TBiblioteca Rector Gabriel FerrateUNIVERSITAT POLITCNICA DE
CATALUNYA
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UNIVERSITAT POLITCNICA DE CATALUNYAESCOLA TCNICA SUPERIOR
D'ENGINYERS DE CAMINS. CANALS Y PORTS DE BARCELONA
UPC
TESISDOCTORAL
Aseguramiento de la calidad de mezclas bituminosas mediante la
aplicacin del ensayo de traccin indirecta en el control de su
ejecucin
Autor: ADRIANA HAYDEE MARTNEZ Director: FLIX EDMUNDO PREZ
JIMNEZ
Barcelona, febrero de 2000.
RESUMEN
Las mezclas bituminosas utilizadas en la ejecucin de un firme
deben conseguir determinadas diseo. El control de calidad sobre el
producto fabricado suele realizarse mediante el ensayo marshall,
extrayendo una muestra de !a planta asfltica y determinando su
resistencia a las deformaciones plsticas. Sin embargo, la calidad
final del producto, es decir, de la mezcla extendida y compactada
slo se controla mediante la extraccin de testigos para la
determinacin de su densidad y su comparacin con la densidad
Marshall patrn. Durante el proceso de transporte, extendido y
ejecucin pueden producirse fallos y deterioros, como escurrimiento
del ligante, segregacin del rido grueso o trituracin del material,
que pueden influir en la calidad final y que de este modo no se
consideran ni se detectan. Es por ello que se ha llevado a cabo un
estudio sobre la aplicacin del ensayo de traccin indirecta
orientado a la bsqueda de una metodologa de control de calidad de
mezclas bituminosas que evale las caractersticas mecnicas de la
mezcla y no slo su compacidad. Este procedimiento tiene la ventaja
de poder realizarse directamente sobre los testigos extrados del
firme para el control de densidades y por tanto no implica ninguna
actuacin adicional sobre el mismo. Se ha aplicado este ensayo sobre
testigos extrados durante el control de ejecucin de diferentes
obras y tambin sobre probetas elaboradas en laboratorio, comparando
los resultados y comprobando que el parmetro determinado, la
resistencia a traccin indirecta, est correlacionado con la densidad
y es capaz de evaluar a la mezcla con mayor sensibilidad que la
acusada por la compacidad. A travs del anlisis de toda esta
informacin se ha establecido un criterio de aceptacin de la mezcla
bituminosa puesta en obra, basado en la recomendacin de unos
valores mnimos a conseguir en cada una de las mezclas estudiadas y
en un factor de calidad en funcin de la diferencia entre la
resistencia de la mezcla caractersticas estructurales y funcionales
requeridas en un pavimento flexible para garantizar su resistencia
y durabilidad durante el perodo de
fabricada y la conseguida tras su extensin y compactacin en
obra. Este criterio asegura el nivel de calidad para el que la
mezcla ha sido diseada y resuelve los conflictos que suelen
presentarse durante su control con las tcnicas actuales.
AGRADECIMIENTOS
Quisiera agradecer a mi director de tesis, D. Flix Edmundo Prez
Jimnez, por haberme brindado !a idea y la posibilidad de
desarrollar este tema, por e! tiempo que ha dedicado a transmitirme
sus conocimientos y por su constante inters y preocupacin por el
avance de esta investigacin. A D. Rodrigo Mir Recasens por la
valiosa colaboracin que recib de su parte durante la elaboracin de
este trabajo y por sus oportunos consejos. A la empresa Gesti
d'infraestructures S.A. (GISA), por la cooperacin proporcionada
para el desarrollo de esta tesis, enmarcada en el proyecto de
investigacin "Valoracin y unificacin de los procedimientos y
criterios seguidos en la ejecucin y control de las mezclas
bituminosas" realizado por el Laboratorio de Caminos de la UPC. A
D. Jos Amors Parras y D. Joan Pons Vila, personal del Laboratorio
de Caminos de la E.T.S.E.C.C.P. de Barcelona, sin cuya ayuda no
hubiese podido desarrollar la etapa experimental de la tesis. Al
personal de la E.T.S.E.C.C.P. de Barcelona, en particular a Da.
Elisenda Poch Iborra del Departamento de Infraestructura del
Transporte y del Territorio, al personal del Centro de Clculo y al
del Servicio de Biblioteca por el marco acadmico y el apoyo
logstico facilitados. A la Universidad Nacional del Comahue
(Argentina) por el financiamiento econmico necesario para realizar
este trabajo. A todos mis compaeros de doctorado y especialmente a
D. Sal Castillo Aguilar y D, Jorge Cepeda Aldape, por brindarme su
amistad y por las muchas horas compartidas en la UPC. A mis
familiares y amigos, por las palabras de nimo y por sus
demostraciones de afecto.
INDICE
Captulo 1 : INTRODUCCIN1.1. Planteamiento general del problema
1.2. Objetivos de la tesis
Pgina1 6
Captulo 2: CARACTERIZACIN DE LA MEZCLA BITUMINOSA2.1. Mezclas
bituminosas 2.2. Propiedades consideradas en el diseo de mezclas
2.2.1. Estabilidad 2.2.2. Durabilidad 2.2.3. Impermeabilidad 2.2.4.
Trabajabilidad 2.2.5. Flexibilidad 2.2.6. Resistencia a la fatiga
2.2.7. Resistencia al deslizamiento 2.3. Ensayos sobre mezclas 2.4.
Ensayos para determinar la resistencia a las deformaciones plsticas
2.4.1. Ensayo Hubbard-Field 2.4.2. Ensayo Marshall 2.4.3. Ensayo
Hveem 2.4.4. Ensayos de dentacin 2.4.5. Ensayo de mquina de pista
2.4.6. Ensayo de mquina giratoria 2.4.7. Compactador Giratorio
Superpave 2.4.8. Ensayo triaxial dinmico 2.4.9. Ensayo de Corte
Superpave 2.4.10. Ensayo de compresin simple del LP.C.P 2.5.
Ensayos para evaluar la resistencia a la fisuracin 8 10 12 13 15 15
16 16 17 19 20 21 22 24 26 26 28 30 31 32 33 34
Indice
2.5.1. Cohesimetro Hveem 2.5.2. Ensayo de traccin indirecta 2.6.
Ensayos para la evaluacin de la resistencia a la abrasin 2.6.1.
Ensayo Cntabro de prdida por desgaste 2.7. Ensayos para evaluar el
comportamiento reolgico de las mezclas 2.7.1. Ensayos desarrollados
para determinar el mdulo de una mezcla bituminosa 2.7.2. Nomograma
Shell 2.8. Ensayos para la determinacin de la resistencia al
envejecimiento y a la desenvuelta 2.8.1. Ensayos del tipo
"seco-hmedo" 2.8.2. Estudio del efecto del envejecimiento y la
sensibilidad al agua del programa SHRP 2.9. Ensayos para evaluar la
resistencia a la fisuracin por fatiga 2.9.1. Ensayo de Traccin
Indirecta
34 35 35 36 38 40 41 44 45 45 47 49
Captulo 3: LA CALIDAD EN LA CONSTRUCCIN DE LAS MEZCLAS
BITUMINOSAS3.1. Concepto de Calidad 3.2. La calidad en la
construccin 3.3. El nuevo enfoque y las directivas de Unin Europea
3.3.1. Productos de la construccin 3.3.2. Construccin d_e
carreteras. Mezclas bituminosas 3.4. Ejecucin de las mezclas
bituminosas. Controles de diseo, sobre el proceso y sobre el
producto 3.4.1. La calidad en el diseo 3.4.1.1. Especificaciones
sobre el producto 3.4.1.2. Especificaciones sobre los materiales
3.4.1.3. Dosificacin 3.4.2. La calidad en la fabricacin 3.4.3. La
calidad en la puesta en obra 3.4.3.I.Transporte 3.4.3.2. Extensin
63 64 64 74 82 84 91 91 91 51 53 56 57 59
Indice
3.4.3.3. Compactacin 3.5. Consideraciones finales
92 93
Captulo 4: PROPUESTA DE APLICACIN DEL ENSAYO DE TRACCIN
INDIRECTA4.1. Propuesta de evaluacin de las propiedades mecnicas
4.2. Descripcin del ensayo de traccin indirecta 4.2.1. Distribucin
terica de tensiones 4.2.2. Ecuaciones y observaciones 4.2.3. Normas
de ensayo utilizadas 4.3. Estado del arte 4.3.1. Temperatura de
ensayo 4.3.2. Correlacin con el ensayo de compresin. Temperatura de
ensayo y velocidad de carga 4.3.3. Temperatura de ensayo y
contenido de betn 4.3.4. Temperatura de ensayo y tipo de ligante
4.3.5. Temperatura y energa de compactacin 4.3.6. Sensibilidad a la
accin del agua. Mtodo de Lottman 4.3.7. Otros ensayos para evaluar
el efecto del agua 4.3.8. Nuevos sistemas de medicin 4.3.9.
Proyecto BITUTEST 4.4. Consideraciones finales 106 108 109 110 111
113 114 116 117 95 97 99 100 105 105 105
Captulo
5:
APLICACIN
DEL
ENSAYO
DE
TRACCIN
INDIRECTA5.1. Metodologa de trabajo 5.2. Sensibilidad del ensayo
5.2.1. Variables de composicin de la mezcla 5.2.1.1. Contenido de
ligante 5.2.1.2. Tipo de betn 119 120 122 122 125
Indice
5.2.1.3. Naturaleza del rido 5.2.1.4. Granulometra del rido
5.2.1.5. Tamao mximo del rido 5.2.2. Variables de elaboracin de la
probeta 5.2.2.1. Temperatura y energa de compactacin 5.2.2.2.
Altura de la probeta. 5.2.2.3. Temperatura del molde 5.2.3.
Variables de ejecucin del ensayo 5.2.3.1. Temperatura de ensayo
5.2.3.2. Velocidad de carga 5.2.3.3. Inmersin de probetas en agua
5.3. Aplicacin del ensayo sobre testigos 5.3.1. Relacin entre la
resistencia a traccin indirecta y la compacidad 5.3.2. Comparacin
entre las resistencias obtenidas con probetas elaboradas en
laboratorio y testigos extrados de obra 5.3.3. Anlisis de los
resultados de obra 5.4. Consideraciones finales
126 127 128 131 131 134 136 137 137 138 140 142
142
147 149 154
Captulo 6: EVALUACIN DEL EFECTO PRODUCIDO POR LA FALTA DE
CALIDAD EN LA EJECUCIN DE LAS CAPAS ASFLTICAS6.1. Planteamiento del
anlisis 6.2. Hiptesis de clculo 6.3. Valores medios de mdulo
resiliente 6.4. Correlacin entre mdulo resiliente y resistencia a
traccin indirecta 6.5. Estudio de un caso general 6.5.1. Seccin
estudiada 6.5.2. Hiptesis 1 6.5.3. Hiptesis 2 6.6. Clculo de
refuerzos 6.7. Estudio de un caso discriminado en capas : 155 156
157 159 159 160 161 163 165 166
IV
Indice
Captulo
7:
DETERMINACIN
DE
CRITERIOS
PARA
EL
CONTROL DE CALIDAD7.1. Limitaciones del control actual 7.2.
Control adicional propuesto 7.2.1. Determinacin de valores medios
7.2.2. Determinacin de un factor de calidad... 169 170 172 173
Captulo 8: CONCLUSIONES
175
BIBLIOGRAFA
178
ANEXOA1. Caractersticas de los materiales y las mezclas
estudiadas A2. Resultados del ensayo de traccin indirecta en
probetas A3. Resultados del ensayo de traccin indirecta en testigos
A4. Resultados del ensayo de mdulo resiliente en testigos A5.
Resultados del anlisis de fatiga
CAPTULO 1 INTRODUCCIN
1.1. PLANTEAMIENTO GENERAL DEL PROBLEMA
La industria de la construccin ha sido e! sector que ms ha
demorado en asimilar el nuevo concepto de la calidad y en aceptar
su protagonismo en la competencia de la empresa mediante la
aplicacin de un sistema de aseguramiento de la calidad. Existe
cierto convencimiento general al pensar que el control de calidad
en la construccin resulta muchas veces insatisfactorio, pero tambin
es importante reconocer que la construccin tiene caractersticas
propias que dificultan la puesta en prctica de teoras modernas de
control de calidad y es por ello que requiere una adaptacin
especfica de las mismas. En las obras de infraestructuras de
transportes terrestres, estas caractersticas particulares que las
diferencian de la produccin en fbrica de un producto son, a grandes
rasgos, la dificultad para definir ese producto, el carcter nico de
la obra y el estilo descentralizado de su organizacin. Por tanto,
la concrecin de sus proyectos demanda un proceso de aseguramiento
de la calidad que tenga en cuenta estas diferencias, y para ello
hace falta innovar y proponer mtodos aplicables a las obras, a
partir de principios brevemente enunciados en el Pliego de
Prescripciones Tcnicas Generales. Claro est que la puesta en marcha
de un proceso de aseguramiento de la calidad no
Introduccin
se consigue solamente con la propuesta de nuevos mtodos de
trabajo, es necesaria una evolucin en la mentalidad de quienes
tienen la funcin de aplicarlos. El empresario debe actuar con mayor
responsabilidad, organizndose para prevenir eventuales defectos,
mejorando sus mtodos de trabajo y procurando una relacin de total
transparencia entre el cliente y la empresa. Desde el inicio de los
aos 80, los procesos de aplicacin de estos sistemas sobre la obra,
se han apoyado sobre elementos estandarizados de aseguramiento de
la calidad descritos en las normas ISO 9000, aunque tambin est
asistidos por las especificaciones tcnicas contenidas en los
pliegos de condiciones. En la dcada actual son muchas las empresas
europeas que elaboran planes de aseguramiento de la calidad
tendientes a la obtencin de la certificacin ISO 9000. Tambin se
advierte que los profesionales del sector han tomado conscincia
sobre la necesidad de implementar estos procesos de modo integral,
pues es necesario globalizar el sistema para aplicarlo tanto en las
unidades operativas como en las industriales. El aseguramiento de
la calidad aplicado a unidades industriales, como plantas de
produccin de ligantes y plantas de elaboracin de mezclas asflticas
ya es una prctica comn. Una vez comprobadas las mejoras en su
funcionamiento y en la relacin cliente-proveedor, se han abandonado
ciertos temores que ese enfoque provocaba hace una dcada. Pero an
quedan muchas etapas posteriores, sin caractersticas de fabricacin
industrial, que tambin deberan someterse a un mtodo de controles
que no slo involucre su procedimiento de fabricacin sino tambin su
ejecucin, para poder asegurar de esta manera la calidad del
producto final. En la construccin de una carretera, las mezclas
asflticas en caliente constituyen las capas con mayores exigencias
dentro de la estructura del pavimento. Hay muchas fases
involucradas y actividades diferentes que entran en el proceso de
construccin de un pavimento de mezcla asfltica en caliente. Su
elaboracin, colocacin y terminacin son procesos complicados, donde
intervienen muchos factores que definirn la calidad final de la
capa. Cuando resultado imposible aceptar una capa asfltica porque
no cumple con las especificaciones del proyecto, la empresa
constructora sufrir penalizaciones o deber rehacer las tareas,
aumentando de este modo los costos del producto. Las mezclas
bituminosas que forman estas capas se elaboran con ridos y
ligante
2
Introduccin
asfltico, que respetan prescripciones y dosificaciones
determinadas con objeto de conseguir caractersticas estructurales y
funcionales requeridas en un pavimento flexible para garantizar su
durabilidad durante el perodo de diseo, y a la vez, ofrecer
seguridad y comodidad al usuario del camino. Estas exigencias se
consiguen a travs de determinadas propiedades, como estabilidad,
resistencia a las deformaciones plsticas, resistencia a la fatiga,
impermeabilidad, que dependen de la dosificacin y de las
caractersticas de los materiales empleados. El control de calidad
del producto suele establecerse sobre la adhesividad y sobre la
resistencia a las deformaciones plsticas (estabilidad marshall),
ignorando otras propiedades que pueden resultar igualmente
significativas en el comportamiento del material: mdulo, abrasin,
resistencia a la fatiga, etc. Adems, el control sobre la calidad de
la mezcla suele realizarse sobre el material fabricado en planta,
no sobre el producto una vez extendido y compactado en el firme.
Durante el proceso de transporte, extendido y compactacin pueden
producirse fallos y deterioros, como escurrimiento del ligante,
segregacin del rido grueso, trituracin del material mineral, etc.,
que pueden influir en la calidad del producto final y que de este
modo no son considerados ni detectados. El control que se realiza
sobre el producto final se reduce normalmente al control de su
compacidad, exigindose que la mezcla colocada alcance una densidad
entre el 98 y el 100% de la de referencia, determinada en probetas
fabricadas en la compactadora marshall con la mezcla utilizada. En
Espaa y en la mayora de los pases latinoamericanos el control de
calidad de las mezclas bituminosas suele aplicarse sobre: La
composicin de la mezcla, determinada mediante la realizacin de
ensayo de extraccin. La estabilidad y el contenido de huecos de la
mezcla, verificado mediante la realizacin del ensayo marshall sobre
el producto fabricado en planta. Para conocer la resistencia de la
mezcla a la accin del agua, suelen realizarse ensayos de
inmersin-compresin. La compacidad conseguida en la ejecucin,
mediante la extraccin de testigos y la
Introduccin
comparacin de su densidad con la marshall patrn. Muchas veces se
han detectado problemas mecnicos y resistentes en las mezclas
colocadas, como baja cohesin, poca flexibilidad o una disminucin
del mdulo, que no han sido detectados con los controles habituales.
Esto significa que el producto final puede bajar su calidad, debido
a variaciones en la mezcla, sin afectar a las caractersticas
marshall ni a la densidad final de los testigos, quedando esta
prdida momentneamente oculta y sin conocer sus causas. Asimismo, en
el momento de tomar la decisin de aceptar o rechazar la capa,
empleando nicamente el control de densidades sobre el producto
final, se desconoce su calidad mecnica y resistente. La evaluacin
de estas dos propiedades mediante algn tipo de ensayo permitira
estudiar el comportamiento del firme y de la capa construida, y
analizar la posibilidad de su aceptacin, penalizacin o rechazo, de
acuerdo a la calidad obtenida. El objetivo de esta tesis ha sido la
bsqueda de una metodologa de aseguramiento de la calidad de mezclas
bituminosas que cubra ciertos aspectos de la puesta en obra que no
son considerados por los procedimientos utilizados actualmente, y
que pueden afectar el comportamiento en servicio del firme. Para
ello, se ha estudiado un procedimiento de control basado en la
determinacin de la resistencia a traccin indirecta de la mezcla
colocada, segn la NLT 346/90, a 59C. Puesto que los ensayos pueden
realizarse directamente sobre los testigos extrados del firme para
el control de densidades, no supone por tanto ninguna actuacin
suplementaria. Tambin se ha complementado este anlisis mediante la
determinacin del mdulo resiliente, ensayando los testigos extrados
de la capa ejecutada a compresin diametral de modo dinmico, por el
procedimiento descrito en la NLT 360/91. Las caractersticas de este
tipo de ensayo aplicado en el modo esttico, rpido y sencillo, que
no necesita equipamientos sofisticados ms que una prensa esttica,
lo hacen propicio para utilizar en el control de calidad de las
mezclas bituminosas durante la puesta en obra de las mismas. En la
rotura de estos testigos se obtiene una curva tensin-deformacin,
cuya rea representa la energa de rotura del material, cuyo valor
mximo indica su resistencia
Introduccin
mxima de rotura, y que estn relacionadas con el comportamiento
de la mezcla a fatiga. Para el control de la mezcla ejecutada,
puede ser suficiente controlar la tensin mxima de rotura, indicador
de su cohesin. A la temperatura de 59C a que se realiza el ensayo,
la mezcla se comporta como un material rgido, y su resistencia
mxima de rotura est relacionada con la compacidad de la mezcla, con
la dureza de los ridos y con el porcentaje y calidad del mstico
empleado, siendo estos factores los que determinan la calidad de la
mezcla y la de su ejecucin. En esta tesis se presentan los
resultados del estudio llevado a cabo en el Laboratorio de Caminos
de la UPC sobre la aplicacin del ensayo de traccin indirecta en el
control de ejecucin de las capas asflticas. Se ha analizado en el
laboratorio la sensibilidad del ensayo a la variacin de la calidad
y la cantidad de los componentes de la mezcla, as como las
condiciones de elaboracin. Paralelamente se ha procedido a la
rotura de los testigos provenientes de diferentes obras y se ha
determinado para cada mezcla la relacin compacidad-resistencia a
traccin indirecta. Adems, ha sido posible contrastar los resultados
de testigos extrados en obra y de probetas elaboradas en
laboratorio. Tambin se han ensayado testigos de modo dinmico, para
obtener sus mdulos resilientes y correlacionarlos con su
resistencia a rotura, con objeto de estudiar el efecto de la
disminucin de la calidad en la vida del firme. Por ltimo, a travs
del anlisis de los resultados obtenidos, se han propuesto unos
umbrales mnimos para la resistencia a traccin indirecta de las
mezclas tipo denso, semidenso y grueso del Pliego de Prescripciones
Tcnicas Generales (PG-3/75) y un criterio comparativo de evaluacin
de la calidad de la mezcla extendida y compactada, con respecto a
la fabricada en planta.
Introduccin
2.2. OBJETIVOS DE LA TESIS
Las limitaciones que presenta el actual procedimiento de
aseguramiento de la calidad de las mezclas bituminosas en caliente,
basado fundamentalmente en el control del proceso de elaboracin y
carente de una evaluacin de la calidad mecnica y resistente del
producto final, han sido los motivos para la investigacin
desarrollada en la presente tesis. El objetivo general de la misma
ha sido la elaboracin de una propuesta de aseguramiento de la
calidad de ejecucin de mezclasbituminosas, complementario con el
utilizado habitualmente, mediante la aplicacin del ensayo de
traccin indirecta a testigos extrados de la capa terminada. Para
alcanzar este propsito, se ha trabajado en etapas diferenciadas por
los siguientes objetivos parciales:
1) Anlisis del proceso de medida
Con objeto de evaluar la sensibilidad del ensayo de traccin
indirecta, se ha analizado su respuesta al cambiar las variables ms
significativas de composicin y elaboracin de la mezcla, y las de
ejecucin del ensayo. Para ello, se han ensayado a traccin
indirecta, probetas elaboradas con mezclas densas, semidensas y
gruesas segn el Pliego de Prescripciones Tcnicas Generales
(PG-3/75), variando las siguientes caractersticas: Composicin de la
mezcla: tipo y contenido de ligante, naturaleza de los ridos y del
filler, composicin granulomtrica y tamao mximo del rido. Elaboracin
de la probeta: temperatura y energa de compactacin, espesor de la
capa, temperatura del molde. Ejecucin del ensayo: temperatura y
velocidad de aplicacin de carga, inmersin de probetas en agua.
2) Anlisis de su aplicacin en obra
Introduccin
Se han analizado los valores de resistencia a traccin indirecta
obtenidos al ensayar testigos extrados de diversas obras,
elaborados con mezclas densas, semidensas y gruesas, a fin de
estudiar la correlacin entre este parmetro y la compacidad de los
testigos. Tambin se han comparado estos resultados con los
obtenidos sobre las probetas fabricadas en laboratorio para cada
tipo de mezcla.
3) Anlisis del efecto de la disminucin de la resistencia a
traccin indirecta
Se han analizado los resultados de mdulo resiliente, obtenidos
mediante el mismo ensayo de traccin indirecta pero con carga
cclica, sobre los testigos, y se ha correlacionado con los
resultados de resistencia a traccin indirecta. A partir de esta
relacin se ha calculado y evaluado el efecto de la disminucin de la
resistencia a traccin indirecta de la mezcla sobre la vida del
firme mediante mtodos analticos.
4) Propuesta de un procedimiento de aseguramiento de la
calidad
Con la informacin obtenida, se han establecido unos valores
mnimos de resistencia a traccin indirecta que las mezclas debern
garantizar una vez compactadas, a la vez que se ha propuesto una
expresin de un factor de calidad para evaluar la calidad del
producto terminado en funcin de la calidad de la mezcla
elaborada.
CAPITULO 2
CARACTERIZACIN DE LA MEZCLA BITUMINOSA
2.1. MEZCLAS BITUMINOSAS
Se entiende por mezcla bituminosa a la mezcla de ridos y un
ligante hidrocarbonado, de tal manera que las partculas queden
cubiertas por una pelcula continua de este ltimo. La mezcla se
fabrica de forma mecnica en centrales fijas o mviles, luego se
transporta a obra, donde se extiende y se compacta. Dentro de los
diversos tipos de mezclas bituminosas existentes en la actualidad,
las fabricadas en caliente sern las estudiadas en esta tesis. Para
su elaboracin, es necesario calentar previamente los ridos y el
ligante. Las operaciones de manejo, extendido y compactacin tambin
se realizan a temperaturas controladas y muy superiores a las del
ambiente. Su aplicacin es una de las ms frecuentes en el mbito
vial, se utilizan en capas de rodadura, intermedias y de base y se
caracterizan por: la calidad de los ridos (limpieza, resistencia
mecnica) la viscosidad del ligante, que es betn puro o mejorado una
granulometra con tolerancias muy estrictas la alta calidad en la
mezcla (compacidad, homogeneidad, calidad de la envuelta) un mayor
control durante su fabricacin (separacin de los ridos en varias
fracciones, aportacin de filler) su excelente comportamiento
(estabilidad, durabilidad, tenacidad)
8
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
su calidad como capa de rodadura (regularidad, textura,
comodidad)
Segn el porcentaje de huecos luego de la compactacin, las
mezclas se clasifican segn la normativa espaola en cerradas,
semicerradas, gruesas, abiertas y porosas o drenantes. Mezclas
densas y semidensas: de acuerdo a la normalizacin espaola tienen un
porcentaje de huecos que vara entre el 3 y el 9%, dependiendo de la
categora de trfico pesado que soporte la capa y de la ubicacin de
la misma en el firme. Son las ms empleadas en capas de rodadura,
puesto que su bajo porcentaje de huecos - de un 3 a un 6% en este
caso - las vuelve casi impermeables. Mezclas gruesas: se
diferencian de las anteriores en la granulometra un poco ms
abierta, en el menor contenido de filler y de ligante. No son tan
impermeables como las cerradas y por lo tanto no se aplican en
capas de rodadura sino en las intermedias y de base. Mezclas
abiertas: su porcentaje de huecos supera el 12%, la estructura
formada adquiere resistencia por rozamiento interno. Mezclas
porosas o drenantes: su porcentaje de huecos es mayor del 20%,
tienen de este modo una gran permeabilidad, permiten evacuar el
agua de lluvia rpidamente al utilizarlas como capa de rodadura.
Difieren de las mezclas cerradas en que su granulometra est formada
por un bajo contenido de rido fino para alcanzar tanta porosidad y
suelen utilizarse betunes modificados para proporcionar
durabilidad. Tanto las mezclas abiertas como porosas tienen
caractersticas y comportamiento muy diferentes a las cerradas y
semicerradas, y en consecuencia necesitan otros mtodos de
dosificacin y ensayos, por lo que su estudio no se incluye en este
trabajo. mayor
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
2.2. PROPIEDADES CONSIDERADAS EN EL DISEO DE MEZCLAS
El diseo de una mezcla asfltica consiste, de un modo muy
general, en seleccionar el tipo y la granulometra de los ridos a
utilizar, ms el tipo y el contenido de ligante, de manera tal que
se cumplan los requerimientos especficos del proyecto para obtener
las propiedades pretendidas en una mezcla. La seleccin apropiada de
los componentes de la mezcla y sus proporciones requiere un
conocimiento de las propiedades ms significativas y las
caractersticas del comportamiento de las mezclas bituminosas, as
como el efecto que puedan causarle sus componentes. Por tanto, se
entiende por diseo al proceso de seleccin de los componentes que
intervienen en una mezcla de tal modo de lograr un balance deseado
en estas propiedades. Tambin debe considerarse que esta seleccin
estar influenciada por la seccin estructural del firme, es decir
que la funcin de la capa bituminosa puede variar, por lo que
siempre deber tenerse en cuenta que el diseo de mezcla y el diseo
estructural estn relacionados de modo interactivo. En la tabla 2.1
Monismith, Finn y Vallerga [42] han resumido una lista de las
propiedades de la mezcla que deben considerarse en el diseo, con
los factores que pueden influir en ellas y que se describen a
continuacin.
10
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
PROPIEDAD RIGIDEZ
DEFINICIN
VARIABLES QUE PUEDEN INFLUIR
Relacin entre tensin y Granulometra del rido deformacin a una
temperatura y Rigidez del betn tiempo de carga dados Grado de
compactacin Sensibilidad al agua Contenido del betn
ESTABILIDAD
Resistencia a la deformacin Textura superficial del rido
permanente (generalmente a altas Granulometra del rido temperaturas
y largos perodos de aplicacin de carga) Rigidez del betn Contenido
de betn Grado de compactacin Sensibilidad al agua
DURABILIDAD
Resistencia a los efectos climticos Contenido de betn (aire y
agua) y a la accin abrasiva Naturaleza del betn del trfico
Granulometra del rido Grado de compactacin Sensibilidad al agua
RESISTENCIA A LA Habilidad de la mezcla a flexionar Granulometra
del rido FATIGA repetidamente sin romperse Contenido de betn Grado
de compactacin Rigidez del betn Sensibilidad al agua RESISTENCIA A
LA Resistencia de la mezcla a la Granulometra del rido FISURACION
fisuracin por tensiones de traccin Tipo de rido Contenido de betn
Grado de compactacin Rigidez del betn Sensibilidad al agua
RESISTENCIA AL Capacidad de la mezcla para DESLIZAMIENTO proveer un
adecuado coeficiente de friccin entre el neumtico y el pavimento
bajo condiciones hmedas PERMEABILIDAD Textura y resistencia
pulimento del rido Granulometra del rido Contenido de betn
al
Capacidad del aire, agua o vapor de Granulometra del rido agua
para moverse dentro y a travs Contenido de betn de la mezcla Grado
de compactacin
Tabla 2.1: Propiedades de la mezcla bituminosa
11
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
2.2.1. Estabilidad:
La estabilidad es la capacidad para resistir las tensiones que
provocarn las cargas del trfico sin deformarse. Si un pavimento es
estable, quiere decir que es capaz de mantener su forma y lisura
bajo cargas repetidas, si es inestable desarrolla ahuellamientos
(roderas), ondulaciones y otros defectos que indican cambios en la
mezcla. La resistencia a la deformacin es una propiedad compleja y
depende principalmente de la friccin y la cohesin interna de la
mezcla. La friccin interna entre partculas de rido se relaciona con
caractersticas del rido tales como forma y textura superficial. La
cohesin es el resultado de la capacidad aglomerante del betn. Esta
combinacin de friccin y cohesin interna evita quejas partculas de
rido se desplacen unas respecto a otras debido a las fuerzas
ejercidas por el trfico. En consecuencia, cuanto ms angular sea la
forma de las partculas y ms spera su textura superficial, ms alta
ser la estabilidad de la mezcla. En cuanto a la cohesin, sta
aumenta con aumentos de la viscosidad del betn o descenso de la
temperatura del pavimento. Con respecto al contenido de betn de la
mezcla, existe un nivel hasta el cual la cohesin aumenta y luego la
pelcula de betn es demasiado gruesa y provoca prdidas de friccin
entre partculas. Las cargas que pasarn sobre el firme, cuando la
mezcla no sea suficientemente estable, le causarn deformaciones
plsticas notables, que sern incrementadas cuando disminuya la
velocidad de aplicacin de aquellas y aumente la temperatura, debido
a su comportamiento viscoelastoplstico. Por lo general se producen
roderas o deformaciones plsticas longitudinales y resaltos
transversales en zonas donde los esfuerzos tangenciales son muy
fuertes. Los requisitos de estabilidad slo pueden establecerse
despus de un anlisis completo del trfico y de las condiciones
climatolgicas a que estar sometida la mezcla, debido a que las
especificaciones de estabilidad deben ser lo suficientemente altas
para soportar adecuadamente el trfico esperado a la temperatura de
servicio. El Instituto del Asfalto de USA plantea las siguientes
causas y efectos relacionados con la baja estabilidad [3] en la
tabla 2.2:
12
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
ESTABILIDAD BAJA Causa Exceso de betn en la mezcla Efecto
Ondulaciones, ahuellamientos y exudacin
Exceso de arena de tamao medio en la Baja resistencia,
arrollamientos y dificultad para la compactacin mezcla rido
redondeado con pocas o ninguna cara Ahuellamiento de fractura Tabla
2.2: Causas y efectos relacionados con la baja estabilidad segn
Asphalt Institute
2.2.2. Durabilidad:
Es la habilidad del pavimento para resistir deterioros diversos
tales como baches, fisuras, peladuras, etc., provocados por la
accin del trfico u otras agresiones externas, como la radiacin
solar, la oxidacin del ligante producida por el aire y el agua, el
efecto de la helada, la utilizacin de sales fundentes, el derrame
de aceites y combustibles, etc. El envejecimiento de las mezclas
bituminosas se manifiesta por microfisuras, prdidas de mortero,
desenvuelta del rido grueso, etc. Es considerado un fenmeno muy
complejo, por un lado debido a la variedad de causas que lo
provocan y por otro a la dificultad para definir los procesos de
tipo fsico-qumico que se producen. Algunos de estos procesos son
irreversibles, otros pueden detenerse o minimizarse mediante el
empleo de rejuvenecedores que actan sobre el ligante de la mezcla
devolvindole sus caractersticas reolgicas iniciales.
Tambin se puede mejorar la durabilidad de una mezcla utilizando
la mayor cantidad de betn posible, usando una granulometra densa de
rido resistente a la separacin (buena adhesividad rido-ligante) y
compactando la mezcla para obtener la mxima impermeabilidad. Al
aumentar el espesor de la pelcula de betn se consigue que no
envejezca tan rpido, y al disminuir el porcentaje de vacos
interconectados disminuye la penetracin del aire y del agua. La
granulometra densa tambin aumenta la impermeabilidad de la mezcla y
la buena adhesividad rido-ligante permite soportar la accin de las
cargas y del agua, que tienden a separar la pelcula de betn de
las
13
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
partculas de rido. Segn el Instituto del Asfalto, algunos
motivos de poca durabilidad se pueden resumir como la tabla
2.3:POCA DURABILIDAD Causas Bajo contenido de betn Efectos
Endurecimiento rpido del betn desintegracin por prdida del rido
y
Alto contenido de vacos debido al diseo o a Endurecimiento
temprano del betn seguido la falta de compactacin por agrietamiento
o desintegracin ridos susceptibles al agua (hidrfilos)
Desprendimiento de la pelcula de betn, dejando un pavimento
desgastado o desintegrado
Tabla 2.3: Causas y efectos referidos a poca durabilidad
La opcin de impermeabilizar una mezcla mediante la mayor
cantidad de betn posible se opone a la bsqueda de estabilidad, pues
un exceso de ligante puede representar una amenaza de ondulaciones
y roderas. Monismith, Finn y Vallerga esquematizan el balance entre
estabilidad y durabilidad para la seleccin del contenido ptimo de
ligante, segn se puede observar en la figura 2.1 [42].
;H ;
Maximum S t a b i l i t y
Mnimum allowable S t a b i l i t y for given traffic loading
LOW
Optimum Asphait Conter r for Highest Sutility
1
1
]
1 j j Optimum Asphalt Contant l i 1 for Highest Durability i I
_without Instability
LOW
ASPHALT C O N T E N T . Percent
HIGH
Figura 2.1: Relacin estabilidad-durabilidad de una mezcla
bituminosa ilustrando el criterio de seleccin del contenido de
ligante
14
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
2.2.3. Impermeabilidad:
Es la resistencia al paso del aire y agua hacia su interior.
Esta propiedad se relaciona con el contenido de huecos de la mezcla
compactada, aunque el grado de impermeabilidad est determinado por
el tamao de los huecos y por el acceso que tienen a la superficie
del pavimento. De todos modos siempre se acepta que una mezcla
tenga un cierto grado de permeabilidad, que est dentro de lmites
especificados. Nuevamente el Asphalt Institute presenta la tabla
2.4 de causas y efectos:MEZCLA DEMASIADO PERMEABLE Causa Bajo
contenido de betn Efectos Las pelculas delgadas de betn causarn un
envejecimiento temprano y una desintegracin de la mezcla El agua y
el aire pueden entrar fcilmente en el firme, causando oxidacin y
desintegracin de la mezcla El contenido de vacos es alto, y as
permite el paso del agua
Alto contenido de vacos
Compactacin inadecuada
Tabla 2.4: Causas y efectos relacionados con la
permeabilidad
2.2.4. Trabajabilidad:
Es la facilidad con que una mezcla puede ser extendida y
compactada, que puede conseguirse modificando el tipo de rido y su
granulometra. La tendencia a segregarse de una mezcla gruesa puede
atenuarse mediante el aadido de un rido fino (arena de tamao
mediano, rido liso y redondeado) o mayor contenido de betn,
cuidando que tambin se verifiquen los criterios de contenido de
huecos y estabilidad. El exceso de relleno mineral puede afectar la
trabajabilidad de la mezcla, al darle demasiada viscosidad,
complicando su compactacin. Por otro lado, una mezcla muy
trabajable puede resultar demasiado inestable para ser colocada y
compactada correctamente.
15
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
En menor medida tambin puede afectar el betn, puesto que una
temperatura demasiado baja en la mezcla afectar la viscosidad del
betn y volver a la mezcla poco trabajable. Tambin el tipo y
porcentaje de betn tambin pueden influir en esta propiedad. Segn el
Asphalt Institute, tabla 2.5, la mala trabajabilidad puede deberse
a:MALA TRABAJABIDAD Causa Tamao mximo de partcula grande Exceso de
rido grueso Temperatura muy baja de mezcla Exceso de arena de tamao
medio Bajo contenido de relleno mineral Alto contenido de relleno
mineral Efectos Dificultad para colocar Dificultad para compactar
Dificultad para compactar, rido sin recubrir, mezcla poco durable
Mezcla que se desplaza, muy blanda Mezcla blanda, muy permeable
Mezcla muy viscosa, difcil de manejar, poco durable
Tabla 2.5: Causas y efectos relacionados con las mala
trabajabilidad
2.2.5. Flexibilidad: Es la capacidad de un pavimento para
acomodarse a movimientos de la estructura, debido a asentamientos
de la explanada por ejemplo, sin romperse. Comnmente, una mezcla de
granulometra abierta con alto contenido de ligante es ms flexible
que una mezcla densa con bajo contenido de ligante, probablemente
se deber equilibrar este requisito con el de estabilidad.
2.2.6. Resistencia a la fatiga:
Es la resistencia a la flexin bajo las cargas repetidas del
trfico-, manifestada por una prdida de rigidez y posteriormente por
una fisuracin generalizada conocida como piel de cocodrilo. Este
deterioro se debe al comportamiento fundamentalmente elstico de las
mezclas cuando las cargas pasan a velocidades elevadas y a bajas
temperaturas. Estas cargas - normalmente muy inferiores a la de
rotura - producen un agotamiento progresivo por fatiga del
material.
16
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
Entre los factores que pueden influir en la resistencia a la
fatiga de la mezcla est la porosidad, cuando el porcentaje de
huecos de una mezcla aumenta, ya sea por diseo o por falta de
compactacin, la resistencia a la fatiga del pavimento disminuye.
Tambin bajar esta resistencia si el betn ha envejecido
considerablemente. Una capa de gran espesor sobre una explanada
resistente ser ms resistente que una capa delgada sobre una
explanada mala. Se pueden apreciar algunos motivos de poca
resistencia a la fatiga en la tabla 2.6, que ilustra el Asphalt
Institute:MALA RESISTENCIA A LA FATIGA Causas Bajo contenido de
betn Alto contenido de vacos Falta de compactacin Espesor
insuficiente de capas Efectos Agrietamiento por fatiga
Envejecimiento temprano del betn, seguido por agrietamiento por
fatiga Envejecimiento temprano del betn, seguido por agrietamiento
por fatiga Flexin excesiva seguida por agrietamiento por fatiga
Tabla 2.6: Causas y efectos relacionados con la poca resistencia
a la fatiga
2.2.7. Resistencia a! deslizamiento
Es la capacidad de una superficie para atenuar el deslizamiento
de las ruedas de los vehculos, especialmente cuando esa superficie
est mojada. El neumtico debe mantenerse en contacto con el
pavimento en lugar de rodar sobre la pelcula de agua, fenmeno
conocido como hidroplaneo.
Es evidente que una superficie spera y rugosa tendr mayor
resistencia al deslizamiento que una superficie lisa, y para
obtener estas caractersticas hay que evaluar la textura del rido y
su resistencia al pulimento as como de la granulometra de la
mezcla.
Tambin es importante considerar que una mezcla con exceso de
betn o una mezcla inestable, puede deformarse demasiado y provocar
exudacin ocasionando problemas de deslizamiento.
17
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
La tabla 2.7 propuesta por el Asphalt Institute permite ver
algunos casos de poca resistencia al deslizamiento. POCA
RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO Causas Exceso de betn rido mal
graduado o con mala textura rido pulido en la mezcla Efectos
Exudacin, poca resistencia al deslizamiento Pavimento liso,
posiblidad de hidroplaneo Poca resistencia al deslizamiento
Tabla 2.7: Causas y efectos relacionados con la poca resistencia
al deslizamiento
18
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
2.3. ENSAYOS SOBRE MEZCLAS
La eleccin de los ensayos adecuados para evaluar las propiedades
de una mezcla bituminosa no resulta una tarea sencilla. Al
respecto, Kennedy, White y Epps [29] han resumido un ensayo "ideal"
como aquel que rena las siguientes caractersticas: capaz de evaluar
tantas propiedades de la mezcla como sea posible que la geometra
del ensayo, condiciones de carga y preparacin de la probeta
representen las condiciones reales de obra simple y fcil de
ejecutar, con resultados reproducibles y de fcil interpretacin
aplicable al diseo de la mezcla y al control de su construccin
capaz de establecer lmites de aceptacin y rechazo capaz de ofrecer
criterios basados en una correlacin con la ejecucin en obra
La realidad es que no existe un slo ensayo con estas cualidades
y, por lo tanto, el ingeniero debe seleccionar una serie de ensayos
para definir adecuadamente las propiedades de las mezclas
asflticas. Dentro de los ensayos utilizados, muchos son empricos y
se aceptan a travs de comparaciones entre los resultados con ellos
obtenidos y la experiencia de obra. Presentan el inconveniente que
el modo de solicitacin es muy diferente del existente en el firme y
no permiten determinar una caracterstica intrnseca del material.
Estos ensayos empricos pueden proveer importante informacin siempre
y cuando se respeten los lmites y criterios utilizados al
interpretar los resultados, es decir, es muy importante tener en
cuenta en la aplicacin de estos ensayos su campo de validez. Slo
pueden aplicarse a la caracterizacin de mezclas cuando
experimentalmente se haya comprobado una buena correlacin entre los
resultados obtenidos en laboratorio y su comportamiento real en el
firme. Tambin existen los ensayos de simulacin, que intentan
reproducir en laboratorio las solicitaciones que producen el fallo
en el firme, del modo ms aproximado posible. Algunas veces estos
ensayos presentan los perjuicios de los efectos de escala, que
invalidan la extrapolacin de sus resultados en el momento de la
aplicacin.
19
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
El tercer grupo de ensayos desarrollados lo constituyen los
ensayos de determinacin, que intentan caracterizar mejor a las
mezclas y obtener sus propiedades bsicas midiendo parmetros que
definen su comportamiento bajo carga (mdulos) y sus leyes de
rotura. Mediante el empleo de modelos tericos, basados en estos
parmetros, es posible estimar el nmero de aplicaciones que podr
soportar la mezcla antes que se produzca su fallo por fatiga o por
excesiva deformacin plstica. Es importante reconocer que estos
ensayos de determinacin resultan ms complejos y sofisticados que
los descritos anteriormente, por lo que no suelen utilizarse en un
proceso de dosificacin de mezclas, pero permiten aproximarse un
poco ms al comportamiento real de la mezcla en el firme. Sin
embargo, no invalidan el empleo de los otros tipos de ensayos, por
el contrario, han sido tiles para confirmar la validez y los lmites
de su aplicacin. En todos los ensayos es fundamental que las
condiciones de los mismos estn referidas al rango de temperaturas y
solicitaciones que experimentar la mezcla en el pavimento durante
su vida de servicio.
2.4. ENSAYOS PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LAS DEFORMACIONES
PLSTICAS
Estos ensayos son los comnmente utilizados para la dosificacin
de mezclas bituminosas, pues la resistencia a las deformaciones
plsticas suele ser la propiedad que ms preocupa, y es por ello que
se ha avanzado notablemente en esta campo. La estabilidad se suele
evaluar mediante ensayos de base fundamentalmente emprica. Los
ensayos ms conocidos y utilizados son el ensayo Marshall, el
HubbardField, el Hveem, el Duriez, etc. En todos los ensayos las
probetas de mez,cla bituminosa se llevan hasta rotura mediante una
solicitacin tpica de cada ensayo, y la carga de rotura es lo que se
denomina estabilidad de esa mezcla. Tambin se utilizan ensayos de
simulacin, como el de la mquina de pista, o el de mquina giratoria,
que slo evala la deformacin de la mezcla bajo determinadas
20
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
condiciones de carga y temperatura. Y por ltimo se describe un
ensayo de determinacin, el triaxial dinmico.
2.4.1. Ensayo Hubbard-Feld
Fue uno de los primeros ensayos desarrollados en los Estados
Unidos para estudiar el efecto de las cargas transmitidas a travs
de las llantas de los vehculos utilizados a principios de siglo. Se
recomienda para el estudio de morteros aunque tambin existe un
ensayo modificado aplicable a mezclas gruesas. Este ensayo consiste
en fabricar probetas cilindricas de tamao normalizado, 25,4 mrn de
altura y 50,8 mm de dimetro, compactadas estticamente en una
prensa. Las mezclas ensayadas con este molde no deben superar un
tamao mximo de partcula de 16 mm. Molde y probeta se colocan encima
de un anillo de menor dimetro y se aplica la carga en la cara
superior de la probeta a una velocidad de 1 mm/s. Se registra el
esfuerzo mximo durante la extrusin de la probeta y este valor es el
que se toma para definir la estabilidad Hubbard-Field. La normativa
norteamericana especifica que la estabilidad debe superar las 2000
libras (890 kg) - a partir de este valor la experiencia demuestra
que no aparecen deformaciones permanentes apreciables para el
trfico pesado - mientras que limita el porcentaje de huecos en un
mximo del 5% y un mnimo del 2%. Este ensayo se realiza a 609C en
los Estados Unidos, pero en Francia, el ensayo segn el L.C.P.C. se
realiza a una temperatura de 189C y la velocidad de deformacin de
1,56 mm/s. Las probetas se ensayan en seco y despus de inmersin en
agua a 18-C durante 7 das. En general se da la relacin de
resistencia antes y despus de la inmersin. Tambin se determina la
densidad de las probetas y el porcentaje de huecos. En la figura
2.2 se puede apreciar la probeta colocada sobre el anillo de
extrusin de menor dimetro y preparada para ser ensayada mediante
una carga aplicada por el pistn. A la izquierda se observa un
esquema de la variacin de carga medida en el ensayo.
21
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
s^^Figura 2.2: Ensayo Hubbard-Field 2.4.2. Ensayo Marshall
El concepto del Mtodo de diseo de mezclas de pavimentacin fue
desarrollado por Bruce Marshall en el Departamento de Carreteras
del Estado de Mississippi, Estados Unidos. En su forma actual, este
ensayo surgi de una investigacin iniciada por el Cuerpo de
Ingenieros del Ejrcito de los Estados Unidos en 1943 en bsqueda de
un mtodo de diseo y control de pistas de aeropuertos durante la
Segunda Guerra Mundial. Varios mtodos para el control y el diseo de
mezclas fueron comparados y evaluados para desarrollar un mtodo
simple. El Cuerpo de Ingenieros decidi adoptar el Mtodo Marshall
debido en parte a que utilizaba un equipo de fcil manejo, porttil y
que poda usarse rpidamente en obra. Otro motivo era que el mtodo
meda propiedades asflticas similares a las que meda el equipo
Hubbard-Field.
22
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
Se realizaron muchos tramos de prueba usando trfico simulado
para determinar el comportamiento de las mezclas variando su
composicin y para establecer la energa de compactacin necesaria al
fabricar las probetas con densidad similar a la obtenida en obra.
El propsito del Mtodo de dosificacin Marshall es determinar el
contenido ptimo de betn para una combinacin especfica de ridos, y
se basa en un ensayo mecnico que consiste en romper probetas
cilindricas de 101,6 mm de dimetro por 63,5 mm de altura,
compactadas mediante un martillo de peso y altura de cada
normalizados, y precalentadas a 60s C, mediante la aplicacin de una
carga vertical a travs de una mordaza perimetral y a una velocidad
de deformacin constante de 50,8 mm/min. El mtodo establece
densidades y contenidos ptimos de vaco que deben ser cumplidos
durante la construccin del pavimento. Es importante reconocer que
este ensayo es uno de los ms conocidos y utilizados, tanto para la
dosificacin de mezclas bituminosas como para su control en planta,
mediante la verificacin de los parmetros de diseo tomando una
muestra de la planta. En Espaa este ensayo se emplea en la
formulacin de mezclas densas, semidensas y gruesas. No se aplica en
mezclas abiertas pues resulta insensible para detectar el efecto
que el ligante tiene sobre el comportamiento de la mezcla, no es
adecuado para la caracterizacin de mezclas de elevado ngulo de
rozamiento interno y mstico poco consistente. El estudio de las
deformaciones plsticas suele completarse en Espaa con el ensayo de
mquina de pista y mquina giratoria, que presentan mayor
sensibilidad y pueden considerar el efecto de la postcompacacin
producida por el trfico, fenmeno que puede afectar a la estabilidad
al aumentar el porcentaje de huecos rellenos por el ligante. En la
figura 2.3 se observa un simple esquema de la probeta rodeada por
las mordazas a travs de las cuales se aplica la carga hasta la
rotura.
23
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
SE U.
PHOBETA
Figura 2.3: Ensayo Marshall
2.4.3. Ensayo Hveem
Los conceptos del mtodo de dosificacin Hveem fueron
desarrollados por Francis Hveem, Ingeniero de Materiales del
Departamento de Carreteras de California, Estados Unidos, en 1940.
Abarca la determinacin de un contenido aproximado de betn por medio
del ensayo Equivalente Centrfugo de Kerosene, luego un ensayo de
estabilidad Hveem de probetas y uno de expansin sobre probetas
expuestas al agua para determinar el efecto del agua al cambio de
volumen y a la permeabilidad de la probeta. Hveem desarroll el
estabmetro, un triaxial especial que utiliza probetas de 101,6 mm
de dimetro y 63,5 mm de altura, preparadas con ayuda de un
compactador especial, el "kneading compactor" o compactador por
amasado. Figura 2.4. Las probetas se mantienen a 609C antes del
ensayo, se aplica una carga vertical de 2.280 kg, luego se reduce
hasta 456 kg y se mide el nmero de vueltas de la bomba manual para
alcanzar una presin lateral de 7 kg/cm2, determinando la
estabilidad Hveem segn la ecuacin que relaciona estos parmetros.
Ecuacin 2.1 [60].
24
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
S=
22,2 [Ph.D l(Pv -?)]+ 0,222
(2.1)
Donde: S: estabilidad Hveem (%) Pv: presin vertical (kg/cm2) Ph:
presin horizontal (kg/cm2) D: nmero de vueltas de la bomba manual
El valor resultante se basa en la idea de que una mezcla bituminosa
tiene propiedades que oscilan entre un lquido y un slido rgido. El
valor de estabilidad se obtiene de una escala arbitraria que va de
O a 100, correspondiendo el O a un lquido que no presenta
resistencia interna a cargas lentamente aplicadas, el 100 a un
slido hipottico que transmite bajo cierta carga vertical una presin
lateral que no puede registrarse. En las mezclas bituminosas los
valores de la estabilidad Hveem estn comprendidos entre 20
y 40 [3; 60].El ensayo en el estabilmetro no se contina hasta la
rotura y la misma probeta se usa para determinar la cohesin en el
"cohesimetro", otro aparato desarrollado por Hveem mediante un
ensayo que aplica traccin directa por flexin a 60Q C.
MANMETRO
Membrana de caucho
WM'-.M Bomba;
Figura 2.4: Ensayo Hveem
25
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
El procedimiento de diseo basado en este ensayo contina siendo
el principal mtodo usado en California. Sin embargo tiene el
inconveniente de la gran complejidad y necesita un compactador
pesado y costoso. Por otro lado, el estabilmetro se basa en
principios menos empricos que el ensayo Marshall y se aplica tanto
en mezclas bituminosas como en suelos.
2.4.4. Ensayos de indentacin
El ms representativo dentro de este grupo es el penetrmetro de
cono y se aplica a la dosificacin de morteros bituminosos. La
estabilidad de una mezcla se determina midiendo la huella dejada
por un cono en la superficie de la muestra luego de aplicar una
carga durante tres minutos y a una temperatura de 189C y se calcula
segn la ecuacin 2.2: (2.2)
Donde: S: estabilidad P: carga aplicada e: penetracin en cm
2.4.5. Ensayo de mquina de pista
Los resultados obtenidos en laboratorio mediante el empleo de la
mquina de pista han correlacionado muy bien con el comportamiento
de mezclas densas y semidensas en el firme, y es por ello que
utiliza cuando se pretende proyectar una mezcla resistente a las
deformaciones plsticas. En Espaa este ensayo se realiza con una
rueda de 200 mm de dimetro y 50 mm de ancho, cargada, transmitiendo
una presin de 9 kg/cm2, que rueda sobre una placa de mezcla y se
desplaza con un movimiento alternativo. La temperatura es de 60Q C
y el valor que se registra es la profundidad de la rodera con el
paso del tiempo o la
26
Caracterizacin de la mezcla bituminosa
velocidad de deformacin al final del ensayo. El tiempo de ensayo
suele ser de 120 minutos en Espaa. Figuras 2.5 y 2.6.
MAQUINA DE ENSAYO
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Tabla 3.5: Criterios de dosificacin de mezclas bituminosas en
caliente empleando el aparato Marshall (NLT-159/86)
CATEGORA DE TRAFICO PESADO TOYT1 T2 T3 T4
ZONA TRMICA ESTIVAL CALIDA MEDIA TEMPLADA 20 15 15 20 20 20
Tabla 3.6: Mxima velocidad de deformacin (nm/min) en el
intervalo de 105 a 120 minutos (NLT-173/84)
La norma europea establece varias categoras de calidad para los
dos tipos de mezclas bituminosas en caliente que considera (asphalt
concrete normal - ACN y asphalt concrete macadam - ACM). Dentro de
estos tipos de mezclas estaran incluidas las mezclas tipo denso,
semidenso, grueso y abiertas de la normativa espaola. De acuerdo
con cada una de las categoras de calidad se indican unos requisitos
para las siguientes caractersticas de las mezclas:
65
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
Generales: huecos en mezcla sensibilidad a la accin del agua
Empricos: estabilidad Marshall huecos rellenos de betn huecos en
ridos huecos para 10 giros del compactador giratorio huella o
velocidad de deformacin en mquina de pista
Fundamentales: mdulo de rigidez huella o velocidad de deformacin
en mquina de pista resistencia a fatiga
El objetivo del Comit Tcnico del CEN al desarrollar esta norma
ha sido especificar propiedades fundamentales de las mezclas
bituminosas. Sin embargo, puesto que las especificaciones para
mezclas se han basado tradicionalmente en mtodos empricos
combinados con especificaciones de los materiales componentes, se
ha incluido esta alternativa. Los usuarios de la norma que tengan
suficiente experiencia con los requisitos fundamentales podrn
aplicar las especificaciones correspondientes. Los dems podrn
continuar empleado las especificaciones empricas y a la vez ir
ganando experiencia con el enfoque fundamental mediante el
desarrollo de otros ensayos adicionales.
Requisitos Generales: El contenido de huecos mnimo y mximo de la
mezcla se indica en las tablas 3.7 y 3.8. La diferencia entre ambos
valores debe ser al menos del 2% cuando la probeta se ha compactado
por impacto o vibracin y como mnimo del 5% cuando se ha utilizado
el compactador giratorio.
66
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
CATEGORIAA B C D E F G H Z
CONTENIDO DE HUECOS2 3 4 5 6 7 8 9
sin requisito
Tabla 3.7: Contenido mnimo de huecos (prEN 12697-8)
CATEGORAA B C D E F G H I J K Z
CONTENIDO DE HUECOS3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
sin requisito
Tabla 3.8: Contenido mximo de huecos (prEN 12697-8)
La sensibilidad a la accin del agua se evala mediante el
cociente entre las resistencias a traccin indirecta de probetas que
han sido acondicionadas en agua y probetas no acondicionadas
(ITSR), exigindose los valores mnimos, expresados en porcentaje,
que se pueden observar en la tabla 3.9. El Comit Tcnico 227 del GEN
ha nomalizado la determinacin de la resistencia a traccin indirecta
y la evaluacin de la sensibilidad al agua segn los borradores N9
1.22 y 1.9a respectivamente [2].
67
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
CATEGORIAA B C D E F G Z
ITSR MNIMO(%) 80 70 60 50 40 30 20
sin requisito
Tabla 3.9: Cociente de resistencia a traccin indirecta (prEN
12697-12)
Requisitos empricos: En la comprobacin de los requisitos
empricos, se deben verificar mediante el ensayo Marshall los
valores mnimos y mximos de estabilidad, de deformacin y el cociente
mnimo entre ambos parmetros, tal como se puede apreciar en las
tablas 3.10, 3.11,3.12 y 3.13.
CATEGORAA B C D E F Z
P min kN12,5 10 7,5 5 7,5 2,5
sin requisito
Tabla 3.10: Estabilidad Marshall mnima (prEN 12697-37)
CATEGORIAA B C D Z
P max kN15 12,5 10 7,5
sin requisito
Tabla 3.11: Estabilidad Marshall mxima (prEN 12697-37)
68
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
CATEGORIA A B Z
F mm2-4 3-5 sin requisito
Tabla 3.12: Deformacin Marshall (prEN 12697-37)
CATEGORAA B C D E F Z
Q min kN/mm 3,5 3 2,5 2 1,5 1 sin requisito
Tabla 3.13: Cociente Marshall mnimo (prEN 12697-37)
El porcentaje mximo de huecos rellenos con betn de la mezcla
diseada debe cumplir con alguna de las categoras especificadas en
la tabla 3.14.
CATEGORAA B C D E F G H I J K L M Z
Max. H.R.B. (%) 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80 83 86 sin
requisito
Tabla 3.14: Contenido de huecos rellenos con betn mximo (prEN
12697-8)
El contenido mnimo de huecos en ridos debe verificar los valores
establecidos en la tabla 3.15.
69
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
El contenido mnimo de huecos en ridos debe verificar los valores
establecidos en la tabla 3.15.CATEGORAA B C D E Z
Min. huecos en ridos8 10 12 14 16
sin requisito
Tabla 3.15: Contenido mnimo de huecos en ridos (prEN
12697-8)
Si se utiliza el compactador giratorio, la norma especifica un
contenido mnimo de huecos luego de 10 vueltas, segn la tabla
3.16.CATEGORAA B Z
Min. huecos a 10 vueltas 119sin requisito
Tabla 3.16: Contenido mnimo de huecos a las 10 vueltas del
compactador giratorio (prEN
12697-8) Con respecto a la resistencia a la deformacin
permanente, sta puede determinarse mediante el ensayo de la mquina
de pista. Se han definido dos dispositivo posibles, diferenciados
segn los trminos "grande" y "pequeo". El primero es ms
frecuentemente empleado para medir la profundidad de la rodera en
forma proporcional, a una temperatura de 50 o 609C y a un nmero de
ciclos de 10.000 o 30.000. El segundo se utiliza ms para medir la
velocidad de deformacin, a una temperatura que puede variar entre
45 y 60BC. Tabla 3.17.
Dispositivo de ensayoA B7,5
CATEGORIAC D
Z
grande Prof, rodera max. proporcional, {%) pequeo Velocidad de
deformacin max, (mm/h) Prof, rodera max. (mm)
5
10
15
sin requisito sin requisito sin requisito
5
7,5
10
15
4
4
7
7
Tabla 3.17: Resistencia a la deformacin permanente (prEN
12697-22)
70
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
Requisitos fundamentales: En la verificacin de los requisitos
fundamentales se ha determinado un valor mnimo de mdulo de rigidez
obtenido mediante ensayos de flexotraccin para probetas prismticas
o trapezoidales, o mediante el ensayo de mdulo resiliente en
probetas cilindricas. Las condiciones normales de ensayo son una
temperatura de 10 o 15gC y una frecuencia de 10 Hz o a un tiempo de
aplicacin de carga de 0,02 segundos. Tabla 3.18.
CATEGORAA B C D E F G H I J K L Z
S min. (MPa) 21.000 17.000 14.000 11.000 9.000 7.000 5.500 4.500
3.600 2.800 2.200 1.800 sin requisito
Tabla 3.18: Valores de mdulo de rigidez mnimo (prEN
12697-26)
Con respecto a la evaluacin de la resistencia a la deformacin
permanente, la norma fijar un requisito de mxima velocidad de
deformacin segn el ensayo de compresin cclica triaxial (prEN
12697-25 parte a), compresin uniaxial (prEN 12697-25 parte b) o
mquina de pista (prEN 12697-22). Para las dos primeras
posibilidades, estn previstas siete categoras, cuyos valores an no
se han determinado, y para la tercera se reiteran los requisitos
establecidos como empricos en la tabla 3.17. Para analizar la
resistencia a la fatiga, se han clasificado las mximas
deformaciones para el milln de ciclos, ensayando la probeta a una
temperatura de 8 o 109C y a una frecuencia de 25 Hz. Las categoras
se pueden apreciar en la tabla 3.19.
71
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
CATEGORAA B C D E F G H I J K L M Z
z max (def.xIO 6 )310 260 220 190 160 160 135 115 100 85 70 60
50
sin requisito
Tabla 3.19: Valores mximos de deformacin por fatiga (prEN
12679-24)
Todos los requisitos mencionados en las tablas se expresan en
forma de categoras y la ltima dice "sin requisito". La categora
apropiada puede ser seleccionada o pueden seguirse las
recomendaciones proporcionadas en un Anexo Nacional. La categora
"sin requisito" se aplica cuando una propiedad no es relevante para
identificar a la mezcla o cuando es cubierta por otro requisito. El
Anexo Nacional a una norma europea es una parte informativa de la
norma elaborada por un instituto nacional de normalizacin y puede
contener recomendaciones para: el uso de requisitos empricos o
fundamentales la seleccin de las propiedades de los materiales la
seleccin de las categoras a partir de la lista de requisitos de la
mezcla, teniendo en cuenta las condiciones de trfico, climticas, la
capa de construccin donde se emplear la mezcla y consideraciones
econmicas. Si se comparan los requisitos de las dos normas
descritas, se observa que los valores de estabilidad y deformacin
Marshall, y los de huecos en mezcla y en rido fijados por la
normativa espaola se encuentran dentro de los rangos establecidos
por la normativa europea para requisitos generales y empricos.
Tabla 3.20. Con respecto a la velocidad de deformacin, las
caractersticas del ensayo normalizado en Espaa se asemejan a las
del dispositivo pequeo de la normativa europea, aunque slo en las
dimensiones y no en cuanto a la presin de inflado del neumtico y a
la frecuencia de aplicacin de carga.
72
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
La normativa europea plantea tambin un cociente mnimo entre
estabilidad y deformacin Marshall, un mximo contenido de huecos
rellenos con betn y un contenido de huecos cuando la probeta se
elabora con compactador giratorio. Adems es importante destacar la
propuesta de los requisitos fundamentales de la normativa europea,
que reemplazarn gradualmente a los empricos, para conseguir evaluar
a la mezcla segn su comportamiento mediante la determinacin del
mdulo de rigidez de la mezcla y de su ley de fatiga.
NORMATIVA estabilidad (KN) deformacin (mm) Q est/def. (KN/mm)
huecos en rod.. mezcla int. (%), capa base huecos en -8 rido, -12
mezcla -20 -25 veloc.max.
ESPAOLA T3yT4 TO.T1 yT2 7,5-12,5 > 102-3 ,5 . 4-6 4-8 4-9
>16
EUROPEAMIN MAX
2-3,53-5 3-8 3-9 >16
de 1de > 2 a > 9
de>15 a>7,5
de 14 > 13
> 15>14
d e > 8 a > 16
> 13T2 15 20 20 T3 20 20
TOyT1clida media tempi.15 15 20.
T4 20-
disp. grandepeq. (mm/h)
*
pista (nm/min)
~
de 20-
de < 50 a < 86-
de > 1 1 a > 9 de > 21. 000 a > 1.800
-
-
-
de < 310 a < 50. 106
*: Las condiciones del ensayo son diferentes de la norma espaola
Tabla 3.20: Valores de requisitos segn la normativa espaola y la
normativa europea
73
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
3.4.1.2, Especificaciones sobre los materiales
Si la mezcla ha de tener una calidad, los componentes que se
utilizan en su fabricacin han de ser tambin de calidad. Al igual
que ocurre para la mezcla, se han definido diferentes categoras de
calidad en consonancia con los de la mezcla y con las condiciones
de trfico y climatolgicas en que va a estar sometida. Las
especificaciones sobre los materiales a emplear en las mezclas,
tanto en ridos, filires, ligantes, aditivos, etc., suelen ser
prolijas y extensas, dada su repercusin en el comportamiento de la
mezcla y la dificultad de comprobar y asegurar su buen
comportamiento para cualquier composicin de la misma. Por ello, es
necesario recurrir a una serie de requisitos que aseguren que con
los materiales empleados se puede fabricar una buena mezcla y
combinar estos de forma adecuada para optimizar alguna propiedad de
la misma.
ridos: Las recomendaciones espaolas especifican para los ridos
los requisitos recogidos en las tablas 3.21 y 3.22.
Textura forma
y
Proporcin mnima de Categora de partculas con caras trfico pesado
fracturadas > 2 {% en masa) TOyT1 NLT-358/87 T2T3yT4
Mximo ndice de lajas NLT-354/74
Categora de trfico pesado TO.T1 yT2 T3yT4 Mezclas drenantes
Capa de base Capa de rodadura e intermedia 100 90 75 90 75 Valor
mximo30 3525
Tabla 3.21: Requisitos para los ridos en mezclas bituminosas
[43]
74
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
Calidad
Coeficiente de desgaste Los Angeles valor mximo (%) NLT-1 49/72
Coeficiente de pulido acelerado (rido grueso y capa de rodadura)
NLT-1 74/72
Limpieza
0,50 0,45 0,40 Los lmites anteriores se rebajarn en 0,05 pero
sin bajar de 0,40 Los ridos debern estar exentos de terrones de
arcilla, materia vegetal, marga u otras materias extraas.
Mezclas drenantes Capa de rod. e interm. Capa de base Categora
de trfico pesado TOyT1 T2 T3yT4 Mezclas drenantes
20 25 30 Valor mnimo
Su proporcin de impurezas deber ser inferior al 0,5%. NLT-1
72/86 Adhesividad Mezclas abiertas drenantes o rido grueso La
proporcin del rido totalmente envuelto despus del ensayo de
inmersin en agua > 95% NLT-1 66/86 rido fino El ndice de
adhesividad > 4 NLT-355/74 La prdida de resistencia en el ensayo
de inmersin-compresin < 25% Categora trfico pesado TOyT1 T2
T3yT4 Proporcin mxima 10 15 25
Otras mezclas
Proporcin mxima de arena natural en la mezcla {% en masa total
de los ridos, incluido el polvo mineral)
Tabla 3.22: Requisitos para los ridos de las mezclas bituminosas
[42]
La norma europea prEN 13043 [18] divide los requisitos para
ridos en geomtricos, fsicos, de durabilidad y qumicos. Dentro de
los requisitos geomtricos, se especifican categoras con lmites
sobre el contenido de finos en ridos gruesos y arenas, ndice de
lajas y porcentaje de partculas con caras fracturadas y
redondeadas. Dentro de los requisitos fsicos hay lmites para el
coeficiente de desgaste Los Angeles, el coeficiente de pulido y
varios ensayos de resistencia a la abrasin. Dentro de los
requisitos de durabilidad hay categoras para evaluar el efecto de
los ciclos de congelamiento-deshielo y la accin de los
sulfates.
75
La calidad en a construccin de las mezclas bituminosas
-
Dentro de los requisitos qumicos, se limita el contenido de
contaminantes orgnicos.
En la tabla 3.23 se han comparado los requisitos de la normativa
espaola y de la comunitaria para ridos. Como se puede apreciar, las
categoras CEN de los cuatro primeros parmetros: ndice de lajas,
coeficiente de fractura, coeficiente Los Angeles y resistencia al
pulimento, incluyen a los rangos permitidos por la Orden Circular.
Pero adems, la normativa europea ampla las exigencias en la calidad
de los ridos mediante requisitos de resistencia a la accin del
hielo y de los sulfates.
Propiedad evaluada Forma y textura
Caracterstica
ndice de lajas
Valores segn la Orden Circular 299/89 Espaa < 30 (TO, T1 y
T2) < 35 (T3 y T4) < 25 (T5) >100(TOyT1) > 90 (T2) >
75 (T3 y T4)
Categora segn normativa CEN 50CD >44CE IO ^ 0
coCO
c
a. w aio
Mtodo de
o
ensayo
CD CM OJ
o ^~CD O
OJ
CD o o co CD OJ CM
O5 O5 o LO LO LO CM O CM
CM
r-
2 LU LU LU
LU
z.LU
LU
2 2 2 2 i CM2 LU 2 LU LLI LU LU LU LU O
Si 3 < l2 CM' - O C
Ver clusula ecciona esta^ m A CO 0} COCD ~Q.3.
Al O CD CD LO CO V co
*~. Q * O
CD CO l*~ "O C
'i o
CM
1D. C/5 U I
2^ LU LU
Z CD 3 LU C 05
co cu
LU
co
CN
Tl
m
F FX
..
'c"^
o oOI
5? S5 O o
OOt
E
.,
coJO J3
6 ^n
j/jO CO n E OICU T3
o lCD "0
01
OO 01-
OOI
OI
O O O
ca
| Penetracin a 25fiC I Punto de reblandecimiento Resistencia al
envejecimiento, a 16 (a) I .- Cambio de masa, max., I .- Penetracin
s/residuo pe. fina, m Punto de reblandecimiento desp envejecimiento
1 Punto de inflamacin, mn. 1 Solubilidad, mn.
1 Viscosidad dinmica a 609C, mn. I Viscosidad cinemtica a 1359C,
mn
f-
Resist, al envejecimiento (d): se pu elegir una de las sig.
alternativas: lt.Aumento del punto 1 reblandecimiento, max. 2.-
Aum. del pto. de reblandecimie mx. y punto Fraass, max. (e)
3.Aumento del punto reblandecimiento, max., 0 ndice de penetracin
(e) mn mx. 4.Aumento del punto reblandecimiento, mx.Jf)01
CD
co
c:
a
CD
-o
CD
CO CD
0 'p
I PROPIEDADES OBLIGATORIAS
\ Contenido de parafina, max. (c )
i lb. > Q. C
| PROPIEDADES OPTATIVAS
ca
X
a O o>CC Q 0 "mCD OC
*.
CL
co
CL Q_
-iu
0.
> CL co
iscosidad cinemti unto de inflamaci olubilidad, min. esistencia
al envei Cambio de masa, Cociente de viscoDC
u
X TJ CO to 0 ~ 0)
eo ja XI ca
i
'.
80
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
En la tabla 3.28 se comparan ambas normativas.
Propiedad evaluada Envejecimiento
Consistencia
Valores segn la Orden Circular 299/89 Espaa Cambio de masa 0,5
para B 20/30 mximo 0,8 para B 40750 y B 60/70 1,0 para B 80/1 00
1,4 para B 150/200 1,5 para B 200/300 7 para B 20/30 Aumento de
temperatura A y 8 para B 40/50 9 para B 60/70 B mximo 10 para B
80/1 00 11 para B 150/200 12 para B 200/300 0 para B 20/30 Punto de
fragilidad Fraass -4 para B 40/50 mximo -8 para B 60/70 -10 para B
80/1 00 -1 5 para B 1 50/200 -20 para B 200/300 Caractersticas
Categora segn normativa CEN 0,5 para 20/30, 30/45, 35/50, 40/60
y 50/70 0,8 para 70/100 y 100/150 1 ,0 para 1 60/220 y 250/330
8 para 20/30, 30/45 y 35/50 9 para 40/60, 50/70, 70/100 10 para
100/1 50 11 para 160/220 y 250/330*
Susceptibilidad trmica Composicin Combustin
de -1 a +1 ndice de penetracin entre Solubilidad 99,5% mnima
Punto de 235 para B 20/30, inflamacin 40/50, 60/70 y mnimo 80/100
220 para B 150/200 175 para B 200/300
-5 para 30/45 y 35/50 -7 para 40/50 -8 para 50/70 -10 para 70/1
00 -12 para 100/1 50 -15 para 160/220 -16 para 250/330 de -1,5 a +
0,799%
240 para 20/30, 30/45y 35/50 230 para 40/60, 50/70, 70/100 y
100/150 220 para 160/220 y 250/330
*: La normativa puede ser menos exigente si se combina este
requisito con el de punto de fragilidad e ndice de penetracin.
Tabla 3.28: Comparacin de los requisitos de las normativas espaola
y europea para betunes. Observando la tabla comparativa entre las
dos normativas, es evidente que algunos criterios son muy
similares. Sin embargo hay algunas diferencias: los valores de
cambio de masa estn ms restringidos en la normativa europea para
los betunes ms blandos, el punto de fragilidad es menor para los
betunes ms duros y el rango el ndice de penetracin se ha desplazado
levemente hacia valores menores. Adems la norma europea permite
optar, en lugar del aumento del punto de reblandecimiento, por la
determinacin de la viscosidad dinmica o cinemtica.
81
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
3.4.1.3. Dosificacin
La dosificacin de la mezcla tiene como finalidad,combinar sus
componentes de la mejor forma con el fin de optimizar alguna
propiedad de la mezcla. Dada la complejidad de revisar todas las
propiedades de la mezcla y comprobar que todas ellas cumplen unos
mnimos y estn acordes con su empleo, se suele limitar las
composiciones a utilizar, de forma que se aseguren unos umbrales
mnimos de respuesta de la mezcla en todos sus aspectos y
caractersticas. La dosificacin a utilizar habr de estar dentro de
esos husos. Los mtodos de dosificacin ayudan a buscar la
composicin, que dentro de esos husos, proporcionan la respuesta
ptima de la mezcla. Cada mtodo de dosificacin suele basarse en una,
dos o tres propiedades de la mezcla y son stas las que se
optimizan. En la tabla 3.29 se recogen los husos granulomtricos que
fija la circular del MOPU para las mezclas espaolas y la tabla se
recogen los de la comunidad.
MEZCLA TIPO40 25 20
CERNIDO ACUMULADO (% en masa) CEDAZOS Y TAMICES UNE12,510
52,5
630ijm 18-34 18-30 18-30 15-25 15-25 15-25 8-20 8-20
320 jim
160
umDENSO
D8 D12 D20
100
100 80-95 100 80-95 75-88 75-95 65-85 100 65-90 100 100
80-95 65-80 80-95 65-80 60-75 55-75 47-67 65-90 45-70 75-100
75-100
100 72-87 60-75
70-90 50-65 47-62 47-62 43-58 40-55 28-46 26-44 20-40 15-35
32-50 15-30
45-70 35-50 35-50 30-45 30-45 30-45 20-35 20-35 5-20 5-20 10-18
10-22
12-25 13-23 13-23 10-18 10-18 10-18 5-14 5-14
8-17 7-15 7-15 6-13 6-13 6-13 3-9 3-9
SEMIDENSO S12 S20 S25 GRUESO G20 G25 ABIERTO A12 A20 DRENANTE
P12 PA12
100 100
100 80-95 100 65-95100
71-86 60-75 55-70 47-67 40-60 50-75 35-60 60-90 50-80
6-12 6-13
80 um 510 5-8 5-8 4-8 4-8 4-8 2-6 2-5 2-4 2-4 3-6 3-6
Tabla 3.29: Husos granulomtricos para mezclas bituminosas en
caliente El mtodo de dosificacin empleado en la norma espaola est
basado en el ensayo Marshall y su optimizacin, por tanto, en la
resistencia a las deformaciones plsticas de la mezcla, teniendo en
cuenta la relacin filler/betn y el contenido de huecos en mezcla y
ridos.
82
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
La normativa europea especifica dos combinaciones de tamices que
pueden emplearse para determinar la granulometra de los ridos. Para
cada serie de tamices se indican los rangos entre los valores mximo
y mnimo segn cada tamiz y el tamao mximo D del rido, expresado en
mm. Tablas 3.30 y 3.31 para las mezclas bituminosas normales
ACN.
D
4
8
11
16
22
32
45X
Tamiz, mm45
Tamices a usarX X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
X X X X X X X X X X X X X
Rangos % en peso10
31,5 22,416
11,28 4 2 0,5
0,063
10, 15 10, 15 10,15,20,25 10, 15,20,25 10, 15,20,25 10, 15,20,25
10, 15,20,25 10, 15,20,25 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
El tamiz 1,4D no se menciona en esta tabla: el porcentaje que
pasa el tamiz 1,4D debe ser el 100%
Tabla 3.30: Rangos entre valores mnimos y mximos para la serie
de tamices 1.
D
4
6
10
14
20
32
40X
Tamiz, mm40
Tamices a usarX X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
X X X X X X X X X X X X X
Rangos % en peso10 10, 15 10,15
31,520 14 10 6,3 4 2 0,5
10, 15,20,25 10,15,20,25 10, 15,20,25 10,15,20,25 10,15,20,25
10, 15,20,252, 3, 4, 5, 6, 7, 8
0,063
El tamiz 1 ,4D no se menciona en esta tabla: el porcentaje que
pasa el tamiz 1 ,4D debe ser el 1 00%
Tabla 3.31 : Rangos entre valores mnimos y mximos para la serie
de tamices 2.
Los requisitos de valores mximo y mnimo para los porcentajes que
pasan el tamiz D, 2 mm y 0,063 mm de la dosificacin de la mezcla
ACN se pueden observar en las tablas 3.32 y 3.33.
83
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
D
4
I
Tamiz, mm 1.4DD 2
8 16 32 11 20 Porcentaje que pasa el tamiz % en peso100 100 100
100 100
45
100
100
0,063
90-100 50-85 5-17
90-100 35-72 5-12
90-100 26-60 2-12
90-100 20-50 2-11
90-100 10-50 0-10
90-100 20-50 2-11
90-100 20-40 2-11
Tabla 3.32: Granulometra de la mezcla de proyecto para la serie
de tamices 1
D
4
Tamiz, mm 1,4DD 2
14 10 20 | 32 6 Porcentaje que pasa el tamiz % en peso100 100
100 100 100
45
100
100
0,063
90-100 50-85 5-17
90-100 35-72 5-12
90-100 26-60 2-12
90-100 20-50 2-11
90-100 10-50 0-10
90-100 20-50 2-11
90-100 20-40 2-11
Tabla 3.33: Granulometra de la mezcla de proyecto para la serie
de tamices 2
No existe una normativa comunitaria que especifique el proceso
de diseo de la mezcla bituminosa, pues se ha considerado que la
forma en que el productor llegue a la composicin de la mezcla no
debe ser objeto de normalizacin.
3.4.2. La calidad en la fabricacin
La fabricacin se realiza en una planta formada por un conjunto
de equipos mecnicos y electrnicos donde los ridos son calentados,
secados y mezclados con el betn para producir una mezcla bituminosa
en caliente segn las proporciones deseadas y cumpliendo las
especificaciones requeridas. Las unidades fundamentales de una
planta son: sistema de alimentacin y dosificacin de los ridos en
fro secador de los ridos colector de polvos
84
La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
instalacin de cribado de ios ridos en caliente silos de
almacenamiento de los ridos cribados caliente sistema de
alimentacin del relleno mineral sistema de almacenamiento,
calefaccin y alimentacin del ligante bituminoso sistema de
dosificacin de los ridos, el relleno mineral y el ligante
bituminoso mezclador sistema de carga de la mezcla
A continuacin se realiza una breve descripcin de las unidades
fundamentales de una planta y de los controles de fabricacin que se
deben realizar segn las especificaciones espaolas que aparecen en
la Circular N9 299/89 "Recomendaciones sobre mezclas bituminosas en
caliente". Sistema de alimentacin y dosificacin de los ridos en fro
Estos sistemas son silos o tolvas donde se colocan los ridos
separados por tamaos. En la parte inferior estn provistos de una
compuerta cuya abertura es regulable y permite realizar una
dosificacin primaria de los ridos, generalmente en volumen aunque
tambin las hay por pesado. En las tareas de control se debe
considerar la verificacin de la carga en las tolvas, que se debe
realizar de forma tal que siempre estn llenas entre un 50 y un 100%
de su capacidad y tratando de minimizar la segregacin y degradacin
del rido. Los ridos salen de las tolvas por las compuertas y por
medio de un sistema de dosificacin, pasan a una cinta
transportadora que lleva los ridos al secador en cantidades
controladas. Los sistemas de dosificacin deben mantener un flujo
uniforme y continuo de mezcla de ridos en las proporciones
necesarias para obtener la granulometra prevista. Este objetivo
podr lograrse siempre y cuando los ridos hayan sido bien protegidos
de posibles contaminaciones y segregaciones durante su manejo, y
los dispositivos de alimentacin estn bien calibrados y funcionen
correctamente. Secador de los ridos
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La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
Las funciones del secador son: secar los ridos y calentarlos
hasta la temperatura necesaria para que al pasar al mezclador se
envuelvan perfectamente por el betn. El secador es un cilindro
giratorio, al que ingresan los ridos por un extremo, mientras que
en el opuesto se encuentra un quemador con un ventilador que
proporciona el aire de combustin. Los ridos circulan a
contracorriente con respecto al movimiento del aire caliente
mediante el movimiento giratorio del secador y una pequea
inclinacin con respecto a la horizontal. Es fundamental conseguir
el tiro de aire necesario para que la combustin sea completa. En el
caso de que el combustible sea aceite y no se haya quemado en su
totalidad, puede ocurrir que deje un revestimiento aceitoso sobre
las partculas del rido y que afecte a la adherencia con el ligante
en la etapa de mezclado. El secador est provisto de un termmetro
que permite controlar la temperatura de los ridos a la salida.
Colector de polvo El secador tiene un ventilador que crea un tiro
de aire dentro del secador, y cumple con varias funciones: favorece
la combustin, hace circular los gases a travs de los ridos, extrae
el vapor de agua y arrastra las partculas ms finas del rido. Estas
partculas son recogidas por el colector de polvo, que las recupera
y reincorpora a la mezcla en el caso que el Pliego de
Prescripciones Tcnicas Particulares lo permita. Diariamente se
controla la granulometra y densidad del este filler de recuperacin.
Es preciso que el extractor de aire funcione en equilibrio con el
mechero para lograr una combustin perfecta. Si a este balance se le
aade una correcta alimentacin de ridos, entonces la granulometra
del material recuperado ser uniforme. Sistema de clasificacin de
ridos en caliente Este sistema consta de una serie de cribas
vibratorias ubicadas por encima de los silos de ridos en caliente.
Los ridos salen del secador y pasan por las cribas donde se produce
una nueva clasificacin de ridos por tamaos. Es importante que el
rendimiento de las cribas se ajuste a la produccin del mezclador.
Adems no deben sobrecargarse porque podra realizar una
clasificacin
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La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
incorrecta del material. Tambin se deben controlar que no se
produzca rotura o desgaste de las mallas de las cribas. Silos de
almacenamiento de los ridos cribados calientes Estos silos se
utilizan para almacenar el rido caliente cuando sale de la unidad
de cribado. Los silos estn hermticamente divididos entre s para
evitar contaminaciones, provistos de un rebosadero para evitar que
el exceso de rido caiga en los silos contiguos. Cuentan con una
alarma que advierte cuando el nivel de llenado es menor del
necesario para asegurar el caudal previsto y un dispositivo para la
toma de muestras de cada porcin de ridos. Tambin est provisto de un
termmetro para el control de la temperatura de los ridos. El
dispositivo para la toma de muestras desva la corriente de rido del
alimentador o de la compuerta debajo de la tolva hacia un
recipiente. Esta operacin deber cubrir todo el ancho de la salida
para asegurar que la muestra es representativa. El control
realizado puede ser diario o cada dos o tres das, y es de tipo
granulomtrico. Sistema de alimentacin del relleno mineral El
almacenamiento del relleno mineral debe estar muy bien protegido de
la humedad y mediante un dispositivo mecnico o neumtico alimenta a
la planta. El polvo recuperado mediante los colectores puede
introducirse en la mezcla si cumple con las condiciones exigidas al
relleno mineral. Debe realizarse un control frecuente de la
cantidad de relleno mineral aadida a la mezcla pues esta variable
puede afectar de modo considerable los resultados de la mezcla.
Para ello se debe revisar constantemente la calibracin de los
mecanismos de alimentacin y pesado. Sistema de almacenamiento,
calefaccin y alimentacin del ligante Los tanques de almacenamiento
se calientan para que el ligante est lo suficientemente fluido para
que pueda circular por las lneas de carga y descarga, mediante
serpentines por donde circula aceite caliente. Se instalan varios
termmetros para asegurar el control de temperatura del ligante.
Para tomar muestras del ligante existen vlvulas adecuadas en el
tanque o en la tubera.
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La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
Sistema de dosificacin de ridos, del filler y del ligante
bituminoso Segn el sistema de dosificacin, la planta puede ser de
tipo continuo o discontinuo. En una planta discontinua, los ridos
en caliente salen de las tolvas por las compuertas y caen en un
dispositivo donde son pesados en forma sucesiva, de acuerdo a la
proporcin prevista en la frmula de trabajo. Para pesar el relleno
mineral suele utilizarse una bscula adicional, de menor tamao y ms
precisa. El ligante se puede dosificar por peso o por volumen. Se
deben realizar controles peridicos de bsculas y sistemas de
dosificacin. En una planta continua, los ridos, el relleno mineral
y el ligante ingresan al mezclador en forma continua y por eso los
dispositivos de alimentacin estn sincronizados. Los silos de ridos
en caliente tienen compuertas de abertura variable que permiten
descargar sobre cintas transportadoras, de modo tal que todas las
cintas se muevan a la misma velocidad, manteniendo las proporciones
de cada fraccin. Para hacer un control de la dosificacin, en
algunas plantas es posible desviar parte del material que sale de
cada silo. En otras hay mecanismos para pesar el material que
transporta la cinta en cada momento. El polvo mineral de aportacin
se introduce en el circuito de ridos por medio de un tornillo
alimentado por un dosificador continuo volumtrico. El polvo que
proviene de los colectores se lleva por medio de un tornillo al pie
del elevador en caliente y se une al polvo de aportacin. El ligante
se dosifica por medio de una bomba que est conectada al mecanismo
que mueve las cintas transportadoras de ridos. Para verificar la
cantidad de ligante suministrada, el dosificador tiene una llave
que permite desviar ligante a un recipiente tarado durante un
tiempo determinado. Es muy importante considerar la temperatura de
bombeo porque la densidad del betn cambia, y adems esta temperatura
debe mantenerse constante. Mezclador
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La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
El mezclado consiste en remover mecnicamente los materiales el
tiempo necesario en un recipiente hasta lograr que los ridos estn
cubiertos por el ligante y formando una masa homognea. Los
mezcladores ms comunes son de ejes horizontal, provistos de uno o
dos ejes paralelos con paletas que giran en sentido contrario. En
una planta discontinua primero caen los ridos y el filler hasta
homogeneizar el rido y calentar el filler. Luego se inyecta el
ligante. Para conseguir un buen mezclado, es importante mantener la
cantidad de material ms conveniente, que es aproximadamente el que
ocupa cuando la mezcla alcanza el nivel de las paletas cuando estn
en posicin vertical. Se debe controlar el tiempo de mezclado mnimo
necesario para obtener una masa homognea, equilibrando con el mximo
rendimiento posible. Tambin es posible variar la velocidad de las
paletas de los ejes, as como su forma y disposicin. En una planta
continua el mezclador es un poco ms largo, los ridos entran por un
extremo y comienza un mezclado en seco, al que se le va inyectando
el betn mientras la mezcla se desplaza hacia el otro extremo, que
est abierto y por all se realiza la descarga mediante una compuerta
regulable. El tiempo de mezclado se regula por medio de la
compuerta de descarga, que permite variar la altura de la masa en
el mezclador, o variar la inclinacin o la velocidad de las paletas.
Dentro de las plantas continuas, existen las plantas llamadas
tambor-secadormezclador que se caracterizan por realizar las
funciones del secador y del mezclador en el mismo tambor. Son
sistemas ms sencillos, que consumen menos energa, pero necesitan ms
cuidados en el proceso de dosificacin en fro pues no existe
posibilidad de rectificacin. El sistema de alimentacin en fro est
constituido por tolvas con bandas amentadoras de alta precisin, que
registran la proporcin correcta de cada fraccin de rido. Comnmente
en la cinta transportadora se ubican dispositivos de muestreo para
poder calibrar el sistema.
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La calidad en la construccin de las mezclas bituminosas
La combinacin de ridos que pasa sobre la cinta es pesada
continuamente. Es importante conocer la humedad del rido que entra
al secador para realizar los ajustes en el medidor de ligante y
asegurar la dosificacin necesaria para el rido una vez seco. El
sistema de distribucin de ligante est conectado con el sistema de
pesado de los ridos. La cantidad de ligante de descarga es
aumentada o disminuida proporcionalmente de acuerdo a la correccin
de peso seco de rido. Los ridos ingresan al tambor por el mismo
extremo donde est el quemador, que es el ms elevado, y circulan a
favor de la corriente de aire. El ligante entra por la zona central
y en el extremo inferior se realiza el mezclado. La temperatura de
la mezcla se controla continuamente mediante un sensor colocado en
el extremo de descarga del mezclador. Tambin est provisto de
dispositivos para tomar muestras de la mezcla.
Descarga del mezclador A la salida del mezclador, y de acuerdo
al