EFECTO DE LA TEMPERATURA DE COMPACTACION EN LAS PROPIEDADES MECANICAS Y DINAMICAS DE UNA MEZCLA ASFALTICA

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1 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE COMPACTACION EN LAS PROPIEDADES MECANICAS Y DINAMICAS DE UNA MEZCLA ASFALTICA Oscar Javier Reyes Ortiz, MSc Javier Fernando Camacho Tauta, MSc Ing. Hernando López Bonilla Ing. Carlos García Gómez Grupo Geotecnia Universidad Militar Nueva Granda Fredy Reyes Lizcano Ph.D. Grupo CECATA Universidad Javeriana INTRODUCCIÓN El acelerado desarrollo automotriz y comercial en el mundo, ha generado un incremento en las cargas de los ejes de los vehículos así como el aumento en el parque automotor, motivo por el cual las vías deben ser cada día de mejor calidad y resistencia. Las mezclas asfálticas en caliente son las más empleadas en el medio nacional debido a su flexibilidad, duración, uniformidad, resistencia a la fatiga y economía entre otras características. Hoy día con el desarrollo de los equipos de pavimentos, se puede construir mezclas modificadas con un mejor comportamiento mecánico y dinámico, traduciendo esto a menores espesores de la estructura y reducción de costos. Las propiedades dinámicas y mecánicas de la mezcla asfáltica se ven afectadas por la temperatura de compactación, ya que crea en el proceso constructivo segregación del material, textura abierta, bajas densidades y por consiguiente, descensos en sus propiedades. El objetivo principal de este proyecto de investigación fue determinar en laboratorio el efecto en las propiedades de estabilidad, densidad, flujo y módulo dinámico de una mezcla asfáltica con granulometría 0/10, con una variación en la temperatura de compactación entre 100 y 150 C. PALABRAS CLAVES Módulo dinámico, compactación, temperatura, mezcla asfáltica y ensayo Marshall.

2 ANTECEDENTES El estudio de las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas se ha estudiado ampliamente y todas conducentes a obtener mezclas más económicas y resistentes. Se han hecho esfuerzos en el pasado para establecer índices o factores para determinar la influencia de la temperatura del asfalto basadas en pruebas empíricas de flujo como la viscosidad Saybolt-Furor, penetraciones a diferentes temperaturas, punto de ablandamiento y de flotación. La temperatura de compactación puede obtenerse de la gráfica de viscosidad vs temperatura del asfalto y se determina a partir de la viscosidad de 280 más o menos 30 centistokes. Ref(1). Investigaciones recientes realizadas en Estados Unidos (Ref 2) y Francia (Ref 3) han podido demostrar que el cambio en la temperatura de compactación de una mezcla asfáltica genera problemas de segregación, resistencia y fatiga. Steve Read, en 1996, detectó este problema en la construcción de varias vías en Estados Unidos y posteriormente con la ayuda de cámaras termográficas determinó que se presentan diferenciales de temperatura en el depósito de carga de la volqueta, en la pavimentadora y en el proceso constructivo, las cuales se pueden observar en la figura 1, 2 y 3. Dichas diferencias de temperaturas producen en la mezcla asfáltica cambios en su viscosidad, zonas frías y áreas potenciales a fallar prematuramente. Material asfáltico en platón de volqueta Foto termográfica del cambio de temperatura de la mezcla asfáltica Figura 1 Termografía de la plataforma de la volqueta tomado ref (2)

3 Mezcladora de la pavimentadora Termografía mezcladora de la pavimentadora Figura 2 Mezcladora de la pavimentadota, tomado ref (2) Figura 3. Material compactado. Tomado de Ref (2) En el año de 1998, al sur de Blaine, Washington, se realizó un seguimiento con cámara termográfica de la construcción de una vía, donde el material asfáltico se acarreó por 89 kilómetros, se colocó con una pavimentadora Cedarapids 551 y se compactó. Analizadas las áreas de baja temperatura en el proceso constructivo y los puntos ideales, se extrajeron diferentes núcleos para determinar el efecto de la temperatura de compactación

4 en las propiedades de densidad, relación de vacíos y gradación. Los resultados encontrados son los que aparecen en la Figura 4 y 5 Figura 4 Efecto temperatura en la relación de vacíos de la mezcla, tomado ref (2) Figura 5 Profundidad surcas con respecto a la temperatura, tomado ref (2) De otra parte, en Francia en el LCPC, en 2001, se realizó una investigación denominada evaluación del daño por fatiga en mezclas bituminosas con la ayuda de termografía infrarroja. La prueba consistió en determinar el cambio térmico de una probeta trapezoidal en el ensayo de fatiga por flexotracción y el efecto en sus propiedades. La Figura 5, muestra el cambio térmico en función de la cantidad de ciclos que experimenta la muestra.

5 Figura 5 Variación de la temperatura en probetas trapezoidales durante el ensayo de flexotracción, tomado de Ref (3). METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION Y RESULTADOS Para el desarrollo de esta investigación se realizaron las siguientes etapas: 1. Caracterización de los materiales pétreos y asfalto. El primer paso de la investigación fue la caracterización de cada uno de los materiales empleados y la determinación de la granulometría tipo 0/10 para el estudio. Para el asfalto se realizaron los ensayos de ductilidad, penetración, ablandamiento, viscosidad Saybolt-Furol y punto de llama e ignición. Los resultados se encuentran en la tabla 1. ENSAYO NORMA RESULTADO Penetración INV E /70 Ductilidad INV E cm Viscosidad INV E Ablandamiento INV E ºC Punto de llama e ignición INV E 709 Y ºC Y 232ºC El material granular empleado no poseía límites de consistencia, su trituración fue del 100% y la absorción del 2.85.

6 ESTABILIDAD [Lb] DENSIDAD (Kg/m³) 2. Diseño de la mezcla asfáltica por el ensayo Marshall. Con los materiales anteriormente descritos, se realizaron briquetas a los tres niveles de compactación y con porcentaje de asfalto entre el 5 y 8%, obteniendo el óptimo porcentaje de asfalto en 6%, como se observa en las figuras 6, 7 y DENSIDAD VS % ASFALTO % DE ASFALTO 75 golpes 50 golpes 25 golpes Figura 6 Densidad vs % de asfalto ESTABILIDAD vs % ASFALTO % ASFALTO 75 golpes 50 golpes 25 golpes Figura 7 Estabilidad Vs % de asfalto

7 FLUJO (1/10") 20 FLUJO vs % DE ASFALTO % DE ASFALTO 75 golpes 50 golpes 25 golpes Figura 8 Flujo Vs % de asfalto 3. Elaboración de muestras Marshall para diferentes niveles de compactación y temperatura. Con el porcentaje óptimo de asfalto, se construyeron briquetas Marshall para 50 y 75 golpes por cada cara y compactadas cada una de ellas a 100, 110, 120, 130, 140 y 150ºC., para un total de 12 muestras. 4. Ejecución de los ensayos Marshall y módulo dinámico. A las muestras Marshall compactadas a 100, 110, 120, 130, 140 y 150ºC, se les realizo el ensayo de módulo dinámico con equipo NAT a 10, 20 y 30ºC. Adicionalmente, se realizo el ensayo Marshall para determinar la densidad Bulk, el flujo y la estabilidad. 5. Análisis de resultados Una vez obtenido todos los resultados de los ensayos Marshall y módulo dinámico se pudo determinar el efecto de la temperatura de compactación en una mezcla asfáltica con granulometría 0/10. RESULTADOS Los resultados obtenidos de los ensayos Marshall fueron: En la figura 10, se observa que la estabilidad se incrementa en la medida que la temperatura de compactación es mayor, teniendo un valor máximo para un nivel de compactación de 75 golpes por cara en 140ºC y 150ºC para 50 golpes.

8 FLUJO (1/100") ESTABILIDAD (LB) TEMPERATURA (ºC) 50 golpes 75 golpes Figura 10 Efecto de la temperatura de compactación en la estabilidad de la muestra El flujo de la mezcla asfáltica desciende con la temperatura de compactación y tiene un mínimo sin importar el nivel de compactación a la temperatura de 130ºC, como se observa en la figura TEMPERATURA (ºC) 50 golpes 75 golpes Figura 11 Flujo de la mezcla vs temperatura de compactación. La densidad de bulk de la mezcla para una energía de compactación alta (75 golpes), crece con la temperatura de compactación, llegando a un máximo para 150ºC. Para la energía de compactación de 50 golpes, esta desciende entre los 100 y 120ºC, para crecer hasta un valor máximo a los 150ºC. El comportamiento de la mezcla se observa en la figura 12.

9 MODULO DINAMICO (Mpa) DENSIDAD (T/M3) TEMPERATURA (ºC) 50 golpes 75 golpes Figura 12 Densidad BulK vs temperatura de compactación. Para los ensayos de módulos dinámicos, sin importar la temperatura de ejecución de los ensayos (10, 20 y 30ºC) y la energía de compactación (50 y 75 golpes), se determinó como aparece en la figura 13, que la temperatura de compactación genera cambios en el módulo dinámico de la mezcla asfáltica y que el mayor valor en el módulo está entre 140 y 150ºC. MODULOS DINAMICOS TEMPERATURA (ºC) 30ºC y 50 Golpes 20ºC y 50 Golpes 10ºC y 50 Golpes 30ºC y 75 Golpes 20ºC y 75 Golpes 10ºC y 75 Golpes Figura 13 Módulos dinámicos vs temperatura de compactación

10 En la figura 14, se puede concluir que teniendo como punto de comparación el módulo dinámico compactado a 150ºC y muestras con un nivel de energía de 50 golpes, el descenso en la temperatura de compactación (temperaturas entre 100 y 140ºC) siempre disminuye el módulo dinámico de la mezcla asfáltica, sin importar la temperatura de ejecución del ensayo (10, 20 y 30ºC) y llegando en ocasiones a ser del orden del 40% para la temperatura de compactación de 110ºC. TEMPERATURA DE COMPACTACION VS DECREMENTO MODULO DINAMICO (50 GOLPES) 0% % -10% -15% -20% -25% -30% 30 C 20 C 10 C -35% -40% -45% Figura 14 Decremento del módulo dinámico vs temperatura de compactación La figura 15 corresponde a la comparación de los módulos dinámicos de la mezcla asfáltica teniendo como patrón la compactada a 150ºC y con un nivel de energía de compactación de 75 golpes. Se observa en la gráfica que para las temperaturas de compactación de 130 y 140ºC, existe un incremento en la propiedad y que este llega aproximadamente al 27% para una temperatura del ensayo de 20ºC. Los descensos del módulo dinámico se presentan cuando las compactaciones de las muestras se realizaron a las temperaturas de 100 y 110ºC. Este descenso llega al 20%.

11 TEMPERATURA DE COMPACTACION VS INCREMENTO MODULO DINAMICO (75 GOLPES) 20% % 10% 5% 0% -5% -10% -15% 30 C 20 C 10 C -20% -25% Figura 15 Incremento módulo dinámico vs temperatura de compactación CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Luego de ejecutados y analizados los ensayos Marshall y módulo dinámico de las muestras compactadas a diferentes temperaturas, se puede concluir que: La temperatura de compactación de una mezcla asfáltica afecta sus propiedades dinámicas y mecánicas. Para un nivel de energía de compactación de 50 golpes y ensayos de módulo dinámico a 10, 20 y 30ºC, el punto máximo se encuentra a 150ºC. La estabilidad y densidad máxima de la mezcla asfáltica se encuentra entre 140 y 150ºC de temperatura de compactación. El flujo mínimo de la mezcla se encuentra a 130ºC. Para un nivel alto de energía de compactación (75 golpes) los mayores módulos dinámicos están a 140ºC. Para futuras investigaciones se deben realizar ensayos de ahuellamiento, leyes de fatiga y pista de ensayos, así como ensayos a temperaturas mas elevadas en el proceso de compactación, esto con el fin de determinar la afectación de dichas temperaturas en las propiedades de las mezclas asfálticas. De otra parte, se debe cambiar las propiedades de los materiales granulares y asfálticos, esto con el objeto de determinar el efecto en las propiedades dinámicas y mecánicas de la mezcla.

12 REFERENCIAS 1. Castellaños, Frank. Comparación del ensayo Marshall para asfaltos sólidos y líquidos. Universidad Javeriana. Bogotá, BROCK, Don. Segregación por temperatura. Norma técnica T-134. ASTEC Industries Charrier, Jean y otros. Evaluation de léndommagement par fatigue des enrobés bitumineux apports de la termographie infrarouge. LCPC López, Hernando y otros. Influencia de la temperatura en las propiedades mecánicas de una mezcla asfáltica. Universidad Militar Nueva Granada Reyes, Fredy. Diseño de pavimentos por métodos racionales. Universidad Javeriana UNIANDES - IDU. Reglamento técnico vial RSV Instituto de Desarrollo Urbano