Ljniversidad De Chile Facultad De,ciencias

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. lJNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE, CIENCIAS FISICASYMATElVlATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIV1L . ESTUDIO DE LA UTILIZACIÓN DE CAUCHO DE NEUMÁTICOS EN MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE MEDIANTE PROCESO SECO MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL NÁYADE IRENE RAMÍREZ PALMA PROFESOR GUÍA: GABRIELA MUÑOZ ROJAS MIEMBROS DE LA COMISIÓN: DAVID CAMPUSANO BROWN FEDERICO DELFÍN ARIZTÍA SANTIAGO DE CHILE DICIEMBRE 2006 CONTENIDO Pág. 1. INTRODUCCIÓN 1 1.1 INTRODUCCIÓN GENERAL 1 1.2 OBJETIVOS 4 2. MARCO TEÓRICO 2.1 5 MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE 2.1.1 5 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS 8 2.2 MÉTODO DE DISEÑO 2.3 ASFALTOS MODIFICADOS 3. MODIFICACIÓN DE 5 11 MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE 12 INCORPORACIÓN DE CAUCHO DE NEUMÁTICOS DESECHADOS 3.1.1 CARACTERISTICAS DE LOS NEUMÁTICOS 12 3.2 NEUMÁTICOS DESECHADOS 14 3.2.1 PROCESO AMBIENTAL 15 3.2.2 TRITURACIÓN CRIOGÉNICA 16 3.3 APLICACIÓN DE GRANOS DE CAUCHO EN LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS 3.3.1 18 PROCESO POR VÍA HÚMEDA Modificación del ligante 3.3.1.2 Especificaciones para el proceso por vía húmeda según Dirección de 3.3.2 20 21 PROCESO POR VÍA SECA 3.3.2.1 3.4 25 Tecnologías para el uso de caucho reciclado mediante vía seca 29 EXPERIENCIAS EXTRANJERAS Y NACIONALES UTILIZANDO CAUCHO 30 RECICLADO 3.5.1 TRAMO EXPERIMENTAL I (Ruta X –65, km 22.270-22.770) 3.5.2 TRAMO EXPERIMENTAL II (Ruta 60 CH, km 66.000-67.500) DESARROLLO EXPERIMENTAL 4.1 27 CARACTERÍSTICAS DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE MODIFICADAS CON CAUCHO 3.5 19 3.3.1.1 Vialidad 4. LA 31 33 36 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES i 36 4.1.1 AGREGADOS PÉTREOS 36 4.1.2 LIGANTE ASFÁLTICO 39 4.1.3 MEZCLA DE ÁRIDOS 41 43 4.2 DISEÑO MARSHALL DE LA MEZCLA PATRÓN 4.3 PREPARACIÓN DE LA MEZCLA MEDIANTE PROCESO POR VÍA SECA 48 4.3.1 CAUCHO UTILIZADO 4.3.2 GRANULOMETRÍA DE LA MEZCLA MEJORADA CON CAUCHO 50 4.3.3 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE CAUCHO 4.3.4 METODOLOGÍA PARA 48 LA CONFECCIÓN DE LA 51 MEZCLA MEJORADA CON CAUCHO 51 52 4.4 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO Y TEMPERATURA DE DIGESTIÓN 4.5 ESTUDIO DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA Y TIEMPO DE DIGESTIÓN EN LOS PARÁMETROS MARSHALL 4.6 4.5.1 DENSIDAD 59 4.5.2 ESTABILIDAD 61 4.5.3 FLUIDEZ 62 4.5.4 HUECOS EN LA MEZCLA TOTAL 64 4.5.5 VACÍOS EN EL AGREGADO MINERAL 66 DISEÑO FINAL 68 4.6.1 PARÁMETROS MARSHALL 4.6.2 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE ASFALTO PARA EL DISEÑO 4.7 59 69 75 VERIFICACIÓN DEL PORCENTAJE DE CAUCHO DE DISEÑO 77 4.7.1 RESISTENCIA A COMPRESION DIAMETRAL 77 4.7.2 MODULO RESILIENTE 80 4.7.2.1 Módulo Resiliente según Norma CEN 12697-26 82 4.7.2.2 Módulo Resiliente según Norma ASTM D4123-82 84 4.7.3 RESISTENCIA A LA FATIGA 89 4.7.4 RESULTADOS FINALES 92 5 CONCLUSIONES 93 5.1 GENERALES 93 5.2 ESPECÍFICAS 94 ii 6. RECOMENDACIONES 96 7. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS 98 ANEXOS 102 iii LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 2.1. Martillo Marshall 9 Figura 2.2. Equipo Marshall 10 Figura 3.1. Acumulación de neumáticos a la orilla del camino 14 Figura 3.2. Esquema de fabricación de asfalto modificado con caucho mediante el proceso por vía húmeda 20 Figura 3.3. Esquema de fabricación de la mezcla asfáltica con caucho por vía seca 26 Figura 4.1. Curva distribución granulométrica agregados 38 Figura 4.2. Curva distribución granulométrica mezcla IV-A-12 42 Figura 4.3. Probetas Marshall sin desmoldar 44 Figura 4.4. Variación de la Densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón 45 Figura 4.5. Variación de la Estabilidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón 45 Figura 4.6. Variación de la Fluidez respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón 46 Figura 4.7. Variación de los Huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón 46 Figura 4.8. Variación de Vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón 47 Figura 4.9. Curva distribución granulométrica caucho 49 Figura 4.10. Conjunto de compactación 52 Figura 4.11. Resultados mezclas C1 y C2 55 Figura 4.12. Resultados mezclas C3 y C4 56 Figura 4.13. Resultados mezclas C5, C6 y C7 57 Figura 4.14. Resultados mezclas con 1% de caucho con tiempo de digestión de dos horas 58 Figura 4.15. Variación de la densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión 60 iv Figura 4.16. Variación de la densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas 61 Figura 4.17. Variación de la Estabilidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión 62 Figura 4.18. Variación de la fluidez respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión 63 Figura 4.19. Variación de los huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión 65 Figura 4.20. Variación de los huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas 66 Figura 4.21. Variación de vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión 67 Figura 4.22. Variación de vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas 68 Figura 4.23. Variación de la densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas 70 Figura 4.24. Variación de la estabilidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas 71 Figura 4.25. Variación de la fluidez respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas 72 Figura 4.26. Variación de los huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170ºC por dos horas 74 Figura 4.27. Variación de vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas 75 Figura 4.28. Variación de la resistencia a la compresión diametral respecto al porcentaje de caucho 76 Figura 4.29. Equipo Nottingham Asphalt Tester NU-10 81 Figura 4.30. Marco de Carga para Ensayes de Módulo Resiliente 81 v Figura 4.31. Variación del Módulos Resiliente a distintas temperaturas respecto al 83 porcentaje de caucho Figura 4.32. Variación del Módulo Resiliente con relación a la frecuencia de aplicación de carga a una temperatura de 25ºC 86 Figura 4.33. Variación del Módulo Resiliente con relación a la frecuencia de aplicación de carga a una temperatura de 40ºC 86 Figura 4.34. Variación del Módulo Resiliente con relación al incremento en el porcentaje de caucho, para una temperatura de 25ºC 88 Figura 4.35. Variación del Módulo Resiliente con relación al incremento en el porcentaje de caucho, para una temperatura de 40ºC 88 Figura 4.36. Marco de Carga para Ensaye de Fatiga 90 Figura 4.37. Curva de Fatiga para mezclas con distinto porcentaje de adición de 91 caucho vi LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 3.1. Terminología asociada con el uso del caucho en las mezclas asfálticas 18 Tabla 3.2. Granulometría SemiGap Graded 22 Tabla 3.3. Requerimientos del caucho triturado en migas 23 Tabla 3.4. Requisitos del ligante asfalto-caucho después de la reacción según ASTM 24 Tabla 3.5. Requisitos Mezcla con Asfalto-Caucho 24 Tabla 3.6. Granulometría del caucho usado en Ruta X-65 32 Tabla 4.1. Densidades y absorción del agregado pétreo 37 Tabla 4.2. Granulometría agregado pétreo 38 Tabla 4.3. Cubicidad de partículas agregado pétreo grueso 39 Tabla 4.4. Índice de Plasticidad agregado pétreo 39 Tabla 4.5. Resistencia al desgaste de agregado pétreo grueso 39 Tabla 4.6. Resultados cemento asfáltico 41 Tabla 4.7. Densidades y absorción de la mezcla de agregados 41 Tabla 4.8.Granulometría Semidensa según Manual de Carreteras Vol. 5 y mezcla de trabajo 42 Tabla 4.9. Requisitos para Mezclas Asfálticas según especificaciones del M.C.-V.5 43 Tabla 4.10. Parámetros Marshall de la mezcla patrón 44 Tabla 4.11. Granulometría del caucho suministrado por PROBISA 49 Tabla 4.12. Granulometría del caucho utilizada 49 Tabla 4.13. Distribución Granulométrica en peso de mezclas con caucho 50 Tabla 4.14. Distribución Granulométrica en volumen de mezclas con caucho 50 Tabla 4.15. Resultados ensaye Inmersión-Compresión 54 Tabla 4.16. Resultados mezclas con 1% de caucho con tiempo de digestión de dos horas 58 Tabla 4.17. Resultados de Densidad 59 Tabla 4.18. Resultados de Estabilidad Marshall 61 Tabla 4.19. Resultados de Fluidez Marshall 63 Tabla 4.20. Resultados de huecos en la mezcla total 64 Tabla 4.21. Resultados de vacíos en el agregado mineral 66 vii Tabla 4.22. Resultados de Densidad para mezclas con temperatura de digestión 69 de 170ºC Tabla 4.23. Resultados de Estabilidad Marshall para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC 71 Tabla 4.24. Resultados de Fluidez Marshall para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC 72 Tabla 4.25. Resultados de huecos en la mezcla total para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC 73 Tabla 4.26. Resultados de vacíos en el agregado mineral para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC 74 Tabla 4.27. Parámetros Marshall para evaluar el porcentaje de asfalto 76 Tabla 4.28. Resultados de las mezclas con 5.5% de cemento asfáltico 77 Tabla 4.29. Resultados mezclas con distinto porcentaje de caucho 78 Tabla 4.30. Resultados Módulo Resiliente a 25ºC según Norma CEN 12697-26 82 Tabla 4.31. Resultados Módulo Resiliente a 40ºC según Norma CEN 12697-26 82 Tabla 4.32. Resultados Módulo Resiliente según Norma ASTM D4123-82 85 Tabla 4.33. Resultados Ensaye de Fatiga 91 TABLA A.1: Resultados mezcla patrón (P1) 103 TABLA A.2: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas con 1.0% de caucho (C1) 103 TABLA A.3: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas con 1.5% de caucho (C2) 104 TABLA A.4: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 160ºC por una hora con 1.0% de caucho (C3) 104 TABLA A.5: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 160ºC por dos horas con 1.0% de caucho (C4) 105 TABLA A.6: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 170ºC por dos horas con 0.5% de caucho (C5) 105 TABLA A.7: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 170ºC por dos horas con 1.0% de caucho (C6) 106 TABLA A.8: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 170ºC por dos horas con 1.5% de caucho (C7) 106 viii 1. INTRODUCCIÓN 1.1 INTRODUCCIÓN GENERAL Los neumáticos desechados constituyen un grave problema medioambiental en Chile y en el mundo. Las principales dificultades generadas por este residuo, tienen que ver con su disposición final, dado que la mayoría de los neumáticos fuera de uso, se encuentran botados a la orilla del camino, en sitios eriazos o en vertederos clandestinos, ocupando gran espacio. La acumulación de neumáticos incrementa la posibilidad de incendios y la posible emanación de gases tóxicos, además de contribuir a la proliferación de roedores, insectos y otros posibles focos de infecciones. La solución al problema que plantean los neumáticos fuera de uso, pasa necesariamente por la búsqueda de vías capaces de valorizar adecuadamente este residuo bajo condiciones económicas aceptables y en cantidades suficientes como para hacer frente al elevado número de toneladas que se generan anualmente. Desde el punto de vista de la reutilización como materia prima, se debe tener presente que en un neumático, alrededor de un 60% de su composición son cauchos naturales o sintéticos, con posibilidades de ser utilizados en otras aplicaciones. El caucho granulado reciclado de neumáticos se obtiene a través de la trituración de éstos y la separación de los componentes que los constituyen, principalmente el acero y las fibras textiles. La trituración del neumático se realiza principalmente por dos métodos, uno a temperatura ambiente y otro, criogénico. El primero de ellos, consiste en un proceso puramente mecánico de trituración, donde los distintos tamaños de los granos de caucho dependen de las etapas a las que se haya sometido. En segundo lugar, en la trituración criogénica, los neumáticos se someten a baja temperatura, con lo cual el caucho se vuelve frágil y fácil de destrozar en pequeñas partículas. A través de los procesos nombrados, se obtiene migas de caucho con determinadas granulometrías para distintas aplicaciones. En la actualidad, la instalación en el país de plantas recicladoras de neumáticos y procesadoras del caucho, se encuentra por el momento sólo en etapa de proyecto, esperando algún incentivo para realizar esta gran inversión. Esto implica que, desde un punto de vista 1 económico, los precios para obtener el caucho sean altos, pues sólo se consigue importándolo desde países como Brasil o China. Las mezclas asfálticas utilizadas en pavimentos, pueden incorporar una parte importante del caucho de contenido en los neumáticos desechados. La adición de caucho proveniente de neumáticos a las mezclas asfálticas es una forma de reciclar tales desechos y mejorar las propiedades del pavimento. Las mezclas asfálticas modificadas con caucho permiten obtener un pavimento con mejores respuestas a los cambios térmicos, así como también se aumenta la resistencia a la fisuración por fatiga y al envejecimiento, aumentando la vida útil del pavimento y disminuyendo los costos de mantenimiento. Por otro lado, el incorporar caucho a las mezclas, reduce el nivel de ruido generado por el tráfico al contacto con el pavimento y ayuda a la preservación del medio ambiente al reciclar los neumáticos. Las formas más comunes de incorporación de caucho de neumáticos en desuso dentro de las mezclas asfálticas, son la vía húmeda y la vía seca. En la primera de ellas, el caucho es mezclado directamente con el ligante, de igual forma que un asfalto modificado, para añadir posteriormente los agregados. En la vía seca, los granos de caucho se añaden como una fracción de áridos, sustituyendo parte de la fracción fina de la mezcla, antes de la incorporación del ligante. El grado de aporte de la incorporación del caucho molido en la mejora de las propiedades de las mezclas, depende de varios factores, dentro de los cuales se pueden incluir la tecnología de la incorporación (vía seca o húmeda), naturaleza del caucho, su granulometría y el tamaño de las partículas, porcentaje de adición y el tiempo de reacción para el proceso húmedo y para el caso de la incorporación por vía seca, el tiempo de digestión. La utilización de caucho en mezclas asfálticas no es reciente. Varios países, como USA, Canadá, Brasil y España entre otros, han incorporado este tipo de mezclas en tareas de conservación y construcción de pavimentos. En Chile, el estudio de las mezclas asfalto caucho se ha venido investigando desde el año 1999. Con el apoyo del MOP y del Instituto Chileno del Asfalto, la empresa Probisa realiza un estudio del mejoramiento del asfalto en 2 base a reciclados de neumáticos (2000) y en el año 2002, un memorista de la Universidad de Chile efectúa un estudio en laboratorio acerca de la factibilidad técnica de las mezclas asfálticas modificadas con caucho, utilizando el método húmedo. Cabe destacar la existencia de dos tramos de prueba realizados por la Dirección de Vialidad utilizando asfalto caucho a través del proceso húmedo, el primero de ellos es un tramo de la ruta X-65 en la XI región, realizado en el mes de mayo del 2004, y el segundo, en la rehabilitación de la ruta 60-CH, en la V región, llevado a cabo en el mes de marzo del año 2005. (Ver referencia Nº[1]) El presente trabajo se enmarca dentro de una iniciativa de investigación de parte del Laboratorio Nacional de Vialidad y lo que se pretende es estudiar el efecto de la incorporación de caucho de neumáticos desechados dentro de mezclas asfálticas en caliente utilizando la vía seca, a través de ensayos en laboratorio, y compararlas con los estudios y experiencias realizadas en Chile mediante el proceso húmedo y con mezclas asfálticas tradicionales. Con este trabajo, se espera obtener una caracterización de las mezclas asfálticas con caucho mediante proceso seco, lo que permitiría proponer normativas para la Dirección de Vialidad, especialmente dentro del Manual de Carreteras. 3 1.2 OBJETIVOS Objetivos generales • Estudiar el comportamiento mecánico de las mezclas asfálticas a las cuales se les ha incorporado caucho como material granular fino. Objetivos específicos • Tomar conocimiento de la realidad nacional e internacional acerca del tema y de los proyectos ya realizados usando los distintos procesos de incorporación de caucho dentro de las mezclas asfálticas. • Caracterizar el caucho proveniente del reciclaje de neumáticos, para establecer proporciones a usar dentro de la granulometría del árido de la mezcla. • Realizar ensayos que permitan evaluar las propiedades de la mezcla en la cual será utilizado el caucho como material granular fino. • Proponer especificaciones para mezclas asfalto caucho mediante el proceso seco. 4 2. MARCO TEÓRICO 2.1 MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE La mezcla asfáltica la constituye un material pétreo recubierto con una película de asfalto, uniformemente combinados, en proporciones previamente especificadas. Las cantidades relativas de estos materiales, determinan las propiedades y características de la mezcla. Las mezclas asfálticas pueden fabricarse en caliente o en frío, siendo más comunes las primeras. Se denominan “mezclas en caliente”, pues para lograr que los áridos se mezclen homogéneamente con el asfalto, ambos componentes se llevan a temperaturas altas, sobre los 100ºC, para obtener una buena trabajabilidad de la mezcla. El proceso de mezclado se realiza en una Planta Asfáltica, y luego se transporta la mezcla al sitio de pavimentación y se coloca por medio de una pavimentadora o finisher, asegurándose que la superficie se encuentre preparada correctamente. Una vez extendida, se somete a un proceso de compactación, que hace que esta mezcla tenga propiedades resistentes al desgaste producido por el paso de los vehículos, y a su vez, pueda traspasar la solicitación del peso de ellos hacia las capas más profundas, absorbiendo una parte de esta solicitación. A través de este proceso, se obtiene una superficie suave y bien consolidada. 2.1.1 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS Las propiedades fundamentales que deben tener las mezclas asfálticas son las siguientes: Durabilidad, propiedad de la mezcla que hace que el pavimento sea capaz de resistir la desintegración debido al tránsito y al clima. Éste último, afecta principalmente al asfalto de la capa superficial por estar en contacto con el sol, el aire y el agua, pues produce que este material, pierda las propiedades aglutinantes, se oxide, se endurece y envejece, afectando la vida útil del pavimento. 5 Estabilidad, se refiere a la capacidad de la mezcla asfáltica para resistir las cargas de tránsito sin que se produzcan deformaciones. Esta propiedad depende de la cohesión de la mezcla y de la fricción interna. La fricción interna es aportada por el material pétreo y depende del tamaño del árido y de la rugosidad de sus caras. Las mezclas con materiales más gruesos y de caras angulosas tendrán mayor estabilidad que mezclas con materiales finos. La cohesión es la fuerza aglutinante de la mezcla que depende fundamentalmente de la capacidad que tenga el asfalto de mantener unidas las partículas del agregado. Esta propiedad varía inversamente con la temperatura y aumenta con el contenido de asfalto hasta llegar a un óptimo, luego hace un efecto lubricador. La pérdida de estabilidad en un pavimento se traduce en ahuellamientos y ondulaciones. Flexibilidad, capacidad de la mezcla de adaptarse a las deformaciones por asentamientos de la base y subrasante sin agrietarse. Resistencia a la fatiga, capacidad del pavimento asfáltico de soportar esfuerzos provocados por el tránsito en repetidas pasadas. Impermeabilidad, las mezclas deben ser en lo posible totalmente impermeables, de manera que el agua superficial no pueda atravesar hacia las capas inferiores, evitando con ello que éstas puedan perder capacidad de soporte. Resistencia al deslizamiento, capacidad del pavimento asfáltico de ofrecer resistencia al resbalamiento o deslizamiento, especialmente cuando está húmedo. Trabajabilidad, se refiere a la capacidad que tenga la mezcla de colocarse y compactarse con facilidad. 6 El objetivo principal en el diseño de mezclas asfálticas es encontrar la combinación más económica de agregados y asfalto, que le dé a la mezcla las propiedades antes vistas. En resumen, podría decirse que lo que se busca con el diseño de las mezclas es cumplir con lo siguiente: 1. Asfalto suficiente para asegurar un pavimento durable a través del total recubrimiento de los agregados y trabazón de las partículas, bajo una adecuada compactación. 2. Estabilidad suficiente de la mezcla para satisfacer los requerimientos de servicio y las demandas del tráfico sin deformación o desplazamiento. 3. Porcentaje de huecos en la mezcla total compactada suficiente para absorber la consolidación producto del amasado del tránsito. 4. Adecuada trabajabilidad para permitir una operación de construcción eficiente en la colocación de la mezcla para pavimentación. 7 2.2 MÉTODO DE DISEÑO El diseño de una mezcla asfáltica consiste básicamente en seleccionar una granulometría y un porcentaje de asfalto de modo que, una vez fabricada y puesta en terreno, cumpla las propiedades para la cual fue diseñada. Los métodos de dosificación tienen como fin determinar el porcentaje de asfalto óptimo para una combinación determinada de agregados de acuerdo a las propiedades seleccionadas. Previo al diseño de la mezcla, es necesario que todos los materiales constituyentes, agregados y asfaltos, sean analizados para decidir si son aptos o no para formar parte del pavimento a construir. El método de diseño más utilizado en Chile para las mezclas en caliente, es el Método Marshall, el cual está basado en el empleo de ensayos mecánicos. El Método Marshall es aplicable a mezclas en caliente con cementos asfálticos y que contengan agregados con tamaño máximo igual o inferior a 25 mm. Este procedimiento puede usarse tanto para el diseño en laboratorio como para el control de terreno. El desarrollo del método implica la confección de una serie de probetas normalizadas de 2½” de altura y 4” de diámetro, las cuales difieren en el porcentaje de ligante. Suelen utilizarse al menos cinco contenidos de cemento asfáltico, variando entre uno y otro en 0.5%, tratando de estar por encima y por debajo del óptimo esperado. Para cada contenido de ligante, se fabrican al menos tres probetas. Las probetas se preparan de acuerdo a un procedimiento específico de calentamiento, mezclado y compactación. Las temperaturas de mezclado y de compactación dependen del cemento asfáltico que se utilice para fabricar las probetas. La compactación del material dentro de los moldes se realiza a través del martillo Marshall, que es un dispositivo de acero, formado por una base plana y circular de 3 7 8 ” de diámetro, equipado con un peso de 10 [lb] (4.54 [kg]) y construido de modo de obtener una 8 altura de caída de 18”. Las probetas se compactan con 75 golpes por cara, o como se especifique según el tránsito de diseño. Figura 2.1. Martillo Marshall Las dos características principales de este método de diseño son el análisis Densidad-Huecos y el ensaye de Fluidez y Estabilidad de las probetas. La estabilidad de la probeta es el valor de la carga máxima en Newton que alcanzará al ensayarla a compresión lateral en la máquina de ensaye Marshall, la cual está diseñada para aplicar carga a las probetas a través de unas mordazas semicirculares a una velocidad de deformación de 51 mm por minuto. La fluidez es la deformación, en cuartos de milímetros, que ocurre desde el instante en que se aplica la carga hasta lograr la carga máxima. 9 Figura 2.2. Equipo Marshall Con los valores obtenidos, y en base a los criterios definidos en el Manual de Carreteras en función del tipo de tránsito y el empleo de la mezcla, ya sea como carpeta de rodado, carpeta intermedia o capa base, se obtiene el porcentaje óptimo de asfalto y la mezcla de agregados pétreos que garantizan una buena estructura. 10 2.3 ASFALTOS MODIFICADOS Existen situaciones en las cuales las mezclas asfálticas no son capaces de resistir la acción conjunta del tránsito y clima, por lo cual se hace necesario desarrollar mezclas más resistentes, mejorando sus propiedades mecánicas, haciendo énfasis en la durabilidad, el ahuellamiento y la fatiga. El asfalto es susceptible a la temperatura. Por ser un material viscoelástico, presenta cambios continuos en sus características según el rango de temperaturas de operación: es rígido a bajas temperaturas y fluido a altas. El principal objetivo al utilizar agentes modificadores en el cemento asfáltico es lograr propiedades reológicas no obtenidas en los asfaltos producidos con técnicas convencionales de refinación, principalmente las que tienen que ver con la sensibilidad térmica. Los beneficios que se pueden obtener al modificar el asfalto son: Aumentar la durabilidad del pavimento. Disminuir la susceptibilidad térmica, de modo que se aumente la rigidez a altas temperaturas de servicio, mejorando la resistencia de las mezclas a la deformación permanente y, por otro lado, se reduzca la fragilidad del asfalto expuesto a bajas temperaturas, previniendo la fisuración térmica. Aumentar la resistencia a fatiga de las mezclas. Mejorar la adhesión del asfalto con los agregados pétreos. Mejorar la cohesión, brindando mejor retención de los agregados. Reducir el envejecimiento en servicio, ampliando la vida útil de las mezclas asfálticas, ya que se mantienen las ventajas iniciales. En general, la incorporación de polímeros en las mezclas asfálticas ha permitido mejorar sus propiedades, como disminución de la deformabilidad y mayor resistencia a las solicitaciones del tránsito. Los polímeros son sustancias orgánicas de alto peso molecular que logran hidratarse e hincharse al interactuar con el betún asfáltico. Los polímeros más utilizados son los plastómeros EVA (etileno acetato de vinilo), los elastómeros SBS (estireno-butadieno-estireno) y el caucho molido. 11 3. MODIFICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MEDIANTE LA INCORPORACIÓN DE CAUCHO DE NEUMÁTICOS DESECHADOS Uno de los polímeros utilizados para modificar el ligante y las mezclas asfálticas es el caucho. Este puede ser especialmente fabricado o provenir de la recuperación de piezas en desuso, como es el caso de los neumáticos. 3.1 CARACTERISTICAS DE LOS NEUMÁTICOS Las principales componentes de los neumáticos son cauchos naturales y sintéticos (SBS, SBR) y negro de humo. En menor cantidad, se encuentran el acero, textiles y aditivos, entre los que se destacan aceites, óxido de zinc activado con cadmio, dióxido de titanio, sulfuro, sílica, resinas fenólicas y ácidos grasos. El caucho natural se elabora a partir del látex, que es una resina blanca lechosa que se da en el árbol Hevea, más conocido como árbol del caucho, el cual se encuentra en selvas húmedas tropicales de Brasil, Colombia o Tailandia. Este látex es una dispersión acuosa que contiene entre un 25% a un 40% de caucho. Las cualidades que el caucho natural aporta a los neumáticos son: la maleabilidad, gran resistencia mecánica y adherencia de éstos sobre cualquier tipo de superficie, cualidades que hacen que en la actualidad aún siga siendo un elemento indispensable para la industria de los neumáticos, donde se consume aproximadamente el 70% de la producción mundial. El caucho sintético fue desarrollado en los años 30, para contrarrestar la falta de caucho natural. Las propiedades del caucho sintético son similares a las del natural, pero tiene otras ventajas sobre éste, como por ejemplo, mayor resistencia a la abrasión, alta adherencia al suelo y alta resistencia a la temperatura, más aún que el caucho natural. En general, gran parte del caucho sintético es usado para la fabricación de los neumáticos de automóviles, pero para los de camiones y buses, es necesaria una proporción más grande de caucho natural, con el objeto de controlar mejor la generación de calor. Como dato adicional, se tiene que las llantas de los automóviles contienen aproximadamente 16% de caucho natural y 31% de sintético. 12 La combinación de cauchos naturales y sintéticos, se realiza de modo de que los primeros, proporcionen elasticidad y los segundos, estabilidad térmica. Esta combinación de efectos favorece la durabilidad y la capacidad de adaptarse a las nuevas exigencias del tránsito. El negro de humo es obtenido por combustión o descomposición térmica parcial de gases naturales o hidrocarburos pesados. Este elemento en las llantas permite conseguir unas mezclas más resistentes a la rotura y a la abrasión, dándoles el característico color negro. 13 3.2 NEUMÁTICOS DESECHADOS Cada año millones de neumáticos son desechados en todo el mundo. El principal inconveniente con los neumáticos usados es su disposición final, dado que la mayoría de ellos terminan en sitios eriazos o en vertederos clandestinos. El almacenamiento ocupa un espacio considerable, aparte del peligro por la posibilidad de incendios y además por ser un terreno ideal para la proliferación de roedores e insectos que a menudo son transmisores de enfermedades. La quema directa provoca graves problemas ambientales ya que produce emisión de gases que contienen partículas nocivas para el entorno. En los vertederos, imposibilitan la compactación y ocasionan problemas de estabilidad por degradación química parcial que sufren, generando inseguridad en los mismos. Figura 3.1. Acumulación de neumáticos a la orilla del camino. Se ha estimado que un 80% de los neumáticos desechados proceden de automóviles o camionetas, un 20% de los vehículos pesados, y alrededor del 1% restante son neumáticos especiales para motocicletas, aviones, equipos de construcción y vehículos especiales. 14 En Chile no existe ningún método de reciclaje de los neumáticos. La única solución que se ha dado a mayor escala, es el uso como combustible en los hornos de cementeras, como reemplazo de parte del carbón necesario para la producción de clinker. En etapa de estudio, se encuentra el proyecto de la instalación de una planta procesadora de neumáticos en la planta de Codelco, ubicada en Calama. En la actualidad, se utilizan diversos métodos para valorizar los neumáticos desechados, a través de la obtención de granos de caucho, los cuales se usan como materia prima en la elaboración de mezclas asfálticas. El caucho reciclado es obtenido a través de la trituración de los neumáticos, separándolo de los demás componentes como el acero y las fibras textiles. Según el método utilizado para la producción de granos de caucho, se obtienen diferentes características en cuanto a la forma y textura de ellos. Las técnicas de molienda más comunes son el proceso ambiental y la trituración criogénica. 3.2.1 PROCESO AMBIENTAL La trituración ambiental puede ser lograda de dos modos: por granulación y por molienda. Este es un proceso puramente mecánico, donde el material entra en un molino o granulador a temperatura ambiente, la cual aumenta considerablemente durante el proceso debido a la fricción generada al ser desgarrado. Los granuladores reducen el tamaño del caucho mediante corte por la acción de cuchillas. El tamaño del producto es controlado por tamices ubicados dentro de la máquina, los cuales pueden ser cambiados para variar el tamaño del producto final. Otra forma es pasar el material por una serie de molinos, donde los primarios, secundarios y finales son muy similares, y operan básicamente bajo el mismo principio, estos usan dos rodillos grandes que van rotando, con dentaduras que cortan el material, ubicadas en uno o ambos rodillos. La diferencia de los rodillos está en la configuración que se les da; estos funcionan cara a cara, muy juntos y con distintas velocidades. El tamaño del 15 producto es controlado por el espacio libre entre los rodillos. El caucho, por lo general, es pasado por 2 o 3 molinos para alcanzar varias reducciones de tamaño del grano, y así poder separarlo de los otros componentes como fibras y acero que se encuentran en los neumáticos. Las partículas de caucho producidas en molinos tienen formas típicas alargadas, angostas y con una alta superficie de área. El caucho obtenido por el proceso ambiental, se clasifica según el tamaño de las partículas en Neumáticos cortados, Neumáticos triturados en astillas (Chips), caucho en polvo y caucho en migas. En general, los productos resultantes de este proceso son de alta calidad y limpio de todo tipo de impurezas, facilitando la utilización de este material en nuevos procesos y aplicaciones. 3.2.2 TRITURACIÓN CRIOGÉNICA Este proceso se refiere al empleo de nitrógeno liquido u otros materiales o métodos para congelar trozos de neumáticos o trozos de caucho antes de la reducción de tamaño, volviéndolo frágil y quebradizo como un cristal a temperaturas por debajo de -62ºC. El acero es separado mediante el empleo de imanes. La fibra textil es removida por medio de aspiración y selección. El material resultante presenta aspecto brillante y limpio, con superficies fracturadas y poco contenido de acero y fibra, debido a que la fragmentación ocurre por las uniones entre estos materiales y el caucho. El empleo de temperaturas criogénicas puede ser aplicado en cualquier etapa para la reducción de tamaño de los trozos de neumáticos. Este método requiere instalaciones muy complejas, lo que hace que sea poco rentable económicamente. Al comparar los granos obtenidos por la trituración criogénica y ambiental, se observa que las partículas para el primer método, son relativamente lisas y ovaladas, y para el proceso ambiental, son irregulares en forma y textura superficial. En relación a este 16 aspecto, cabe destacar que la forma final obtenida de los granos de caucho influye en la reacción con el cemento asfáltico, pues para partículas con alta superficie de área, como las obtenidas con el proceso ambiental, la reacción con el ligante es rápida, en cambio, para las partículas obtenidas a través de la trituración criogénica, al tener superficies planas y limpias, se disminuye el nivel de reacción con el cemento asfáltico. 17 3.3 APLICACIÓN DE GRANOS DE CAUCHO EN LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS El caucho proveniente de neumáticos desechados puede ser incorporado en las mezclas asfálticas por medio de tres métodos diferentes denominados como Proceso por Vía Húmeda, Proceso por Vía Seca y Proceso en Refinería. En el Proceso Húmedo, el caucho actúa modificando el cemento asfáltico, mientras que en el Proceso Seco, el caucho es usado como una porción de agregado fino. En el Proceso en Refinería, la mezcla del caucho con el cemento asfáltico se realiza en la planta productora de asfalto, para luego transportarlo a obra en donde se combina con los áridos para producir la mezcla asfáltica. Cada proceso es utilizado dependiendo del producto que se quiera obtener. A continuación, se muestra la terminología asociada al uso de los granos de caucho en mezclas asfálticas: Tabla 3.1. Terminología asociada con el uso del caucho en las mezclas asfálticas. MATERIAL GRANOS DE VÍA PRODUCTO Húmeda Asfalto modificado con caucho ó Asfalto-Caucho CAUCHO Seca Mezcla asfáltica mejorada con caucho 18 3.3.1 PROCESO POR VÍA HÚMEDA En este proceso, se unen los granos de caucho con el cemento asfáltico para producir una mezcla modificada llamada asfalto-caucho, que es usada de la misma manera que un ligante modificado. Este proceso se encuentra definido en la norma ASTM D8-88. La fabricación de asfalto-caucho consiste en la mezcla de los granos de caucho, usualmente de tamaño máximo 0.85 mm, con el cemento asfáltico en un estanque con agitación. Generalmente, el porcentaje de adición de caucho es entre 18-24% con respecto al peso del ligante. Para promover la unión del asfalto y el caucho, es necesario establecer una temperatura y un tiempo de reacción dentro del estanque. Usualmente, la mezcla es formulada a temperaturas entre 180-210º C por 1 a 4 horas. Dentro de los requerimientos del proceso húmedo, se establece que el estanque agitador debe estar en terreno, ubicado junto a la planta asfáltica. Una vez que el asfalto-caucho alcance los parámetros requeridos, especialmente la viscosidad de la mezcla, se incorpora, en un proceso continuo, al mezclador de la planta asfáltica para unirse con los agregados pétreos. 19 En el siguiente esquema, se muestra la fabricación de las mezclas asfalto-caucho por el proceso vía húmeda: La interaccion del caucho con el ligante Figura 3.2. Esquema de fabricación de asfalto modificado con caucho mediante el proceso por vía húmeda. Una vez terminado el mezclado del asfalto-caucho con los agregados pétreos, el concreto asfáltico obtenido se transporta al sitio de pavimentación y se coloca por medio de una finisher tradicional. Para la compactación, generalmente se utiliza un rodillo liso doble tambor. El ligante asfáltico modificado con granos de caucho mediante el proceso húmedo también puede ser utilizado como riego. El más común es el llamado SAM (Stress Absorbing Membrane) que evita la reflexión de grietas. Cuando el riego SAM es puesto entre capas es llamado SAMI (Stress Absorbing Membrane Interlayer), este riego de liga es recomendado cuando la mezcla asfalto-caucho se coloca sobre pavimento antiguo de hormigón. 3.3.1.1 Modificación del ligante. Los granos de caucho al mezclarse con el cemento asfáltico, reaccionan con éste, hinchándose y ablandándose por la absorción de aceites aromáticos, los cuales son componentes químicos del asfalto que le dan la consistencia para que sea trabajable. Las partículas hinchadas se vuelven pegajosas, desarrollando 20 propiedades adhesivas. Además, a medida que se reducen los aceites aromáticos que lubrican la mezcla, se observa un aumento en la viscosidad. El proceso de hinchamiento de las partículas de caucho, no es del tipo química, pues las partículas no se funden en el asfalto. El proceso se asimila a lo que sucede con una esponja seca y dura al sumergirla en agua, pues a medida que la esponja absorbe el agua, se hincha y ablanda. El grado de modificación del ligante depende de ciertos factores entre los cuales se encuentran el tamaño, textura y proporción de los granos de caucho, tipo de cemento asfáltico, tiempo y temperatura de mezclado, grado de agitación mecánica durante la reacción de la mezcla y el componente aromático del cemento asfáltico. La viscosidad de la mezcla es el principal parámetro usado para supervisar la reacción, es por esto que debe ser chequeada a diferentes intervalos de tiempo durante el mezclado y el tiempo de reacción, hasta obtener la viscosidad requerida. 3.3.1.2 Especificaciones para el Proceso por Vía Húmeda utilizadas Dirección de Vialidad. La Dirección de Vialidad construyó dos tramos de prueba, utilizando especificaciones exigidas a los trabajos de construcción de capas superficiales de pavimento con mezcla asfáltica en caliente confeccionada con ligante asfalto-caucho, incluyendo la provisión de materiales, el transporte, la confección, distribución y compactación de la mezcla. A continuación se muestran los requisitos exigidos a los materiales constituyentes de la mezcla asfáltica, entre ellos los áridos, el ligante y el caucho; así como también los requerimientos de mezclado para la fabricación del ligante modificado y la producción de la mezcla asfáltica por vía húmeda. 21 a. Requisitos de los Materiales • Áridos: La fracción gruesa y fina, y el filler deben cumplir con los requisitos de una mezcla asfáltica en caliente según la sección 5.408 del Manual de Carreteras Volumen 5. o Mezcla de áridos: Los áridos combinados deberán cumplir con la banda granulométrica denominada SemiGap Graded, que se indica en la Tabla 2.2., cuando el objetivo del uso del asfalto caucho sea evitar la reflexión de grietas. En otros casos, se usa granulometrías convencionales. Tabla 3.2. Granulometría SemiGap Graded. PORCENTAJE QUE PASA, TAMICES % mm ASTM 100 20 3/4" 80-95 12,5 1/2" 64-79 10 3/8" 49-57 5 Nº 4 43-51 2,5 Nº 8 0,63 Nº 30 37-45 0,30 Nº 50 30-38 0,16 Nº 100 15-24 0,08 Nº 200 9-12 • Ligante asfalto-caucho: Este ligante se compone de asfalto base y caucho de neumático triturado. o Asfalto base: Este material debe cumplir los requisitos del ítem 5.408.202 del Manual de Carreteras Volumen 5. 22 o Caucho triturado: Deberá provenir de la trituración de los neumáticos de vehículos corrientes usando el método ambiental o criogénico, o una combinación de ambos. Los requerimientos son los indicados en la Tabla 2.3. Tabla 3.3. Requerimientos del caucho triturado en migas. REQUERIMIENTOS DEL CAUCHO TRITURADO EN MIGAS (1) Granulometría mm 2 0,85 0,63 0,3 0,08 Tamices ASTM Nº 10 Nº 20 Nº 30 Nº 50 Nº 200 Porcentaje que pasa, % 100 60 – 100 50 – 90 0 – 45 0–5 (2) Contenido de Caucho Natural (3) Densidad Relativa [kg/dm3] Mín. 30% 1,10 – 1,25 o Mezcla asfalto-caucho: - Condiciones de preparación del ligante asfalto-caucho: Porcentaje de caucho en masa c/r al ligante total : 18 – 24% Temperatura de reacción de la mezcla : 180 – 210°C Tiempo de reacción (a la temperatura de reacción) : 1 – 4 horas - Características del Estanque Mezclador: El estanque deberá tener un sistema de calentamiento que permita mantener temperaturas entre 180°C y 210°C, agitadores tipo aspas para mantener en permanente agitación la mezcla asfalto-caucho durante el periodo de reacción y el lapso adicional según sea necesario, de acuerdo al funcionamiento integral de la planta. 23 - Requisitos del Ligante asfalto-caucho después de la reacción: Tabla 3.4. Requisitos del ligante asfalto-caucho después de la reacción según ASTM. Propiedades Mín. Máx. Viscosidad Brookfield a 175°C, [cP] Penetración, 25°C, 100g, 5seg [1/10mm] Penetración, 4°C, 200g, 60seg [1/10mm] Resiliencia, 25°C [%] Punto de Ablandamiento [°C] PDR: Penetración Retenida, 4°C [%] 1.000 25 15 20 55 5.000 75 75 b. Producción de la mezcla asfáltica según proceso húmedo 1a Etapa: Preparación del ligante asfalto-caucho en un estanque provisto de un sistema de agitación a la temperatura y tiempo necesario para lograr la viscosidad especificada. Este estanque debe estar en terreno ubicado al lado de la Planta de Mezcla en Caliente. 2a Etapa: Luego, en un proceso continuo, se efectuará la mezcla con los áridos y filler en una Planta de Mezcla Asfáltica convencional. La temperatura de los áridos deberá estar entre 180ºC y 220°C, dependiendo de la formulación en laboratorio. • Requisitos para la dosificación Marshall: Tabla 3.5. Requisitos Mezcla con Asfalto-Caucho. Propiedades Mín. Máx. Estabilidad Marshall [kN] Fluencia [0,25 mm] Huecos en la Mezcla [%] Huecos en el Agregado Mineral (VAM) [%] Huecos Llenos con Ligante [%] Relación Filler / Ligante 24 8 8 3 16 70 1 16 6 1.5 3.3.2 PROCESO POR VÍA SECA El proceso por vía seca es el método mediante el cual el caucho reciclado es mezclado con los agregados, antes de adicionar el cemento asfáltico. En este proceso, se usan los granos de caucho como un agregado en la mezcla asfáltica, los cuales pueden sumarse como un árido más o como sustituto de una pequeña parte del agregado fino, el cual puede estar entre el uno y tres por ciento del peso total de los agregados de la mezcla. Si bien los granos de caucho son tratados como un árido, no pueden considerarse un material inerte, pues interacciona con el ligante de la mezcla asfáltica. Este proceso de interacción suele llamarse “digestión” del caucho. Mediante este proceso, el caucho pasa de ser un árido elástico a ser un modificador del ligante en la mezcla asfáltica. La digestión es un proceso que prolifera desde la superficie de la partícula de caucho hacia su interior, por lo que será más rápida cuanto más fino sea el polvo de caucho, menor su proporción dentro de la mezcla asfáltica y cuanto más elevada sea la temperatura de la mezcla y el tiempo que se mantenga ésta caliente durante el proceso de fabricación y puesta en obra. En laboratorio, la digestión puede simularse manteniendo la mezcla en horno, a una temperatura en un rango 150-170° C y un tiempo de una a dos horas, previamente a la compactación de la probeta. Durante la digestión, no se producen reacciones importantes entre el caucho y cemento asfáltico debido al corto tiempo de mezclado, donde éste no es suficiente para que se produzca una reacción similar al proceso húmedo, por lo tanto, se asume que el efecto de la reacción caucho-ligante en el proceso seco es menor y, asimismo, tiene un efecto limitado en el comportamiento de la mezcla. Sin el tiempo de digestión, no podría obtenerse la interacción entre el ligante y el caucho, provocando que éste funcione como un árido elástico de granulometría muy concentrada, lo que por un lado produce la apertura de huecos y por otro, impide la compactación por su componente elástico. Este tiempo de curado de la mezcla es fundamental, ya que en caso de no realizarlo correctamente, no solo no se provoca la modificación del ligante, sino que se obtiene una mezcla de peores propiedades que una 25 tradicional. Sin digestión, se producen riesgos por deterioros prematuros de la mezcla asfáltica en terreno. Se ha observado que el principal riesgo es por el ataque del agua a la mezcla colocada, llevándola a desintegrarse progresivamente. Para evitar esta situación, es necesario, durante el diseño de la mezcla asfáltica, estimar cual será la temperatura y el tiempo de digestión mínimo para alcanzar el grado de digestión suficiente, esto puede hacer a través del ensayo de Inmersión-Compresión, que mide el efecto del agua sobre la cohesión de las mezclas asfálticas compactadas. (Ver referencia Nº [6]) En la siguiente figura, se muestra la fabricación de las mezclas asfálticas mejoradas con caucho a través del proceso seco: Figura 3.3. Esquema de fabricación de la mezcla asfáltica con caucho por vía seca. Los granos de caucho son mezclados con los áridos, anteriormente calentados. El cemento asfáltico es el mismo que se usa para mezclas convencionales, sin embargo, las temperaturas de mezclado son más altas, por lo general entre 160° y 190° C, al igual que las de compactación, que están entre 150° y 160° C. A diferencia del proceso húmedo, este método no requiere de un equipo especial de mezclado, solo un sistema de alimentación que proporcione la cantidad adecuada de caucho 26 y que sea suministrada en el momento indicado para que se mezcle con los agregados cuando estos alcancen cierta temperatura y antes que el ligante sea adicionado. Luego de mezclar el ligante con los agregados más el caucho, se le debe dar el tiempo a esta mezcla para que suceda el proceso de digestión. Este tiempo en obra, la mayoría de las veces está garantizado con el tiempo que toma el camión entre la planta, en la que se elabora la mezcla y el lugar de colocación del concreto asfáltico utilizando una extendedora tradicional. 3.3.2.1 Tecnologías para el uso de caucho reciclado mediante vía seca. Las tecnologías más usadas en Estados Unidos para el uso de caucho reciclado mediante este proceso, son la tecnología PlusRide y la tecnología Genérica o sistema TAK. Otra tecnología muy popular es la desarrollada en España y es actualmente usada en muchos países. a. PlusRide. Esta tecnología fue originalmente desarrollada en Suecia a finales de los años 1960, y registrada en los Estados Unidos bajo el nombre comercial PlusRide por la firma EnviroTire. El caucho reciclado es agregado a la mezcla en proporciones que van de 1 a 3 por ciento del peso total de los agregados. Los granos de caucho utilizados son gruesos para sustituir algunos agregados de la mezcla. Las partículas de caucho van desde 4.2 mm (1/4”) a 2.0 mm (tamiz Nº10). El contenido de vacíos con aire en la mezcla asfáltica debe estar entre 2 y 4 por ciento, y por lo general son obtenidos con contenidos de ligante entre 7.5 a 9 por ciento. b. Genérica. Este sistema fue desarrollado por el Dr. Barry Takallou a finales de los años 1980 y a principio de los años 1990, para producir mezclas asfálticas en calientes con granulometría densa. Este concepto emplea tanto el caucho reciclado grueso como fino para compatibilizar la granulometría de los agregados obteniendo una mezcla asfáltica mejorada. En este proceso, la granulometría del caucho es ajustada para acomodar la granulometría de los agregados. A diferencia de las mezclas PlusRide, la granulometría del caucho se divide en dos fracciones en la que la parte fina se encarga de interactuar con el 27 cemento asfáltico mientras la parte gruesa entra a comportarse como un agregado elástico en la mezclas asfáltica. El caucho puede llegar a necesitar una pre-reacción o pre-tratamiento con un catalizador para alcanzar un óptimo hinchazón de la partícula. En este sistema, el contenido de caucho reciclado no debe exceder el 2 por ciento del peso total de la mezcla para carpeta de rodadura. c. Convencional. Esta tecnología fue desarrollada en España para usar el caucho reciclado en la mejora de mezclas asfálticas empleando granulometrías convencionales que no implican consumos elevados de cemento asfáltico, pero que aportan menor cantidad de caucho, aproximadamente un dos por ciento del peso total de los agregados. El caucho utilizado es generalmente de granulometría fina, con tamaños de los granos no mayor a 0.5 mm. Estas mezclas asfálticas han sido evaluadas dinámicamente en el laboratorio y colocadas en la vía con buenos resultados. 28 3.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE MODIFICADAS CON CAUCHO Como se ha visto, existen distintas tecnologías de incorporación de caucho de neumáticos en la mezcla asfáltica, pero existen ciertas ventajas que son comunes para ambos casos. Entre estas ventajas, se encuentra la mejora en la resistencia a las deformaciones plásticas. En términos generales, puede decirse que cuanto más caucho se incorpora, es mayor el contenido de ligante en la mezcla asfáltica y mayor es la resistencia a la fatiga y a la reflexión de grietas. Entre los principales beneficios que se obtienen usando asfalto-caucho como ligante modificado mediante Vía Húmeda, está la reducción de la susceptibilidad térmica, además de mejorar el comportamiento a fatiga y al envejecimiento debido a los altos contenidos de ligante asfalto-caucho (entre 6.5 y 7.5% con respecto a los agregados), sin que se vea perjudicada la resistencia a las deformaciones plásticas. Cabe destacar que al usar caucho como modificador del ligante, aumenta la viscosidad, permitiendo mayor flexibilidad a bajas temperaturas y mejor estabilidad a altas. Dentro de las desventajas del método por Vía Húmeda, se tiene que posee un alto costo inicial, debido a que es necesario incorporar equipos especiales en el proceso de producción y de mezclado del ligante con el caucho. Por otro lado, el aumento de la viscosidad produce dificultades en la manipulación y en la aplicación, junto con esto se requieren mayores temperaturas de mezclado y de compactación. Aunque en el proceso por Vía Seca, la reacción entre el caucho y el cemento asfáltico es menor que para el ligante asfalto-caucho obtenido por Vía Húmeda, si se encuentra la temperatura y tiempo de digestión adecuada, se obtendrán propiedades similares en ambas mezclas. Según literatura, el uso de partículas gruesas de caucho como un agregado en la mezcla asfáltica puede mejorar el desempeño de la misma. Las partículas de caucho que 29 quedan expuestas en las superficie del pavimento tienen una función importante al impedir que los neumáticos de los vehículos se deslicen sobre el pavimento, ofreciendo un mejor agarre, y las que quedan dentro del cuerpo de la mezcla ayudan a retardar el fisuramiento de ésta, por absorción de los esfuerzos, obstaculizando la propagación de la fisura. 3.5 EXPERIENCIAS EXTRANJERAS Y NACIONALES UTILIZANDO CAUCHO RECICLADO El caucho en las mezclas asfálticas ha sido utilizado desde principios del siglo pasado. En 1920, empezaron los estudios y las primeras pruebas de la modificación del asfalto con caucho molido, sin mucho éxito. La primera tecnología en la cual se utilizó el proceso húmedo fue llamado el proceso McDonald, debido a los estudios realizados en 1960, por Charles McDonald, quien encontró una fórmula exitosa de tiempo/temperatura para la incorporación de caucho reciclado para modificar el ligante. En 1968, el “Arizona Department of Transportation” (ADOT), colocó la primera membrana SAM y en 1972, la primera SAMI como retardadora de figuración. Experiencias similares fueron llevadas a cabo por la Arizona Refinery Company (ARCo) o la EnviroTire INC con su sistema PlusRide de incorporación de granos de caucho de triturado de neumático al agregado, para fabricar una mezcla discontinua. Varios estados de Estados Unidos, entre ellos California y Florida, se unieron a estas experiencias, realizando tramos de prueba y colocando asfalto-caucho donde quiera que se presente agrietamiento, con buenos resultados. En España, los estudios comienzan en 1974 cuando el Centro de Investigaciones Elpidio Sánchez Marcos trabajó en fórmulas de incorporación de caucho al ligante para posteriormente fabricar mezclas asfálticas que fueron aplicadas en las calles de la ciudad de Barcelona. 30 En los años 90, Juan Gallego Medina realiza su tesis doctoral en la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Autónoma de Madrid. Este trabajo ha sido un gran apoyo a la presente investigación sobre el uso del caucho tanto para vía húmeda como seca. Los estudios y las pruebas con caucho por vía seca, han sido más actuales. En España, existen tramos de prueba en Madrid y en la provincia de Salamanca. Otros países de Europa, que han experimentado con tramos de prueba con el proceso por vía seca son Portugal, Italia y el Reino Unido. En Sudamérica, también se ha experimentado con caucho. En Brasil, existen tramos de prueba usando vía seca y húmeda, al igual que en México y en Colombia. En Argentina, se realizó un tramo de prueba utilizando el proceso seco en el año 2002, en la ciudad de Buenos Aires, en un sector de una de las avenidas más importantes de la ciudad, con alto trafico de autobuses urbanos, con resultados bastantes alentadores. En Chile, existen dos tramos experimentales utilizando el proceso húmedo realizados por la Dirección de Vialidad. El primero de ellos, se realizó en la undécima Región de Aysén en la Ruta X-65 en mayo del año 2004. El segundo tramo experimental fue realizado en la V Región, en la provincia de Los Andes, en la Rehabilitación de la Ruta 60 CH, llevado a cabo en marzo del año 2005. 3.5.1 TRAMO EXPERIMENTAL I (Ruta X –65, km 22.270-22.770) En la Región de Aysén, existe una importante variabilidad climática y térmica durante todo el año, con temperaturas que oscilan entre -20° C en invierno y sobre 25º C en verano. La Ruta X-65 une el sector de Villa Cerro Castillo con la ciudad de Puerto Ibáñez, presentando solicitaciones de tránsito bajas. En esta zona las condiciones climáticas son comparativamente más rigurosas que en el resto de la región, lo que produce que los pavimentos asfálticos se vean enfrentados a un mayor riesgo de agrietamiento térmico y deformaciones, por lo cual es necesario que su diseño considere este amplio rango de prestaciones. 31 La Dirección Regional de Vialidad decidió pavimentar un tramo de prueba de 500 m de longitud, utilizando un pavimento con una mezcla asfáltica con ligante modificado con migas de caucho, con el fin de evaluar posteriormente la posibilidad de aplicarlo con mayor frecuencia en los programas de pavimentación. Características del tramo experimental. • Estructura del pavimento: El pavimento colocado tiene la siguiente estructura: • -Carpeta asfalto caucho : 6 cm -Base granular (CBR 80%) : 20 cm -Subbase granular (CBR 50%) : 24 cm Características de la Mezcla Asfáltica: Para la pavimentación, se empleó mezcla asfáltica de granulometría semi densa tipo IV-A–12. El asfalto empleado para producir el ligante asfalto-caucho fue un CA 60/80. La granulometría del caucho utilizado es la mostrada en la tabla 2.6. Tabla 3.6. Granulometría del caucho usado en Ruta X-65. TAMICES mm ASTM 2.0 N° 10 1.25 N° 16 0,63 Nº 30 0,3 Nº 50 0,16 Nº 100 0,08 Nº 200 • PORCENTAJE QUE PASA, % 100 98 52 12 2 0.5 Preparación del Ligante: El ligante asfalto-caucho fue preparado siguiendo el proceso por vía húmeda. Fue confeccionado en terreno, para lo cual se empleó un estanque instalado junto a la planta asfáltica. Este estanque digestor está provisto de un sistema de calefacción y de agitación para mantener condiciones controladas de temperatura, tiempo y agitación. 32 El ligante asfalto-caucho fue fabricado con 82 partes de cemento asfáltico CA 60/80 y 18 partes de caucho de trituración de neumático. • • Dosificación de la Mezcla en Caliente con ligante asfalto-caucho: Porcentaje de asfalto-caucho (%) : 7.1 ± 0.3 Porcentaje de VAM (%) : 18.95 Estabilidad Marshall (N) : 8950 Densidad (kg/m3) : 2177 Temperatura de mezclado (°C) : 180 ± 5 Temperatura de compactación (°C) : 165 ± 5 Proceso Constructivo: El proceso de mezclado con el árido se realizó en una Planta Asfáltica de tambor. El proceso de colocación se realizó con una finisher tradicional. La compactación se realizó con un rodillo liso doble tambor, el cual para obtener los niveles de densidad deseados utilizaba dos ciclos, además se ocupó dos rodillos neumáticos. 3.5.2 TRAMO EXPERIMENTAL II (Ruta 60 CH, km 66.000-67.500) La Ruta 60 CH es el Camino Internacional a Mendoza, con tránsito pesado y fuertes variaciones térmicas. Las temperaturas promedio están entre 30º C y –4º C. La Dirección de Vialidad decidió realizar un tramo de prueba, utilizando asfaltocaucho sobre el hormigón existente, que tenia más de 20 años de vida. Se utiliza como riego de liga un riego SAMI de ligante asfalto-caucho y la granulometría SemiGap Graded. Se estudia esta aplicación de mezcla con asfalto-caucho en este contrato, como solución alternativa para evitar la reflexión de grietas. 33 Características del tramo experimental. • Estructura del pavimento sobre hormigón existente: Pista izquierda (Pista 2) km 66.000 al km 67.000: -Carpeta asfalto / caucho : 5 cm -Riego SAMI -Base asfáltica abierta : 5 cm -Hormigón existente km 67.000 al km 67.500: -Carpeta asfalto / caucho : 5 cm -Riego SAMI -Hormigón existente Pista derecha (Pista 1) km 66.020 al km 66.490: -Carpeta asfalto CA 60/80 : 5 cm -Riego emulsión 1:1 -Base asfáltica abierta : 5 cm -Hormigón existente km 66.490 al km 67.000: -Carpeta asfalto / caucho : 5 cm -Riego emulsión 1:1 -Base asfáltica abierta : 5 cm -Hormigón existente km 67.000 al km 67.500: -Carpeta asfalto caucho -Riego emulsión 1:1 -Hormigón existente 34 : 5 cm • Características de la Mezcla Asfáltica: Se empleó la granulometría SemiGap Graded de acuerdo a la banda granulométrica especificada en el Estudio sobre Asfalto - Caucho presentado como Proyecto de Innovación Tecnológica en Vialidad y recomendada para evitar la reflexión de grietas. El asfalto empleado para producir el ligante modificado fue un CA 60/80. • Preparación del Ligante: El ligante asfalto-caucho fue confeccionado en la planta asfaltera ubicada en Concón. Este ligante se transporta en camión, aproximadamente dos horas de viaje, y se carga directo a la Planta mezcladora en Caliente en terreno. En esta experiencia en terreno, se observó que la viscosidad del ligante tenía gran dispersión al ser preparado en la planta asfaltera y no en faena, como lo indica el proceso por Vía Húmeda. • Dosificación de la Mezcla asfalto-caucho: Porcentaje de asfalto / caucho (%) : 6.5 ± 0.3 Porcentaje de VAM (%) : 19.1 Estabilidad Marshall (N) : 12.658 3 Densidad (kg/m ) : 2300 Temperatura de mezclado (°C) : 185 ± 5 Temperatura inicio compactación (°C) : 175 ± 5 • Proceso Constructivo: La mezcla se realizó en una Planta Asfáltica de Tambor ubicada en terreno. El proceso de colocación se realizó con una finisher tradicional. La compactación se realiza con dos pasadas de rodillo liso vibratorio y luego con rodillo neumático (un promedio de 30 ciclos). La compactación empezó con una temperatura de 160º C y se terminó a los 60º C. 35 4. DESARROLLO EXPERIMENTAL En este capítulo, se describe cómo se desarrolla el presente trabajo de investigación, la metodología seguida, los procedimientos desarrollados en los cuales se especifican los ensayos realizados, las características de los materiales utilizados, y los criterios de selección de las mezclas asfálticas mejoradas con granos de caucho. Para realizar el estudio de la incorporación de caucho mediante vía seca, es necesario partir con una mezcla patrón, con el fin de comparar la variación de las propiedades de esta mezcla al añadirle diferentes porcentajes de caucho. En este caso, la mezcla patrón corresponde a una mezcla convencional del tipo Semidensa. En la mezcla patrón y en las mejoradas con caucho, se utilizarán los mismos materiales pétreos y cemento asfáltico. 4.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES 4.1.1 AGREGADOS PÉTREOS Se denomina agregado grueso a la porción del agregado retenida en el tamiz 2.5 mm (N° 8) y agregado fino, a la porción que pasa el mismo tamiz. Si se requiere, puede adicionarse filler de aportación, el cual está constituido por polvo mineral fino, tal como cemento hidráulico, cal u otro material inerte, libre de materia orgánica y partículas de arcilla. Los agregados utilizados provienen de cantera de la Planta Puente Verde de la Empresa Bitumix S.A. Se ocupan tres materiales: Gravilla ¾”, Gravilla ” y Polvo Roca. A estos materiales, se les realizaron los siguientes ensayos de caracterización, de acuerdo al Vol.8 del Manual de Carreteras. • Determinación de la densidad real seca, densidad neta y absorción de los agregados. 36 • Determinación cuantitativa de la distribución de los tamaños de las partículas de los agregados gruesos y finos. • Cubicidad de partículas. • Índice de Plasticidad. • Determinación de la resistencia al desgaste de los agregados, por medio de la máquina de Los Ángeles. a. Densidad real seca, densidad neta y absorción. Estos ensayos están descritos en la sección 8.202.20 (LNV 68) y 8.202.21 (LNV 69). Tabla 4.1. Densidades y absorción del agregado pétreo. Ensayes Densidad Neta [kg/m³] Densidad Real Seca [kg/m³] Absorción b. Análisis granulométrico. Gravilla ¾” Gravilla ” Polvo Roca 2.732 2.731 2.715 2.650 2.629 2.658 1.12 % 1.78 % 0.63 % La granulometría está definida como la distribución porcentual en masa de los distintos tamaños de partículas que constituyen el agregado pétreo. Se determina mediante el análisis granulométrico, el cual consiste en separar una muestra de agregado en fracciones de igual tamaño. La granulometría se expresa en función de los porcentajes parciales retenidos en cada tamiz. A continuación, se presenta el resultado del análisis granulométrico y la respectiva curva granulométrica. Este ensayo se realizó de acuerdo a lo descrito en la sección 8.202.3 (LNV 65). 37 Tabla 4.2. Granulometría agregado pétreo. Tamices mm ASTM 20 3/4" 12,5 1/2" 10 3/8" 5 Nº 4 2,5 Nº 8 0,63 Nº 30 0,315 Nº 50 0,16 Nº 100 0,08 Nº 200 Porcentaje que pasa, % Gravilla ¾” Gravilla ” Polvo Roca 100 31 19 100 100 2 10 97 1 1 76 43 30 21 15 DISTRIBUCIÓ N GRANULO MÉTRIC A AGREGADO S PÉTREO S 100 Porcentaje que pasa (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 10 100 Tamaño de Partículas (mm) Gravilla 3/4 Gravilla 3/8 Polvo Roca Figura 4.1. Curva distribución granulométrica agregados. c. Cubicidad de partículas. A través de este ensaye, se determina el contenido porcentual de partículas chancadas, rodadas y lajeadas de la fracción de un pétreo retenida en el tamiz 5 mm. El procedimiento se describe en la sección 8.202.6 (LNV 3) del Manual de Carreteras. 38 Tabla 4.3. Cubicidad de partículas agregado pétreo grueso. Ensayes Gravilla ¾” Gravilla Partículas chancadas [%] Partículas lajeadas [%] 99 1 ” 100 1 Exigencia mín. 90 máx. 10 Método 8.202.6 (LNV 3) 8.202.6 (LNV 3) d. Índice de Plasticidad. El método para la determinación de este índice está descrito en la sección 8.102.4 (LNV 90). Tabla 4.4. Índice de Plasticidad agregado pétreo. Ensayes Gravilla ¾” Gravilla Indice de Plasticidad NP NP ” Polvo Roca NP Exigencia NP Método 8.102.4 (LNV 90) e. Resistencia al desgaste. El objetivo de este ensayo es medir la dureza del los pétreos mayores a 2.5 mm, mediante la máquina de Los Ángeles. El procedimiento de este ensaye se encuentra en la sección 8.202.11 (LNV 75). Tabla 4.5. Resistencia al desgaste de agregado pétreo grueso. Ensayes Desgaste de Los Angeles [%] 4.1.2 Gravilla ¾” Gravilla 12,9 18,7 ” Exigencia máx. 25 Método 8.202.11 (LNV 75) LIGANTE ASFÁLTICO Los ligantes son constituidos por la fracción más pesada de la destilación del petróleo. La mayor o menor dureza del asfalto depende de las condiciones de destilación, tales como presión, temperatura y tiempo. El uso principal del cemento asfáltico es en mezclas en caliente para la construcción y conservación de vías. Actualmente, los cementos asfálticos se clasifican según el grado de viscosidad absoluta medida a 60° C, siendo los más usados los asfaltos CA 14 (viscosidad entre 1400 y 2400 poise) y CA 24 (viscosidad mayor a 2400 poise). 39 Anteriormente, la clasificación era según el Grado de Penetración en base a la dureza o consistencia que es medida mediante el ensayo de penetración. Este ensayo mide las décimas de milímetros que una aguja penetra dentro de la masa de asfalto a 25º C, con un peso de 100 gr en 5 segundos. En este caso, los cementos asfálticos más utilizados eran los CA 60-80 y CA 80-100, donde las cifras indican los límites máximos y mínimos de la penetración. Para esta investigación, se decidió trabajar con un cemento asfáltico CA 60/80. La razón de esta elección fue para relacionar y comparar con los estudios realizados anteriormente con el proceso por vía húmeda, en laboratorio y en los tramos experimentales. El cemento asfáltico fue caracterizado según los siguientes ensayes: • Viscosidad Brookfield a 60º y a 135º C. • Ductilidad. • Penetración. • Punto de ablandamiento. • Densidad. Además, este cemento fue sometido al proceso de envejecimiento en el horno de película delgada rotatoria (RTFO), realizándose los ensayes de: • Pérdida por Calentamiento. • Viscosidad Absoluta a 60º C. • Ductilidad. • Índice de Durabilidad. A continuación, se muestran los resultados de los ensayes de caracterización realizados al cemento asfáltico, además se muestran los resultados luego del envejecimiento en el horno de película delgada rotatoria. 40 Tabla 4.6. Resultados cemento asfáltico. Propiedades Valor Exigencia Método Densidad, 25° C, [kg/m³] 1014 8.302.2 (LNV 16) Penetración, 25° C, 100g, 5seg, [1/10mm] 73 60 - 80 8.302.3 (LNV 34) Ductilidad 25º C, 5cm/ mín., [cm] 150 mín. 100 8.302.8 (LNV 35) Punto de Ablandamiento, [°C] 46,8 8.302.16 (LNV 48) Viscosidad Brookfield a 60º C, s29, 1rpm, 21% Torque, [P] 2100 8.302.24 Viscosidad Brookfield 135º C, s29, 120rpm, 5,1% Torque, [P] 4,3 8.302.24 PDR: Pérdida por Calentamiento, [%] 0,3 máx. 0.8 8.302.33 (LNV 33) Ductilidad 25º C, 5cm/ min, [cm] 150 mín. 100 8.302.8 (LNV 35) Viscosidad absoluta a 60º C, [P] 6672 8.302.15 (LNV 41) Índice de Durabilidad 3,2 máx. 3.5 De acuerdo a las especificaciones para los cementos asfálticos, que se muestran en la Tabla 8.301.1A del Vol.8 del Manual de Carreteras, este ligante cumple con la especificación de un CA 60/80. 4.1.3 MEZCLA DE ÁRIDOS La mezcla de los áridos cumple con los requisitos de una mezcla asfáltica en caliente, establecidos en la sección 5.408 del Vol.5 del Manual de Carreteras. Los resultados de los ensayos de densidad y absorción de la mezcla de agregados, se muestran en la tabla 3.7. Tabla 4.7. Densidades y absorción de la mezcla de agregados. Ensayes Densidad Neta [kg/m³] Densidad Real Seca [kg/m³] Absorción Mezcla 2.736 2.637 1.7 % La granulometría de la mezcla de agregados es de tipo Semidensa, la cual comúnmente se usa para carpeta de rodadura. La granulometría utilizada y la banda IV-A12, se presentan en la siguiente tabla. 41 Tabla 4.8. Granulometría Semidensa según Manual de Carreteras Vol. 5 y mezcla de trabajo. Tamices Porcentaje que pasa, % mm ASTM IV-A-12 Mezcla de trabajo 20 3/4" 100 100 12,5 1/2" 80-95 88 10 3/8" 70-85 78 5 Nº 4 43-58 51 2,5 Nº 8 28-42 35 0,63 Nº 30 13-24 13 0,3 Nº 50 8-17 8 0,16 Nº 100 6-12 6 0,08 Nº 200 4-8 4 Se trabaja por el centro de la banda IV-A-12 hasta la malla Nº8. Para los siguientes tamaños, se adopta los valores mínimos del intervalo, esto para disminuir la cantidad de finos en la mezcla. DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA MEZCLA IV -A-12 100 90 Porcentaje que pasa (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 10 100 Tamaño de Partículas (mm) Especificación IV-A-12 (mín) Especificación IV-A-12 (máx) Mezcla de trabajo Figura 4.2. Curva distribución granulométrica mezcla IV-A-12. 42 4.2 DISEÑO MARSHALL DE LA MEZCLA PATRÓN La cantidad de cemento asfáltico requerida se determina con el procedimiento Marshall, mediante la elaboración de probetas con distintos contenidos de ligante, con el cual se obtienen los parámetros Marshall que permiten determinar el porcentaje óptimo de ligante en la mezcla. El Método de Diseño Marshall permite obtener un contenido óptimo de cemento asfáltico para mezclas asfálticas en caliente. Los parámetros que se estudian durante el diseño son la Estabilidad, Fluidez, Densidad, Vacíos de la mezcla asfáltica y Vacíos en el agregado mineral. De acuerdo al criterio de diseño establecido, la determinación del contenido óptimo de asfalto se obtiene principalmente con la densidad, estabilidad y vacíos con aire en la mezcla asfáltica. Este método se encuentra descrito en 8.302.47 (LNV 47) del M.C-V.8. Los criterios aplicados en la evaluación de las mezclas asfálticas diseñadas siguiendo el método Marshall son los especificados en el Manual de Carreteras, V.5, sección 5.408.203, que trata sobre las propiedades de las mezclas asfálticas. Los requisitos que deben cumplir las mezclas asfálticas se indican en la siguiente tabla. Tabla 4.9. Requisitos para Mezclas Asfálticas según especificaciones del M.C.-V.5. TIPO DE MEZCLA Estabilidad mín. ASFALTICA [N] Rodadura 9.000 Intermedia 8.000 Base Gruesa 6.000 Fluencia [0,25 mm] 8-16 8-16 8-16 Huecos en la mezcla [%] 4-6 3-8 5-10 Para la determinación del contenido óptimo de ligante en la mezcla patrón, se elaboraron mezclas con cuatro contenidos diferentes de ligante. Los porcentajes utilizados fueron de 4.5%, 5%, 5.5% y 6%. Las diferentes probetas Marshall se preparan según el método descrito en 8.302.40 del M.C.-V.8. y se elaboran con 1100 g de peso, en moldes de 10.2 cm de diámetro, y con una energía de compactación de 75 golpes por cada cara. 43 Los parámetros Marshall para cada contenido de asfalto, se obtienen del promedio de los resultados obtenidos de tres probetas, cuyos valores no difieran demasiado entre ellas. Figura 4.3. Probetas Marshall sin desmoldar. Los resultados del diseño Marshall de la mezcla patrón, se muestran a continuación: Tabla 4.10. Parámetros Marshall de la mezcla patrón. DISEÑO MARSHALL Tª mezclado probetas 152 ºC Tª compactación probetas 143 ºC UNIDAD RESULTADOS ASFALTO 60-80 % ref. agr. 4,5 5,0 5,5 3 Densidad kg/m 2271 2292 2288 3 DMM kg/m 2466 2449 2432 Estabilidad N 9025 10933 9415 Fluencia 0,01'' 12,5 13,5 14,5 Huecos % 7,9 6,4 5,9 Huecos en el agregado mineral % 17,6 17,2 17,8 (VAM) 44 6,0 2283 2416 8274 16 5,5 18,3 DENSIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 2295 DENSIDAD [kg/m^3] 2290 2285 2280 2275 2270 2265 4 4,5 5 5,5 6 6,5 ASFALTO (%Pb) Figura 4.4. Variación de la Densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón. ESTABILIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 11500 11000 10500 ESTABILIDAD [N] 10000 9500 9000 8500 8000 7500 7000 4 4,5 5 5,5 6 6,5 ASFALTO (%Pb) Figura 4.5. Variación de la Estabilidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón. 45 FLUIDEZ Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 17 16 FLUIDEZ [0,01''] 15 14 13 12 11 4 4,5 5 5,5 6 6,5 ASFALTO (%Pb) Figura 4.6. Variación de la Fluidez respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón. PORCENTAJE DE HUECOS EN LA MEZCLA Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 9,0 % HUECOS EN LA MEZCLA 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 4 4,5 5 5,5 6 6,5 ASFALTO (%Pb) Figura 4.7. Variación de los Huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón. 46 PORCENTAJE DE VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 18,6 % VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL 18,4 18,2 18,0 17,8 17,6 17,4 17,2 17,0 4 4,5 5 5,5 6 6,5 ASFALTO (%Pb) Figura 4.8. Variación de Vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezcla patrón. La determinación del contenido óptimo de asfalto para una carpeta de rodado, se realiza calculando el promedio entre los porcentajes de asfalto que entreguen la máxima Estabilidad, la máxima Densidad y 5% de Huecos en la Mezcla. Al porcentaje de asfalto óptimo obtenido se le aplica una tolerancia de ±0.3%. Para esta mezcla, se obtiene que el máximo por Densidad se encuentra con 5.4% de cemento asfáltico y el máximo por Estabilidad, con 5.1%. Con respecto a los huecos en la mezcla, el mínimo que se tiene con los porcentajes de cemento utilizados, es de 5.5%. Para esta mezcla, el porcentaje óptimo de asfalto, se estima que estaría cercano al 5.5%. Con este porcentaje, la Estabilidad y los huecos en la mezcla, se encuentran dentro de las especificaciones para una carpeta de rodadura (Tabla 4.9). 47 4.3 PREPARACIÓN DE LA MEZCLA MEDIANTE PROCESO POR VIA SECA Este proceso se desarrolla para estudiar el efecto del caucho al adicionarse como una parte de los agregados finos en la elaboración de las mezclas asfálticas. La tecnología de aplicación de la vía seca es la convencional, desarrollada en España, la cual usa porcentajes de adición de hasta el 2% del peso total de los agregados. En esta investigación, el caucho se adiciona en porcentajes de 0.5%, 1.0% y 1.5% con respecto al peso del árido y se utiliza una granulometría Semidensa IV-A-12, según la Tabla 5.408.201.F del Vol. 5 del Manual de Carreteras. 4.3.1 CAUCHO UTILIZADO El caucho lo suministra la Empresa PROBISA. Este caucho es similar al usado en el tramo experimental en la Ruta X-65, es importado y proviene de triturado de neumáticos usando el método ambiental, descrito anteriormente. La densidad del caucho utilizado es de 1.139 kg/m3, bastante baja si se compara con la de los agregados, que es cercana a los 2.600 kg/m3. Esto debe tenerse en cuenta pues al incorporar el caucho por peso, existe una modificación importante en términos de volumen de la mezcla. La granulometría del caucho importado se muestra en la Tabla 4.11. Se decide trabajar con tamaños inferiores al tamiz Nº 30 (0.63 mm), ya que la forma de las partículas superiores a este tamaño son alargadas debido al proceso de molienda utilizado, por lo que se prefirió no considerarlas y así tener un polvo de caucho más homogéneo. La granulometría del caucho usado para realizar esta experiencia se indica en la Tabla 4.12. 48 Tabla 4.11. Granulometría del caucho suministrado por PROBISA. PORCENTAJE QUE PASA, TAMICES % mm ASTM 100 2 Nº 10 99 1,25 Nº 16 0,63 Nº 30 95 0,30 Nº 50 37 0,16 Nº 100 7 0,08 Nº 200 0,5 Tabla 4.12. Granulometría del caucho utilizada. PORCENTAJE QUE PASA, TAMICES % mm ASTM 0,63 Nº 30 100 0,30 Nº 50 40 0,16 Nº 100 10 0,08 Nº 200 1 Cabe destacar que la granulometría del caucho utilizado en este trabajo, es diferente a la usada en el método por vía húmeda según la Tabla 3.3. DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA CAUCHO 100 90 Porcentaje que pasa (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 Tamaño de Partículas (mm) Caucho suministrado por PROBISA Caucho utilizado Figura 4.9. Curva distribución granulométrica caucho. 49 10 4.3.2 GRANULOMETRÍA DE LA MEZCLA MEJORADA CON CAUCHO La granulometría de la mezcla se ve afectada al incorporar el caucho a los áridos en los distintos porcentajes, pues existe mayor cantidad de finos. La curva granulométrica de los agregados con el caucho incorporado, tiene una variación mínima y sólo en las mallas Nº 8 y Nº 30, cuando ésta se realiza en peso. En la tabla siguiente, se muestran las granulometrías en peso de las mezclas con distinto contenido de caucho. Tabla 4.13. Distribución Granulométrica en peso de mezclas con caucho. Tamices mm ASTM 20 3/4" 12,5 1/2" 10 3/8" 5 Nº 4 2,5 Nº 8 0,63 Nº 30 0,30 Nº 50 0,16 Nº 100 0,08 Nº 200 0,0% 100 88 78 51 35 13 8 6 4 Porcentaje que pasa, % 0,5% 1,0% 100 100 88 88 78 78 51 51 35 36 13 14 8 8 6 6 4 4 1,5% 100 88 78 51 36 14 8 6 4 Considerando que el caucho tiene menor densidad que los agregados, se presenta a continuación, la distribución granulométrica en volumen. Tabla 4.14. Distribución Granulométrica en volumen de mezclas con caucho. Tamices mm ASTM 20 3/4" 12,5 1/2" 10 3/8" 5 Nº 4 2,5 Nº 8 0,63 Nº 30 0,30 Nº 50 0,16 Nº 100 0,08 Nº 200 0,0% 100 88 78 51 35 13 8 6 4 Porcentaje que pasa, % 0,5% 1,0% 100 100 88 88 78 78 51 52 35 36 14 14 8 8 6 5 3 3 50 1,5% 100 88 78 52 36 15 8 5 2 4.3.3 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE CAUCHO El porcentaje óptimo de caucho se determina mediante el ensaye de Inmersión- Compresión y del análisis de los parámetros Marshall. Para su verificación, se realizan los ensayes de tracción indirecta, Módulo Resiliente y resistencia a la fatiga. 4.3.4 METODOLOGÍA PARA LA CONFECCIÓN DE LA MEZCLA MEJORADA CON CAUCHO El procedimiento para la confección de la mezcla con caucho en laboratorio, no difiere en gran medida del método empleado para una mezcla convencional sin caucho, salvo la determinación previa del tiempo y temperatura de digestión, que requiere este tipo de mezcla asfáltica antes de la compactación. Los pasos son los siguientes: 1. Preparar la granulometría de los agregados pétreos. 2. Calentar los agregados en horno a temperatura entre 170° y 210º C. 3. Establecer la proporción de caucho a utilizar, relacionada con el peso de los áridos. 4. Mezclar los agregados calientes con la cantidad de caucho que corresponda, y colocarlos en horno entre 150 y 190° C por aproximadamente 2 min para que el caucho aumente su temperatura. 5. Adicionar el asfalto, previamente calentado a la temperatura de mezclado, a la mezcla de agregados con caucho y mezclar por 2 a 3 min. 6. Colocar la mezcla asfáltica por un periodo de digestión en horno, cuyo tiempo y temperatura se han definido con anterioridad mediante el ensayo de InmersiónCompresión. 7. Retirar la mezcla del horno y remover el material. 8. Compactar la mezcla caliente en moldes Marshall precalentados. La compactación se lleva a cabo a una temperatura 10º C más baja que la de digestión, con 75 golpes del martillo Marshall, por ambos lados de la probeta. 9. Dejar reposar por 24 horas antes de extraer la probeta del molde. 10. Remover la probeta a temperatura ambiente. 51 4.4 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO Y TEMPERATURA DE DIGESTIÓN Para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho, se requiere en primer lugar, determinar la temperatura y el tiempo de digestión, mediante el ensaye de InmersiónCompresión. (Ver referencia Nº[6]) El ensaye de Inmersión-Compresión se realiza de acuerdo a las normas españolas NLT-161 y NLT-162, y se utiliza para determinar la pérdida de cohesión de las mezclas asfálticas, debido a la acción del agua. Para este ensayo, se ocupan probetas cilíndricas de altura igual a su diámetro (101.6 mm), cuya compactación no es por golpes, sino que por presión, asimismo el equipo de compactación consta de moldes de diámetro interior de 101.6 mm y altura de 178 mm, pistones cilíndricos de acero y soportes para mantener eventualmente el molde por encima de la base de sustentación del pistón inferior. PISTÓN SUPERIOR MOLDE BASE Y SOPORTES Figura 4.10. Conjunto de compactación. 52 Mediante este ensayo, se obtiene un índice numérico (Resistencia Conservada) al comparar las resistencias a compresión simple obtenidas entre dos juegos de probetas con distinto acondicionamiento; las primeras, se mantienen al aire por veinticuatro horas y luego en un baño de agua a 25ºC durante dos horas; el segundo juego, se sumerge en agua a una temperatura de 60ºC durante veinticuatro horas, después se sacan del baño y se mantienen dos horas a temperatura ambiente, para finalmente sumergirlas en agua a 25ºC por dos horas. Ambos grupos de probetas, son evaluados en compresión axial, sin soporte lateral, con una velocidad de deformación de constante 5.08 mm/min, a temperatura de 25ºC. La resistencia a compresión simple del primer grupo, probetas en seco, es R1 y la del segundo, probetas sumergidas, es R2. La resistencia conservada (R) se calcula como: R= R2 ×100 [%] R1 Para definir el tiempo y la temperatura de digestión, se preparan probetas a diferentes temperaturas, 150º,160º y 170º C, y a tiempos de 1 y 2 horas con distintos porcentajes de caucho y con un único porcentaje de ligante igual a 5.5%, correspondiente al óptimo de la mezcla patrón. Estas probetas son comparadas con la mezcla patrón, sin caucho y no sometida a tiempo y temperatura en hormo, antes de la compactación. Para la estimación del tiempo y la temperatura de digestión, se toma como parámetro de comparación entre mezclas, la resistencia conservada. Las mezclas se fabrican siguiendo el procedimiento anteriormente descrito en la sección 4.3.4, salvo la compactación de las probetas, mediante presión. Se realizan tres probetas por cada grupo, R1 y R2, y se utiliza la misma prensa para compactarlas y para realizar el ensayo a compresión. 53 Las distintas mezclas realizadas se muestran en la siguiente tabla: Tabla 4.15. Resultados ensaye Inmersión-Compresión. Mezcla P1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Tª digestión [ºC] 0 150 150 160 160 170 170 170 tiempo digestión [hr] 0 2 2 1 2 2 2 2 % caucho 0 1,0 1,5 1,0 1,0 0,5 1,0 1,5 Densidad [kg/m3] 2272 2230 2250 2236 2254 2252 2246 2262 R1 R2 [MPa] [MPa] 3,85 2,22 4,93 1,52 4,89 1,17 3,80 1,48 4,56 1,98 4,96 3,38 4,28 2,88 5,26 2,07 R [%] 57,5 30,9 23,9 39,0 43,4 68,0 67,3 39,3 Debido a que este ensayo pretende obtener la susceptibilidad de la mezcla cuando está sometida a la acción del agua, solo interesa saber la diferencia porcentual entre los dos grupos, no las magnitudes de sus resistencias. Caso 1 Tª digestión=150ºC Para las mezclas fabricadas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas (mezclas C1 y C2), se varía el porcentaje de adición de caucho, con lo que puede obtenerse la evolución del parámetro resistencia conservada, con respecto a esta variable. 54 INMERSIÓN-COMPRESIÓN en función del contenido de caucho, para temperatura de digestión de 150ºC 6,00 P1 C1 C2 Tensión de rotura [MPa] 5,00 4,00 Probetas en seco Probetas sumergidas 3,00 58% % Resistencia Conservada 31% 2,00 24% 1,00 0,00 0 1,0 1,5 % Caucho Figura 4.11. Resultados mezclas C1 y C2. Se observa que la resistencia conservada disminuye notablemente al agregar caucho. La cohesión de la mezcla se ve perjudicada por efecto del agua cuando contiene caucho, cuando la temperatura de digestión es 150ºC, esto se debe a que a esta temperatura, no está ocurriendo completamente el proceso de digestión, es decir, el caucho no está interactuando con el ligante. Las resistencias en seco son más altas que las de mezclas sin caucho, no así la resistencia de probetas sumergidas que disminuyen al agregar caucho. Por otro lado, se tiene que al agregar caucho, la densidad de las probetas disminuye, esto se puede deber a la falta de digestión y al dosificar el caucho en peso, resulta mayor volumen, pues este material es menos denso que los agregados. Caso 2 Tª digestión=160ºC Si se aumenta la temperatura de digestión a 160ºC, manteniendo el porcentaje de caucho en 1% y se varía el tiempo de digestión, se obtienen los resultados para las mezclas C3 y C4, mostrados a continuación. 55 INMERSIÓN COMPRESIÓN en función del tiempo de digestión, para temperatura de digestión de 160ºC 5,00 P1 C3 C4 4,50 Tensión de rotura [MPa] 4,00 3,50 3,00 58% 2,50 43% 2,00 Probetas en seco Probetas sumergidas % Resistencia Conservada 39% 1,50 1,00 0,50 0,00 0 1 2 Tiempo de Digestión [horas] Figura 4.12. Resultados mezclas C3 y C4. Al aumentar la temperatura de digestión a 160ºC, se obtienen mejores valores de la resistencia conservada, debido a que el caucho comienza a interactuar con el ligante y el efecto del agua está disminuyendo. Mientras más tiempo se tenga la mezcla en el horno, se tiene que aumenta la densidad de las probetas, al igual que R1 y R2, esto provoca un mayor valor de la resistencia conservada. Por otro lado, se observa que los valores de resistencia conservada siguen estando por debajo del valor de la mezcla patrón. Caso 3 Tª digestión=170ºC Las mezclas C5, C6 y C7 se fabrican con temperatura de digestión de 170º C y un tiempo de digestión de 2 horas, variando el porcentaje de caucho desde 0.5% hasta 1.5%. Los resultados obtenidos para estas mezclas, se grafican a continuación. 56 INMERSIÓN-COMPRESIÓN en función del contenido de caucho, para temperatura de digestión de 170º C 6,00 P1 C5 C6 C7 Tensión de Rotura [MPa] 5,00 4,00 68% 67% Probetas en seco Probetas sumergidas 3,00 58% 39% 2,00 % Resistencia Conservada 1,00 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 % Caucho Figura 4.13. Resultados mezclas C5, C6 y C7. Con esta temperatura de digestión, se observa que al agregar caucho hasta en 1% a las mezclas, es menor la pérdida de cohesión por efecto del agua, lo que se traduce en mayores valores de la resistencia conservada. También se observa que la resistencia para probetas sumergidas disminuye, pero no hay una clara tendencia para la resistencia en seco. Comparados con los resultados obtenidos con los ensayos anteriores a 150º y 160º C, se obtienen mejores valores de resistencia conservada con esta temperatura, salvo para el porcentaje de 1.5% de caucho. A modo de resumen, se presenta a continuación una tabla con los distintos valores de resistencia conservada para una mezcla con dotación de caucho de 1%, aumentando la temperatura de digestión, y manteniendo el tiempo en dos horas en cada caso. 57 Tabla 4.16. Resultados mezclas con 1% de caucho con tiempo de digestión de dos horas. Mezcla C1 C3 C6 Tª digestión tiempo digestión [ºC] [hr] 150 2 160 2 170 2 % caucho 1,0 1,0 1,0 Densidad [kg/m3] 2230 2254 2246 R1 [MPa] 4,93 4,56 4,28 R2 [MPa] 1,52 1,98 2,88 R [%] 30,9 43,4 67,3 RESISTENCIA CONSERVADA (%) Vs TEMPERATURA DE DIGESTIÓN 80,0 70,0 Resistencia conservada (%) 60,0 2 R = 0,97 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 145 150 155 160 165 170 175 Temperatura de digestión [ºC] tiempo de digestion de 2 hrs Lineal (tiempo de digestion de 2 hrs) Figura 4.14. Resultados mezclas con 1% de caucho con tiempo de digestión de dos horas. En este gráfico, se observa el comportamiento del indicador resistencia conservada al aumentar la temperatura de digestión de la mezcla. Se observa que al aumentar la temperatura, mejora la eficacia del proceso de adición de caucho a la mezcla, facilitando la digestión del caucho, por parte del ligante, lográndose mediante este proceso térmico, un importante mejoramiento en la resistencia a la humedad de las mezclas mejoradas con caucho. El valor alcanzado para la resistencia conservada, después de dos horas de digestión a 170ºC, se encuentra sobre el valor correspondiente para mezclas sin caucho. Como conclusión, se tiene que mientras más alta la temperatura de digestión y más largo el tiempo en horno, el proceso de digestión mejora. En este caso, los mejores valores 58 de resistencia conservada para esta mezcla, se encuentran para la temperatura de 170º C por dos horas, con contenidos de caucho de hasta el 1%. 4.5 ESTUDIO DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA Y TIEMPO DE DIGESTIÓN EN LOS PARÁMETROS MARSHALL Para realizar el estudio, se confeccionan las mezclas mejoradas con caucho, con tres contenidos de cemento asfáltico, partiendo del porcentaje de ligante de la mezcla Patrón sin caucho de 5.5%. A continuación, se comparan los valores de los parámetros Marshall de mezclas preparadas con tiempo de digestión de dos horas, para las diferentes temperaturas de digestión de 150º, 160º y 170ºC y distintos porcentajes de adición de caucho. 4.5.1 DENSIDAD Este ensayo se realiza de acuerdo a la sección 8.302.38 (LNV 13) del M.C.-V.8. A continuación se muestran los resultados obtenidos de densidad para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho. Tabla 4.17. Resultados de Densidad. % asfalto Mezclas 150º C/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 160º C/ 2 hr 0,5% 170º C/ 2 hr 0,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 3 Densidad [kg/m ] - - 2273 2270 2263 2292 2291 2269 2316 2310 2285 - - 2301 2313 2353 - - 2290 2304 2298 59 6,5 DENSIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 2360 2350 2340 DENSIDAD [kg/m^3] 2330 2320 2310 2300 2290 2280 2270 2260 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 0.5%/ 160ºC/ 2hrs 0.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.15. Variación de la densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión. Los valores de densidad obtenidos para las mezclas fabricadas a 160ºC por dos horas con 0.5% de caucho, son ligeramente superiores a los conseguidos a 170º y a 150ºC. La curva de las mezclas a 170ºC, tienen un máximo a diferencia de las otras temperaturas En la Figura 4.16. se observa que para las mezclas realizadas con una temperatura de digestión de 150º C por dos horas, la densidad disminuye a medida que la proporción de caucho se incrementa. Esto se debe a que al no ocurrir la digestión y dosificar el caucho por peso, resulta mayor volumen respecto de la mezcla original, debido a que el caucho es menos denso que los agregados. 60 DENSIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 2320 DENSIDAD [kg/m^3] 2310 2300 2290 2280 2270 2260 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 1.0%/ 150ºC/ 2hrs 1.5%/ 150ºC/ 2hrs Figura 4.16. Variación de la densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas. 4.5.2 ESTABILIDAD Este ensayo se realiza de acuerdo a la sección 8.302.47 (LNV 47) del M.C.-V.8. A continuación se muestran los resultados obtenidos de estabilidad para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho. Tabla 4.18. Resultados de Estabilidad Marshall. % asfalto Mezclas 150ºC/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 160ºC/ 2 hr 0,5% 170ºC/ 2 hr 0,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 Estabilidad [N] - - 10995 10234 10981 9737 11576 11179 11476 12829 11028 - - 12267 13774 13673 - - 16459 14405 13920 61 6,5 ESTABILIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 17000 16000 15000 ESTABILIDAD [N] 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 0.5%/ 160ºC/ 2hrs 0.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.17. Variación de la Estabilidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión. Los valores de Estabilidad más altos son los obtenidos para las mezclas fabricadas a 170ºC por dos horas con 0.5% de caucho. Para las mezclas con temperatura de digestión de 150ºC, la curva de Estabilidad no tiene la forma esperada. 4.5.3 FLUIDEZ Este ensayo se realiza de acuerdo a la sección 8.302.47 (LNV 47) del M.C.-V.8. A continuación se muestran los resultados obtenidos de fluidez para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho. 62 Tabla 4.19. Resultados de Fluidez Marshall. % asfalto Mezclas 150ºC/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 160ºC/ 2 hr 0,5% 170ºC/ 2 hr 0,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 Fluidez [0,01"] 6,5 - - 14,0 13,5 13,3 12,8 13,7 13,0 13,0 14,0 14,3 - - 12,3 14,0 16,0 - - 12,0 13,3 16,0 FLUIDEZ Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 17 16 FLUIDEZ [0,01''] 15 14 13 12 11 10 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 0.5%/ 160ºC/ 2hrs 0.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.18. Variación de la fluidez respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión. Los valores de fluidez obtenidos para las mezclas fabricadas a 160ºC por dos horas con 0.5% de caucho también siguen la tendencia esperada, al igual que para las mezclas a 170ºC. No ocurre lo mismo para la curva a 150ºC, donde los valores de fluidez inicialmente son altos para 5.5% de ligante, y disminuye hasta un cierto contenido de asfalto a partir del cual vuelve a aumentar. Esto podría deberse a que bajos contenidos de ligante en una mezcla mejorada con caucho son insuficientes para proporcionar una buena cohesión, junto 63 a esto hay que decir que el caucho a esta temperatura, posiblemente no interactúa con el ligante, por lo que es más relevante el comportamiento elástico del caucho. 4.5.4 HUECOS EN LA MEZCLA TOTAL A continuación se muestran los resultados obtenidos de huecos en la mezcla total para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho. Tabla 4.20. Resultados de huecos en la mezcla total. % asfalto Mezclas 150º C/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 160º C/ 2 hr 0,5% 170º C/ 2 hr 0,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 % huecos en la mezcla 6,5 - - 6,1 5,6 5,5 4,7 4,1 4,6 3,1 2,7 3,3 - - 5,0 3,8 1,6 - - 5,4 4,2 3,8 En la Figura 4.19, se observa que a medida que aumenta el porcentaje de asfalto, los huecos disminuyen para cualquier temperatura de digestión. Los valores de huecos más bajos obtenidos, se tienen en la mezcla con temperatura de digestión de 160ºC. 64 PORCENTAJE DE HUECOS EN LA MEZCLA Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 7,0 % HUECOS EN LA MEZCLA 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 0.5%/ 160ºC /2hrs 0.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.19. Variación de los huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión. En la Figura 4.20, se analiza el efecto del porcentaje de caucho sobre el contenido de huecos a 150ºC, donde se observa que para 1.5%, se genera un “efecto rebote” debido a que a esta temperatura no reacciona todo el caucho con el cemento asfáltico, dificultando la compactación debido a la característica elástica de este material. 65 PORCENTAJE DE HUECOS EN LA MEZCLA Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 7,0 % HUECOS EN LA MEZCLA 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 1.0%/ 150ºC/ 2hrs 1.5%/ 150ºC/ 2hrs Figura 4.20. Variación de los huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas. 4.5.5 VACÍOS EN EL AGREGADO MINERAL A continuación se muestran los resultados obtenidos de vacíos en el agregado mineral en la mezcla total para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho. Tabla 4.21. Resultados de vacíos en el agregado mineral. % asfalto Mezclas 150ºC/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 160ºC/ 2 hr 0,5% 170ºC/ 2 hr 0,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 % vacíos en el agregado mineral 6,5 - - 17,8 17,4 18,7 17,5 17,0 18,8 17,0 16,7 18,6 - - 16,8 16,7 15,7 - - 17,2 17,0 17,6 66 PORCENTAJE DE VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL Vs PORCENTAJE DE ASFALTO % VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL 18,1 17,6 17,1 16,6 16,1 15,6 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC/ 2hrs 0.5%/ 160ºC /2hrs 0.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.21. Variación de vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con 0.5% de caucho, tiempo de digestión de dos horas y diferentes temperaturas de digestión. Analizando las curvas de la Figura 4.21, puede decirse que la curva que se acerca más a lo esperado es la de las mezclas fabricadas a 170ºC. Para las mezclas elaboradas a 150º y 160ºC, los vacíos en el agregado mineral disminuyen al incrementar el contenido de cemento asfáltico. En la Figura 4.22, donde se analizan las mezclas fabricadas a temperatura de digestión de 150ºC, se observa que los vacíos en el agregado mineral se incrementan al aumentar la cantidad de caucho. 67 PORCENTAJE DE VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 19,1 % VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL 18,6 18,1 17,6 17,1 16,6 16,1 15,6 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0.5%/ 150ºC /2hrs 1.0%/ 150ºC /2hrs 1.5%/ 150ºC /2hrs Figura 4.22. Variación de vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas. En base a los parámetros Marshall, puede decirse que la temperatura de digestión que otorga mejores resultados de las mezclas es 170ºC. En las mezclas elaboradas a 150ºC, no ocurre completamente el proceso de digestión y los granos de caucho sin reaccionar, desmejoran las características de la mezcla. Con temperatura de digestión de 160ºC, las características de la mezcla son buenas, salvo que tiene valores altos de densidad, lo que provoca que los porcentajes de huecos en la mezcla y vacíos en el agregado mineral sean bajos, los que podrían estar fuera de las especificaciones para una carpeta de rodadura. 4.6 DISEÑO FINAL Del estudio anterior, se determina que la temperatura de digestión que otorga mejores resultados para las mezclas con caucho es a la máxima posible, en este caso a 170ºC. Es por esto que se analizan los parámetros Marshall, para determinar el valor óptimo de asfalto para los diseños con esta temperatura y los distintos porcentajes de adición de caucho. 68 En esta etapa, se preparan mezclas con sólo tres porcentajes de cemento asfáltico (5.5%, 6.0% y 6.5%), para observar las tendencias de los parámetros de estas mezclas. 4.6.1 PARÁMETROS MARSHALL A continuación, se entregan los parámetros Marshall obtenidos para las mezclas asfálticas mejoradas con caucho a la temperatura de digestión de 170ºC y al mismo tiempo, los valores de la mezcla patrón: a. Densidad. La densidad de las mezclas mejoradas con caucho, fabricadas con una temperatura de digestión de 170º C por dos horas, aumenta a medida que la proporción de caucho se incrementa. El aumento de la densidad puede deberse a que los granos de caucho al interactuar con el ligante, se hinchan, aumentando el volumen, por lo que existe mayor recubrimiento de los agregados, lo que lleva a que disminuya la cantidad de huecos. Tabla 4.22. Resultados de Densidad para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC. % asfalto Mezclas patrón 170ºC/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 4,5 2271 - 5,0 5,5 6,0 3 Densidad [kg/m ] 2292 2288 2283 - 2290 2293 2307 69 2304 2310 2312 6,5 2298 2324 2321 DENSIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 2330 2320 DENSIDAD [kg/m^3] 2310 2300 2290 2280 2270 2260 4 4,5 5 5,5 6 6,5 ASFALTO (%Pb) 0%CAUCHO 0.5%/ 170ºC/ 2hrs 1.0%/ 170ºC/ 2hrs 1.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.23. Variación de la densidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas. b. Estabilidad. Las estabilidades obtenidas en la mezcla patrón, cumplen con las especificaciones de la Tabla 4.9. con porcentajes menores a 5.8% de cemento asfáltico (Estabilidad de 9.000 [N]). Para la mezcla a 170º C con 0.5% de caucho, se obtienen los valores más altos de Estabilidades de todos los diseños realizados. Esto se debe a la modificación del asfalto en presencia de caucho, pero al aumentar la cantidad de caucho, la estabilidad disminuye. Para porcentajes de caucho de 1.0% y 1.5%, los valores de estabilidad que cumplen con las exigencias de carpeta de rodado según Tabla 4.9, se obtienen para mezclas con valores cercanos al 6.0% de cemento asfáltico. 70 7 Tabla 4.23. Resultados de Estabilidad Marshall para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC. % asfalto Mezclas Sin caucho 170ºC/ 2 hr 0,5% 1,0% 1,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 Estabilidad [N] 10933 9415 8274 9025 - - 16459 8751 8948 6,5 - 14405 9584 9095 13920 8295 6317 ESTABILIDAD Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 18000 16000 ESTABILIDAD [N] 14000 12000 10000 8000 6000 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0%CAUCHO 0.5%/ 170ºC/ 2hrs 1.0%/ 170ºC/ 2hrs 1.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.24. Variación de la estabilidad respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas. c. Fluidez. Los valores de fluidez obtenidos se encuentran en el intervalo permitido para carpeta de rodadura, con excepción de la curva con 1% de caucho, que sobrepasa el limite superior especificado a partir de 5.8% de cemento asfáltico. 71 Tabla 4.24. Resultados de Fluidez Marshall para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC. % asfalto Mezclas Sin caucho 170ºC/ 2 hrs 0,5% 1,0% 1,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 Fluidez [0,01"] 13,5 14,5 16,0 12,5 - - 12,0 15,0 13,3 6,5 - 13,3 16,3 13,7 16,0 16,7 16,0 FLUIDEZ Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 18 17 FLUIDEZ [0,01''] 16 15 14 13 12 11 10 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0%CAUCHO 0.5%/ 170ºC/ 2hrs 1.0%/ 170ºC/ 2hrs 1.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.25. Variación de la fluidez respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas. d. Huecos en la mezcla total. La mezcla convencional, patrón, presenta valores para los huecos bastante altos, esto se debe a la granulometría definida por el lado grueso de la banda IV-A-12, a partir del tamiz Nº30. La exigencia del porcentaje de huecos en la carpeta de rodadura está entre 4% y 6%. La mezcla patrón cumple con este rango. 72 A medida que aumenta el contenido de caucho, disminuyen los huecos en la mezcla, lo cual también sucede a medida que el contenido de cemento asfáltico se incrementa. Esto se debe a que el ligante y el caucho que ha interactuado con él, van ocupando los espacios vacíos de la mezcla. Para la mezcla fabricada a 170ºC con 1.5% de caucho, se tiene que los valores obtenidos se encuentran fuera del intervalo permitido. Faltaría realizar mezclas disminuyendo la cantidad de cemento asfáltico, para ver si se alcanzan los valores de huecos exigidos, pero se sabe que esto afectaría el mezclado. Tabla 4.25. Resultados de huecos en la mezcla total para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC. % asfalto Mezclas Sin caucho 170ºC/ 2 hrs 0,5% 1,0% 1,5% 4,5 7,9 - 5,0 5,5 6,0 % huecos en la mezcla 6,4 5,9 5,5 - 5,4 4,7 3,6 73 4,2 3,3 2,8 6,5 3,8 2,1 1,8 PORCENTAJE DE HUECOS EN LA MEZCLA Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 9 8 % HUECOS EN LA MEZCLA 7 6 5 4 3 2 1 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0%CAUCHO 0.5%/ 170ºC/ 2hrs 1.0%/ 170ºC /2hrs 1.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.26. Variación de los huecos en la mezcla respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170ºC por dos horas. e. Vacíos en el agregado mineral. Se observa que los vacíos en el agregado mineral disminuyen a medida que la proporción de caucho se incrementa. La curva para 0.5% de caucho, tiene la tendencia esperada para este parámetro, al igual que la de la mezcla patrón. La curvas de 1.0% y 1.5% no tienen la forma esperada. Tabla 4.26. Resultados de vacíos en el agregado mineral para mezclas con temperatura de digestión de 170ºC. % asfalto Mezclas Sin caucho 170ºC/ 2 hrs 0,5% 1,0% 1,5% 4,5 5,0 5,5 6,0 % vacíos en el agregado mineral 17,6 17,2 17,8 18,3 - - 17,2 16,5 15,5 74 17,0 16,3 15,7 6,5 17,6 16,2 15,8 PORCENTAJE DE VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL Vs PORCENTAJE DE ASFALTO 19 % VACIOS EN EL AGREGADO MINERAL 18,5 18 17,5 17 16,5 16 15,5 15 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 ASFALTO (%Pb) 0%CAUCHO 0.5%/ 170ºC/ 2hrs 1.0%/ 170ºC /2hrs 1.5%/ 170ºC/ 2hrs Figura 4.27. Variación de vacíos en el agregado mineral respecto al porcentaje de cemento asfáltico, para mezclas sin caucho y a 170º C por dos horas. 4.6.2 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE ASFALTO PARA EL DISEÑO Con los parámetros Marshall obtenidos para la temperatura de digestión de 170ºC y el tiempo de digestión de dos horas, se determina el valor del porcentaje de asfalto que cumpla las exigencias de diseño. Tabla 4.27. Parámetros Marshall para evaluar el porcentaje de asfalto. Mezclas Sin caucho 170º C/ 2 hrs 0,5% 1,0% 1,5% Máximo de densidad: % asfalto 5,3 Máximo de Estabilidad: % asfalto 5,1 5% huecos: % asfalto cercano al 6.5% % asfalto estimado 5,5 6,1 la curva disminuye desde 5,5% 5,6 5,7 5,9 cercano al 5,4% 5,9 5,8 los valores están fuera de rango - la curva aumenta hasta 6,5% la curva aumenta hasta 6,5% 75 Analizando la Tabla 4.27 y los gráficos de cada parámetro, se observa que: A medida que aumenta el contenido de caucho, se necesita más ligante. No es posible estimar el porcentaje de cemento asfáltico para 5% de huecos en la mezcla con 1.5% de caucho, además el valor óptimo de ligante no puede ser menor a 5.6% por Estabilidad, pues con menor valor, tendría Estabilidad menor a 9.000 [N]. Por otro lado, con 5.6% de cemento tendría huecos de 3.5%, lo que estaría fuera de la exigencia para carpeta de rodadura. Para realizar los ensayos de caracterización de las mezclas, se usa un contenido constante de cemento asfáltico de 5.5%, para el cual las mezclas con caucho tenían valores lo más cercanos a 5% de huecos. A modo de resumen en la Tabla 4.28, se muestran los parámetros de densidad, estabilidad y de huecos con 5.5% de asfalto, para las mezclas tradicionales sin caucho, y las fabricadas con un proceso de digestión a temperatura de 170º C por dos horas, variando el porcentaje de adición de caucho. Tabla 4.28. Resultados de las mezclas con 5.5% de cemento asfáltico. Densidad [kg/m3] Estabilidad [N] % huecos en la mezcla Sin caucho 2288 9415 5,9 170ºC/ 2 hrs 0,5% 2290 16459 5,4 1,0% 2293 8751 4,7 1,5% 2307 8948 3,6 Mezclas Se observa que con esta cantidad de cemento asfáltico, las mezclas con 1% de caucho, no cumplen con la estabilidad exigida para una carpeta de rodadura y las mezclas con 1.5% de caucho, no cumplen ni estabilidad ni huecos. 76 4.7 VERIFICACIÓN DEL PORCENTAJE DE CAUCHO DE DISEÑO Para verificar el porcentaje de caucho óptimo para la mezcla de este estudio compuesta por 5.5% de asfalto, se realizan los siguientes ensayos: • Resistencia a compresión diametral a 25º C. • Determinación del Módulo Resiliente a 25º y 40º C, y frecuencias de carga de 0.33, 0.5 y 1 Hz. • Determinación del comportamiento a la fatiga. 4.7.1 RESISTENCIA A COMPRESION DIAMETRAL Para determinar la resistencia a compresión diametral, tracción indirecta, de mezclas asfálticas, se siguen los procedimientos indicados en la norma española NLT-346/90. “Resistencia a Compresión Diametral (ensayo brasileño) de mezclas bituminosas.” Este método consiste en imponer una deformación por compresión diametral a una probeta cilíndrica situada horizontalmente entre los platos de una prensa, de forma que los esfuerzos aplicados a la probeta sean sobre dos generatrices opuestas. El parámetro a medir es la carga de rotura. La resistencia a comprensión diametral, tracción indirecta, de una probeta se calcula con la siguiente formula: Rτ = 2⋅ P π ⋅h⋅d donde: Rτ = Resistencia a comprensión diametral, MPa. P = carga máxima de rotura, kN. h = altura de la probeta, mm. d = diámetro de la probeta, mm. Con este ensayo se obtiene una forma de medir la cohesión de la mezcla, pues la mayor oposición a la falla la presenta la unión del asfalto con los agregados pétreos. 77 El ensayo se realiza en el Equipo Marshall, el cual permite aplicar una velocidad de deformación de 50,8 mm/min., equipado especialmente con la prensa Lottman que permite disponer la probeta de manera horizontal para la aplicación de la carga. Este ensayo se realiza usando probetas Marshall, cuyas dimensiones son 63,5 mm de altura y 101,6 mm de diámetro. Se confeccionan mezclas de referencia, sin caucho, y con caucho, fabricadas con proceso de digestión a 170º C por dos horas. Estas probetas son medidas y pesadas, para luego acondicionarse a 25º C antes de ensayarlas. Como se dijo antes, se usa un contenido constante de cemento asfáltico del 5.5%. A continuación, se muestran los resultados obtenidos para este ensayo. La mezcla con 0% de caucho, es la mezcla tradicional patrón. Tabla 4.29. Resultados mezclas con distinto porcentaje de caucho. %Porcentaje Caucho 0.0 0,5 1.0 1,5 Carga de rotura [kN] 11,0 12,4 11,4 12,1 78 Rτ [MPa] 1,10 1,24 1,14 1,19 RESISTENCIA A COMPRESIÓN DIAMETRAL (Rττ) 1,30 1,25 Rτ [Mpa] 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,0 0,5 1,0 1,5 % Caucho Figura 4.28. Variación de la resistencia a la compresión diametral respecto al porcentaje de caucho. Las mezclas con adición de caucho presentan valores de resistencia a la compresión diametral mayores a la mezcla tradicional. Al comparar los resultados para los diferentes porcentajes de caucho, se obtiene que el mayor valor de resistencia a la compresión diametral, se logra para 0.5% de caucho, resultado igualmente obtenido para la Estabilidad. 79 4.7.2 MÓDULO RESILIENTE Es bien sabido que la mayoría de los materiales de pavimento no son elásticos, si no que experimentan alguna deformación permanente después de cada aplicación de carga. Sin embargo, si la carga es pequeña, comparada con la resistencia del material y se repite un gran número de veces, la deformación bajo cada repetición de carga es casi completamente recuperable y proporcional a la carga y se puede considerar elástica. El módulo elástico basado en la deformación recuperable bajo carga repetida se llama Módulo Resiliente. El Módulo Resiliente en laboratorio, puede ser medido en ensaye triaxial, uniaxial, o en tensión diametral indirecta (ensayo brasileño). En terreno, puede determinarse con deflectometría de impacto (FWD). Para las mezclas estudiadas en este trabajo, se obtiene el módulo resiliente en laboratorio en tensión diametral indirecta, bajo las normativas ASTM y CEN. El equipo con el cual se realiza el ensayo para obtener los valores del módulo resiliente es el Nottingham Asphalt Tester NU-10, desarrollado por la compañía “Cooper Research Tecnology Limited”. El NU-10 es un equipo servo-neumático que posee un pistón que aplica cargas de compresión, permitiendo la aplicación de pulsos de carga, y de cargas del tipo sinusoidal. 80 Figura 4.29. Equipo Nottingham Asphalt Tester NU-10. Figura 4.30. Marco de Carga para Ensayes de Módulo Resiliente. 81 4.7.2.1 Módulo Resiliente según Norma CEN 12697-26. Este método de ensaye se ejecuta bajo la normativa europea EN 12697-26: 2003 anexo C, “Test de tensión indirecta en especimenes cilíndricos”. El ensaye de tensión indirecta es un método no destructivo que permite determinar el modulo elástico de los materiales asfálticos de pavimentos para una deformación horizontal seleccionada. Durante el ensayo, la probeta cilíndrica es sometida a pulsos de cargas de compresión de forma repetitiva, con periodos de descanso, esta carga se aplica verticalmente en un plano diametral de la muestra cilíndrica. La deformación horizontal objetivo es de 0.005% de diámetro de la probeta. El tiempo de pulso de carga, desde que se aplica la carga hasta que ésta produce la deformación deseada, es de 124 ± 4 milisegundos. Los módulos resilientes se analizaron de acuerdo a su variación relacionada con los incrementos de temperatura y el incremento en el porcentaje de caucho en las mezclas asfálticas a diferentes temperaturas. Las probetas con distintos contenido de caucho y 5.5 % de cemento asfáltico, se evaluaron a dos temperaturas diferentes, una intermedia a 25º C y una alta de 40º C. Los resultados obtenidos para el módulo resiliente (MR) y para la carga vertical (Fv), se presentan a continuación: Tabla 4.30. Resultados Módulo Resiliente a 25º C según Norma CEN 12697-26. %Caucho 0,0 0,5 1,0 1,5 Fv (kN) 1,16 1,89 1,65 1,80 MR Total (MPa) 2357 3714 3449 3588 Tabla 4.31. Resultados Módulo Resiliente a 40º C según Norma CEN 12697-26. %Caucho 0,0 0,5 1,0 1,5 Fv (kN) 0,14 0,47 0,47 0,48 82 MR Total (MPa) 338 1113 1233 1088 Módulo Resiliente según CEN 12697-26 4000 3714 3588 3449 3500 Módulo Resiliente [Mpa] 3000 2357 2500 2000 1500 1233 1113 1088 1000 500 338 0 0,0 0,5 1,0 1,5 % Caucho MR a 40º C MR a 25º C Figura 4.31. Variación del Módulos Resiliente a distintas temperaturas respecto al porcentaje de caucho. En cuanto a la fuerza vertical necesaria para que las probetas tengan un mismo nivel de deformación, puede decirse que para las mezclas ensayadas a 25º C, el máximo de carga necesaria es para la mezcla con 0.5%, la cual también tiene el más alto módulo. Para las mezclas con caucho ensayadas a 40ºC, la carga es la misma, pero varía el módulo, lo que puede deberse a las diferencias en cuanto al ciclo de carga y a la deformación horizontal obtenida. Se observa que los Módulos Resilientes de las mezclas con caucho respecto a la mezcla tradicional, aumentan considerablemente, aproximadamente hasta en un 37% en las mezclas a 25º C, y 73% en las mezclas a 40º C. De estas cifras, se puede observar también que el Módulo Resiliente se ve más afectado para las mezclas a altas temperaturas, que para las intermedias. En las mezclas con caucho, los valores obtenidos para el módulo con distintos contenidos de caucho, no tienen la misma tendencia para ambas temperaturas. A 25º C, el 83 mayor módulo se tiene para 0.5% de caucho, y a 40º C, para 1.0%. Asimismo, la variación de los módulos entre mezclas con distintos contenidos de caucho, es pequeña. En base a los resultados obtenidos con estas mezclas fabricadas a 170º C por dos horas, podría decirse que si hubiera que elegir la dotación de caucho, en base al Módulo Resiliente según el ensayo CEN, el porcentaje a utilizar podría estar entre 0.5% y 1%, donde el primero, tiene mejor módulo para 25º C y el segundo, para 40º C. 4.7.2.2 Módulo Resiliente según Norma ASTM D4123-82. La evaluación del Módulo Resiliente se obtiene siguiendo el procedimiento descrito en la norma americana ASTM D4123-82, “Indirect Tension Test for Resilient Modulus of Bituminous Mixtures”. Este ensayo es un método no destructivo que permite determinar el módulo resiliente de los materiales asfálticos de pavimentos para una carga vertical seleccionada. En el ensayo se somete una probeta cilíndrica de altura 63,5 mm y de 101,6 mm de diámetro elaborada con el martillo Marshall, a una carga cíclica de comprensión aplicada verticalmente según un plano diametral a la probeta. El ciclo de carga se compone de un pulso de amplitud y duración establecida, seguido de un tiempo de relajación. De las funciones de carga y de deformación horizontal obtenidas asumiendo un valor para el coeficiente de Poisson de 0.35, se determinan dos valores de módulos resilientes. El módulo resiliente instantáneo es calculado usando la deformación producida en la probeta en el instante en que termina la aplicación del pulso de carga. El módulo resiliente total es calculado usando la deformación total producida en la probeta al término del periodo de reposo que sigue al pulso de carga. Este último será el que se usará para comparar los valores obtenidos para las probetas fabricadas con los diferentes porcentajes de caucho. Los módulos resilientes se analizaron de acuerdo a su variación con el incremento en la frecuencia de carga a diferentes temperaturas, así como su variación relacionada con los incrementos de temperatura a diferentes frecuencias y el incremento en el porcentaje de caucho en las mezclas asfálticas a diferentes temperaturas. 84 Las probetas con distintos contenido de caucho, se evaluaron a dos temperaturas diferentes, una intermedia a 25º C y una alta de 40º C, y además se realiza el ensayo con tres frecuencias de carga: 0.33, 0.5 y 1 Hz., con duración del pulso de carga de 0.3, 0.2 y 0.1 s, respectivamente. La amplitud del pulso de carga a utilizar es cercana al 10% de la resistencia a tracción indirecta para las mezclas a 25º C, y para las mezclas a 40º C, es la más baja que puede dar el equipo, 0.25 kN, pues las probetas son muy deformables. Los resultados obtenidos para el módulo resiliente según este método, se muestran a continuación: Tabla 4.32. Resultados Módulo Resiliente según Norma ASTM D4123-82. Temperatura de ensayo [º C] 25 40 Frecuencia [Hz] 1 0,5 0,33 1 0,5 0,33 0,0% 2175 2087 2071 420 301 246 85 Módulo Resiliente [MPa] 0,5% 1,0% 5149 5141 5060 5113 5039 5099 1720 2395 1668 2321 1643 2251 1,5% 4080 4033 3931 2096 1998 1922 Módulo Resiliente a 25º C 6000 Módulo Resiliente [MPa] 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Frecuencia [Hz] MR 0.0% caucho MR 0.0% caucho MR 0.5% caucho MR 0.5% caucho MR 1.0% caucho MR 1.0% caucho MR 1.5% caucho MR 1.5% caucho Figura 4.32. Variación del Módulo Resiliente con relación a la frecuencia de aplicación de carga a una temperatura de 25º C. Módulo Resiliente a 40º C 3000 Módulo Resiliente [MPa] 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Frecuencia [Hz] MR 0.0% caucho MR 0.0% caucho MR 0.5% caucho MR 0.5% caucho MR 1.0% caucho MR 1.0% caucho MR 1.5% caucho MR 1.5% caucho Figura 4.33. Variación del Módulo Resiliente con relación a la frecuencia de aplicación de carga a una temperatura de 40º C. 86 1,2 Se observa que el Módulo Resiliente de las mezclas con caucho respecto a la mezcla tradicional, aumenta considerablemente, aproximadamente hasta en un 59% con 0.5% y 1% de caucho (a 25º C y 0.5 y 0.33 Hz), y 89% con 1% de caucho (a 40º C a 0.33 Hz). De estas cifras se puede observar también que el Módulo Resiliente se ve más afectado para las mezclas a altas temperaturas, que para las intermedias, al igual que como se vio en el método CEN. El Módulo Resiliente en las mezclas mejoradas con caucho ensayadas a 40º C, es menos susceptible a la frecuencia de aplicación de carga que en las mezclas tradicionales. Se puede observar que con un aumento de la frecuencia a esta temperatura, en las mezclas sin caucho, el Módulo Resiliente presenta incrementos mayores que los presentados en las mezclas con caucho. Para las mezclas ensayadas a 25º C, los incrementos de las mezclas con y sin caucho, son muy parecidos. Como es de esperar, se observa que los módulos disminuyen con el incremento en la temperatura. En las Figuras 4.34 y 4.35, se presenta la variación de los Módulos Resilientes con relación al incremento en el porcentaje de caucho en las mezclas asfálticas para 25º y 40ºC, respectivamente.. 87 Módulo Resiliente a 25º C 6000 Módulo Resiliente [Mpa] 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 cantidad de caucho adicionada [%] 1 Hz 0.5 Hz 0.33 Hz Figura 4.34. Variación del Módulo Resiliente con relación al incremento en el porcentaje de caucho, para una temperatura de 25ºC. Módulo Resiliente a 40º C 3000 Módulo Resiliente [Mpa] 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 cantidad de caucho adicionada [%] 1 Hz 0.5 Hz 0.33 Hz Figura 4.35. Variación del Módulo Resiliente con relación al incremento en el porcentaje de caucho, para una temperatura de 40ºC. 88 1,6 A 25ºC, los Módulos Resilientes no tienen mucha variación con respecto a la frecuencia para cada porcentaje de caucho, observándose en la Figura 4.34, una sola curva. Esto es debido al bajo valor de deformación aplicado, lo que indica que se está trabajando en el rango elástico del material. El Módulo Resiliente aumenta al incrementar el porcentaje de caucho, llegando a un valor máximo aproximadamente entre 0.6% y 0.7% de caucho, luego decrece debido supuestamente a que parte del caucho queda sin reaccionar con el asfalto, comportándose como una partícula blanda. A 40ºC, se observa que el Módulo tiene una variación mayor con la frecuencia, obteniéndose curvas relativamente separadas para frecuencia de 1 Hz, 0.5 Hz y 0.33 Hz, debido a que el asfalto se vuelve menos viscoso. En base a los resultados obtenidos de los Módulos Resilientes según ASTM, con estas mezclas fabricadas a 170º C por dos horas, el porcentaje a utilizar podría estar entre 0.5% y 1%. 4.7.3 RESISTENCIA A LA FATIGA La fatiga puede definirse como el fenómeno de fractura debido a cargas repetidas o fluctuantes, las cuales tienen un valor máximo generalmente menor que el límite de resistencia a tracción del material. En el pavimento, el proceso de fatiga está relacionado con las repetidas pasadas de las cargas de las ruedas, las cuales producen esfuerzos en las capas asfálticas que varían entre compresión y tracción. Debido al tráfico continuo, estas reiteradas repeticiones de deformaciones por tracción eventualmente provocarán la iniciación de una grieta, la que con las siguientes pasadas de ruedas, se propagará por la capa y eventualmente el pavimento fallará. La resistencia a fatiga expresa la capacidad de la mezcla asfáltica a deformarse repetidamente sin fracturarse. 89 Para determinar la resistencia a fatiga se siguen los procedimientos indicados en la normativa europea CEN 12697-24, “Resistencia a la fatiga”. El objetivo de este ensayo es determinar la vida de fatiga usando el método de tracción indirecta con probetas Marshall preparadas en laboratorio, a las cuales se les aplica una carga vertical repetida en un plano diametral que tiene como resultado aplicaciones repetidas de un esfuerzo de tracción indirecta sobre el diámetro horizontal. Este proceso usualmente terminará por producir una grieta a lo largo del diámetro vertical y, si continúa, la probeta se partirá en dos partes. El ensayo se realiza con esfuerzo controlado, donde la magnitud del pulso de esfuerzo aplicado se mantiene constante hasta la falla. De este ensayo se obtiene una relación entre el esfuerzo de tracción y el número de aplicaciones hasta la falla, la cual puede estar dada por la fractura de la probeta o cuando la deformación vertical alcanza un valor mayor que 10 mm. Es necesario evaluar varios esfuerzos de tracción para determinar la pendiente de la ley de fatiga, m, el término libre de la regresión lineal, c y el coeficiente de correlación, R2. El equipo con el cual se realiza el ensayo es el NU-10. Figura 4.36. Marco de Carga para Ensaye de Fatiga. 90 Para este ensayo, se confeccionan mezclas de referencia sin caucho, y con caucho, fabricadas con digestión a 170º C por dos horas. Estas probetas son medidas y pesadas, para luego acondicionarse a 25º C antes de ensayarlas. El porcentaje de cemento asfáltico es de 5.5%, para cada caso. Tabla 4.33. Resultados Ensaye de Fatiga. Carga [kPa] 150 180 200 230 250 300 N 0,0% 3852 1700 1085 730 484 141 0,5% 31703 24055 12446 8063 7851 5930 1,0% 33749 7632 8966 8038 3940 3665 1,5% 24446 14143 14820 4588 2220 2610 m c R2 -47,043 535,15 0,9901 -74,983 942,83 0,8891 -57,772 737,76 0,7474 -48,746 651,11 0,8465 CURVA DE FATIGA 350 Esfuerzo [kPa] 300 250 200 150 100 10 100 1000 10000 Número de repeticiones hasta la falla, N 0.0% 0.0% 0.5% 0.5% 1.0% 1.0% 100000 1.5% 1.5% Figura 4.37. Curva de Fatiga para mezclas con distinto porcentaje de adición de caucho. 91 Al observar la Figura 4.37, se puede decir que las mezclas con caucho tienen mejor comportamiento a fatiga, aceptan mayor número de repeticiones de carga antes de fracturarse. El aumento en el número de repeticiones al agregar caucho, es del orden de 10 veces para cargas altas y 30 para bajas. Los resultados obtenidos para la fatiga de las mezclas con caucho, tienen valores cercanos entre sí, estando en un rango entre 3.000 y 30.000 repeticiones de carga. Para las mezclas fabricadas con 0.5% de adición de caucho, se tiene el mayor valor para la pendiente, esto demuestra menor sensibilidad al cambio en el número de ciclos, por aumento de la carga. 4.7.4 RESULTADOS FINALES Después de analizar los resultados de los ensayes, se concluye que: El mayor valor para resistencia diametral se logra para 0.5% de caucho. Según el método CEN a 25ºC, los valores mayores de Módulo Resiliente, se obtienen para 0.5% de caucho y para 40ºC se obtienen con 1%. Según el método ASTM, los valores mayores de Módulo Resiliente se tienen entre 0.5% y 1% de caucho. Las mezclas con 0.5% de caucho, presentan menor sensibilidad al cambio en el número de ciclos, por aumento de carga. 92 5. CONCLUSIONES 5.1 • GENERALES El caucho reciclado obtenido de neumáticos desechados, puede ser utilizado confiablemente para mejorar las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas usándolo como un agregado (proceso seco) ó como un modificador del ligante (proceso húmedo). Por otro lado, la utilización del caucho trae beneficios ambientales al valorizar un desecho como son los neumáticos y solucionar el problema de la disposición final de ellos, disminuyendo la contaminación. • Entre menor sea el tamaño máximo de los granos de caucho que se utilicen para mejorar las mezclas asfálticas ó modificar el ligante, serán mejores los resultados obtenidos. Sin embargo, no deben dejarse de lado los beneficios de usar partículas gruesas de caucho. • El proceso húmedo requiere nuevos equipos en planta, como la unidad de mezclado y almacenamiento del asfalto-caucho, cambio de bombas y tuberías, y energía adicional para calentar la mezcla a mayores temperaturas con tiempo de reacción prolongado. Por su parte, el proceso por vía seca, no requiere de grandes cambios en la planta asfáltica, solo manejar el caucho como un filler, incorporándolo cuando los áridos estén calientes, además es necesario simular el tiempo de digestión en obra, que se debe esperar antes de compactar, el cual correspondería al tiempo desde el cargado de camión en la planta hasta llegar a la obra y descargar en la finisher. • Ambos procesos de adición de caucho, exigen mayores cantidades de cemento asfáltico, pero con los consiguientes beneficios y mejoras en las propiedades relacionadas con la durabilidad. • Es posible trabajar con granulometrías convencionales para la fabricación de mezclas asfálticas mejoradas con caucho. • Se debe tener en cuenta que por la baja densidad del caucho, las relaciones volumétricas se alteran en mayor proporción de lo que se estima en dosificaciones en masa. • Si bien el caucho se incorpora como un árido en el proceso seco, no debe tratarse como tal, pues interacciona con el cemento asfáltico. Por la misma razón, no debe 93 considerarse el polvo de caucho como un filler de aportación para afinar la granulometría de las mezclas. • El parámetro más critico de la adición de caucho por la vía seca, es el tiempo de digestión. El tiempo de digestión recomendado debe cumplir con un mínimo necesario para que el caucho interactúe con el ligante, modificando la reología del asfalto original, y un máximo acotado a los tiempos reales de puesta en obra del material. • El proceso de dosificación de las mezclas por la vía seca, no difiere en gran medida del diseño de una mezcla tradicional, salvo en un parámetro básico que es la determinación del tiempo y temperatura de digestión mínimo para alcanzar el grado de modificación suficiente. Esto se verifica a través del ensayo de inmersión-compresión, exigiendo un nivel cercano al 75% de resistencia conservada. • No debe descartarse ninguno de los procesos de incorporación de caucho, sino que en cada estudio de proyecto se debe seleccionar la mejor tecnología, dependiendo si la solución es de mantenimiento o construcción, y además de los costos que cada proceso tenga para ese caso particular. 5.2 • ESPECÍFICAS Para las mezclas mejoradas con caucho, el contenido óptimo de caucho con el cual se obtuvieron los mejores valores de tracción indirecta, módulos y fatiga es de alrededor al 0.5 %, al igual que para los parámetros Marshall. Para el ensayo de inmersióncompresión, los valores mejores de resistencia conservada se tiene con contenidos de caucho hasta el 1%. • Al aumentar la temperatura de digestión, con el mismo tiempo, se obtienen mejores resultados de las mezclas asfálticas con caucho, mediante vía seca. • Las mezclas asfálticas mejoradas con caucho, se diseñaron mediante el procedimiento Marshall para determinar el contenido óptimo de ligante, evaluando la Estabilidad, el contenido de huecos y la densidad; y el contenido óptimo de caucho, se estudia analizando los parámetros Marshall y el ensaye de Inmersión-Compresión, y se verifica mediante los ensayos de tracción indirecta, Módulo Resiliente y resistencia a la fatiga. 94 El contenido óptimo de ligante también puede ser determinado con evaluación de módulos resilientes de la mezcla asfáltica. • En la mezcla con caucho mediante vía seca, disminuye el contenido de huecos con aire y el contenido de vacíos en el agregado mineral. • A medida que se incorpora mayor cantidad de caucho en la mezcla asfáltica, la Estabilidad tiende a disminuir. La fluidez sobrepasa los límites de una carpeta de rodadura, 16 [0.01”], para contenidos de ligante del 1% • El contenido óptimo de ligante en una mezcla asfáltica aumenta a medida que se incrementa el porcentaje de adición de caucho, debido a la absorción de ligante que éste produce. 95 6. RECOMENDACIONES Dado que en Chile, la implantación de plantas recicladoras está retrasada, lo que implica que, desde un punto de vista económico, conseguir el caucho sea muy caro, dado que solo se consigue importándolo, se debe instar a los organismos gubernamentales a favorecer dicha implantación apoyando a las empresas interesadas de todas las formas posibles, incluyendo la instauración de normativa en relación a los proyectos de carreteras que obliguen al uso y empleo del caucho proveniente de neumáticos desechados en la fabricación de mezclas asfálticas, siguiendo la línea de otros países, lo que causará el descenso de los precios finales del caucho reciclado, haciéndolo competitivo para su empleo en la construcción de carreteras. Cabe destacar que entre los tipos de plantas trituradoras que existen, la que genera mejores resultados, en cuanto a las formas de partículas obtenidas, es la de trituración ambiental, aparte de ser más económica que una criogénica. Sería necesario desarrollar una evaluación económica de las mezclas asfálticas con caucho, comparándolas con las convencionales, en cuanto a costos iniciales y de mantenimiento, su vida útil y el estado del pavimento en el tiempo. Al usar el caucho mediante el proceso seco, es conveniente estudiar los beneficios que se pueden obtener al emplear tamaños de caucho más grueso que el utilizado en este estudio. Es necesario validar en el Manual de Carreteras, el ensayo de InmersiónCompresión, estableciendo el procedimiento de uso y los valores exigidos para cada tipo de mezcla. Se debe seguir estudiando con granulometrías tradicionales para elaborar mezclas asfálticas con asfalto modificado con caucho, para comparar con los resultados obtenidos con el uso de la granulometría SemiGap Graded. Asimismo, es necesario realizar un seguimiento a los tramos de prueba realizados con este proceso, con la obtención de testigos principalmente. 96 De modo de verificar las propiedades encontradas al usar el caucho por la vía seca y para añadir al estudio sobre esta tecnología, se recomienda realizar tramos de prueba, lo que serviría para analizar el comportamiento de estas mezclas en terreno. 97 7. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS Tesis asociadas [1] HERRERA Toledo, Yasmila. Aplicación de mezclas asfálticas modificadas con caucho, programa de seguimiento en ruta X-65 y 60-CH. Tesis (Ingeniero Civil). Santiago, Chile. Universidad de Chile, Fac. de Cs. Físicas y Matemáticas, Depto. de Ing. Civil, 2005. [2] BADILLA Montes, Pablo. Estudio de factibilidad técnica y estimación de la demanda de pavimentos de asfalto modificado con caucho de neumáticos desechados. Tesis (Ingeniero Civil). Santiago, Chile. Universidad de Chile, Fac. de Cs. Físicas y Matemáticas, Depto. de Ing. Civil, 2002. [3] GUTIÉRREZ Ruiz, Patricio. Incorporación de caucho de neumáticos desechables en asfalto. Tesis (Ingeniero Civil). Santiago, Chile. Universidad de Chile, Fac. de Cs. Físicas y Matemáticas, Depto. de Ing. Civil, 2001. Publicaciones [4] INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Estudio de las mejoras mecánicas de mezclas asfálticas con desechos de llanta. Bogotá, Universidad de Los Andes, 2002. 303 p. [5] GALLEGO Medina, Juan y DEL VAL Menús, Miguel Ángel. Efecto del empleo de caucho de neumáticos usados por vía seca en las características de mezclas bituminosas en caliente. Madrid, España. [6] GALLEGO Medina, Juan y PRIETO Muñoz, Jorge. Tipo de mezclas bituminosas con caucho de neumáticos. Experiencia española en la conservación de carreteras. Madrid, España. [7] LABORATORIO NACIONAL DE VIALIDAD, MOP. Curso Laboratorista Vial. 5ª edición, Vol. II. Santiago, Chile, 2000. 98 [8] DIRECCIÓN DE VIALIDAD, MOP. Especificaciones y Métodos de Muestreo y Ensaye. Santiago, Chile, 1986. 400 p. [9] GALLEGO Medina, Juan y DE LOS SANTOS Granados, Luis. Mezclas bituminosas con betunes de alto contenido en caucho de neumáticos: una elección por las altas prestaciones. III Congreso Andaluz de Carreteras, Sevilla, España. 2003. [10] Diseño y desarrollo de un aglomerado asfáltico con polvo de caucho procedente del reciclado de los neumáticos usados incorporado por via seca por Bernabé Witoszek, Francisco Hernández, Candelas Benito y Manuel Alonso. VI Congreso Nacional de Firmes, León, España. 2004. [11] BALIGE, Marcela. Primera experiencia de utilización de caucho de neumáticos por vía seca en pavimentación urbana. Congreso de Asfalto Caucho, Brasilia, Brasil. Diciembre, 2003. [12] KANDHAL, Prithvi. Waste materials in hot mix asphalt-an overview. Alabama, Auburn University, National Center for Asphalt Technology. December 1992. [13] HERVÁS Ramírez, Lorenzo. Los neumáticos fuera de uso. Andalucía, Consejería de Medio Ambiente, Junta de Andalucía. 2003. [14] The NU-10, Operation and Maintenance Manual, Cooper Research Tecnology, 2002. [15] DIRECCION DE VIALIDAD, MOP. Manual de Carreteras, Volumen Nº5, Especificaciones Técnicas Generales de Construcción. Santiago, Chile. 1997. [15] DIRECCION DE VIALIDAD, MOP. Manual de Carreteras, Volumen Nº8, Especificaciones y Métodos de Muestreo, Ensaye y Control. Santiago, Chile. 2003. 99 Normas [16] ASTM D 8-88, Standard Definitions of Terms Relating to Materials for Roads and Pavements. [17] ASTM D4123-82 (Reapproved 1995), Indirect Tension Test for Resilient Modulus of Bituminous Mixtures. [18] EN 12697-26: 2003 anexo C, “Test de tensión indirecta en especimenes cilíndricos” [19] NLT-346 “Resistencia a compresión diametral (ensayo brasileño) de mezclas bituminosas” [20] EN 12697-24, Bituminous mixtures — Test methods for hot mix asphalt — Part 24: Resistance to fatigue. [21] EN 12697-26, Bituminous mixtures — Test methods for hot mix asphalt — Part 26: Stiffness. [22] NLT-161 “Resistencia a la compresión simple de mezclas bituminosas” [23] NLT-162 “Efecto del agua sobre la cohesión de mezclas bituminosas compactadas” Recursos bibliográficos en línea [24] ASPHALT RUBBER [en línea] [consulta: Marzo de 2006] [25] RUBBER PAVEMENTS ASSOCIATION [en línea] [consulta: Abril de 2006] 100 [26] UNITED STATES DEPARTMENT OF TRANSPORTATION - FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION [en línea] http://www.fhwa.dot.gov/Pavement/recycling/reccrumb.cfm [consulta: Abril de 2006] [27] [consulta: Abril de 2006] 101 ANEXOS 102 ANEXO A RESULTADOS ENSAYO INMERSIÓN-COMPRESIÓN 103 TABLA A.1: Resultados mezcla patrón (P1). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] 1 103,2 101,7 1875 1885,3 1057,8 827,5 2266 2273 2 101,6 101,7 1844,7 1853,1 1044,1 809 2280 3 101,9 101,8 1845 1853,9 1042 811,9 2272 carga [N] 31000 32000 31000 Área [mm2] 8123 8123 8139 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 3,82 3,85 3,94 3,81 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 101,4 101,8 1842,2 1847,9 1039,3 808,6 2278 15000 8139 1,84 2272 2,22 5 101,8 101,6 1842 1852 1039,7 812,3 2268 23000 8107 2,84 6 101,6 101,7 1841,4 1849,5 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 1038 811,5 2269 16000 8123 1,97 3,85 2,22 57,5 TABLA A.2: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas con 1.0% de caucho (C1). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] 1 102,7 100 1839,8 1850,4 1026,5 823,9 2233 2246 2 101 100,7 1827,8 1835,8 1028,3 807,5 2264 3 103 101,6 1841,5 1849,6 1027,8 821,8 2241 carga [N] 41000 39000 38000 Área [mm2] 7854 7964 8107 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 5,22 4,93 4,90 4,69 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 104 101,6 1834,6 1842,4 1014,7 827,7 2217 12000 8107 1,48 2214 1,52 5 103,7 101,4 1842,2 1847,6 1018,7 828,9 2222 13000 8075 1,61 6 104 101,6 1834,5 1843,8 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 1011 832,8 2203 4,93 1,52 30,9 104 12000 8107 1,48 TABLA A.3: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 150ºC por dos horas con 1.5% de caucho (C2). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] 1 104 100,7 1871,8 1880,5 1046,9 833,6 2245 2249 2 104 100 1863,7 1871,2 1044,2 827 2254 3 100,2 100,2 1823 1828,4 1017,5 810,9 2248 carga [N] 37000 37000 42000 Área [mm2] 7964 7854 7885 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 4,65 4,89 4,71 5,33 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 104,8 100,9 1875 1880,5 1052,2 828,3 2264 16000 7996 2,00 2252 1,17 5 104,4 100 1870,1 1877,5 1046,3 831,2 2250 6000 7854 0,76 6 104,4 101 1864,2 1869,5 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 1038 831,5 2242 6000 8012 0,75 4,89 1,17 23,9 TABLA A.4: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 160ºC por una hora con 1.0% de caucho (C3). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] 1 104,6 101,9 1857,2 1869,3 1039,5 829,8 2238 2235 2 104 102 1853,7 1860 1031,3 828,7 2237 3 103,8 102 1857,1 1864,2 1031 833,2 2229 carga [N] 29000 31000 33000 Área [mm2] 8155 8171 8171 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 3,56 3,80 3,79 4,04 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 104 101,6 1859,2 1870,3 1038,8 831,5 2236 11000 8107 1,36 2237 1,48 5 104 101,7 1861,4 1868,8 1036,9 831,9 2238 13000 8123 1,60 6 104 101,5 1855,7 1865,7 1036,5 829,2 2238 12000 8091 1,48 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 3,80 1,48 39,0 105 TABLA A.5: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 160ºC por dos horas con 1.0% de caucho (C4). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] 1 102,4 101,6 1843,4 1854,8 1034,8 820 2248 2253 2 103,2 101,7 1861,3 1868,8 1044,6 824,2 2258 3 104 chequeo 101 101,3 102,0 101,7 1850,2 1864,1 1042,5 821,6 2252 101,6 101,7 101,6 1824,0 1829,3 1822,1 1831,8 1025,9 805,9 1838,3 1031,0 807,3 1829,6 1018,6 811,0 2263 2266 2247 2259 carga [N] 34000 32000 30000 Área [mm2] 8107 8123 8123 40000 44000 42000 8107 8123 8107 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 4,19 3,94 3,94 3,69 4,93 5,42 5,18 5,18 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 104 101,6 1858,1 1868,2 1042,4 825,8 2250 12000 8107 1,48 2252 1,98 5 104 101,6 1867,2 1877 1047,5 829,5 2251 16000 8107 1,97 6 103,1 101,4 1859 1867 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 1042,6 824,4 2255 20000 8075 2,48 4,56 1,98 43,4 TABLA A.6: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 170ºC por dos horas con 0.5% de caucho (C5). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) Nº H D P. en aire P s.s.s. P. agua Vol Dens Prom [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] 1 101 101 1813,9 1823,8 1018,7 805,1 2253 2256 2 101 101,3 1820,5 1828,8 1023,1 805,7 2260 3 98,5 101,5 1817,4 1822,5 1016,9 805,6 2256 carga [N] 32000 42000 46000 Área [mm2] 8012 8060 8091 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 3,99 4,96 5,21 5,69 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) Nº H D P. en aire P s.s.s. P. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 101 101,7 1818,0 1828,2 1025,40 802,8 2265 26000 8123 3,20 2256 3,38 5 101,7 101,5 1817,2 1827,2 1018,00 809,2 2246 28000 8091 3,46 6 101,4 101,4 1822,8 1831,0 1023,80 807,2 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 2258 4,96 3,38 68,0 106 28000 8075 3,47 TABLA A.7: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 170ºC por dos horas con 1.0% de caucho (C6). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] 1 102,8 101,7 1842,7 1851,3 1031,4 819,9 2247 2245 2 101,8 101,8 1832,7 1842 1025,8 816,2 2245 3 102,7 102,7 1839 1847,8 1027,1 820,7 2241 carga [N] 31000 37000 37000 Área [mm2] 8123 8139 8284 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 3,82 4,28 4,55 4,47 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 101,6 101,5 1838,6 1847 1029,5 817,5 2249 28000 8091 3,46 2247 2,88 5 101,8 101,6 1836,4 1849,6 1036,1 813,5 2257 25000 8107 3,08 6 103 101,7 1840,6 1850,5 1026,8 823,7 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 2235 17000 8123 2,09 4,28 2,88 67,3 TABLA A.8: Resultados mezcla fabricada con temperatura de digestión de 170ºC por dos horas con 1.5% de caucho (C7). PRIMER GRUPO HORNO ( 24 hrs.a 25ºC + 2 hrs.a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom 3 3 [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m ] [kg/m ] [kg/m3] 1 100 101,6 1815,5 1822,8 1023 799,8 2270 2268 2 101 101,7 1825,7 1832,6 1027,6 805 2268 3 101 101,5 1823,7 1830,5 1025,6 804,9 2266 carga [N] 46000 40000 42000 Área [mm2] 8107 8123 8091 Resistencia Promedio [MPa] [MPa] 5,67 5,26 4,92 5,19 SEGUNDO GRUPO AGUA ( 24 hrs.a 60ºC en agua + 2 hrs.a Temperatura ambiente + 2 hrs. a 25º en agua) P. Nº H D P. en aire P s.s.s. agua Vol Dens Prom carga Área Resistencia Promedio [mm] [mm] [gr] [gr] [gr] [m3] [kg/m3] [kg/m3] [N] [mm2] [MPa] [MPa] 4 104 101 1830,4 1841,1 1030,5 810,6 2258 12000 8012 1,50 2257 2,07 5 101,3 101,5 1829,8 1834,1 1020,4 813,7 2249 16000 8091 1,98 6 102,7 101,3 1830,7 1837 RESUMEN Resistencia MPa Primer Grupo (R1) Resistencia MPa Segundo Grupo (R2) Diferencia Porcentual (R) 1028,4 808,6 2264 5,30 2,07 39,0 107 22000 8060 2,73