ESTUDIO DEL EFECTO DE ADICIÓN DE UN AUXILIAR DE COMPACTACIÓN SOBRE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS DE ASFALTO MODIFICADO Y SU DESEMPEÑO EN LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE GRANULOMETRÍA DENSA

El desarrollo de nuevas tecnologías o mejora de las existentes para la construcción de pavimentos flexibles, así como el impulso de las mismas es de vital importancia, ya que algunas de estas están orientadas a disminuir o erradicar las dificultades técnicas y operativas existentes en los actuales procedimientos de construcción. Es bien sabido que en México en la construcción de pavimentos flexibles, existe la dificultad de mantener las temperaturas adecuadas durante el periodo de transporte, tendido y compactación debido a factores externos en el proceso constructivo. Por lo que, es importante poder contar con productos y asfaltos capaces de conferir a la mezcla propiedades mecánicas y de manejabilidad adecuadas, a pesar de tener en su proceso de construcción temperaturas inferiores a las recomendadas para mezclas en caliente (mayor a 150°C).

Se evaluó un asfalto modificado (con polímero y ácido polifosfórico como catalizador), y un asfalto modificado más un auxiliar de compactación de tipo amida (AdeC). A los cuales se determinaron sus propiedades reológicas. Además, se determinaron las propiedades mecánicas como módulo resiliente y módulo Marshall para mezclas asfálticas elaboradas con dichos asfaltos. El análisis reológico demostró que la adición del auxiliar de compactación no afecta el grado PG del asfalto. Por otra parte, para la viscosidad del asfalto se encontró una disminución a temperaturas mayores a los 100°C (temperaturas de tendido y compactación), mientras que a temperaturas menores a 80°C (temperaturas de trabajo), el asfalto alcanza la viscosidad del asfalto de referencia. En lo que respecta a la estabilidad y desempeño mecánico las mezclas asfálticas fabricadas con el auxiliar de compactación obtuvieron un desempeño muy similar al de una mezcla fabricada en caliente.

Palabras clave: compactación, módulo resiliente, Grado PG, viscosidad.

 


 

Rey Omar Adame 1
Oscar David Rodríguez 2
Israel Sandoval 3
Ignacio Cremades 4
Pedro Limón 5
Enrique Villa 6

1 Lasfalto, Guadalajara, México, omar.adame@lasfalto.com.mx
2 Lasfalto, Guadalajara, México, oscar.rodriguez@lasfalto.com.mx
3 Lasfalto, Guadalajara, México, israel@surfax.com.mx
4 Súrfax, Guadalajara, México, cremades@surfax.com.mx
5 Lasfalto, Guadalajara, México, pedro@surfax.com.mx
6 Lasfalto, Guadalajara, México, evilla@lasfalto.com.mx

1 Introducción
En general las mezclas asfálticas pueden clasificarse de acuerdo a su rango de temperatura de producción (mezclado), las cuales van desde una mezcla en frío hasta mezclas asfálticas en caliente, 2 de 11 estas últimas son las de mayor uso en México y el mundo, mezclas que dependen en gran medida de la calidad de los procesos constructivos y técnicas con que fueron concebidas.
Durante el proceso constructivo de la carpeta asfáltica las temperaturas de mezclado, tendido y compactación son trascendentales y están directamente relacionadas con la viscosidad (manejabilidad) del asfalto, así como los factores climáticos y la logística de la obra en cuestión. En México las temperaturas recomendadas de producción de mezcla asfáltica con asfalto convencional rondan los 165°C y para algunas con asfalto modificado están entre 175 y 190°C. Mientras que las temperaturas de compactación deberían estar por encima de 155 y 165°C para una mezcla con asfalto convencional y una con asfalto modificado, respectivamente. Sin embargo, en nuestro país un problema muy común es el alcanzar la temperatura de compactación necesaria para obtener buenas propiedades mecánicas en la carpeta, algunos de los factores que afectan a este importante parámetro son en principio, bajas temperaturas (entre 90 – 130°C) de la mezcla causadas por: largas distancias de acarreo, tiempos demasiado prolongados para volcar la mezcla en la tolva de la extendedora, número de compactadores insuficientes en la obra, factores climáticos (climas fríos), factores externos (tráfico excesivo, accidentes, baja velocidad de circulación, etc.), y malas prácticas como no proteger térmicamente la mezcla cuando esta sobre el camión transportador de la mezcla. Factores que colaboran al enfriamiento paulatino de la mezcla y que es en detrimento de una correcta compactación.
Es importante mencionar que un buen proceso de compactación es esencial para alcanzar la densidad esperada y por lo tanto el porcentaje de vacíos de una mezcla,  parámetros que colaboraran a la disminución de problemas de desempeño mecánico y funcional de la mezcla.
Es por eso que el uso de productos que ayuden a tener una correcta y fácil compactación es muy importante. En este trabajo se presenta la evaluación de un auxiliar de compactación de tipo amida que no modifica las propiedades del asfalto y permite compactaciones de excelente calidad a temperaturas por debajo de los 150°C lo que significa poder alcanzar las densidades esperadas en la mezcla y por ende el desempeño esperado para el cual se diseñó.

2 Caracterización del asfalto
El uso de los asfaltos modificados en la actualidad ha venido a la alza, objeto de las buenas experiencias que se han tenido durante su uso. Sin embargo, aún faltan técnicas por desarrollar que permitan el uso de asfaltos modificados a diferentes temperaturas y en condiciones especiales que faciliten el proceso constructivo de los pavimentos flexibles. Para este trabajo, los asfaltos usados fueron modificados con un Terpolímero Elastomérico Reactivo de Etileno (RET por sus siglas en inglés para “Reactive Elastomeric Terpolymer”) y ácido polifosfórico como catalizador con los porcentajes siguientes:

1. AC-20 Salamanca + 1. 13% Terpolímero RET + 0.13% Ácido polifosfórico = asfalto de referencia
2. AC-20 Salamanca + 1. 13% Terpolímero RET + 0.13% Ácido polifosfórico + 2.0% Auxiliar de compactación de tipo amida = asfalto de referencia + auxiliar de compactación

Tabla 1. Evaluación reológica para el asfalto modificado y asfalto modificado más auxiliar de compactación.

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Después de la evaluación y cálculo del grado de desempeño se determinó la evolución de la viscosidad con respecto a la temperatura. En la tabla 2 se observa que la viscosidad a las temperaturas de 70 y 80°C se aproxima a un aumento de casi el 20% para el asfalto modificado y aditivado con el 2.0% del auxiliar de compactación, con respecto al asfalto de referencia. Sin embargo, a partir de los
90˚C ocurre lo contrario el asfalto aditivado presenta una viscosidad menor que la del asfalto de referencia.

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El comportamiento de la viscosidad descrito anteriormente puede ser apreciable con mayor facilidad en la figura 1. Donde se grafica el porcentaje de viscosidad retenida del asfalto que contiene el 2% del auxiliar de compactación y se mantiene como blanco la viscosidad del asfalto modificado de referencia.

El porcentaje de viscosidad retenida se define de la siguiente manera:

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donde A es el asfalto modificado + 2.0% del auxiliar de compactación.

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Se realizó el envejecimiento en RTFO con el objetivo de observar los cambios en el asfalto después de simular el proceso de mezclado y tendido. En la tabla 3 se pone de manifiesto que el grado de desempeño se mantiene en 76 para ambos asfaltos (referencia y aditivado con el 2.0% de auxiliar de compactación). Además, el asfalto aditivado no presenta cambios significativos respecto a la referencia en ninguno de los parámetros evaluados como temperatura de falla, módulo reológico y ángulo de fase.

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Para completar el análisis reológico se realizó la prueba multi stress creep recovery (MSCR) para ambos asfaltos. Los resultados de dicha evaluación se muestran en la tabla 4. Se presenta primero la respuesta elástica promedio “RE”. Para el esfuerzo de deformación aplicado igual a 100 y 3200 Pascales, la respuesta elástica promedio se identifica como RE100 y RE3200 respectivamente.
Observando la tabla 4 se observa que el asfalto que contiene el 2.0% del auxiliar de  compactación presenta una disminución en la respuesta elástica del 10 y 30% para los esfuerzos de 100 y 3200kPa respectivamente, comparado con la respuesta elástica del asfalto modificado de referencia.
El siguiente parámetro es el “Jnr” (deformación permanente en función del esfuerzo aplicado), que es una medida de la deformación que queda en el asfalto después de ser sometido a procesos de esfuerzo cortante y tiempo de recuperación repetidos, con relación al esfuerzo cortante aplicado. El asfalto de referencia tiene valores menores de Jnr que el asfalto aditivado, pero existe un criterio para determinar en base al tipo de tráfico si estos valores son adecuados o no, pero no se entra en detalle para efectos prácticos de este trabajo. Lo que se puede decir acerca de los valores de Jnr obtenidos para el asfalto que contiene el auxiliar de  compactación es que siguen siendo buenos en términos del tráfico o carga que puede soportar.

Tabla 4 Parámetros obtenidos de la prueba MSCR

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3 Desempeño de la mezcla asfáltica y resultados
Inicialmente, se fabricaron mezclas asfálticas de granulometría densa en caliente utilizando el asfalto modificado de referencia con una temperatura de 165°C para su mezclado y 155°C para su compactación (usadas como mezclas de referencia y con temperaturas recomendadas de acuerdo a la experiencia en campo). Posteriormente, se fabricaron mezclas con el asfalto modificado y aditivado con el 2.0% del auxiliar de compactación a 140°C y su compactación se realizó en intervalos de temperatura de 10°C, desde 130°C hasta 110°C (ver tabla 5). Por otra parte, se usó una granulometría estandarizada con el objetivo de reducir esta variable en el agregado y así evaluar las propiedades volumétricas bajo una misma condición. Además, el contenido de asfalto utilizado fue el mismo porcentaje de 6.0% para las mezclas asfálticas 1 y 2.

Los tipos de asfalto utilizado para el estudio fueron: un asfalto modificado con Terpolímero RET con un porcentaje de 1.13% y 0.13% de ácido polifosfórico como catalizador, y para el caso de las mezclas asfálticas 2 un asfalto modificado de igual manera y con la misma dosificación de Terpolímero RET y ácido polifosfórico pero aditivado con 2.0% del auxiliar de compactación.
El caso del agregado se usó un material basáltico con una granulometría controlada y la requerida para una mezcla densa.

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Una vez fabricadas y compactadas las mezclas, se calculó su densidad y relación de vacíos para observar el efecto de los dos tipos de asfalto en la mezcla y como afectan a su compacidad (ver tabla 6). Posteriormente, se analizó su capacidad a la relación esfuerzo-deformación mediante el módulo resiliente. Además, se determinó su estabilidad y flujo en la prensa Marshall.
En la tabla 7 se presentan los resultados obtenidos para cada una de las propiedades analizadas.

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El uso del auxiliar de compactación colabora a la mejora en la compacidad de la mezcla a bajas temperaturas, se observa que todos los especímenes logran una densidad muy similar a la mezcla de tipo 1 para este trabajo. Es así que, para este parámetro el uso de dicho auxiliar presenta resultados satisfactorios.

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El valor de estabilidad para las mezclas asfálticas 2 compactadas a 120 y 130°C presentó una caída de menos de 1 KN con respecto a las mezclas asfálticas 1 o de referencia. Sin embargo, para las mezclas compactadas a 110°C la caída de la estabilidad es considerable, por lo que desde el punto de vista de estabilidad no es recomendable realizar compactaciones a esta temperatura. Además, es evidente que la prueba Marshall presenta poca sensibilidad entre las temperaturas de compactación, tal es el caso para las mezclas compactadas de 130 y 120°C debido a que los resultados son muy similares a mezclas producidas por arriba de los 150°C.

Con respecto al flujo las mezclas compactadas a 155 y 130°C presentan flujos iguales, mientras que las compactadas a un temperatura de 120 y 110°C muestran resultados de más de 10 mm de flujo.

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El módulo resiliente (compresión diametral) prueba realizada en una prensa universal marca GCTS a una temperatura de ensayo de 20°C de acuerdo a la normativa AASHTO T 322-07, esta prueba es altamente sensible a la temperatura y a la razón de aplicación de carga. Para este caso de estudio el módulo resiliente para la mezcla asfáltica compactada a 155°C (mezcla clasificada para este trabajo como tipo 1), es quien presenta el valor más alto. Sin embargo, para las mezclas tipo 2 en las que se usa el auxiliar de compactación, el valor del módulo resiliente se ve afectado apenas entre un 7 y 13 % para las mezclas compactadas a 130 y 120°C respectivamente. Por otro lado, para la temperatura de 110°C el módulo es considerablemente afectado casi hasta en un 40%. Además, esta temperatura modifica la compactación reduciendo los vacíos en la mezcla, provocando susceptibilidad a deformaciones permanentes y reduciendo la capacidad de la carpeta. Por lo tanto, no se recomienda la compactación por debajo de los 120°C.

También, es importante mencionar que el valor de módulo resiliente disminuye en relación a la reducción de las temperaturas de  compactación, específicamente en la temperatura de 120°C y 110°C. Por lo que está identificada la importancia de compactar por encima de estas temperaturas y garantizar un desempeño correcto en la mezcla asfáltica.

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4 Conclusiones
El uso de mezclas asfálticas en México y el mundo debe garantizar la durabilidad de los pavimentos ante los diferentes tipos de fallas independientemente de la temperatura a la que haya sido construida. Por lo cual se busca garantizar buenas propiedades y desempeño para los diferentes tipos de fabricación de mezclas asfálticas en la pavimentación. La compactación y la energía necesaria para llevar a cabo esta actividad como parte de un proceso constructivo es importante por lo que se buscan productos que favorezcan a la simplicidad de este proceso.
Respecto a la evaluación reológica del asfalto de referencia se puede concluir que la adición del 2% del auxiliar de compactación no modifica significativamente los parámetros reológicos ni el grado de desempeño del asfalto modificado.
La evaluación reológica del asfalto envejecido por RTFO evidencia que las propiedades reológicas y el grado de desempeño para ambos asfaltos son prácticamente iguales. No obstante la evaluación mediante el ensayo de MSCR mostró que el asfalto modificado que contiene el 2.0% del auxiliar de compactación tuvo valores menores de recuperación para ambos esfuerzos (100 y 3200Pa) pero sin afectar el desempeño del asfalto dentro de la mezcla.

El ensayo de módulo resiliente es un parámetro importante para definir y poder predecir la vida útil de una mezcla asfáltica, además de que evidencia la calidad del asfalto como componente de la mezcla. Por lo que, en base a los resultados obtenidos se puede concluir que las mezclas que contenían el 2.0% del auxiliar de compactación pudieron mantener de manera significativa un buen comportamiento mecánico de la mezcla, similar al de las mezclas de referencia, a pesar de haber sido mezcladas y compactadas a una temperatura hasta 20°C menor.
Finalmente, para garantizar el buen comportamiento mecánico de la mezcla que contiene el auxiliar de compactación no se recomiendan temperaturas de compactación menores a los 120°C.


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