EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD DEL ENSAYO DE EQUIVALENTE DE ARENA DE MATERIALES PÉTREOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS

Transcripción

1 EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD DEL ENSAYO DE EQUIVALENTE DE ARENA DE MATERIALES PÉTREOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS Ing. Mario Francisco Álvarez Loya Estudiante Egresado de Maestría en Infraestructura del Transporte [1] Dr. Jorge Alarcón Ibarra Coordinador de la Maestría en Infraestructura del Transporte [1] Oribel Peregrino Maldonado Carlos Alberto Reyes Negrete Antonio Silva Reyes Estudiantes de la facultad de Ingeniería Civil [1] 1. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich. VII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO AMAAC MAYO 2011 Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 1

2 EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD DEL ENSAYO DE EQUIVALENTE DE ARENA DE MATERIALES PÉTREOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS RESUMEN La exigencia de que los materiales tengan una graduación de tamaños adecuada y la menor cantidad de finos posible, sobre todo de arcillas, permite asegurar que se logre un acomodo eficiente de sus partículas para generar la estabilidad y la resistencia de la carpeta asfáltica. Actualmente la SCT, cuenta con una norma de calidad de materiales para mezclas asfálticas, que permite mejorar el comportamiento de las obras que se construyen a futuro, sin embargo, los requisitos de calidad que son solicitados en dicha norma, han tenido escasas modificaciones desde la primera versión contenida en las Especificaciones Generales de Construcción de la extinta SCOP, editada en En esta investigación se propuso evaluar la representatividad del ensayo de equivalente de arena, utilizando para ello 12 muestras de finos (pasa malla No. 200) de materiales diferentes, las cuales fueron ensayadas de manera particular sin cambiar las proporciones en peso y siguiendo el procedimiento descrito por la normativa SCT. Las características de los materiales empleados para el ensayo de equivalente de arena, fueron complementadas con la determinación de los límites de Atterberg, su ubicación en la carta de plasticidad y clasificación SUCS, con los que se corroboro que los materiales empleados para el ensayo poseen características diferentes que abarcan las cuatro zonas de la carta de plasticidad. El equivalente de arena, se considera como una prueba determinante para saber si se puede usar un material en un pavimento, no obstante, de los resultados obtenidos mediante esta investigación, se observó la poca idoneidad que el ensayo tiene para la caracterización de los materiales, lo que vuelve necesario establecer nuevos ensayos que permitan obtener parámetros representativos que aseguren la calidad y el desempeño que los agregados tendrán en una carpeta asfáltica. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 2

3 I. INTRODUCCIÓN En la construcción de carreteras se utiliza una gran cantidad de materiales que no necesitan demasiadas prestaciones para ser utilizados en la elaboración de los terraplenes y las capas inferiores de la estructura del pavimento. Caso contrario ocurre con las capas superiores, las que deben de ser más resistentes a la flexión y los esfuerzos cortantes, por lo que los requisitos de calidad para los materiales con que estas son elaboradas, se vuelven más exigentes y contemplan parámetros más conservadores, con los que se pretende garantizar una buena calidad en estas capas. Como requisito del control de calidad para garantizar un adecuado desempeño de las mezclas asfálticas elaboradas en México, el material pétreo que se utiliza en la elaboración de estas debe de cumplir con una serie de requisitos indicados en la norma N-CMT-4-04/08 Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas. Los materiales pétreos que comprende dicha norma, son todos aquellos que pueden ser materiales naturales seleccionados o sujetos a tratamientos de disgregación, cribado, trituración o lavado, a fin de que garantice la ausencia de material orgánico. Según el tipo de mezcla asfáltica en el que los agregados se vayan a utilizar, los materiales pétreos se clasifican como se indica a continuación: Materiales pétreos para mezclas asfálticas de granulometría densa. Materiales pétreos para mezclas asfálticas de granulometría abierta. Materiales pétreos para mezclas asfálticas de granulometría discontinua, tipo SMA. Materiales pétreos para mortero. Materiales pétreos para carpetas por el sistema de riegos. Materiales pétreos para mezclas asfálticas para guarniciones. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 3

4 Las mezclas asfálticas de granulometría densa son las más comúnmente empleadas para la elaboración de una carpeta asfáltica. En este tipo de mezclas, la norma nos define los parámetros granulométricos y requisitos de calidad del material en función del tamaño nominal del agregado con que se elaborara la mezcla asfáltica y del tránsito esperado en términos del número de ejes equivalentes de ocho punto dos toneladas, acumulados durante la vida útil del pavimento. Fig. 1 Usos granulométricos en función de transito esperado y para un tamaño nominal de agregado de 19 mm (3/4 ). A manera de ejemplo se presentan los rangos granulométricos que se deben de cumplir en función del tránsito esperado y considerando un tamaño nominal de agregado de 19 mm (3/4 ). Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 4

5 Adicional a los requisitos granulométricos anteriores, la norma exige que estos cumplan con los requisitos de calidad que se indican en las tablas siguientes, los cuales están en función del tránsito esperado. Características Valor Densidad relativa, mínimo 2.4 Desgaste de los Ángeles; % máximo 35 Partículas alargadas y lajeadas; % máximo 40 Equivalente de arena; % mínimo 50 Perdida de estabilidad por inmersión en agua; % máximo 25 Tabla II.1 Requisitos de calidad del material pétreo para cuando el transito esperado sea igual o menor a un millón de ejes equivalentes. Características Valor Densidad relativa, mínimo 2.4 Desgaste de los Ángeles; % máximo 30 Partículas alargadas y lajeadas; % máximo 35 Equivalente de arena; % mínimo 50 Perdida de estabilidad por inmersión en agua; % máximo 25 Tabla II.2 Requisitos de calidad del material pétreo para cuando el transito esperado sea mayor a un millón de ejes equivalentes o tenga cualquier valor. Hasta aquí, estos son los requisitos de calidad que la norma SCT exige para los agregados pétreos, y como nos damos cuenta, la fracción del filler solo la restringe mediante dos parámetros: el porcentaje en peso y el valor de equivalente de arena. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 5

6 Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), se define como polvo mineral o filler, a la parte del agregado pétreo total que pasa el tamiz #200 y de acuerdo con la American Society of Testing and Materials (ASTM), standard D-242, cuando el 70 % o más de las partículas de polvo mineral pasan la malla Nº 200 (75μm). El filler es un elemento esencial dentro de las mezclas asfálticas, ya que es el componente que se mezcla más íntimamente con el asfalto, modificando su reología y comportamiento. Normalmente, la caracterización del filler se hace independientemente del tipo de asfalto a emplear, sin tener en cuenta las posibles interacciones que las propiedades de uno y de otro pueden tener en el comportamiento conjunto. Comúnmente el polvo mineral o filler es considerado como parte del sistema de agregados. Sin embargo, al observar cualquier mezcla asfáltica se ha identificado que realmente está embebido en el asfalto, de tal forma que el mástico está fijando o aglomerando los agregados gruesos. A pesar de los requisitos de control de calidad para los agregados pétreos, es frecuente ver cómo nuestras carreteras se deterioran en períodos de tiempo inferiores para las que fueron diseñadas. Las razones de este hecho pueden ser variadas y de orígenes muy diversos. Es bien sabido que los materiales pétreos tienen posibilidad de influir positiva o negativamente en el comportamiento y durabilidad de una carpeta asfáltica, debido a que el agregado mismo proporciona la mayoría de las características de capacidad portante, pues constituye entre el 90% y el 95% del peso de una carpeta asfáltica. El equivalente de arena es considerado como un ensayo que permite determinar el contenido y actividad de los materiales finos o arcillosos presentes en los materiales pétreos empleados en mezclas asfálticas. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 6

7 Es evidente que podemos emplear prácticamente cualquier material que pase la malla # 200, y como observamos en la gráfica granulométrica, estaríamos dentro de los parámetros que la norma nos exige. Pero, Cualquier material que pase la malla #200 y esté presente en los porcentajes requeridos cumplirá con el porcentaje de equivalente de arena mínimo exigido por la norma? II. ETAPA EXPERIMENTAL Y RESULTADOS Basado en los fundamentos anteriores, en la presente investigación se propuso ensayar doce tipos de filler diferentes, pretendiendo con esta cantidad de muestras realizar una correcta evaluación de la idoneidad los resultados obtenidos de equivalente de arena para cada uno de los diferentes polvos minerales, los cuales se ensayaron con una granulometría idéntica a la solicitada por la norma, cumpliendo en todos los casos con las cantidades en peso, y variando únicamente el tipo de filler. Los materiales fueron seleccionados de tal manera que se lograra contar con una amplia gama de éstos, y que se pudiera abarcar la mayoría de los diferentes tipos y calidades de filler que comúnmente suelen estar presentes durante la elaboración de las mezclas asfálticas en las regiones de Morelia, Mich. y Guadalajara, Jal. Por tal motivo, se eligieron materiales partiendo desde los que presentan una excelente calidad y control en el proceso de su elaboración (materiales de origen industrial), pasando por los materiales naturales comúnmente empleados en dichas regiones (material de recuperación), hasta el que es indeseable por su desempeño y característica, la arcilla. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 7

8 ensayo. En la tabla siguiente se muestran los tipos de materiales seleccionados para el Clave Nombre Lugar de Obtención Fuente 1 Banco Los Federales Guadalajara, Jal. 2 Banco Cerritos Morelia, Mich. 3 Banco Chapala Guadalajara, Jal. 4 Banco AGC Morelia, Mich. 5 Banco San Martin Guadalajara, Jal. Material de recuperación - origen mineral - 6 Banco La Vega Guadalajara, Jal. 7 Arcilla Morelia, Mich. 8 Cal 9 Hidróxido de Calcio (Q90) 10 Hidróxido de Calcio (Q95) 11 Polvo Calizo 12 Cemento Portland Ordinario Morelia, Mich. Material de aportación - origen industrial - Tabla II.3 Tipos de filler seleccionados para el ensayo de equivalente de arena. En la Tabla II.3 y en particular la columna de fuente, como material de recuperación nos referimos al polvo mineral o filler que está presente en los agregados pétreos y que se obtuvo mediante cribado para separarlo del resto de las partículas. El material de aportación es el producto de origen comercial y de naturaleza pulverulenta, el cual no requiere de un proceso de cribado para su separación. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 8

9 ÍNDICE PLÁSTICO Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de Identificación y clasificación de los filler empleados A fin de conocer y corroborar que los filler a emplear para el ensayo son de naturaleza y características diferentes, se determinaron sus estados de consistencia para ubicarlos dentro de la carta de plasticidad. Para el desarrollo de esta prueba, se siguieron las recomendaciones y procedimientos indicados por el manual M MMP 1 07/07, Límites de Consistencia, de la normativa de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT). Y los resultados obtenidos se muestran en la carta de plasticidad siguiente: U nive rsidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Facultad de Ingeniería civil Laboratorio de Materiales "Ing. Luis Silva Ruelas" LÍMITES DE CONSISTENCIA COMPARACIÓN DE LOS FÍLLERES EN LA CARTA DE PLASTICIDAD 60 CARTA DE PLATICIDAD CARTA DE PLASTICIDAD CH 30 C.L 20 OH ó MH 10 7 C.L - ML ML ó OL 4 ML LÍMITE LÍQUIDO MUESTRAS Sn Martín Quimex 90 Quimex 95 La Vega Chapala Caliza Cal Arcilla CU AGC NOTA: Los materiales de los bancos Cerritos y Los Federales, así como el Cemento Portland, Ing. Mario Francisco no aparecen Álvarez debido Loya a que por sus características se definen como materiales no 9 plásticos.

10 Como observamos gráficamente, tenemos materiales que abarcan las cuatro zonas de la carta de plasticidad, lo que indica que tenemos filler con diferentes calidades. Los materiales de los bancos Cerritos, Los Federales y el Cemento Portland, no aparecen en la carta de plasticidad debido a que por sus características y el resultado obtenido para este ensayo, se definen como materiales no plásticos. Resulta importante mencionar que este es un parámetro que la norma vigente no requiere de los agregados pétreos para mezclas asfálticas, sin embargo, nos permitirá demostrar si es posible incluir minerales arcilla dentro de estos, estando consciente de que se trata de partículas no deseables. Análisis de Equivalente de Arena Con el objetivo de evaluar el efecto que cada filler produce en este ensayo, se utilizó una misma granulometría y del mismo tipo de material grueso en los ensayos realizados por cada filler. Para ello, se prepararon 12 muestras con material comprendido entre la malla No. 4 y el retenido en la malla No. 200, el cual se lavó perfectamente y seco antes de realizar la prueba, variando únicamente el tipo de filler en cada una de las muestras pero conservando en todas ellas la misma proporción en peso. Debido a que la norma define que este ensayo es exclusivo de arenas, se formó una muestra compuesta de 130 grs, la cual cumple con el valor promedio indicado por la Norma SCT de las cantidades máximas y mínimas retenidas por cada malla en una granulometría requerida para cualquier número de ejes equivalentes y de tamaño nominal de 19 mm (3/4 ). Por lo que las proporciones relativas en peso de esta muestra conformada que se utilizaron, se calcularon y fueron las que a continuación se muestran: Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 10

11 Granulometría requerida por Norma % promedio Malla que pasa la malla % Equivalente en peso para arenas Granulometría requerida para muestra conformada de 130 grs Malla % retenido Retenido en peso (grs) charola 0 0 charola Como se observa en la tabla anterior, esta muestra conformada cumple con los requisitos granulométricos requeridos por la norma para cualquier número de ejes equivalentes y un tamaño nominal del agregado pétreo de 19 mm (3/4 ). El proceso que se siguió para el ensayo y cálculo del equivalente de arena en estos materiales, fue tomado del manual M MMP /02, Equivalente de arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas, de la normativa de la Secretaria de Comunicaciones y Trasportes (SCT). Las lecturas y el resultado de equivalente de arena obtenido en este ensayo por cada tipo de filler evaluado, se lista en la tabla siguiente: Muestra No. Material ensayado Lectura de Lectura de arena arcilla 1 Banco Los Federales Banco Cerritos Banco Chapala Banco AGC Banco San Martin Arcilla Banco La Vega E. de arena (%) Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 11

12 8 Cal Hidróxido de Calcio (Q90) Hidróxido de Calcio (Q95) Polvo Calizo Cemento Portland Ordinario siguiente: Los valores obtenidos de equivalente de arena se resumen en el grafico Al trazar una línea de manera horizontal en el valor correspondiente al 50% del equivalente de arena (eje de las ordenadas) en el gráfico anterior, en el que dicho valor corresponde al mínimo solicitado por la norma SCT. Observamos claramente que todos los materiales cumplen con el requisito mínimo de este ensayo. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 12

13 III. CONCLUSIONES 1. A través de los ensayos realizados en este estudio experimental y de los resultados obtenidos por cada uno de ellos, queda demostrado que el ensayo de equivalente de arena no es lo suficientemente confiable para evaluar la presencia de material arcilloso dentro de los agregados pétreos, sin importar que se encuentre presente en las proporciones adecuadas. 2. En la última gráfica, en la que se analizan los resultados obtenidos, nos define que sin importar el tipo de material que se encuentre incorporado en los agregados pétreos para mezclas asfálticas, basta con cumplir el porcentaje en peso que se debe de encontrar presente en los agregados pétreos para que fácilmente cumpla con el valor de equivalente mínimo requerido por la Norma. 3. Resulta necesario innovar en nuevos métodos de análisis de materiales pétreos, que continúen con la tendencia ser sencillos y rápidos, pero que no pierdan su objetivo final, proporcionar los requisitos mínimos que garanticen la calidad de los agregados y la ausencia de materiales potencialmente indeseables, como las arcillas expansivas y la materia orgánica. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 13

14 IV. BIBLIOGRAFÍA 1. Alfonso Rico Rodríguez, Hermilo del Castillo, La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres, carreteras, ferrocarriles y aeropistas, Tomo I, editorial Limusa. 2. Correlación de Resultados entre el Ensayo Equivalente de arena y azul de Metileno en Materiales Granulares, Octavio Corando, María Mena, Didier Mican, Diego Alfonso García, Revista Épsilon, Enero - Junio, # 008. Universidad de La Salle, Bogotá, Colombia. pp Juárez Badillo, Rico Rodríguez (1985), Mecánica de Suelos, Tomo I fundamentos de la mecánica de suelos, tercera edición. 4. Manual de la SCT M.MMP /02 Granulometría de Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas. 5. Manual de la SCT M.MMP /02 Equivalente de Arena de Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas 6. Manual de la SCT M.MMP.1.07/07 Limites de Consistencia. Ing. Mario Francisco Álvarez Loya 14