Fibras
EMPLEO DE FIBRAS EN LA ELABORACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS PARA PAVIMENTOS DE GRADUACIÓN ABIERTA
Esta investigación tiene como finalidad proponer nuevas mezclas asfálticas que mediante el empleo de fibras en la elaboración de la mezcla, presenten un buen comportamiento frente a deterioros tales como las deformaciones plásticas permanentes, agrietamientos por fatiga, agrietamientos por fatiga térmica, envejecimiento y oxidación de la película delgada de cemento asfáltico que envuelve el material pétreo; todos estos causados por la acción de los agentes atmosféricos, la mala calidad de los materiales que se emplean y el hecho de no tener en consideración las condiciones climáticas del lugar en el que va a ser colocada la mezcla asfáltica. Para esto se realiza un estudio experimental en laboratorio empleando dos tipos de mezclas: una con una granulometría densa, siendo la empleada durante muchos años en nuestro país y otra, una mezcla abierta; se emplean además dos tipos de cementos asfálticos, uno convencional y uno modificado con 2% de polímero SBS y tres tipos de fibras, adoptándose para esto el ensayo de Tensión Indirecta y conduciéndose bajo dos condiciones de prueba, en seco y bajo condiciones de humedad con la finalidad de ver el efecto que tiene el agua en el comportamiento de la mezcla. En esta investigación se encontró que mediante la adición de fibras se tiene en la mezcla una mejor redistribución de esfuerzos, que además las fibras arman las mezclas confiriéndole mayor cohesión y tenacidad gracias a su elasticidad, resultando mezclas más flexibles con una mayor resistencia al impacto y a los efectos abrasivos del tráfico.
Claudia L. Martínez Bringas
Carlos Fonseca Rodríguez
junio de 1999
1. Introducción
Hoy en día la circulación de vehículos sobre las carreteras y calles son el medio principal de transporte tanto de personal como de bienes. Los volúmenes de tránsito, así como las cargas han aumentado considerablemente en las últimas décadas. Durante años en todo el país la construcción de capas de rodamiento en los pavimentos asfálticos se ha realizado mediante mezclas asfálticas tradicionales que sometidas a la creciente demanda de tránsito, a la acción de los agentes atmosféricos, a la presencia de altos y bajas temperaturas y al empleo de materiales inadecuados hacen que se presenten deterioros importantes como las deformaciones plásticas permanentes reflejadas por la aparición de roderas, agrietamientos por fatiga, agrietamientos por fatiga térmica y envejecimiento y oxidación por los agentes atmosféricos de la película delgada de cemento asfáltico que envuelven el material pétreo.
En los últimos años se han introducido nuevas mezclas asfálticas con la finalidad de disminuir estos deterioros. Algunos investigadores [1,2,3,4], han conducido estudios empleando diferentes tipos de fibras para reforzar las mezclas asfálticas como son:
Fibras de poliéster para mejorar el esfuerzo a tensión y a la susceptibilidad a la humedad [1].
Fibras acrílicas para darle resistencia a la disgregación por el efecto abrasivo del tráfico, a la desenvuelta del agua y para retardar el inicio y propagación de grietas [2,3].
Fibras de polipropileno para controlar el agrietamiento en los pavimentos [4].
Han sido muchos los criterios para evaluar las mezclas y para diseñarlas tratando de lograr una exacta determinación de las propiedades del concreto asfáltico con el fin de caracterizar el material y así poder predecir la respuesta y las posibles fallas que pueden ocurrir.
El ensayo de Tensión Indirecta ha sido utilizado por varios años. Investigadores como Little y Richie[5], Kennedy[6], Wallace y Monismith [7], Roque y Buttlar[8], han empleado este ensayo para conocer las propiedades del concreto asfáltico y diseñar las mezclas además de poder medir los esfuerzos a tensión del concreto asfáltico concluyendo que el empleo de esta prueba para determinar las propiedades del concreto asfáltico es más exacto que las propiedades determinadas de las mediciones convencionales.
El objetivo de este trabajo es proponer nuevas mezclas asfálticas que mediante el empleo de fibras, presenten un buen comportamiento frente a los deterioros mencionados, que sean tenaces y flexibles y capaces de desarrollar una alta energía de fractura para utilizarse como capa de rodamiento. Estas mezclas proporcionan superficies de rodamiento con texturas que disminuyen el problema de deslizamientos de los vehículos al inicios de las lluvias, evitando accidentes en las calles y carreteras, siendo éstas más seguras y cómodas. Por otro lado, los trabajos de mantenimiento son menores permitiendo a los ingenieros responsables de estas tareas un mejor aprovechamiento de los escasos recursos destinados a ellos.
2. Metodología
Este trabajo de investigación se realizó empleando una metodología con alto contenido experimental y se llevó a cabo en las instalaciones del Laboratorio de Asfalto del Departamento de Ingeniería Civil del ITESM, Campus Monterrey. Para la fabricación de las mezclas asfálticas se emplearon dos granulometrías, una densa que es la comúnmente empleada en México y se propuso una granulometría abierta la cual se denominó como G12. En los dos tipos de granulometría se realizó un estudio Marshall elaborándose en cada caso 18 probetas cilíndricas de 2 ½ pulg. de altura y 4 pulg. de diámetro para determinar el contenido óptimo de Cemento Asfáltico. Fueron utilizados dos tipos de fibras, Sekril 900 y Sekril 210 en dos porcentajes diferentes cada una; 0.30%, 0.60% y 0.15%, 0.30% respectivamente. Se elaboraron especímenes sin fibra que serían el parámetro de comparación para verificar si existe alguna mejora al incorporar fibras a la mezcla. Fueron empleados dos tipos de cemento asfáltico, uno convencional y el modificado con 2% de polímero SBS, empleándose el contenido óptimo de cemento asfáltico que para ambos casos fue de un 4% y se llevaron a cabo dos condiciones de prueba, en seco y bajo condiciones de humedad. En la Figura 1 se muestra el plan seguido para este experimento.
Adicionalmente se realizó un segundo experimento dentro de la granulometría abierta G12 con la finalidad de conocer el comportamiento de una mezcla rica en asfalto, lo cual proporcionaría al pavimento mucho mayor durabilidad, añadiéndose además otro tipo de fibra (Viatop 66) en dos porcentajes diferentes 0.30% y 0.60%. En la Figura 2 podemos ver el procedimiento seguido para este experimento.
En todos los casos fueron probados los especímenes en seco y bajo condiciones de humedad, con el fin de simular el posible daño que puede causar el agua en las mezclas, estas condiciones fueron dadas mediante un tratamiento de inmersión en agua durante 4 horas a una temperatura de 600C, después de este lapso se les permitió a los especímenes retomar la temperatura ambiente para después ser ensayados de la misma forma que los especímenes secos. Tanto los especímenes secos como los húmedos fueron sometidos al ensayo de Tensión Indirecta a una temperatura ambiente de 250C en la prensa para ensayos Marshall. La carga fue aplicada diametralmente a una velocidad constante de 50.8 mm/min registrándose los datos de carga total aplicada en kilogramos y de desplazamiento en milímetros.
Figura 1. Plan general de la experimentación con los dos tipos de granulometrías..
Para cada una de las probetas fabricadas se evaluaron los siguientes parámetros:
a) Resistencia a la Tensión Indirecta ( st ) (Prueba Brasileña).
donde:
st = Resistencia a Tensión Indirecta, kg./cm2
P = Carga máxima de ruptura, kg.
p = Constante 3.14159…
h = Altura de la probeta, mm.
d = Diámetro de la probeta, mm.
b) Tenacidad. La Tenacidad, Figura 3, es definida como el área bajo la curva esfuerzo de tensión- deformación hasta una deformación del doble de la incidida al máximo esfuerzo de tensión y es medida en kg./cm.
c) Energía de fractura por unidad de área, ( Gf )
donde:
Gf = Energía de Fractura por unidad de área, kg./mm.
A = Área bajo la curva carga-desplazamiento
h = Altura del espécimen, mm.
f = Diámetro de la probeta, mm.
Como es conocido, las mezclas abiertas pueden presentar problemas de drenado de asfalto durante su transporte a la obra y en su colocación, lo cual puede ocasionar problemas a la hora de poner en servicio el pavimento. Es por eso que se realizó en la mezcla abierta un ensayo para observar la forma en que las fibras pueden influir para disminuir este problema. Para ello se elaboraron las mezclas y se colocaron en un recipiente previamente pesado e introducidas en un horno a una temperatura 250C superior a la temperatura de elaboración de la mezcla por una hora, al término de este periodo se calculó el porcentaje de material drenado, considerándose aceptables cuando el porcentaje de drenado se encuentra entre 0.2 y 0.3%. El plan de trabajo de la elaboración de estas mezclas se muestra en la Figura 4. Se elaboraron mezclas con el cemento asfáltico convencional con dos contenidos de cemento asfáltico, 5% y 6% que son uno y dos puntos por ciento arriba del contenido óptimo. Con ambos contenidos de cemento asfáltico (5% y 6%) se elaboraron mezclas sin fibra y con la adición de 0.30% y 0.60% de la fibra Sekril 900 y Viatop 66 y con 0.15% y 0.30% de la fibra Sekril 210.
Adicionalmente, se elaboraron dos mezclas con cemento asfáltico modificado con polímero sin la adición de fibras y con los contenidos de cemento asfáltico de 5% y 6 %, esto con la finalidad de verificar si el efecto que producen las fibras es similar al que produce la modificación del asfalto con el polímero.
3. Resultados y Discusión
Se evaluaron inicialmente las características de los materiales empleados las cuales se presentan en la Tabla 1. Se realizó un estudio Marshall para determinar el contenido óptimo de cemento asfáltico obteniéndose para las dos granulometrías un contenido óptimo del 4%. Las granulometrías propuestas para este estudio se muestran en la Tabla 2.
Figura 4. Plan general del ensayo de drenado de asfalto en la granulometría abierta G12.
Tabla1. Características de los materiales empleados.
Tabla2. Husos granulométricos y granulometrías densa y abierta G12 propuestas.
En cuanto a la resistencia a la tensión, los resultados indican que una granulometría densa presenta un mejor comportamiento (Tabla 4), pero si consideramos los factores que influyen más en el desempeño de la mezcla asfáltica como pueden ser el área que presentan bajo la curva carga-desplazamiento y la forma en como es distribuida esta área, se puede notar que una granulometría Abierta G12 presenta un mejor comportamiento (Figura 5). En la granulometría densa se tiene una ruptura más frágil, su respuesta medida en carga es alta y se da a pequeños desplazamientos de rotura, comportamiento contrario al de la mezcla asfáltica con granulometría abierta G12. Por otro lado, la mezcla asfáltica densa con rotura frágil también presenta una rápida pérdida de carga después de la carga máxima de rotura (post-pico), condición que la hace poco resistente a la fractura por contracciones a bajas temperaturas. Si a las mezclas asfálticas abiertas se les adiciona fibras se puede observar en la Figura 5 como se incrementa el área bajo la curva después de la carga máxima de fractura, es por esto que si se evalúan los parámetros obtenidos de energía de fractura y tenacidad, son mucho mayores en la mezcla Abierta G12 y se pueden observar en la Tabla 3 y Tabla 5.
Tabla2. Husos granulométricos y granulometrías densa y abierta G12 propuestas.
Tabla 4. Valores de la resistencia a la tensión comparativos de la granulometría densa vs. la granulometría abierta G12.
Gráfica 5. Gráfica carga-desplazamiento de granulometría densa vs. granulometría abierta G12.
Lo anterior se debe a que las fibras ayudan a la mezcla a la redistribución de esfuerzos a tensión dentro de los planos de trabajo de la mezcla asfáltica, permitiendo que la carga máxima se de a desplazamientos mayores y que la rotura total se presente a grandes desplazamientos. Con esto se logra obtener mezclas asfálticas con más flexibilidad y por lo tanto menor susceptibilidad a cambios térmicos.
En los ensayos realizados para la mezcla de granulometría abierta se puede observar la importancia de la adición de fibras, ya que éstas, además de mejorar la energía de fractura y tenacidad en la mezcla, también disminuyen el problema del drenado de asfalto.
Si se incrementa el contenido de asfalto, se contribuye a hacer las mezclas más flexibles pero se pueden llegar a presentar los problemas de drenado de asfalto, mismos que pueden ser solucionados mediante el empleo de las fibras. Las mezclas elaboradas con cementos asfálticos convencionales son menos resistentes a la acción del agua (adhesividad pasiva), mientras que si se emplean asfaltos modificados con polímero se obtienen mezclas más resistentes a la acción del agua. Resultados de este efecto se aprecian en las Tablas 6, 7 y 8.
El comportamiento de ambas mezclas asfálticas en cuanto a su susceptibilidad a la acción del agua fue evaluado mediante la relación de los esfuerzos a tensión en húmedo y seco, (TSR), y los valores encontrados en la mezclas ensayadas se muestran en la Tabla 7. A medida que la relación TSR es más cercana a la unidad, se tiene una mezcla menos susceptible a la desenvuelta del agua. Las mezclas asfálticas elaboradas con las fibras Sekril 900 y Sekril 210 presentaron un buen comportamiento, mientras que los resultados obtenidos al adicionar a la mezcla asfáltica la fibra Viatop 66 fueron totalmente contrarios a los esperados. La adición de esta última fibra llevó a resultados de los parámetros evaluados inferiores a los obtenidos cuando no se utiliza fibra.
La mezcla asfáltica elaborada mediante la adición de la fibra Sekril 900 en un porcentaje del 0.60% en peso, presentó los mejores resultados. Mejoran todo los parámetros evaluados y los resultados obtenidos empleando cemento asfáltico convencional más fibra Sekril 900 son similares a los obtenidos al emplear solamente cementos asfálticos modificados con polímeros. Resultados similares se obtuvieron al emplear la fibra Sekril 210. Ambas fibras disminuyen considerablemente el drenado de cemento asfáltico en la mezcla abierta, aun empleando contenidos de asfalto superiores al óptimo, y también mejoran la resistencia de la mezcla a la acción de desenvuelta del asfalto por presencia de agua.
Tabla 6. Valores de la energía de fractura para la granulometría abierta G12.
Tabla 8. Valores de la tenacidad para la granulometría abierta G12.
4. Conclusiones
Es claro que la resistencia a la tensión no se ve muy incrementada mediante la adición de fibras, sin embargo, se incrementan considerablemente la tenacidad y la energía de fractura, obteniéndose mezclas más flexibles y con una mayor capacidad de trabajo post-pico. Esto hace que las mezclas presenten un comportamiento más dúctil, característica que las hace más resistentes a los procesos de agrietamiento por presencia de bajas temperaturas de trabajo. Comportamientos similares se obtienen en las mezclas asfálticas cuando son fabricadas con cementos asfálticos modificados con polímeros.
El comportamiento de la mezcla densa es muy rígido, presenta pendiente muy pronunciada al inicio de la carga. La carga de ruptura se da a desplazamientos muy pequeños, del orden de 1.8 mm, y la descarga posterior a la carga post-pico es muy rápida, típico de un comportamiento frágil. Por otro lado, la mezcla abierta alcanza la carga de ruptura a desplazamientos mayores a los 2.5 mm y con pendientes menores, presentando un comportamiento más flexible al inicio y una descarga posterior a la carga post-pico es muy lenta, típico de un comportamiento dúctil.
Le mezcla densa alcanza desplazamientos máximos hasta de 6 mm, aun adicionándole fibras; en cambio la mezcla abierta, logra alcanzar desplazamientos superiores a los 10 mm, lo cual le confiere una mayor capacidad para soportar las cargas después de llegar a la ruptura.
Mediante este estudio experimental se pudo concluir, que tanto el uso de cementos asfálticos modificados con polímeros, así como la adición de fibras en la mezcla asfáltica, contribuye en una mejor redistribución de los esfuerzos armando la mezcla, confiriéndole mayor tenacidad o capacidad de trabajo después de rotura. Asimismo, con el incremento del área específica a ser cubierta por asfalto en la mezcla, ésta adquiere mayor capacidad de retener asfalto, lográndose un compuesto rico en mástico asfáltico. Con las fibras, la película que envuelve las partículas pétreas es mayor, condición que incrementa la cohesión y durabilidad en la mezcla.
El uso de estos materiales especiales de altas prestaciones en la fabricación de carpetas asfálticas incrementan los costos iniciales de construcción de los pavimentos, sin embargo, al emplearlos es posible llegar a diseños de espesores menores que brinden comportamientos similares o mejores que pavimentos con espesores mayores fabricados con materiales convencionales. Es por lo tanto importante pensar en estudios de ciclos de vidas para poder definir relaciones costos-beneficios y tomar la mejor opción.
Bibliografía
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