al fuego y al calor, lo que lo hace
adecuado para aplicaciones en condiciones extremas.
1.5. *Desafíos y Sostenibilidad: Aunque el
cemento es esencial en la construcción, su producción tiene un impacto
ambiental significativo. La fabricación de cemento libera grandes cantidades de
dióxido de carbono (CO2) debido a la calcinación de la piedra caliza. La
industria del cemento está trabajando en la reducción de su huella de carbono a
través de enfoques más sostenibles, como el uso de materiales alternativos y la
captura de carbono.
1.6.
*Innovaciones en el Cemento: La investigación y la innovación continúan en la
industria del cemento para desarrollar materiales más sostenibles y avanzados.
Se están explorando nuevas formulaciones de cemento que reduzcan la emisión de
CO2, aumenten la durabilidad y mejoren las propiedades térmicas.
2.-Asfalto
2.1.
*Origen y Composición: * El asfalto es un material viscoso y pegajoso que se
obtiene como subproducto del petróleo crudo durante el proceso de refinación.
También puede extraerse de depósitos naturales de asfalto. Está compuesto
principalmente por betún, que es una mezcla de hidrocarburos complejos. Para su
uso en la construcción, el asfalto se mezcla con agregados como arena y grava
para formar mezclas asfálticas.
2.2. *Mezclas Asfálticas: * El proceso de
pavimentación con asfalto implica la creación de mezclas asfálticas, que son
combinaciones específicas de asfalto y agregados. Estas mezclas pueden variar
en composición y propiedades según el tipo de proyecto y las condiciones
climáticas. Las mezclas asfálticas se aplican en caliente y luego se compactan
para crear una superficie lisa y resistente.
2.3. *Aplicaciones en Pavimentación: * El
asfalto se utiliza principalmente para pavimentar carreteras y calles.
Proporciona una superficie duradera y uniforme que puede soportar cargas
vehiculares y condiciones climáticas cambiantes. Además de las carreteras, el
asfalto también se utiliza en pistas de aeropuertos, áreas de estacionamiento y
otras superficies de tráfico intenso.
2.4. *Ventajas del Asfalto: * El asfalto tiene
varias ventajas, como su capacidad para adaptarse a movimientos del suelo y su
capacidad de absorber y disipar el impacto de las cargas vehiculares. También
es resistente al agua y puede proporcionar un buen drenaje, lo que ayuda a
prevenir la acumulación de agua en la superficie de la carretera.
2.5. *Mantenimiento y Reparación: * A lo largo
del tiempo, las carreteras asfaltadas pueden requerir mantenimiento y
reparaciones para mantener su calidad. Esto puede incluir sellados de grietas,
recubrimientos de superficie y repavimentación en casos de deterioro
significativo.
2.6. *Sostenibilidad y Desafíos: * Aunque el
asfalto es un material duradero, su producción y uso también tienen impactos
ambientales. La extracción y refinación del petróleo crudo para obtener asfalto
contribuyen a la emisión de gases de efecto invernadero. La industria busca
formas de mejorar la sostenibilidad a través de reciclaje de asfalto,
desarrollo de mezclas asfálticas más ecológicas y uso de tecnologías de
pavimentación más eficientes.
2.7. *Innovaciones en el Asfalto: * La
investigación continúa para desarrollar asfaltos más duraderos, resistentes y
sostenibles. Se están explorando nuevas mezclas asfálticas que incorporen
materiales reciclados y tecnologías que reduzcan la temperatura de
pavimentación para minimizar el consumo de energía.
/INFORME SOBRE EL CEMENTO Y ASFALTO/
Conclusiones:
En el ámbito de la ingeniería civil, el uso del
cemento y el asfalto desempeña un papel fundamental en la creación de
infraestructuras duraderas y funcionales que conectan y mejoran nuestras
comunidades. Tanto el cemento como el asfalto son materiales versátiles que
ofrecen propiedades únicas, lo que los convierte en elementos clave en la
construcción y mantenimiento de carreteras, edificios y otras estructuras
esenciales. A lo largo de este informe, hemos explorado en detalle las
características, aplicaciones y desafíos asociados con estos dos materiales.
El cemento, con su resistencia a la compresión
y su capacidad de unir materiales diversos, es esencial para la creación de
estructuras sólidas y estables. Su papel en la formación del hormigón ha
permitido la construcción de rascacielos, puentes y represas que resisten
cargas extremas y condiciones ambientales adversas. A pesar de sus beneficios,
la producción de cemento conlleva emisiones significativas de dióxido de
carbono, lo que ha llevado a un enfoque creciente en la investigación de
formulaciones más sostenibles y en la adopción de prácticas respetuosas con el
medio ambiente en la industria.
Por otro lado, el asfalto ha demostrado ser una
opción excepcional para pavimentar carreteras y superficies de tráfico intenso.
Su flexibilidad para adaptarse a movimientos del suelo y su capacidad de
absorción de impactos hacen del asfalto una elección preferida para
infraestructuras de transporte. Sin embargo, el asfalto también plantea
desafíos en términos de sostenibilidad, ya que su producción está vinculada al
petróleo crudo y a la emisión de gases de efecto invernadero. La búsqueda
constante de mezclas asfálticas más ecológicas y tecnologías de pavimentación
eficientes refleja el compromiso de la industria con prácticas más respetuosas
con el medio ambiente.
En última instancia, tanto el cemento como el
asfalto son pilares esenciales en la ingeniería civil moderna, y sus
contribuciones son invaluables para el desarrollo y la conectividad de nuestras
sociedades. A medida que la industria avanza hacia prácticas más sostenibles y
tecnologías innovadoras, es crucial considerar cuidadosamente las ventajas y
desventajas de estos materiales en función de las necesidades específicas de
cada proyecto. La inversión en investigación, desarrollo y adopción de
alternativas más respetuosas con el medio ambiente es vital para garantizar que
la ingeniería civil continúe avanzando hacia un futuro más sostenible y
resiliente.
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