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PAVIMENTOS 2ª PRÁCTICA CALIFICADA MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE Profesor: MSc. Ing. Nestor W. Huaman Guerrero Fecha: 09/11/18

Pregunta 1.Presente usted los diferentes tipos de plantas asfálticas en caliente que existen en el mundo. http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/11811/Capitulo4.pdf Pregunta 2.¿Qué accesorios se requieren adicionar a las plantas asfálticas en caliente cuando hay necesidad de fabricar MAC con polímero, caucho o cuando se quieran fabricar mezclas tibias?

CAPITULO II En el presente capítulo, nos basaremos en primer lugar a responder la siguiente pregunta: ¿Qué accesorios se requieren adicionar a las plantas asfálticas en caliente cuando hay necesidad de fabricar MAC con polímero, caucho o cuando se quieran fabricar mezclas tibias?, para ello encontraremos el tipo de utilización, los procesos por vía húmeda y seca, además, se mencionará el instructivo para el diseño de la mezcla en laboratorio. 2.1 Métodos de utilización El caucho de llantas usadas puede ser incorporado en las mezclas asfálticas por medio de dos métodos diferentes denominados proceso húmedo y proceso seco. En el proceso húmedo, el caucho actúa modificando el ligante, mientras que en el proceso seco el caucho es usado como una porción de agregado fino. Una de las principales características que presenta el cemento asfáltico modificado con GCR es el aumento en la viscosidad de la mezcla resultante, haciéndola más flexible a bajas temperaturas y menos plástica a altas. Entre los principales beneficios en los pavimentos están las mejoras a la deformación permanente, a la fatiga, y la resistencia al fisuramiento a bajas temperaturas. 2.2 Proceso por vía seca En el proceso por vía seca la cantidad requerida de ligante tiende a aumentar, también se requiere un proceso especial para adicionar el GCR en planta, y un mayor tiempo de compactación en obra; el proceso por vía húmeda requiere un equipo adicional en planta para el mezclado y almacenamiento del asfalto-caucho, así como cambio de bombas y tuberías, adicionalmente requiere mayor energía para calentar la mezcla a mayores temperaturas con tiempos de reacción prolongados. El GCR se obtiene por trituración mecánica o molienda de llantas desechadas, y debe ser de contextura fina de tamaños menores a 6.3 mm (1/4”). Este posee valiosos componentes que pueden contribuir al buen desempeño del asfalto como lo son el negro de humo que es un antioxidante, las aminas, los aceites aromáticos, y los elastómeros SBS y SBR.

2.3 Proceso por vía húmeda El caso que vamos a estudiar en el presente trabajo, es el proceso por vía húmeda, el cual se muestra esquemáticamente en la siguiente figura:

Figura 1. Descripción del proceso por vía húmeda.

En este proceso el GCR es mezclado con el ligante para producir una mezcla asfaltocaucho, la cual es usada de la misma manera que un ligante modificado. La proporción del GCR normalmente se encuentra entre el 14% y el 20%, dependiendo del ligante, por peso del total de la mezcla asfalto-caucho. Cuando el cemento asfáltico y GCR son mezclados, el GCR reacciona con el ligante hinchándose y ablandándose por la absorción de aceites aromáticos, no siendo esta una reacción de tipo química. El grado de modificación del ligante depende de muchos factores, entre los cuales se encuentran el tamaño y textura del GCR, la proporción y tipo del cemento asfáltico, el tiempo y temperatura de mezclado, el grado de agitación mecánica durante la reacción El cemento asfáltico modificado con GCR mediante el proceso húmedo ha sido usado ampliamente como ligante en la reparación de grietas y sello de juntas, tratamientos superficiales, membranas retardantes de fisuras, y en la elaboración de mezclas asfálticas en caliente de la mezcla.

2.4 Instructivo para el diseño de la mezcla en laboratorio

2.4.1 Descripción Este Instructivo consiste en la elaboración, transporte, colocación y compactación, de una o más capas de mezcla asfáltica en caliente de tipo GAP GRADED, diferenciadas por su granulometría de aplicación, como se define más adelante.

2.4.2

Agregados pétreos y llenante mineral Los agregados pétreos y el llenante mineral para la elaboración de las mezclas en caliente

cubiertas por este Instructivo deberán satisfacer los requisitos de calidad impuestos para ellos en el numeral 400.2.1 del Artículo 400 de las especificaciones INVIAS-07. Los agregados pétreos no serán susceptibles de ningún tipo de meteorización o alteración fisicoquímica apreciable bajo las condiciones más desfavorables que presumiblemente se puedan dar en la zona de empleo. Tampoco podrán dar origen, con el agua, a disoluciones que puedan causar daños a estructuras o a otras capas del pavimento, o contaminar corrientes de agua. Los agregados pétreos empleados para la mezcla asfáltica en caliente tipo GAP GRADED deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una película del material asfáltico por utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción combinada del agua y del tránsito. El agregado fino deberá proceder en su totalidad de la trituración de piedra de cantera o de grava natural, o parcialmente de fuentes naturales de arena. La proporción de arena natural no podrá exceder del quince por ciento (15%) de la masa total del agregado combinado. La granulometría del agregado obtenido mediante la combinación de las distintas fracciones, incluido el llenante mineral, deberá estar comprendida dentro de alguna de las franjas fijadas en la Tabla 1.

Tabla 1. Franjas granulométricas para mezclas asfálticas en caliente tipo GAP GRADED.

TAMIZ (mm/U.S. Standard) 25.0

19

12.5

9.5

4.75

2.36

.0

TIPO

0,60

0,30

0

0

0,0 7 5

DE MEZC

1”

LA

3/

1/2”

4”

3/8 ”

No.

No.

4

8

No. 30

No.5

No. 2

0

00 % PASA G GGAP

1

GRA

G

DE D

G-

(a)

10 0

90-

65-

100

85

100

90100

50-

30-

16-

6-16

4-12

2-6

70

45

28

70-

35-

20-

8-18

5-14

2-6

90

50

32

50-

28-

18-

6-16

3-7

65

40

22

2 G G-

100

90100

3

(a) Este tipo de configuración granulométrica garantiza que el asfalto - caucho llene los espacios dejados por los pétreos permitiendo que los vacíos con aire de la mezcla asfáltica estén entre 3% y 5%, permitiendo tener un pavimento impermeable y con gran desempeño en campo. El tipo de mezcla asfáltica en caliente por emplear en función del tipo y espesor compacto de la capa asfáltica, se definirá en los documentos del proyecto. Se pueden seguir los criterios dados de acuerdo al estudio realizado por CALTRANS para disminuir espesores al utilizar las mezclas asfálticas tipo GAP GRADED preparadas con asfalto AMC teniendo en cuenta las equivalencias estructurales, que se muestran en el capítulo de diseño de la mezcla asfáltica.

2.4.3

Material bituminoso

El material bituminoso para elaborar la mezcla en caliente tipo GAP GRADED con asfalto modificado con caucho de llanta deberá cumplir con los requerimientos de la especificación internacional ASTM D 6114-97 que se presenta en la Tabla 2.

Tabla 2. Especificación ASTM D-6114-97.

TIPO I

PROPIEDADES

TIPO II

TIPO III

NORM A

M

M

Mi

in

in.

n.

.

M

M

M

ax

ax

ax

.

.

Método Viscosidad. Cp. a 175ºC (347ºF)

A (ver

150

5.4)B.C

500

15

500

15

500

0

0

00

0

00

0

D5

25

75

25

75

50

100

D5

10

---

15

---

25

-

. Pen. 25ºC (77ºF) 100g, 5s:1/10mm Pen. 4ºC (39.2ºF) 200g,

-

60s:1/10mm

P. de Ablandamiento. ºC (ºF)

57.2 D36

(135

54. ---

)

4

51. 7

-

(130

(125

-

)

)

-

10

-

---

Resiliencia %, 25ºC

D5329

25

---

20

---

(77ºF)

232.

P. de Chispa: ºC (ºF)

D93

2

232. ---

2

232. ---

2

-

TFOT%

D1754

(450

(450

(450

)

)

)

-----

-----

----

-----

-

-

----

----

Penetración Ret. % (Después de

D5

75

envejecida), 4ºC

---

75

-----

75

----

(39.2ºF)

2.4.4

Equipo Al respecto, se aplica lo indicado en el numeral 400.3 del Artículo 400 de la especificación

INVIAS-07. En relación con el detalle del equipo necesario para la ejecución de los trabajos, se tendrá en cuenta lo que se indica a continuación.

2.4.4.1

Equipo para la elaboración del asfalto modificado con caucho de llanta AMC

El asfalto modificado con grano de Caucho reciclado de llantas, se fabricara en una planta adecuada para tal fin que permita la incorporación precisa del grano de caucho al asfalto en contenidos comprendidos entre el 15% y 20%. La planta debe contar con equipos que incorporen el grano de cucho al asfalto virgen en el porcentaje elegido de forma automática de acuerdo con la fase de experimentación realizada a nivel de laboratorio. Este equipo debe contar con un tanque de reacción adecuado con calentamiento y agitación para mantener la mezcla asfalto caucho homogénea y a la temperatura requerida para que se produzca una reacción adecuada. La planta debe contar con un sistema de calentamiento independiente de las bombas, accesorios y tuberías. Además de un intercambiador de calor que lleve el asfalto virgen hasta la temperatura requerida para realizar la incorporación del caucho. Se deberá contar con bomba capaz de realizar la recirculación e inyección del asfalto desde la planta asfalto caucho a la planta de preparación de mezcla. 2.4.4.2

Planta mezcladora

2.4.4.2.1

Requisitos para todas las plantas

La mezcla de concreto asfáltico tipo GAP GRADED se fabricará en plantas adecuadas de tipo discontinuo o de tambor secador-mezclador, capaces de manejar simultáneamente en frío el número de agregados que exija la fórmula de trabajo adoptada. La planta estará dotada de un tambor secador que permita el secado correcto de los agregados y su calentamiento a una temperatura de 175 ± 5ºC para la fabricación de la mezcla con AMC. El sistema de alimentación del ligante bituminoso deberá poder permitir la inyección a la temperatura de 175 ± 5ºC, en contenidos de asfalto AMC superiores al 7,0%, de forma que se garantice una correcta dosificación y que no se sobrepasan las

temperaturas máximas admisibles de dicho producto. Todas las tuberías, bombas, tanques, etc., deberán estar provistos de calefactores o aislamientos. Se dispondrán termómetros, especialmente en la boca de salida al mezclador y en la entrada del tanque de almacenamiento. El sistema de circulación deberá estar provisto de dispositivos para tomar muestras y para comprobar la calibración del dosificador. El ligante asfáltico se distribuirá uniformemente en el mezclador, y las válvulas que controlan su entrada no permitirán fugas ni goteos. El sistema dosificador del ligante deberá disponer de dispositivos para su calibración a la temperatura y presión de trabajo. En el caso de las plantas de tambor secador –mezclador, el tambor deberá calentar, cubrir y mezclar uniformemente los materiales, evitando cualquier sobrecalentamiento que pueda afectar adversamente las características y el comportamiento de la mezcla. El dispositivo medidor del asfalto deberá controlar adecuadamente la rata de ligante que se incorpora a la mezcla y responder instantáneamente a cualquier variación en la rata de alimentación de los agregados. La difusión del asfalto deberá ser homogénea y de manera que no exista ningún riesgo de contacto con la llama ni de someter al ligante a temperaturas inadecuadas. Se deberá instalar un pirómetro en el extremo de descarga del mezclador, para verificar la temperatura de la mezcla. La producción de la planta se deberá limitar a la velocidad requerida para obtener una envuelta correcta de los agregados, cumpliendo con los requisitos de temperatura del ligante.

2.4.4.2.2

Equipo para la extensión de la mezcla

La extensión y terminación de los concretos asfálticos producidos en planta se harán con pavimentadoras autopropulsadas, de las mismas características que las descritas en el numeral 440.3.5 del Artículo 440 de la especificación INVIAS-07. Adicionalmente, deberán estar dotadas de un elemento calefactor para la ejecución de la junta longitudinal.

2.4.4.2.3

Equipo de compactación

Se deberán utilizar compactadores autopropulsados de rodillos metálicos tipo Tándem, vibratorios. El equipo de compactación será aprobado por el Interventor, a la vista de los resultados obtenidos en la fase de experimentación. Como mínimo, se deberán poner a disposición de los trabajos dos (2) compactadores vibratorio de rodillos metálico tipo Tándem. Todos los compactadores deberán ser autopropulsados y estar dotados de inversores de marcha suaves; además, estarán dotados de dispositivos para la limpieza de los rodillos durante la compactación y para mantenerlos húmedos en caso necesario. Los compactadores de rodillos metálicos no deberán presentar surcos ni irregularidades. Los compactadores vibratorios dispondrán de dispositivos para eliminar la vibración al invertir la marcha, siendo aconsejable que el dispositivo sea automático. Las presiones lineales estáticas o dinámicas, y las presiones de contacto de los diversos compactadores, serán las necesarias para conseguir la compacidad adecuada y homogénea de la mezcla en todo su espesor, pero sin producir roturas del agregado ni arrollamiento de la mezcla a las temperaturas de compactación. Se permitirá el uso de otros equipos de tamaño y diseño adecuados para la labor por realizar, para efectuar la compactación en lugares inaccesibles a los equipos normales de compactación.

2.4.3 Ejecución de los trabajos 2.4.3.1.

Diseño de la mezcla y obtención de la fórmula de trabajo

La mezcla asfáltica Tipo Gap Graded objeto del presente Instructivo se diseñará, utilizando pruebas de desempeño como la prueba de resistencia al ahuellamiento. El método Marshall, efectuando el ensayo de estabilidad y flujo en acuerdo con la norma de ensayo INV E–748 y utilizando los procedimientos de cálculo establecidos en la norma de ensayo INV E-799, se utilizaran para obtener una primera aproximación del contenido de ligante sin que este sea el valor definitovo ni el adecuado para este tipo de mezcla. Para determinar los parámetros Marshall, se debe tener en cuenta las siguientes variables:



Temperaturas de Agregados y asfalto 175±5ºC.



Temperatura de compactación de las probetas 135±2ºC.

Los parámetros Marshall a tener en cuenta son los siguientes: Tabla 3. Parámetros Marshall de la mezcla asfáltica en caliente Tipo Gap Graded con asfalto A.M.C.

DENSI ESTABILID AD (Kg.-

DA D (T/m3)

f)

VACIOS VA M1 (

CON

FLUJ

AIRE

O

(%)

(mm)

% ) Reportar

Reportar

Min

3 –5

Min 2

14 Determinado el porcentaje de asfalto siguiendo los criterios de la tabla 4 (mínimo 7% de asfalto) y que cumpla con el porcentaje mínimo de vacíos (3%), los parámetros de VAM y flujo, se realizan las pruebas de Deformación plástica para determinar la fórmula de trabajo, teniendo en cuenta que el valor hallado con el 3% de vacíos será el valor máximo de asfalto.

Tabla 4. Criterios de diseño de la mezcla asfáltica en caliente Tipo Gap Graded con asfalto A.M.C.

NORMA CARACTERÍSTICA

MEZCLA TIPO GAP

DE

GRADED

ENSAY O INV E-703 o

Contenido de Asfalto AMC (%)

INV

MÍNI

MÁXIM

MO

O

7,0%

8,5%

(a)

E-729 Velocidad de deformación

EN–12697–22

15µm/mi

entre 105 y 120 min

n

Susceptibilidad al agua de Mezclas asfálticas Compactadas (T.S.R.)

INV E-725

80%

(a) De acuerdo con algunas investigaciones recientes con materiales de diferentes partes de Colombia, el mínimo de asfalto puede ser inferior al 7% pero cercano a este valor, cumpliendo con los parámetros Marshall descritos más adelante. Para el control de la producción de la mezcla asfáltica Tipo Gap Graded se debe realizar ensayos de granulometría, contenido de asfalto, estabilidad, flujo, vacíos con aire, VAM y densidad máxima medida (Gmm) de acuerdo con el método INV E-735. Además, se debe tomar mezcla asfáltica de planta para realizar el ensayo de deformación mediante la pista de ensayo de laboratorio INV E-756-07 o EN-12697-22.

2.4.3.2 Fabricación de la mezcla asfáltica

Los agregados se calentarán a una temperatura de 175 ± 5ºC antes de su mezcla con el asfalto. El secador se regulará de forma que la combustión sea completa, indicada por la ausencia de humo negro en el escape de la chimenea. La temperatura del material bituminoso en el instante de la mezcla deberá tener 175 ± 5ºC, siendo una temperatura conveniente para que se tenga un buen cubrimiento de los agregados.

Todos los tamaños del agregado deberán estar uniformemente distribuidos en la mezcla recién elaborada y sus partículas total y homogéneamente cubiertas de ligante. La temperatura de la mezcla recién elaborada no excederá de la fijada durante la definición de la fórmula de trabajo. Se rechazarán todas las mezclas heterogéneas, carbonizadas o sobrecalentadas, las mezclas con espuma, o las que presenten indicios de contaminación ó humedad. En este último caso, se retirarán los agregados de las correspondientes tolvas en caliente. También, se rechazarán aquellas mezclas en las que la envuelta no sea perfecta. 2.4.3.3 Transporte de la mezcla La mezcla se transportará a la obra en volquetas carpadas (Carpa de Lona), hasta una hora del día en que las operaciones de extensión y compactación se puedan realizar correctamente con luz solar. Durante el transporte de la mezcla se deberán tomar las precauciones necesarias para que al descargarla en la máquina pavimentadora, su temperatura no sea inferior a 150ºC.

2.4.3.4

Compactación de la mezcla

La compactación se realizará como resultado de la fase de experimentación. Deberá comenzar, una vez extendida la mezcla, a la temperatura más alta posible con que ella pueda soportar la carga a que se somete, sin que se produzcan agrietamientos o desplazamientos indebidos. La temperatura mínima para realizar una adecuada compactación es de 135ºC. Se deben tener equipos adecuados para realizar un control de la densidad de la mezcla en la compactación de la mezcla asfáltica. La densidad de la mezcla compactada debe estar entre el 93% y 94% del valor medido en el ensayo de gravedad específica máxima teórica (Gmm). Los elementos de compactación deberán estar siempre limpios y, si fuera preciso, húmedos. No se permitirán, sin embargo, excesos de agua. La compactación se

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deberá realizar de manera continua durante la jornada de trabajo y se complementará con el trabajo manual mínimo necesario para la corrección de todas las irregularidades que se puedan presentar. La compactación se continuará mientras la mezcla se encuentre en condiciones de ser compactada hasta alcanzar los niveles de densidad requeridos. Se deberá verificar la temperatura de la mezcla al inicio y al final del proceso de compactación. El anterior documento es un instructivo general para la fabricación, transporte y colocación de mezclas asfálticas en caliente Tipo GAP GRADED con asfalto modificado con Caucho de llanta AMC.

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Capítulo III Se presenta un diseño de Mezcla Asfáltica en Caliente considerando los parámetros recomendados por Marshall. Para iniciar, partimos de los datos iniciales recomendados: Vacíos: 4% Contenido de Asfalto: 5% Densidad: 2400 kg/m3 3.1 Densidad vs. % de cemento asfaltico

3.2 % de vacíos Vs. % de cemento asfaltico 3.3 Estabilidad Vs. % de cemento asfaltico 3.4 % de vacíos con asfalto Vs. % de cemento asfaltico 3.5 Fluencia Vs. % de cemento asfaltico 3.6 VAM Vs. % de cemento asfaltico