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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.2 Santiago ago. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000200006 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 24 N°2, Agosto de 2009 www.ing.puc.cl/ric PAG. 195-207

 

Influencia de las condiciones ambientales de la ciudad de Bogotá sobre el comportamiento mecánicos de una mezcla asfáltica

 

Hugo Alexander Rondón Quintana **, Fredy Alberto Reyes Lizcano**

* Universidad Católica de Colombia. COLOMBIA

** Pontificia Universidad Javeriana. COLOMBIA

Corresponding author:


RESUMEN

El artículo presenta el cambio que experimenta el módulo resiliente, la deformación permanente y la resistencia última bajo carga monotónica de una mezcla asfáltica densa en caliente cuando es expuesta al ambiente de la ciudad de Bogotá D.C. (Colombia). Las mezclas fueron elaboradas y evaluadas empleando dos cementos asfálticos (CA) y un CA modificado (CAM) con polímero tipo etil vinil acetato: CA 80-100, CA 60-70 y CAM 20-40 respectivamente. Con el fin de observar su evolución en el tiempo, a la fecha los parámetros mecánicos de las mezclas han sido medidos cada tres meses aproximadamente durante 20 meses para el caso de las mezclas fabricadas con los CA 80-100 y CA 60-70, y 10 meses para aquellas que emplearon el CAM 20-40. De los resultados se concluye que el comportamiento que experimentan las mezclas depende del tipo de CA utilizado. Adicionalmente, la tendencia de las mezclas con los tres tipos de CA es experimentar un aumento en los valores de rigidez con el tiempo de exposición al ambiente debido principalmente a procesos de endurecimiento por envejecimiento de los ligantes asfálticos.

Palabras Clave: Módulo resiliente, deformación permanente, envejecimiento, cemento asfáltico, mezclas asfálticas


 

1. Introducción                                   

Los principales factores que afectan la durabilidad de las mezclas asfálticas, asumiendo que se encuentran bien construidas son: la edad de envejecimiento y el daño por humedad (Airey, 2003). Es decir, una mezcla asfáltica debe ser diseñada y construida no solo para que resista las cargas impuestas por el tránsito sino también la acción del medio ambiente. Cuantificar la influencia que tiene el ambiente sobre el comportamiento de este tipo de material no es una tarea fácil. La forma como se realiza actualmente es separando cada uno de los componentes que lo conforman (agua, temperatura y rayos ultra-violeta entre otros) y evaluar la influencia de cada uno de ellos (desde el punto de vista mecánico y químico) de manera separada sobre el ligante y las mezclas (Kemp y Predoehl, 1981; Welborn, 1984; Kim et al., 1987; Shiau et al., 1991; Bishara et al., 2000; Bocci y Cerní, 2000; Brown y Scholz, 2000; Khalid y Walsh, 2000; Khalid, 2002; Airey, 2003; Said, 2005; Shen et al., 2006). Adicionalmente por lo general estos estudios utilizan ensayos y equipos (p.e., hornos para ensayo de película delgada del tipo TFOT o rotatorios RTFOT, microondas) que no pueden reproducir totalmente la influencia que tiene cada uno de los componentes del ambiente sobre las propiedades mecánicas y Teológicas de las mezclas y los ligantes asfálticos (Jemison et al., 1991; ChoquetyVerhasselt, 1992; Kuppens et al., 1997; Verhasselt, 1997). Incluso la mayor parte de las investigaciones combinan estos ensayos y equipos para intentar evaluar la forma como cambian las propiedades de estos materiales cuando experimentan condiciones reales del ambiente (Jemison et al., 1991; Migliori y Corté, 1998; Montepara, 1999; Montepara y Giuliani, 2000; Airey, 2003). En conclusión general se reporta que estas metodologías de ensayo tienen como limitación principal que son incapaces aún de reproducir las condiciones reales a las cuales están expuestas las mezclas asfálticas in situ.

Una forma de medir in situ la influencia que tiene el ambiente en el comportamiento de mezclas asfálticas es realizando tramos de prueba o pistas de prueba a escala. La limitación de este tipo de pruebas radica en que son muy costosas y en ellas no se puede medir de manera directa y por separado, la influencia que tienen las cargas vehiculares y el ambiente. Por lo anterior, el presente trabajo de investigación tiene como objetivo principal realizar una serie de ensayos en los cuales la mezcla asfáltica es sometida a solicitaciones reales de temperatura, precipitación, rayos ultravioletas, aire, etc. durante cinco años, para evaluar la influencia de estas condiciones en su comportamiento mecánico. En este artículo se presenta la evolución del módulo resiliente, la resistencia a la deformación permanente y los parámetros de estabilidad y rigidez Marshall de mezclas asfálticas densas en caliente tipo MDC-2 (de acuerdo a INVIAS (2007) cuando fueron expuestas al ambiente de la ciudad de Bogotá D.C. Se optó por utilizar este tipo de mezcla debido a que son las más utilizadas en Colombia para conformar capas de rodadura (las cuales son las que se encuentran sometidas de manera directa a las condiciones del ambiente). De la misma forma, las condiciones climáticas de Bogotá D.C. fueron escogidas debido principalmente a que la misma se encuentra en una zona donde se presentan las siguientes condiciones ambientales en un día determinado: clima predominantemente frío con temperaturas mínimas y máximas promedio de 5°C y 19°C respectivamente y presencia de lluvias periódicas en cualquier momento del día. Con el fin de entender con mayor precisión la influencia del ambiente en el comportamiento de mezclas asfálticas, en futuras investigaciones se analizarán otros climas diferentes.

En los primeros 20 meses del proyecto se han evaluado las mezclas fabricadas con cemento asfáltico (CA) tipo CA 60-70 y CA 80-100. De la misma forma se presenta la evaluación de los primeros 10 meses del proyecto para mezclas fabricadas con CA modificado (CAM) tipo CAM 20-40 (denominado como Mexphalte AM), que utiliza como modificador un polímero denominado etil vinil acetato. La diferencia en los tiempos de evaluación radica en que inicialmente el estudio se proyectó para valorar los dos tipos de CA producidos en Colombia y nueve meses después se identificó la necesidad de valorar adicionalmente un CAM que presentara una consistencia similar al CA 60-70, con el fin de comparar los resultados que se habían obteniendo con este tipo de asfalto a la fecha, los cuales no tenían una tendencia y significado físico claramente definido.

2. Materiales y metodología

El agregado pétreo empleado para la elaboración de las mezclas asfálticas para el ensayo Marshall (llamadas briquetas) es procedente de la cantera "Subachoque" (Cundinamarca, Colombia). A estos materiales se le realizaron los siguientes ensayos, siguiendo las especificaciones del Instituto Nacional de Vías 0NVIAS, 2007a): Análisis granulométrico de agregados gruesos y finos (INV. E - 213), peso específico y absorción de agregados finos (INV. E - 222), peso específico y absorción de agregados gruesos (INV. E - 223), resistencia al desgaste de los agregados (tamaños menores de 3/4") por medio de la máquina de Los Angeles 0NV E - 218), desgaste Micro Deval (INV. E-238), pérdida en ensayo de solidez (INV. E-220), partículas fracturadas (INV. E - 227), ensayo para medir el equivalente de arena (INV. E - 133) e índices de alargamiento y aplanamiento (INV. E-230). Los resultados de estos ensayos se presentan en la Tabla 1 y se observa que los valores cumplen con los requisitos mínimos de calidad exigidos por las especificaciones INVIAS (2007) para fabricar mezclas tipo MDC-2 para capas de rodadura.

Tabla 1. Caracterización de los agregados

 

A los cementos asfálticos no modificados se les realizaron los ensayos típicos que exige la especificación INVIAS (2007) para caracterizarlos como son: penetración, viscosidad absoluta, ductilidad, solubilidad en tricloroetileno, contenido de agua, punto de ablandamiento y ensayos al residuo luego del ensayo de película delgada en horno rotatorio (RTFOT por sus siglas en inglés). Al cemento asfáltico modificado adicionalmente se le realizó el ensayo de recuperación elástica por torsión. Los resultados de estos ensayos se presentan en las Tablas 2-4.

Luego de realizar los ensayos al agregado pétreo y a los cementos asfálticos se fabricaron cinco briquetas (compactadas a 75 golpes por cara) para cada porcentaje de asfalto entre 4.5 y 6.5 % con el fin de realizar el diseño Marshall (INV. E-748, INVIAS, 2007a) para determinar el contenido óptimo de asfalto de las mezclas convencionales. Para cumplir con las especificaciones del INVIAS (2007) y fabricar mezclas asfálticas tipo MDC 2, se modificó la granulometría original de los agregados, tomando como referencia los valores promedios en porcentajes de la franja granulométrica que exige la especificación para la elaboración de las briquetas del ensayo Marshall. Luego de realizar el diseño Marshall se elaboraron las briquetas (180 por tipo de CA) de mezcla asfáltica tipo MDC-2 necesarias para exponerlas al ambiente de la ciudad de Bogotá D.C. Estas muestras fueron colocadas en el techo del edificio de laboratorios de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Colombia. Las muestras que recibieron de manera directa la influencia del ambiente fueron ensayadas cada tres meses durante los primeros 20 meses del proyecto para el caso de las mezclas fabricadas con los CA 80 100 y CA 60-70, y 10 meses para aquellas que emplearon el CA modificado (CAM 20-40).

Para evaluar las características dinámicas de las mezclas se realizaron ensayos de módulo resiliente y deformación permanente. El ensayo de módulo resiliente (INV. E-749, INVIAS, 2007) fue realizado a tres temperaturas (10, 20 y 30°C) y frecuencias de carga diferentes (2.5, 5.0 y 10.0 Hz) utilizando un equipo Nottingham Asphalt Tester (NAT), y el de resistencia a la deformación permanente bajo carga repetida fue realizado bajo un esfuerzo de 100 kPa y a 3600 ciclos de carga siguiendo el procedimiento normalizado por el CEN (2000, EN 12697-22).

Tabla 2. Características generales del cemento asfáltico CA 80-100.

 

Tabla 3. Características generales del cemento asfáltico CA 60-70

 

Tabla 4. Características generales del cemento asfáltico CAM 20-40

 

Durante la realización de los ensayos (mayo de 2007 a enero de 2009), las temperaturas medias máximas y mínimas de la ciudad de Bogotá D.C. estuvieron entre 18 y 19°C, y entre 5 y 7°C respectivamente. La precipitación media varío entre 33 y 112 mm/mes, presentándose los mayores valores en los meses de septiembre, octubre y noviembre en los dos años.

3. Resultados y análisis

3.1 Ensayo Marshall

Los cálculos obtenidos del ensayo Marshall para las briquetas elaboradas con asfalto convencional CA 80 100, CA 60-70 y CAM 20-40 están registrados en las Tablas 5-7 respectivamente.

Los porcentaje óptimos de cemento asfáltico de acuerdo con los datos de las tablas 5-7 son de 5.3%, 5.6% y 5.6% para el caso de mezclas fabricadas con CA 80-100, CA 60-70 y CAM 20-40 respectivamente. En estos porcentajes se están cumpliendo, los requisitos mínimos exigidos por la especificación INVIAS (2007) para MDC-2 y tránsitos tipo NT1 y/o NT2.

Tabla 5. Resumen del ensayo Marshall para mezcla asfáltica MDC-2 con CA 80-100

 

Tabla 6. Resumen ensayo Marshall para mezcla asfáltica MDC-2 con CA 60-70

 

Tabla 7. Resumen ensayo Marshall para mezcla asfáltica MDC-2 con CAM 20-40

 

4. Evolución de los parámetros de estabilidad y rigidez Marshall en el tiempo

En la figura 1a se observa la evolución en el tiempo (t en meses) de los parámetros de estabilidad del ensayo Marshall y en la figura 1b la relación entre la estabilidad (E) y el flujo (F) (llamada por algunos investigadores como rigidez Marshall). Esta relación físicamente puede ser entendida como una resistencia mecánica evaluada en el estado de falla de las mezclas, bajo carga monotónica en un ensayo de tracción indirecta. Se observa para las mezclas fabricadas con CA 80-100, CA 60-70 y CAM 20-40 un incremento en la estabilidad con el tiempo de exposición al medio ambiente (ver Figura 1a). Las mezclas elaboradas con CA 60-70 en t=17 meses incrementa su estabilidad en un 81.6% su valor comparado con el alcanzado en t=0, aquellas fabricadas con CA 80-100 en t=18 meses incrementan en un 69.5% y las fabricadas con CAM 20-40 incrementan en t=8 meses en un 17.4%.

Figura 1. Evolución de a) estabilidad Marshall y b) relación E/F (rigidez Marshall) con el tiempo de envejecimiento, para mezclas fabricadas con CA 80-100, CA 60-70 y CAM 20-40

En la figura 1b se observa que la resistencia mecánica de las mezclas fabricadas con CA 60-70 tiende a aumentar con el tiempo de exposición, y en t=17 meses incrementa un 41.6% con respeto al valor inicial alcanzado en t=0. Para el caso de las mezclas con CA 80-100 y CAM 20-40 el incremento en t=18 meses y t=8 meses es de aproximadamente 53% y 14.9% respectivamente en comparación con el valor obtenido en t=0. Adicionalmente se observa un decaimiento de los valores de la relación E/F en algunos periodos de tiempo lo cual puede ser explicado por dos fenómenos que están ocurriendo en las mezclas simultáneamente:

•  Envejecimiento por oxidación que experimenta el cemento asfáltico, y por lo tanto las mezclas, cuando es solicitado a diferentes gradientes de temperatura y exposición a radiación ultra-violeta (UV).

•  El agua en las mezclas produce pérdida de adherencia entre el agregado pétreo y el asfalto, lo cual genera un aumento del flujo y disminución de la relación estabilidad - flujo.

 

5. Evolución del módulo resiliente y la resistencia a la deformación permanente

En la Figura 2 se observa la evolución del módulo resiliente de las mezclas asfálticas con el tiempo. Se observa para las mezclas fabricadas con CA 80-100, CA 60-70 y CAM 20-40 (figuras 2a, b y c respectivamente) un incremento típico del módulo cuando se aumenta la frecuencia de carga y disminuye la temperatura del ensayo. Para el caso de las mezclas fabricadas con CA 80-100, el módulo tiende a aumentar con el tiempo de exposición al ambiente (ver figura 2a) y por lo tanto la resistencia a la deformación permanente aumenta (Figura 3). Este fenómeno puede ser debido principalmente al envejecimiento por oxidación que experimenta el cemento asfáltico por efectos de temperatura y exposición a radiación ultra-violeta (UV).

Las mezclas fabricadas con CA 60-70 y CAM 20-40 experimentan un comportamiento diferente en comparación con aquellas fabricadas con CA 80-100 (ver Figuras 2b-c y 3). En los primeros meses de exposición, las mezclas disminuyen su módulo aumentando las deformaciones permanentes, luego dicho módulo se estabiliza y por último la tendencia es a aumentar (especialmente cuando el ensayo se realiza con temperaturas entre 20 y 30°C) tendiendo a disminuir los valores de deformación. El decaimiento en el módulo es debido tal vez a la generación de microfisuras que se producen a bajas temperaturas cuando las mezclas son rígidas (comportamiento frágil), luego estas microfisuras se estabilizan y el aumento en rigidez se debe a un fenómeno de envejecimiento y oxidación del asfalto similar al que ocurre en las mezclas con CA 80-100.

Figura 2. Evolución del módulo resiliente con el tiempo de envejecimiento para mezclas fabricadas con a) CA 80-100, b) CA 60-70 y c) CAM 20-40.

 

Figura 3. Evolución de la deformación vertical permanente con el tiempo de envejecimiento para mezclas fabricadas con

CA 80-100, CA 60-70 y CAM 20-40

El efecto del agua no es claro en los resultados observados ya que la humedad en las mezclas produce pérdida de adherencia entre el agregado pétreo y el asfalto, generando una posible disminución del módulo y de la resistencia mecánica. Investigaciones adicionales en esta área deben ser realizadas.

En la figura 4 se presenta la relación (ED/EDo) entre el módulo resiliente que se obtiene luego de someter las briquetas al ambiente durante distintos periodos de tiempo (ED) y el módulo resiliente inicial de las mezclas en un tiempo t=0 meses (EDo). Para el caso de las mezclas con CA 80-100, el módulo alcanzado en t=20 meses aumenta entre un 40 y 110% (dependiendo de la temperatura y frecuencia del ensayo) con respecto al inicial. Las mezclas con CA 60-70 experimentan una disminución máxima en su módulo de 35% en los primeros cinco meses de exposición para luego aumentar y experimentar en t=19 meses, módulos que tienden a alcanzar el valor inicial. Un comportamiento similar al que experimentan las mezclas fabricadas con CA 60-70 se observa en las mezclas con CAM 20-40. Ecuaciones empíricas regresionales que pueden reproducir la evolución de los módulos con el tiempo son formuladas en (1) para el caso de mezclas con CA 80-100 y (2) para CA 60-70 y CAM 20-40. Una simulación de los resultados expuestos empleando las ecuaciones (1) y (2) se presenta en la Figura 4a y b. En la ecuación (1), a=1.0 y b=0.153; en la ecuación (2), a=0.524, b=0.102, c=0.476 y a=0.713, b=0.021 y c=0.289 para las simulaciones de las mezclas con CA 60-70 y CAM 20-40 respectivamente. El coeficiente de correlación de las ecuaciones (1) y (2) es r2=0.77.

(1)

 

 

(2)

Como se ha demostrado en otras investigaciones (p.e., Afanasieva y Alvarez, 2004; Vargas et al., 2008), el envejecimiento oxidativo ejerce una gran influencia en las propiedades viscoelásticas del cemento asfáltico reflejado en el incremento del módulo elástico G*, resultado del aumento de las interacciones moleculares del asfalto como: fuerzas dispersivas, puentes de hidrógeno e interacciones polares, especialmente de los asfáltenos que en conjunto resultan en una mayor estructuración del asfalto o un incremento en la conectividad de las moléculas del material. Las temperaturas bajas (< 40°C) a su vez favorecen el incremento de la rigidización del asfalto que junto con la influencia de los diferentes factores climáticos de la ciudad de Bogotá D.C. explican el comportamiento observado en las mezclas asfálticas usadas en este estudio. El comportamiento de la relación (ED/EDo) observado en las mezclas con CA 60-70 y CAM 20-40 puede deberse a que éstos materiales deben presentar un menor contenido de fracciones livianas susceptibles de ser envejecidas contrario al CA 80-100. Es decir, la tendencia al cambio de su composición química con el tiempo de envejecimiento puede ser menor y esto se ve reflejado en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica diseñada con este asfalto. Este hecho necesita ser estudiado a partir de la determinación del cambio de la composición química del CA bajo las condiciones climáticas de Bogotá D.C.

Figura 4. Evolución de la relación entre el módulo resiliente y el módulo inicial con el tiempo de envejecimiento para mezclas fabricadas con a) CA 80-100 y CA 60-70, b) CAM 20-40.

6. Conclusiones

En el artículo se presenta la primera fase de un proyecto de investigación que tiene como objetivo principal evaluar el cambio en las propiedades mecánicas que experimenta una mezcla asfáltica densa en caliente cuando se exponen a condiciones reales del medio ambiente de la ciudad de Bogotá D.C. En esta primera fase se evalúa la evolución cada tres meses, durante 20 meses, del módulo resiliente, la resistencia a la deformación permanente y los parámetros del ensayo Marshall de mezclas tipo MDC-2 fabricadas con CA 80 100 y CA 60-70.

Las mezclas fabricadas con CAM 20-40 el tiempo de evaluación ha sido de 10 meses. De manera general se observa que las mezclas fabricadas con los tres tipos de CA utilizados incrementan su resistencia mecánica bajo carga monotónica (evaluado a través de la estabilidad y la relación E/F del ensayo Marshall) con el tiempo de exposición al ambiente.

Para el caso de las mezclas fabricadas con CA 80-100 el módulo resiliente y la resistencia a la deformación permanente tiende a aumentar en el tiempo debido principalmente a fenómenos de envejecimiento por oxidación del asfalto.

Mezclas elaboradas con CA 60-70 y CAM 20 40, en los primeros cinco meses de exposición disminuyen su módulo resiliente aumentando las deformaciones permanentes (debido tal vez a microfisuración por bajas temperaturas), luego se estabiliza entre el quinto y octavo mes de exposición y por último la tendencia es a aumentar debido al endurecimiento que experimenta el ligante asfáltico por fenómenos de oxidación (envejecimiento).

Las fases futuras del proyecto deben medir y evaluar la evolución de parámetros mecánicos como resistencia a fatiga de las mezclas asfálticas, así como el cambio en la composición química que experimentan los cementos asfálticos utilizados para la fabricación de las mezclas.

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E-mail: harondon@ucatolica.edu.co

Fecha de recepción: 05/ 05/ 2009 Fecha de aceptación: 30/ 07/ 2009

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