TENDENCIA EN EL CONTROL DE CALIDAD DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA MEDIANTE UN ENSAYO MECÁNICO

TENDENCIA EN EL CONTROL DE CALIDAD DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA MEDIANTE UN ENSAYO MECÁNICO Pedro Limón Covarrubias 10 de Abril de 2015 Gobierno del Estado de México Diciembre 2010

Índice 1. Introducción 2. Objetivos 3. Control de calidad de mezclas bituminosas 4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas 5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa 6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución 7. Determinación de criterios para el control de calidad 8. Conclusiones y futuras líneas de investigación Pedro Limón Covarrubias 2

Planteamiento general En la construcción de una carretera, las mezclas bituminosas en caliente constituyen las capas con mayores exigencias dentro de la estructura de un firme. Hay muchas etapas involucradas y actividades diferentes que entran en el proceso de construcción de un firme con mezcla bituminosa en caliente. Su diseño, elaboración, colocación y compactación son procesos complicados, donde intervienen diferentes factores que definirán la calidad final de la capa. Pedro Limón Covarrubias 3

Evaluación de la calidad durante la producción Propiedades volumétricas Lavado de mezcla: Granulometría y contenido de betún Densidad de la mezcla bituminosa compactada Contenido de huecos Propiedades mecánicas Estabilidad flujo Marshall Adhesividad Pedro Limón Covarrubias 4

Evaluación de la calidad durante la ejecución Ejecución Medición de espesor Medición de temperatura Densidad Marshall Acabado Medición de IRI Medición de la rugosidad Entre otros Pedro Limón Covarrubias 5

Uso de un ensayo mecánico (I) Asimismo, en el momento de tomar la decisión de aceptar o rechazar la capa, empleando únicamente el control de densidades sobre el producto final, se desconoce su capacidad resistente. La evaluación de esta propiedad, mediante algún tipo de ensayo, permitiría estudiar el comportamiento del firme y de la capa construida, y analizar la posibilidad de su aceptación, penalización o rechazo, de acuerdo a la calidad obtenida. Pedro Limón Covarrubias 6

Uso de un ensayo mecánico (II) Para ello, se ha estudiado un procedimiento de control basado en la determinación del módulo resiliente de la mezcla bituminosa colocada, según las normas NLT-360/91, ASTM D-4123 y la nueva norma Europea, a 20 ºC, UNE-EN 12697-26 ANEXO C. Puesto que los ensayos pueden realizarse sobre testigos extraídos del firme para el control de densidades, no supone ninguna actuación suplementaria; además, al ser un ensayo no destructivo, los testigos extraídos pueden ser utilizados para alguna otra prueba adicional. Pedro Limón Covarrubias 7

Objetivos de la tesis 1. Establecer el ensayo de módulo resiliente como un método de control de calidad de las mezclas bituminosas al momento de su ejecución. 2. Encontrar la relación entre el ensayo de módulo resiliente y el ensayo de fatiga en la ejecución de mezclas bituminosas. 3. Determinar valores de módulo resiliente para aceptación, penalización, rechazo y estímulo de una mezcla bituminosa al momento de su ejecución. Pedro Limón Covarrubias 9

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla) - Calidad de los materiales pétreos (c/1000 m 3 ) a) Granulometría b) Adherencia c) Forma de la partícula d) Equivalente de arena e) Azul de metileno

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla) Tamaño nominal del material pétreo mm (in) Designación Abertura mm 37,5 (1-1/2 ) 25 (1 ) 19 (3/4 ) Porcentaje que pasa 12,5 (1/2 ) 9,5 (3/8 ) 2 50 - - - - - 1 ½ 37,5 ± 5 - - - - 1 25 ± 5 ± 5 - - - ¾ 19 - ± 5 ± 5 - - 1/2 12,5 - - ± 5 ± 5-3/8 9,5 - - - ± 5 ± 5 4 4,75 - - - - ± 5 8 2.36 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3 16 1,18 - - - - - 30 0,60 - - - - - 50 0,30 - - - - - 100 0,15 - - - - - 200 0,075 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla) Característica Norma Especificación Desgaste Los Ángeles, % ASTM C131 30 máx. (capas estructurales) 25 máx. (capas de rodadura) Partículas alargadas, % ASTM D 4 791 3 a 1 %, 15 máx. Partículas lajeadas, % ASTM D 4791 3 a 1 %, 15 máx. Adherencia con el asfalto, % de cubrimiento Recomendación AMAAC RA 08 / 2008 90 mín. Característica Norma Especificación Equivalente de arena,% ASTM D 2419 50 min. (capas estructurales) 55 min. (capas de rodadura) Azul de metileno, mg/g Recomendación AMAAC RA- 05/2008 15 máx. (capas estructurales) 12 máx. (capas de rodadura)

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla) Calidad de asfalto cada auto-tanque a) Punto de reblandecimiento b) Recuperación elástica por torsión c) Viscosidad

Control de calidad Ensaye Asfaltos Tipo I y II Asfalto Base Asfaltos Tipo III Asfalto Base AC10 AC20 AC30 AC10 AC20 AC30 Punto de reblandecimiento por anillo esfera, (º C) Mín. 50 55 60 50 50 60 Recuperación Elástica por Torsión, % Máx. 20 25 30 20 20 25 Viscosidad Rotacional tipo Haake Mín. Máx. 600 3000 800 3500 1000 4000 3500 7500 1000 4000 1250 4500

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla) Fabricación de mezcla conforme a la fórmula de trabajo (c/250 m 3 ) a) Contenido de asfalto b) Granulometría c) Propiedades volumétricas

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla) En el contenido optimo de asfalto, la desviación máxima permisible con respecto al diseño aprobado es de ± 0,3 % con respecto al peso de la mezcla.

Rueda de Hamburgo y TSR La mezcla Protocolo AMAAC debe cumplir con los ensayos de TSR y rueda de Hamburgo, este ensayo se debe realizar cada Km colocado. - Susceptibilidad a la humedad (TSR): 80% mínimo - Rueda de Hamburgo: Deformación máxima de 10mm.

Control de calidad en la puesta en obra La preparación de la superficie existente exige que se compruebe la regularidad superficial de la capa subyacente. Si la superficie está constituida por una mezcla bituminosa, se debe ejecutar un riego de adherencia, si es granular o tratado con conglomerantes hidráulicos, se ejecuta un riego de imprimación. Pedro Limón Covarrubias 19

Transporte Es la etapa en la que la mezcla es trasladada de la central de fabricación a la extendedora por medio de camiones. Es inevitable el enfriamiento de la mezcla por efecto en la temperatura ambiente y el viento. También es importante evitar la segregación de la mezcla durante la carga y la descarga de los camiones, y para ello se debe mantener una altura mínima de descarga y evitar la formación de pilas cónicas de material, haciendo que el camión se mueva lentamente o esparciendo la mezcla lateralmente en la caja. Pedro Limón Covarrubias 20

Colocación Durante el proceso de extendido de la mezcla bituminosa se debe: Verificar que no exista ninguna imperfección en la superficie de colocación. Comprobar que exista riego de adherencia sobre la capas asfáltica subyacente. Vaciar cuidadosamente y de manera continua la mezcla bituminosa sobre la extendedora. Verificar que las planchas de la extendedora se encuentren calentadas adecuadamente. Controlar el espesor de mezcla que se está colocando. Pedro Limón Covarrubias 21

Compactación La compactación debe realizarse de manera continua y sistemática, si la mezcla ha sido extendida en tres franjas, al compactar cada una de éstas, se ha de superponer la zona de compactación al menos quince centímetros. Deben mantenerse limpios los elementos de compactación y en lo posible húmedos. Los cambios de dirección de los compactadores deben hacerse sobre una superficie ya compactada y los cambios de sentido deben hacerse con mucha suavidad. Pedro Limón Covarrubias 22

Control del producto terminado Control de espesor Compacidad Acabado Pedro Limón Covarrubias 23

Comportamiento de una mezcla bituminosa Pedro Limón Covarrubias 25

El módulo resiliente (I) Pedro Limón Covarrubias 26

El módulo resiliente (II) Pedro Limón Covarrubias 27

Factores que afectan al módulo resiliente (I) Nivel de Esfuerzo Frecuencia de carga Contenido de betún Tipo de árido Contenido de huecos Tipo de betún Tipo de ensayo Temperatura de ensayo Pedro Limón Covarrubias 28

Factores que afectan al módulo resiliente Contenido de betún (II) Pedro Limón Covarrubias 29

Módulo resiliente (MPa) Factores que afectan al módulo resiliente Tipo de betún (III) Módulo resiliente vs Contenido de modificadores del betún 6000 4000 2000 0 Mezcla convencional Mezcla con caucho Mezcla con caucho fino 2,5% Mezcla con caucho fino 3,0% Mezcla con caucho fino 3,5% Pedro Limón Covarrubias 30

Factores que afectan al módulo resiliente Contenido de huecos (IV) Pedro Limón Covarrubias 31

Plan de trabajo ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE Elaboración de probetas Extracción de testigos Estudio del efecto de diferentes variables Sensibilidad del ensayo Estudio de la compacidad Estudio comparativo probetas-testigos Valores representativos de módulo resiliente por tipo de mezcla Efecto del módulo en la fatiga de la mezcla Efectos de ejecución deficiente mediante análisis estructural CONCLUSIONES Y PROPUESTAS Pedro Limón Covarrubias 33

Sensibilidad del ensayo Composición de la mezcla: Contenido de ligante Tipo de ligante Naturaleza y calidad del árido Granulometría Tamaño máximo del árido Elaboración de las probetas Energía de compactación Temperatura de compactación Tipo de compactación Altura de la probeta Ejecución del ensayo Temperatura de ensayo Frecuencia de aplicación de carga Inmersión de probetas en agua Pedro Limón Covarrubias 34

Módulo resiliente (MPa) Sensibilidad del ensayo Composición (I) Efecto del contenido de betún 5000 4000 3000 2000 1000 0 5 5 (1%Menor) 6 5 (Óptimo) 7 5 (1%Mayor) Contenido de betún (%) Pedro Limón Covarrubias 35

Módulo resiliente (MPa) Sensibilidad del ensayo Composición (II) Efecto del tipo de Betún 5000 4000 3000 2000 1000 0 PG 58-22 PG 64-22 PG 70-22 PG 76-22 PG 82-22 Tipo de betún Pedro Limón Covarrubias 36

Módulo resiliente (MPa) Sensibilidad del ensayo Composición (III) Efecto del tipo de Árido 5000 4000 3000 2000 1000 0 Calizo Basalto Granito Tipo de árido Pedro Limón Covarrubias 37

Módulo resiliente (MPa) Sensibilidad del ensayo Elaboración (I) Efecto de la energía y temperatura de compactación 5000 4000 3000 2000 1000 0 40ºC menor 20ºC menor Temperatura óptima Temperatura de compactación 35gpc 50 gpc 75 gpc 100 gpc 125gpc Pedro Limón Covarrubias 38

Módulo resiliente (MPa) Sensibilidad del ensayo Elaboración (II) Módulo resiliente vs Densidad 4000 75gpc 3500 50gpc 35gpc 3000 125gpc 2500 75gpc 100gpc 35gpc 50gpc 2000 2.100 2.150 2.200 2.250 2.300 2.350 Densidad (g/cm 3 ) 40ºC menor Temp. óptima Pedro Limón Covarrubias 39

Módulo resiliente (MPa) Sensibilidad del ensayo Ejecución del ensayo (I) Efecto de la temperatura de ensayo 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 5ºC 20ºC 40ºC Temperatura de ensayo PG-58 PG-64 PG-70 PG-76 PG-82 Pedro Limón Covarrubias 40

Análisis experimental (I) Composición de la mezcla: Contenido de ligante (A) El tipo de betún (B) La granulometría (C) El tamaño máximo de árido (D) El tipo de árido (E) Pedro Limón Covarrubias 41

Porcentaje de probabilidad normal Análisis experimental (II) Gráfico de probabilidad normal 100 80 60 C B 40 AB 20 A 0-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Valor estimado Pedro Limón Covarrubias 42

Análisis experimental (III) Elaboración de la mezcla: Altura de probeta (A) Energía de compactación (B) Temperatura de compactación (C) Tipo de compactación (D) Pedro Limón Covarrubias 43

Porcentaje de probabilidad normal Análisis experimental (IV) Gráfico de probabilidad normal 100 80 60 D A C B 40 20 0-300 -100 100 300 500 700 900 Valor estimado Pedro Limón Covarrubias 44

Análisis experimental (V) Ejecución del ensayo: Acondicionamiento de las probetas (A) Frecuencia de carga (B) Temperatura de ensayo (C) Pedro Limón Covarrubias 45

Porcentaje de probabilidad normal Análisis experimental (VI) Gráfico de probabilidad normal 100 80 60 40 20 C 0-12000 -10000-8000 -6000-4000 -2000 0 2000 4000 Valor estimado Pedro Limón Covarrubias 46

MÓDULO RESILIENTE (MPa) Análisis de testigos Obra 3 (I) TESTIGOS PROBETAS 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450 DENSIDAD (g/cm 3 ) Pedro Limón Covarrubias 47

MÓDULO RESILIENTE (MPa) Análisis de testigos Obra 4 (II) TESTIGOS PROBETAS 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450 DENSIDAD (g/cm 3 ) Pedro Limón Covarrubias 48

MÓDULO RESILIENTE (MPa) Análisis de testigos Obra 5 (III) TESTIGOS PROBETAS 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450 DENSIDAD (g/cm 3 ) Pedro Limón Covarrubias 49

MÓDULO RESILIENTE (MPa) Análisis de testigos Obra 7 (IV) TESTIGOS PROBETAS 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450 DENSIDAD (g/cm 3 ) Pedro Limón Covarrubias 50

MÓDULO RESILIENTE (MPa) Análisis de testigos Obra 10 (V) TESTIGOS PROBETAS 5000 4000 3000 2000 1000 0 1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450 DENSIDAD (g/cm 3 ) Pedro Limón Covarrubias 51

Ley de fatiga de probetas fabricadas en laboratorio Pedro Limón Covarrubias 53

Ley de fatiga de testigos de obra (I) Pedro Limón Covarrubias 54

Ley de fatiga de testigos de obra (II) Pedro Limón Covarrubias 55

Cálculo de la vida del firme (I) o o o o o Tráfico T1: 1999 800 vehículos pesados por día. Explanada: E3 Módulo de compresibilidad (Ev2): 300 Mpa Coeficiente de Poisson - mezcla bituminosa: 0,35 - zahorra artificial: 0,40 - explanda: 0,45 Software utilizado: DISPAV-5 Capa Espesor (cm) Mezcla bituminosa 25 Zahorra artificial 25 Pedro Limón Covarrubias 56

Millones de ejes equivalentes Cálculo de la vida del firme (II) Vida en millones de ejes equivalentes vs Temperatura de compactación 100 80 60 40 20 Mr = 2980 MPa Mr = 3752 MPa 0 105 145 Temperatura de compactación ( C) Pedro Limón Covarrubias 57

Millones de ejes equivalentes Cálculo de la vida del firme (III) Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de ejecución de la mezcla 100 80 60 40 20 Mr = 3594 MPa Mr = 3498 MPa 0 Probetas de planta Probetas vs Testigos Testigos de obra Pedro Limón Covarrubias 58

Millones de ejes equivalentes Cálculo de la vida del firme (IV) Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de ejecución de la mezcla 100 80 60 40 20 0 Mr = 4827 MPa Mr = 1170 MPa Probetas de planta Testigos de obra Probetas vs Testigos Pedro Limón Covarrubias 59

Módulo resiliente (MPa) Criterios de control (I) Porcentaje de compacidad vs Módulo resiliente para las variables de elaboración y composición 5000 4000 3000 2000 1000 0 85 90 95 100 Porcentaje de compacidad (%) PG 58-22 PG 64-22 PG 70-22 PG 76-22 PG 82-22 Calizo Granito Gran. Inferior Gran. Superior TMN 1/2" TMN 1" Pedro Limón Covarrubias 61

Módulo resiliente (MPa) Criterios de control (II) Módulo resiliente vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 80 100 Módulo retenido (%) PG 58-22 PG 64-22 PG 70-22 PG 76-22 PG 82-22 Calizo Granito Gran. Inferior Gran. Superior TMN 1/2" TMN 1" Pedro Limón Covarrubias 62

Módulo retenido (%) Criterios de control (III) Porcentaje de compacidad vs Módulo retenido para las variables de elaboración y composición 100 80 60 40 20 0 85 90 95 100 Porcentaje de compacidad (%) Pedro Limón Covarrubias 63

Criterios de control (IV) Pedro Limón Covarrubias 64

Verificación del control de calidad propuesto (I) Pedro Limón Covarrubias 65

Verificación del control de calidad propuesto (II) Control de calidad a partir de valores mínimos de relación entre módulos: Bonificación: Obra 3 Aceptación: Obras 2, 4, 8, 10 y 11 Penalización: Obras 1, 6 y 9 Rechazo: Obras 5 y 7 Control de calidad a partir de valores mínimos de compacidad de acuerdo a Normativa Española: Aceptación: Obras 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 11 Penalización: Obras 7 y 8 Rechazo: Obras 5 y 9 Pedro Limón Covarrubias 66

Verificación del control de calidad propuesto (III) Control de calidad a partir de valores mínimos de compacidad de acuerdo a Normativa Mexicana: Aceptación: Obras 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10 y 11 No aceptación (*): Obras 5 y 9 (*) No se menciona Penalización porque la actual Normativa Mexicana no considera este concepto cuando una mezcla bituminosa no alcanza los valores mínimos establecidos de porcentaje de compacidad. Pedro Limón Covarrubias 67

Conclusiones (I) 1.- La determinación del módulo resiliente de las mezclas bituminosas permite determinar un parámetro relacionado con su cohesión. El módulo depende de la granulometría de la mezcla y de su compacidad, del tipo de árido y del tipo y contenido de betún, siendo estos factores los que determinan la calidad de la mezcla. 2.- El ensayo para la determinación del módulo resiliente, a 20 C, es suficientemente sensible para detectar variaciones en el módulo de las mezclas cuando se modifican las proporciones de sus componentes. Pedro Limón Covarrubias 69

Conclusiones (II) 3.- Con respecto a las condiciones de ejecución, se ha evaluado el efecto de una compactación a bajas temperaturas, habiéndose observado que en esas condiciones, es posible conseguir una adecuada compacidad, aumentando suficientemente la energía de compactación, pero provocando a su vez una importante disminución en el valor de módulo resiliente, lo que supone una reducción de la calidad de la mezcla. 4.- Los resultados obtenidos sobre testigos obtenidos de las diferentes obras analizadas han demostrado que el módulo resiliente está relacionado con la compacidad de la mezcla, permitiendo de este modo conocer la calidad de una mezcla no sólo a través de sus propiedades volumétricas, sino también de sus propiedades mecánicas. Por ello, el actual método de control debe ser complementado con un ensayo que evalúe alguna propiedad mecánica, como es el módulo resiliente. Pedro Limón Covarrubias 70

Conclusiones (III) 5.- El módulo resiliente está relacionado con la resistencia a fatiga de la mezcla. A partir de los módulos y de las leyes de fatiga obtenidas sobre testigos, y bajo determinadas hipótesis de cálculo, ha sido posible evaluar el efecto producido por la disminución del módulo en la vida del firme. 6.- Es posible mejorar el control de calidad habitualmente empleado, mediante el ensayo de módulo resiliente, ya que el actual parámetro de control de calidad, la densidad de referencia, no otorga una información concreta sobre el comportamiento de una mezcla bituminosa después de su colocación y compactación. Pedro Limón Covarrubias 71

Líneas futuras de investigación 1.- Realizar un análisis más detallado del efecto de las variables de composición de las mezclas bituminosas sobre el módulo resiliente, ya que sólo se han estudiado betunes y áridos de la Republica Mexicana. 2.- Llevar a cabo un estudio más amplio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de la ejecución de las mezclas bituminosas a través de los criterios propuestos para comprobar si los rangos establecidos en este estudio son los adecuados para aceptar o rechazar una obra, ya que hasta el momento sólo se han estudiado mezclas utilizadas en la Republica Mexicana. 3.- Corroborar con mayor número de mezclas, tanto de laboratorio como de campo, la relación entre el módulo resiliente y el desempeño a fatiga, especialmente a distintas temperaturas. Pedro Limón Covarrubias 72

Gracias por su atención! Pedro Limón Covarrubias 73