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MATERIALES UTILIZADOS
Fuente Imagen

  • Cemento Asfáltico de Colombia

El cemento asfáltico colombiano utilizado en este proyecto es de referencia 60-70, proviene de la Refinería de Barrancabermeja, y fue suministrado por la empresa IncoAsfaltos, cuya planta se encuentra localizada en el kilómetro tres vía Balsillas, en el municipio de Mosquera (Cundinamarca). Para el control de calidad ésta entidad realiza la caracterización del asfalto una vez llega a la planta y certifica las especificaciones conforme a la norma; ésta fue la ficha entregada por la entidad:
Figura 8. Reporte de resultados de los ensayos realizados al CA 60-70.
Fuente. Laboratorios IncoAsfaltos
Los datos necesarios para la investigación suministrados en esta tabla, fueron verificados a diferencia de la empresa IncoAsfaltos que utilizó la metodología ASTM, mediante la normatividad INVIAS, para corroborar así la veracidad y la precisión de los ensayos.
Para el desarrollo de la investigación, se utilizaron los laboratorios de la Universidad Piloto de Colombia; inicialmente se caracterizo y comparo el asfalto de Barrancabermeja 60-70 entregado en la planta, dando como resultado lo siguiente:
Tabla 1. Caracterización del Cemento AsfálticoCA 60-70
Ensayo
Método
Unidad
Rango                  (Mínimo-Máximo)
Resultado
Penetración
INV E 706-07
0,1 mm
60 -70
68,4
Punto de Ablandamiento
INV E 712-07
°C
48-58
45,3
Índice de Penetración
INV E 724-07
NA
-1 / +1
0,2
Gravedad Específica
INV E 707-07
g/cm3
-
0,994
Viscosidad a 60° C
INV E 717-07
Poises
1500 min
1546
Viscosidad a 80° C
INV E 717-07
Poises
-
170,21
Viscosidad a 100° C
INV E 717-07
Poises
-
26,92
Viscosidad a 120° C
INV E 717-07
Poises
-
7,02
Viscosidad a 140° C
INV E 717-07
Poises
-
2,38
Viscosidad a 160° C
INV E 717-07
Poises
-
1,01
Fuente: Presentación propia de los autores
Una vez realizada la caracterización del asfalto, se optó por tomar los resultados conseguidos en la Universidad Piloto de Colombia, por el grado de confiablidad en su realización, y porque de igual manera se cumplían los rangos especificados en la normatividad INVIAS
  • Cemento Asfáltico de Venezuela

El cemento asfáltico venezolano es dereferencia Boscán, obtenido de la refinación de crudo de un campo del mismo nombre. Este asfalto se produce en la Refinería Bajo Grande, situada al sur este de Maracaibo, donde se refinan asfaltos denominados A-40 y A-20 de acuerdo a la norma COVENIN.
La caracterización de éste asfalto se realizo de igual manera en los laboratorios de la Universidad Piloto de Colombia, usando la normatividad de INVIAS para su consecución, la ficha técnica y los resultados son los siguientes:
Tabla 2. Caracterización del Cemento Asfáltico A-20

Ensayo
Método
Unidad
Rango                  (Mínimo-Máximo)
Resultado
Penetración
INV E 706-07
0,1 mm
60 -70
65,3
Punto de Ablandamiento
INV E 712-07
°C
48-58
48,1
Índice de Penetración
INV E 724-07
NA
-1 / +1
0,4
Gravedad Específica
INV E 707-07
g/cm3
-
1,02
Viscosidad a 60° C
INV E 717-07
Poises
2000 min
3262,22
Viscosidad a 80° C
INV E 717-07
Poises
-
290,28
Viscosidad a 100° C
INV E 717-07
Poises
-
49,06
Viscosidad a 120° C
INV E 717-07
Poises
-
11,94
Viscosidad a 140° C
INV E 717-07
Poises
-
4,43
Viscosidad a 160° C
INV E 717-07
Poises
-
1,56
Fuente: Presentación propia de los autores
Una vez realizados los ensayos se contrasto los resultados con la normatividad colombiana, para verificar que estuvieran cumpliendo.
Los procedimientos, fotos y recomendaciones de los ensayos ejecutados a los cementos asfálticos 60-70 y A20 se encuentran citados en el Anexo B.
  • Agregados Pétreos

Los agregados pétreos fueron suministrados por la empresa Concrescol S.A. (Concretos Asfálticos de Colombia S.A.), provenientes del río Coello situado en el departamento del Tolima.
En la fase previa de la realización del proyecto se ensayaron dos tipos de agregados pétreos, para verificar su resistencia al desgaste mediante la máquina de los ángeles, ya que éste método da una idea de la resistencia a la abrasión y del comportamiento del material ante el desgaste; el primero fue agregado un grueso suministrado por I.C.M Ingenieros S.A, grava triturada de ½” de origen calizo, el porcentaje de desgaste dio muy superior al 25% exigido por la norma y por ende se rechazó. El segundo material fue proveniente del río Magdalena, derivados del Tolima, y registro después del ensayo un valor menor al anterior pero superior también al rango exigido, por ello se escogió el del rio Coello.
La caracterización del material granular grueso y fino, fue realizada en los laboratorios de la Universidad Piloto de Colombia, de acuerdo a la normatividad INVIAS, arrojando los siguientes datos:
Tabla 3. Caracterización del Agregado Pétreo
Ensayo
Norma
Resultado
Valor especificado INV Art. 453-07
Equivalente de arena
INV E-133-07
92%
50 % mín.
Resistencia al desgaste gradación B
INV E-218-07
23,70%
25 % máx.
Sanidad de los agregados
INV E-220-07
10,90%
18 % máx.
Gravedad específica Bulk del agregado fino
INV E-222-07
2.72g/cm³
NA
Gravedad específica Bulk sss del agregado fino
INV E-222-07
2.63g/cm³
NA
Gravedad específica aparente del agregado fino
INV E-222-07
2.58g/cm³
NA
Absorción del agregado fino
INV E-222-07
1.6 %
NA
Gravedad específica Bulk del agregado grueso
INV E-223-07
2.73 g/cm³
NA
Gravedad específica Bulk sss del agregado grueso
INV E-223-07
2.68g/cm³
NA
Gravedad específica aparente del agregado grueso
INV E-223-07
2.65 g/cm³
NA
Absorción del agregado grueso
INV E-223-07
1,01%
NA
Porcentaje de caras fracturadas (1 cara/ 2 caras)
INV E-227-07
85%
85 % / 70 %.
Índice de Aplanamiento
INV E-230-07
9%
30 % máx.
Índice de Alargamiento
INV E-230-07
6%
30 % máx.

Fuente: Presentación propia de los autores
Los resultados se constataron con la norma para verificar que cumplían las especificaciones en agregados finos y agregados gruesos.
El procedimiento de los ensayos, junto con las tablas de resultados de cada uno, se encuentra desarrollado en el Anexo A.

  • DISEÑO DE LA MEZCLA.


El diseño de la mezcla se realizó tomando como referencia el artículo 453-07, de las especificaciones INVIAS, que señala las consideraciones para una Mezcla Drenante, y describe una única granulometría de diseño referenciada como MD-1, con la aseveración que no se utilizó asfalto Tipo I y Tipo II modificado con polímeros como allí lo indica, por el contrario como objeto de la investigación se implementaron asfaltos convencionales de procedencia colombiana y venezolana, para evaluar su comportamiento frente al huso granulométrico escogido y a las condiciones específicas que se van estudiar a lo largo del proyecto, como alternativas de construcción y puesta en obra.
La especificación exige en cuanto a los agregados pétreos, que su naturaleza impida que al colocar una capa de material asfáltico, éste se desprende fácilmente por la acción del agua y del tránsito. Para referirse a la nomenclatura de agregados, se denominara al agregado grueso como la porción retenida en el tamiz de 4.75 mm (No.4), agregado fino el comprendido entre los tamices 4.74 mm y 75 μm (No. 4 y No. 200), y llenante mineral todo el que pase por el tamiz de 75 μm (No. 200). El material grueso procede de la trituración de roca o de grava, con fragmentos resistentes, limpios y durables y sin exceso de partículas planas, alargadas, blandas o desintegrables; y el material fino está constituido por arena de trituración o una mezcla con arena natural, y es de superficie rugosa, dura, limpia y angular. Además es claro que no debe ser susceptible a ningún tipo de meteorización o alteración físico química bajo las condiciones más desfavorables de empleo.
Dentro del análisis de los resultados en el caso del ensayo de Equivalente, se busca determinar cuál es el contenido de  polvo fino nocivo, o material arcilloso, que posee el material; los resultados arrojan un valor del 90% mucho mayor  al  rango mínimo exigido en el articulo 453-07 de Invías del 50%; esto indica que es un material apto para trabajar con buen contenido de arena, y que no posee gran cantidad de finos nocivos que puedan inestabilizar la mezcla asfáltica.
Uno de los ensayos importantes para determinar si el material es apto o no es el ensayo de Resistencia al desgaste,los resultados mostraron que el agregado pétreo es un material con buena resistencia al desgaste por cargas abrasivas, presentando unas pérdidas del 23,7%. En el proceso de mezclado, compactación y puesta en servicio, el desgaste de los materiales juega un papel importante ya que aporta gran parte de la resistencia al desgaste y fracturación del agregado, y teniendo en cuenta que las mezclas drenantes trabajan con base al rozamiento interno es indispensable tener agregados de muy buena calidad y comportamiento frente a esta propiedad.
El ensayo de Sanidad, permite evaluar la resistencia a la disgregación que sufre el material fino y grueso ante la acción de las sales, para este caso dieron perdidas del 10.9%, dato que además de cumplir con la norma, da la hipótesis de ser un material resistente a la acción de agentes atmosféricos y a las condiciones climatológicas de la obra.
Los resultados de los ensayos de Gravedad específica y absorción de agregados no poseen alguna restricción frente a la normativa del artículo 453-07 de Invías; con estos datos se concluye que el material tanto fino como grueso posee una gravedad específica adecuada, con un porcentaje de absorción mayor en los finos.
El ensayo de Porcentaje de caras fracturadas se hace visualmente y se busca determinar la fracturación en las diferentes caras que posee el agregado grueso. El material extraído del rio Coello presenta un total de caras fracturadas del 85%, cumple con la especificación y se considera un material apto para trabajar, debido a que por su fracturación mejora las propiedades de resistencia, si la mezcla trabaja por fricción como es el caso de las mezcla drenantes.
Los resultados del ensayo de Índice de aplanamiento y de alargamiento se presentan dentro de los rangos de la norma; el material utilizado presento un aplanamiento del 9%, y un alargamiento del 6%, porcentajes relativamente bajos que dejan ver un agregado con poca presencia de piedras planas y largas, que de alguna manera puedan limitar las propiedades de la mezcla asfáltica debido a su poca resistencia al fricción y al desgaste; de esta manera se concluye como un material de buen comportamiento y buena resistencia en obra.
La franja granulométrica usada para la siguiente investigación, de acuerdo la dosificación de una mezcla drenante es la siguiente:
Tabla 4. Franja granulométrica para mezcla drenante.
TAMIZ
PORCENTAJE QUE PASA
NORMAL
ALTERNO
MD-1
19.0 mm
3/4”
100
12.5 mm
1/2”
70-100
9.5 mm
3/8”
50-75
4.75 mm
No.4
15-32
2.00 mm
No.10
9-20
425 μm
No.40
5-12
75 μm
No.200
3-7
Fuente: Artículo 453-07. Mezcla Drenante, Especificaciones INVÍAS.
Con base en esta franja granulométrica se inició el proceso de dosificación de agregado grueso, fino y llenante mineral, para la realización de los especímenes mediante los ensayos de cántabro y tracción indirecta, escogiendo una granulometría que cumpliera con los rangos mínimos y máximos citados en la norma.
De esta manera y conforme a la especificación se optó por el siguiente diseño, para los ensayos de cántabro y Tracción Indirecta, ejes en la realización de este proyecto:
Tabla 5.  Huso Granulométrico para el diseño de la mezcla drenante.
TAMIZ
% PASA
TOLERANCIA ART 453-07  MD-1
Pulgadas
mm
3/4”
19
100
100
100
1/2”
12,5
85
70
100
3/8”
9,5
63
50
75
4
4,74
24
15
32
10
2
15
9
20
40
0,425
9
5
12
200
0,075
5
3
7

Fuente: Presentación propia de los autores
Con los porcentajes granulométricos ya escogidos, se representa a continuación la curva granulométrica de diseño:
Grafico 1. Análisis Granulométrico de la Mezcla.

Fuente: Presentación propia de los autores
Continuaremos en el siguiente articulo con los procedimientos para la instalación de las briquetas y el cemento asfáltico.

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Definición
En el diseño de mezclas asfálticas dos de las propiedades más frecuentes y determinantes a evaluar son la adhesión y la cohesión, caracterizadas principalmente por el nivel de interacción físico-químico entre el agregado pétreo y el ligante. Ésta interface es quizás la mas importante para que la capa de rodadura y la estructura del pavimento cumplan con las exigencias mecánicas y tengan una considerable vida útil. El agua es el factor que más afecta esta unión asfalto-agregado lograda durante la mezcla, debido a que en zonas de precipitación entra en contacto con la mezcla, y por la afinidad mayor entre ésta y los materiales pétreos ocupa el espacio del ligante, y desplaza la película de asfalto ocasionando su separación del agregado; este fenómeno es conocido como “stripping”, y está muy ligado a los procesos de degradación que ocurren en los pavimentos.
Causas
El stripping según estudios (Peterson (1982), Stuart (1986), Bagampadde (2005)) es ocurrido por la reacción química entre el asfalto y el agregado, dependiente de la calidad de la composición mineralógica éste último, y sus causas involucran aspectos químicos, físicos, mecánicos y termodinámicos. Así mismo es importante analizar el papel del asfalto, debido a que si bien es cierto éste al ser hidrófobo, es repelido por el agua, ésta tiene componentes químicos como el oxígeno y otros más capaces de provocar cambios en las propiedades químicas y físicas del ligante asfáltico. En la figura 6 se explica más claramente este proceso.
Figura 6. Esquema idealizado del proceso de contracción del concreto asfáltico y separación del agregado pétreo.
Fuente. Hugo Rondón; Luis Ángel Moreno, Influencia del agua en fenómeno de stripping en mezclas asfálticas; estudio sobre el ligante.

De esta manera dentro de los problemas que más afecta el agua a las mezclas asfálticas se encuentran, la falta de cohesión en las moléculas del ligante, la falta de adhesión entre el asfalto y el agregado, y la falta de cohesión entre las moléculas del agregado. La figura 7 muestra las consecuencias de cada una de estas fallas sobre la estructura del pavimento.

Figura 7. Causas mala adhesión y cohesión en la mezcla.


Fuente. Luis Enrique Ramírez, Como saber si nuestra mezcla asfáltica será resistente a la acción del agua. 2008

El agua de igual manera puede ingresar a la estructura del pavimento por un mal secado de los agregados, por fisuras o grietas en la capa de rodadura, aguas subterráneas provenientes de altos niveles freáticos que producen una cabeza hidrostática, vapor de agua de la subrasante y agua capilar de la subrasante. Es importante destacar que en cuanto a prevenciones para evitar el “stripping” se trata, se debe: evitar usar agregado pétreo recién triturado, debido a que sus moléculas tardar en reorientarse al menos una semana y por ende al usarlo inmediatamente es propenso a este fenómeno; eliminar todo contenido de polvo o arcilla que se encuentre sobre la superficie del material, ya que este evita la buena adherencia con el asfalto y deja pequeños poros por los cuales se permite el acceso de agua; evitar colocar las mezclas sobre capas granulares húmedas, o sobre rodaduras viejas que eviten el libre drenaje; y evitar aditivos anti-strip en ciertas condiciones de trabajo, donde producen un efecto contrario y ante la reacción agua-ligante se convierten en emulsiones espontáneas que hacen perder la adhesión con la mezcla.

En el siguiente articulo hablaremos sobre las características del diseño entre el cemento asfáltico colombiano y el venezolano.

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Clasificación
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Para la clasificación de las mezclas asfálticas existen varios parámetros de acuerdo a la composición, al uso, a la temperatura y al diseño que se quiere implementar, de esta forma se distinguen de la siguiente manera.
Por Fracciones de agregado pétreo empleado
Se clasifican en: Masilla asfáltica (Polvo mineral más ligante), Mortero asfáltico (Agregado fino más masilla), Concreto asfáltico (Agregado grueso más mortero) y Mecadam asfáltico (Agregado grueso más ligante asfáltico.
Por la proporción de vacíos en la mezcla asfáltica
Se clasifican en: Mezclas Cerradas o Densas (Porcentaje de vacíos máximo de 6), Mezclas Semi-cerradas o Semi-densas (Porcentaje de vacíos entre el 6 y el 12), Mezclas Abiertas (Porcentaje de vacíos superior al 12) y Mezclas Porosas o Drenantes (Proporción de vacíos superior al 20%). Ésta parámetro es importante para evitar posibles deformaciones plásticas por consecuencia de las variaciones térmicas y las cargas de trabajo.
Por la temperatura de puesta en obra
Se clasifican en: Mezclas asfálticas en Caliente (Fabricadas con asfaltos y agregados a temperaturas elevadas, y la puesta en obra se realiza a temperaturas superiores al ambiente) y Mezclas asfálticas en Frío (El ligante es normalmente una emulsión asfáltica, y la puesta en obra se realiza a temperatura ambiente).
Por la Estructura del agregado pétreo
Se clasifican en: Mezclas con Esqueleto mineral (Con alta resistencia al rozamiento interno de los agregados) y Mezclas sin Esqueleto mineral (La resistencia es debida a la cohesión de la masilla).
Por el Tamaño máximo del agregado pétreo
Se clasifican en: Mezclas Gruesas (El tamaño máximo del agregado pétreo excedo los 10 mm) y Mezclas Finas o Microaglomerados (Formadas básicamente por agregado fino, polvo mineral y ligante asfáltico).
Por la Granulometría
Se clasifican en: Mezclas Continuas (Cantidad bien distribuida de agregados pétreos en la granulometría) y Mezclas Discontinuas (Cantidad limitada de tamaños de agregado pétreo en la granulometría)
Propiedades de las mezclas asfálticas 
Para determinar las propiedades de una mezcla, se debe tener en cuenta el diseño para la cual fue proyectada, debido a que cada una de acuerdo a su funcionalidad y su capacidad estructural dentro del pavimento tiene husos granulométricos, dosificaciones, adiciones, y condiciones de fabricación y de puesta en obra totalmente diferentes.
Dentro de las propiedades más destacadas de las mezclas asfálticas se encuentran: la resistencia a las deformaciones plásticas (producida por la aplicación de cargas a altas temperaturas y baja velocidad), resistencia a la fatiga (traducido en un aumento de las deformaciones elásticas en la superficie), la estabilidad (capacidad de resistir las tensiones de trabajo y de soportar la carga), la durabilidad (la capacidad que tendrá para resistir a largo plazo las condiciones a las que será expuesta como los rayos ultravioleta, el aire, el agua, y los demás agentes que puedan tener contacto con ella), la impermeabilidad (cuando así lo requiera, para proteger las capas inferiores de la acción del agua), y la resistencia al deslizamiento (proporcionada por la macrotextura y la microtextura de la capara de rodadura).
Figura 3. Propiedades técnicas de las mezclas asfálticas
Fuente. Alejandro Padilla Rodríguez, Mezclas Asfálticas, Capitulo 3.Universidad Politécnica de Cataluña.
Tipología de Mezclas Asfálticas en Caliente
Las mezclas asfálticas en caliente se caracterizan por la combinación de un ligante asfáltico, un agregado pétreo de granulometría continua o discontinua, polvo mineral y en ocasiones algunos tipos de modificantes y aditivos; mezclados en condiciones altas de temperatura para lograr el recubrimiento total de la película de asfalto sobre el material. La ejecución de estas mezclas incluyen las siguientes actividades: estudio de la mezcla y dosificación del diseño, fabricación de la mezcla, transporte a la obra, preparación de la superficie que va a recibir la mezcla y extensión y compactación de la mezcla.
Tipología de Mezclas Asfálticas Drenantes
Las mezclas asfálticas drenantes o son aquellas cuyo elevado porcentaje de vacíos permiten el paso fluido del agua a través de ella, para ser evacuada hacia los drenajes laterales y evitar su permanencia en la superficie de la capa de rodadura. Estas mezclas deben tener deben tener un contenido inicial de vacíos de al menos 16% para una adecuada permeabilidad.
Si bien es cierto que la implementación de estas mezclas pueden influir de forma positiva en la circulación vial y disminuir la accidentalidad en presencia de lluvia, estudios en España han revelado que la mejora en la calidad de la rodadura aumenta la velocidad de circulación, con lo cual el efecto puede ser contradictorio; además en condiciones invernales se han registrado placas de hielo sobre el pavimento, debido a que los aglomerados porosos se enfrían más con respecto a los densos, generando mayor peligrosidad en estas estaciones. En general a utilización de mezclas porosas genera en comparación con los pavimentos impermeables convencionales una seria de ventajas y limitaciones, que se pueden sintetizar de la siguiente forma.
Ventajas
Se consigue una mayor resistencia al deslizamiento en condiciones de lluvia y se reduce el fenómeno de hidroplaneo (presencia de una película de agua entre el neumático y la capa de rodadura), debido a que aumenta la macrotextura del pavimento y elimina el agua de la superficie; produce una elevada resistencia al deslizamiento a altas velocidades;genera mayor dispersión de luz y una mejor visibilidad del entorno y de la señalización horizontal debido a la reducción del agua superficial producida por las lluvias o dispersa por lo vehículos; adecuado comportamiento mecánico, debido a que evitan que se presenten deformaciones plásticas en la vida útil, y un buen diseño permite una buena cohesión y adherencia entre los agregados pétreos y el ligante asfáltico, evitando posibles mecanismos de degradación a causa de la disgregación o el desgaste por interacción llanta-pavimento; mitigación del ruido, debido a que los vacíos permiten el paso del aire y atenúan los efectos sonoros, y favorecen al medio ambiente y las poblaciones aledañas a los corredores viales.
Limitaciones
En las limitaciones encontramos: pérdida de permeabilidad con el paso del tiempo, debido a la posible saturación de los poros a causa de factores como el polvo, los derrumbes, la acción del tráfico, entre otros, que se evitan mediante un diseño óptimo con alto contenido de vacíos, resistencia al desgaste y alto porcentaje de caras fracturadas; necesidad de un soporte indicado, debe estar apoyada sobre una base firme, estructuralmente adecuada y completamente impermeable para garantizar el buen drenaje de capa de rodadura; menor resistencia a aceites y combustibles; posible disminución de la vida útil, debido a que el elevado número de huecos puede envejecer mas rápido el ligante y hacerle perder a la mezcla su adhesividad (para esto se usan normalmente asfaltos modificados que aumentan el espesor de la película del asfalto).
Caracterización de la superficie
Este tipo de mezclas ante la característica de un alto grado de porosidad, ayuda a que la estructura del pavimento este libre de agua y a que por infiltración sea conducida a través de canales de drenaje, como se muestra en la figura 4.
Figura 4. Función y estructura de un asfalto drenante.
Fuente. BP Bitumen España. Presentación.
Una de las características de este tipo de diseños es la resistencia al deslizamiento, determinada por dos tipos de condiciones, la Microtextura y la Macrotextura, explicadas a continuación.
Microtextura: Es la textura superficial de los agregados pétreos que presentan características ásperas, debido bajo estrictos parámetros de diseño al alto porcentaje de caras fracturadas.
Macrotextura: Es la textura superficial de la capa de rodadura, ocasionada por las partículas de los agregados que sobresalen a la superficie, dadas por el diseño y el tipo de mezcla, en este caso grueso, que exista en la superficie.
Figura 5. Representación de la superficie de una mezclas porosa.
Fuente. Víctor Roco; Claudio Fuentes; Sergio Valverde, Evaluación de la resistencia al deslizamiento en pavimentos chilenos
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