UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPTO. INGENIERIA EN CONSTRUCCION
ASFALTOS ESPUMADOS “uso y aplicaciones” PROFESOR: I.C. Marcos Pardo Rojas INDICE
Introducción Origen e historia del asfalto espumado El asfalto espumado y sus propiedades Aplicaciones del asfalto espumado Confección de las mezclas con asfaltos espumados Diseño de mezcla de asfalto espumado Especificaciones básicas de los elementos que participan en una mezcla de asfalto espumado Consideraciones antes de realizar el reciclado Ejecución del reciclado con asfalto espumado Consideraciones después de realizar el reciclado Ventajas del asfalto espumado Uso a través de historia en diferentes países Conclusión
INTRODUCCIÓN Probablemente sea verdad decir que el asfalto espumado no es un invento. Cualquier asfalto caliente en contacto con el agua, formará espuma y su volumen aumentará rápidamente. Para muchos, esta situación no es deseada sin embargo existen se pueden dar importantes aplicación a este fenomeno. La técnica del asfalto espumado permite expandir el asfalto y producir mezclas asfálticas de un modo muy diferente a los sistemas tradicionales. La mezcla íntima que se produce entre asfalto y agregado es también diferente, pero sin embargo, este tipo de mezclas tiene un comportamiento estructural similar a una mezcla tradicional.
ORIGEN E HISTORIA DEL ASFALTO ESPUMADO En 1956, el Dr. Ladis H. Csanyi, profesor de la Estación Experimental de Ingeniería de la Universidad del Estado de Iowa, USA, vio la posibilidad de usar el asfalto espumado (o espuma de asfalto) en la estabilización de suelos.
Original consistió en inyectar vapor a alta presión, con temperatura y presión controladas, sobre un cemento asfáltico calentado. Esto requería un equipo especial en el lugar de trabajo, tal como una caldera, lo que no resultaba muy práctico. En 1968, Mobil oil Australia modificó el procedimiento original, agregando agua fría en lugar de vapor, en una corriente de asfalto caliente con un sistema de baja presión. Esto hizo el proceso mucho más práctico y económico. A pesar de ser una tecnología desarrollada hace más de 40 años, su uso se masificó sólo a partir del año 1991, al expirar en ese año los derechos sobre la patente de invención perteneciente a la compañía Mobil Australia.
EL ASFALTO ESPUMADO Y SUS PROPIEDADES El asfalto espumado (también conocido como asfalto celular), se logra mediante un proceso físico (No involucra ninguna reacción química), en el cual se inyecta una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2% del peso del asfalto) y aire comprimido a una masa de asfalto caliente (160º C - 180º C), dentro de una cámara de expansión (figura 1), generando espontáneamente espuma. El proceso de expansión se puede explicar de la siguiente manera: en el momento en que las gotas de agua fría toman contacto con el asfalto caliente, se produce un intercambio de energía entre el asfalto y las gotas de agua, lo que eleva la temperatura del agua hasta los 100ºC. Esta transferencia energética genera, en forma instantánea, vapor y una expansión explosiva del asfalto. Las burbujas de vapor son forzadas a introducirse en el asfalto dentro de la cámara de expansión. El asfalto, junto con el vapor de agua encapsulado, es liberado desde la cámara a través de una válvula (dispositivo rociador) y el vapor encapsulado se expande formando burbujas de asfalto contenidas por la tensión superficial de éste, hasta alcanzar un estado de equilibrio. Debido a la baja conductividad térmica del asfalto y del agua, las burbujas pueden mantener el equilibrio por pocos segundos (10-30 segundos). Este proceso ocurre para una gran cantidad de burbujas. A medida que la espuma se enfría a temperatura ambiente, el vapor en las burbujas se condensa causando el colapso y la desintegración de la espuma. La desintegración de la burbuja (o colapso de la espuma) produce miles de gotitas de asfalto, las cuales al unirse recuperan su volumen inicial sin alterar significativamente las propiedades reológicas originales del asfalto. El asfalto espumado se caracteriza en función de dos propiedades empíricas.
Razón de expansión (Ex): Es la razón entre el volumen de asfalto espumado y el volumen del asfalto original. La razón de expansión indica la trabajabilidad de la espuma, y su capacidad de cubrimiento y mezclado con los agregados. Vida media (T1/2): Es el tiempo, en segundos, que tarda el asfalto en reducir su volumen a la mitad del volumen expandido. La vida media es un indicador de la estabilidad de la espuma y entrega una idea del tiempo disponible para mezclar el asfalto espumado con los agregados antes de que colapse la espuma. La razón de expansión y vida media son propiedades que dependen de muchos factores, siendo los principales la temperatura del asfalto y la dosis de agua.
A mayores temperaturas de espumado y mayor cantidad de agua se incrementa la Razón de Expansión pero a su vez disminuye la Vida Media, sin embargo el mejor espumado es generalmente considerado como aquel que optimiza tanto la Razón de Expansión como la Vida Media. Para llevar a cabo dicha optimización es necesario graficar ambas propiedades en un mismo gráfico (Figura 4), para distintas cantidades de agua y temperaturas. En general no existen especificaciones estándar para optimizar estas propiedades, pero es recomendable aumentar levemente el valor óptimo de la Vida Media, a partir del punto de intersección, aún en desmedro de la Razón de Expansión. Las características de espumado (Razón de Expansión y Vida Media) no son medidas exactas, sino más bien órdenes de magnitud. En general se recomienda una Razón de Expansión entre 815, y al menos 15 segundos de Vida Media. En los asfalto espumados se reduce su viscosidad considerablemente y aumenta sus propiedades adherentes haciéndolo apto para mezclar con agregados fríos y húmedos. Para el ojo inexperto, el material estabilizado con espuma parece no contener ningún betún, pero cuando el material es compactado, la superficie se va sellando y obscureciendo.
APLICACIONES DEL ASFALTO ESPUMADO El asfalto espumado puede ser usado como un agente estabilizador con una variedad de materiales que van desde gravas chancadas, de buena calidad, hasta suelos marginales con plasticidad relativamente alta (Estabilización de suelos) y también en materiales asfálticos reciclados.
Reciclado en frío de pavimentos asfálticos: Consiste en la recuperación del material de un pavimento asfáltico existente, el cual es mezclado con asfalto espumado, adiciones (cemento o cal) y agregados nuevos (si es necesario) para formar una base asfáltica que será colocada en el mismo lugar o en otro distinto, teniendo como principal objetivo rehabilitar un pavimento asfáltico deteriorado, restituyendo o mejorando sus propiedades funcionales y estructurales. La recuperación puede ejecutarse mediante un equipo fresador capaz de disgregar el material o mediante métodos convencionales donde el proceso de disgregación ocurre con posterioridad a la recuperación. En general el material recuperado está formado no sólo por concreto asfáltico disgregado, sino también por agregados aportados por la base y subbase granular existente. Estabilización de suelos: Consiste en la estabilización de suelos de relativa baja plasticidad (IP<16) con asfalto espumado, en donde los suelos pueden provenir de la recuperación de áridos de un camino sin pavimentar o de nuevos pozos. Principalmente se emplean agregados recuperados cuya granulometría es mejorada por agregados nuevos (si es necesario), ya que uno de los objetivos de esta aplicación es obtener mezclas de bajo costo. El proceso de recuperación de los agregados es similar al descrito para el reciclado en frío de pavimentos asfálticos, además es posible ir mezclándolo (asfalto espumado) con cualquier terreno de un camino de tierra y producir, de inmediato, una mezcla de excelentes propiedades para eliminar perniciosas polvaredas y elevar el confort y velocidad de tránsito de los vehículos.
CONFECCION DE LAS MEZCLAS CON ASFALTOS ESPUMADOS Las mezclas con asfalto espumado para reciclado o estabilizado de suelos, pueden ser confeccionadas tanto en terreno como en una planta central.
La tecnología en sitio requiere de un equipo fresador-mezclador. Existen varios modelos y configuraciones para este tipo de equipos, pero en general todos poseen un tambor de fresadomezclado, en el cual el material es removido desde la superficie, triturado, mezclado con el asfalto espumado y extendido (figura 3). La inyección del asfalto espumado en el agregado se realiza simultáneamente a través de varias cámaras de expansión individuales. Dependiendo de los aditamentos del equipo de reciclado, la mezcla puede quedar acordonada, extendida o extendida y nivelada. En este último caso se puede prescindir de motoniveladora.
la tecnología en planta el material es fresado, retirado y transportado hasta una planta donde se incorpora el asfalto espumado y se homogeneiza la mezcla. Luego la mezcla se transporta hasta el frente de trabajo, donde es extendida por medio de motoniveladoras o, preferentemente con pavimentadoras (ya que no se requerirá de nivelación), para luego ser compactada. Los tipos de plantas utilizadas permiten su instalación en lugares inmediatos al frente de trabajo. Esto, permite reducir significativamente las distancias de transporte de materiales, además la tecnología en planta permite un mejor control de calidad de la mezcla mediante un control de su dosificación. Tanto en el reciclado en frío de pavimentos asfálticos, como en la estabilización de suelos se coloca sobre la base asfáltica una carpeta de rodado del tipo sello de agregados, lechada asfáltica o una carpeta asfáltica. En caminos de menor importancia, la colocación de la carpeta de rodado puede incluso no ser necesaria.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE MEZCLA DE ASFALTO ESPUMADO Para la producción de mezclas con asfalto espumado, el agregado debe ser incorporado mientras el asfalto se encuentre en estado de espuma. Al desintegrarse la burbuja en presencia del agregado, las gotitas de asfalto se aglutinan con las partículas más finas (especialmente con aquellas fracciones menores a 0.075 mm), produciendo una mezcla de asfalto agregado fino, proceso que se denomina dispersión del asfalto (figura 2). Esto resulta en una pasta de filler y asfalto que actúa como un mortero entre las partículas gruesas. En el caso de pavimentos asfálticos reciclados, el diseño de la mezcla se efectuará a través de la medida de la resistencia a la tensión indirecta, de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma de ensayo INV E-785, estableciéndose los siguientes parámetros para la preparación del espumado del asfalto: - Relación de expansión >=10 - Vida media (segundos) >= 10
Para la selección del óptimo contenido de de cemento asfáltico en la mezcla reciclada, se aplicarán los siguientes criterios: - Resistencia de probetas curadas en seco >= 2.5 kg/cm2 - Resistencia conservada tras curado húmedo>= 50 % En ambos casos, el porcentaje óptimo de ligante residual será aquel que, cumpliendo las exigencias indicadas, consiga el valor máximo de resistencia tras curado húmedo. Se pueden utilizar otros procedimientos para el diseño de las mezclas. En tal caso, los métodos de diseño y los criterios de selección del porcentaje óptimo de ligante deberán definirse en una especificación particular. La fórmula de trabajo establecida en el laboratorio se podrá ajustar con los resultados de las pruebas realizadas durante la fase de experimentación. Igualmente, si durante la ejecución de las obras varía la procedencia de alguno de los componentes de la mezcla, se requerirá el estudio de una nueva fórmula de trabajo.
ESPECIFICACIONES BASICAS DE LOS ELEMENTOS QUE PARTICIPAN EN UNA MEZCLA DE ASFALTO ESPUMADO Agregados pétreos Los agregados pétreos serán los resultantes de la pulverización mecánica de las capas de pavimento en el espesor indicado según el proyecto. TAMIZ Normal 37.5 mm 25.0 mm 19.0 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.00 mm 425 mm 75 mm
Alterno 1 1/2” 1” ¾” 3/8” No.4 No 10 No 40 No.200
PORCENTAJE QUE PASA 100 75-100 65-100 45-75 30-60 20-45 10-30 5-20
De no cumplirse con la granulometría es necesario agregar áridos vírgenes, es recomendable que el agregado de adición tenga características mineralógicas similares a las del agregado que se recicla, con el fin de evitar que el ligante tenga diferente adhesividad con cada uno de los componentes.
Materiales bituminosos Para los reciclados con cemento asfáltico espumado, el ligante será de penetración 80-100 dependiendo de la especificación.
Puzolanas Complementan la acción del ligante asfáltico, los más utilizados son el cemento Pórtland, la cal hidratada y las cenizas volantes, cuyas características se deberán establecer en las especificaciones. Agua El agua requerida para el humedecimiento previo de los agregados pétreos estará libre de material orgánica y de elementos químicos que dificulten el proceso de mezclado y el curado de la mezcla. Su pH, medido según norma ASTM D-1293, deberá estar entre cinco y medio y ocho (5.5 - 8.0) y su contenido de sulfatos, expresado como SO4=, no deberá ser mayor de un gramo por litro (1 g/l). El contenido de sulfatos se determinará de acuerdo con la norma ASTM D-516. Equipo El equipo deberá contar con elementos para la explotación, cargues, transportes, trituración y clasificación de los eventuales agregados pétreos de adición para la corrección granulométrica; para la extracción de agua; para el almacenamiento, transporte y distribución del agua y del ligante asfáltico; para la disgregación del pavimento existente y la mezcla adecuada de todos los ingredientes; así como para la compactación y conformación de la capa reciclada. La máquina recicladora deberá tener la posibilidad de introducir los aditivos líquidos de manera uniforme y precisa. Deberá, además, estar equipada con un tacómetro acoplado al control de la bomba de caudal variable, que asegure que el ligante sólo es adicionado cuando la máquina está en marcha. El sistema de medida debe incluir un totalizador que permita conocer la cantidad de producto bituminoso que se está utilizando en cualquier período y un medidor de caudal que indique la rata instantánea de flujo durante la operación de mezclado. Un microprocesador, equipado a bordo con un palpador estándar, controla el flujo del asfalto expandido, sincronizado con el avance de la máquina y la profundidad del corte, cumplimentando las especificaciones del proyecto de la mezcla.
CONSIDERACIONES ANTES DE REALIZAR EL RECICLADO. Los espesores de la escarificación dependen principalmente del grosor del pavimento existente o del espesor de la estabilización requerida. -
Con antelación a la disgregación del pavimento se deberá efectuar los bacheos en las zonas que sea necesario, las cuales deberán corresponder a fallas de origen profundo que requieran corrección previa, con el fin de evitar deficiencias en el soporte de la capa reciclada. Las excavaciones deberán rellenarse con material de base granular hasta el nivel de la rasante existente, colocándolo y compactándolo en espesores que permitan obtener las densidades exigidas para dicho material.
-Inmediatamente antes de proceder a la pulverización del pavimento, se deberá barrer y/o soplar la superficie por tratar.
-La operación de disgregación deberá ser completada antes de proceder a la adición y mezcla de nuevos materiales. -Todo sobretamaño que no haya sido reducido durante el proceso, será retirado. -La aplicación de los aditivos puzolánicos deberá comenzar inmediatamente después de la pulverización del pavimento y su eventual mezcla con el agregado virgen y antes de incorporar el agua y el ligante asfáltico. -Las operaciones de mezcla se deben realizar en segmentos completos. Cada segmento deberá ser mezclado y compactado en la misma jornada de trabajo. -No se permitirán trabajos de reciclado en frío cuando la temperatura ambiente a la sombra sea inferior a cinco grados Celsius (5oC)
EJECUCION DEL RECICLADO CON ASFALTO ESPUMADO Durante el proceso de pulverizado se agrega asfalto espumado mediante un sistema de válvulas, más el agua necesaria para la compactación. El material reciclado queda detrás de la recicladora a medida que ésta avanza, para su posterior compactación y perfilado con maquinaria tradicional. Durante la estabilización, el material es mezclado en sitio y la inyección del asfalto espumado se hace directamente en la cámara de mezclado. El espesor de la estabilización depende del proyecto, pero debe mencionarse que es posible alcanzar espesores de hasta 300 mm, dado que prácticamente no existe curado. Extendida la mezcla, se procederá a su compactación en el instante y con el equipo y procedimiento aprobados durante la fase de experimentación, hasta lograr los niveles de compactación exigidos. Se aplicarán riegos de agua durante el proceso de compactación para compensar las pérdidas por evaporación y cerrar la textura de la capa. De ser preciso, se efectuará un perfilado final con motoniveladora, con el fin de obtener una pendiente transversal adecuada para el drenaje del agua superficial. El tiempo de curado deberá ser el suficiente para que el contenido de humedad del material reciclado y compactado sea inferior a uno por ciento (1%). cinco (5) días cuando se utilice cemento asfáltico espumado, dependiendo de las condiciones climáticas. Durante dicho lapso, el Constructor aplicará los riegos de protección que le solicite el Interventor, para prevenir el deterioro de la capa reciclada por la acción de las aguas superficiales y del tránsito
CONSIDERACIONES DESPUES DE REALIZAR EL RECICLADO Si la mezcla requiere aireación previa a la compactación, ella se realizará hasta que la mezcla alcance la humedad apropiada.
Si alguna sección de pavimento pulverizado debe ser abierta temporalmente al tránsito, deberá ser previamente compactada y conformada a satisfactoriamente y aplicar el tratamiento especificado según el caso. Terminada la compactación, la capa podrá abrirse al tránsito, limitando la velocidad de los vehículos a treinta kilómetros por hora (30 km/h) durante las primeras cuarenta y ocho (48) horas.
VENTAJAS DEL ASFALTO ESPUMADO -La principal ventaja del asfalto espumado en comparación con los métodos tradicionales de mezclado en caliente, son del tipo energético. Se han medido ahorros de energía de más de 80% sobre los métodos tradicionales, en tramos experimentales con asfalto espumado (para soluciones estructuralmente equivalentes). La principal ventaja del asfalto espumado con respecto a las emulsiones asfálticas son del tipo técnico - económico. Menores costos de manufactura y de transporte. -El tiempo de proceso (colocación - compactación - apertura al tráfico) es sensiblemente menor para el material tratado con asfalto espumado, permanece trabajable por mayores períodos de tiempo y, además, puede ser usado en condiciones climáticas adversas (clima lluvioso). -Admite mayor tolerancia en la especificación de agregados y los procesos constructivos pueden ser de muy alto rendimiento. -
Ventajas ambientales, económicas y de calidad.
-Curado rápido esto implica puesta en marcha en tiempos cortos. -Reutiliza los recursos de agregado existentes que se han adquirido. -El sistema permite aminorar en un 40% la polución de faena, logrando un costo por kilómetro que resulta entre un 30% y un 40% más económico que el del pavimento tradicional, con una duración similar a la de éste. - Genera una superficie nueva, con características similares o mejores a la de un pavimento asfáltico tradicional. -
De acuerdo con las características del equipo de reciclado y del material del pavimento existente sometido al tratamiento, las operaciones de disgregación, adiciones y mezclas pueden ser ejecutadas con una sola pasada de la máquina recicladora.
-Presenta superficies específicas alta cubriendo de mejor forma los agregados.
USOS A TRAVES DEL TIEMPO EN DIFERENTES PAISES 1).-El primer informe sobre el uso del asfalto espumado es de 1957 en un camino de Iowa. Varias otras aplicaciones de campo incluyeron proyectos en Arizona (1960) y en Nipawin, Canadá (1960-62). 2).-Ministerio de Obras Públicas de Chile (MOP), con el apoyo de la Dirección de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de la Pontificia Universidad Católica de Chile (DICTUC), decidió construir el primer proyecto aplicando esta tecnología en Chile en 28 kilómetros de la carretera Panamericana Norte, al sur de la ciudad de Copiapó, III Región de Chile. La zona es árida, con escaso régimen de lluvias. El camino presentaba un tráfico relativamente bajo, con un Tránsito Medio Diario Anual (TMDA) inferior a los 2000 vehículos por día, pero con una presencia de vehículos pesados (camiones de más de 2 ejes) superior al 50%.
Aplicación de la técnica en Chile Principales características del camino antes de la rehabilitación: • •
• • • •
Construido con técnicas antiguas (más de 30 años). Pavimento construido con agregados naturales de la zona, compuesto por una carpeta asfáltica de 70 mm, más una capa granular de 350 mm. Además, presenta intervenciones del tipo lechada asfáltica aplicada en todo el tramo. Subrasante con material bien graduado y no cohesivo con buena capacidad de soporte (Mr de diseño = 100 - 170 MPa) según estudio de deflectometria de impacto. Pavimento con avanzado estado de envejecimiento y deterioro superficial (grietas transversales, longitudinales, fallas en bloque y sectores con fallas tipo piel de cocodrilo). Pendiente transversal de 1,0% en la mayoría de los sectores. El estado y características del pavimento, hicieron que se eligiera este proyecto para aplicar la técnica del reciclado con asfalto espumado in-situ como solución de rehabilitación estructural.
Soluciones • Fueron diseñadas para resistir entre 10 a 12 millones de Ejes Equivalentes de 80 KN. Para la rehabilitación de pavimentos, que se adoptó en el 85% del proyecto, la solución consistió en la capa reciclada y estabilizada con asfalto espumado, más una capa delgada de concreto asfáltico en caliente. Para el 15% restante del proyecto, se contempló la construcción de dos tipos de pistas de adelantamiento: • Carpeta de rodado / Base asfáltica tradicional / Base estabilizada con asfalto espumado • Carpeta de rodado / Base asfáltica tradicional / Base granular • Para el diseño de mezclas, se utilizó una máquina de asfalto espumado de laboratorio, capaz de reproducir las condiciones de producción de la espuma en terreno. Resultados Las conclusiones apuntan a que el éxito en las futuras aplicaciones de esta tecnología depende básicamente de tres aspectos: planificación, logística y conocimiento de la técnica del reciclado en frío in-situ con asfalto espumado.
Considerando los diversos procesos, se aprecian importantes resultados: • • • •
•
• • •
Desde el punto de vista constructivo, se demostró que es posible aplicar en Chile con éxito una nueva tecnología de rehabilitación de pavimentos asfálticos deteriorados. La solución estructural propuesta con esta técnica está diseñada para resistir entre 10 y 12 millones de Ejes Equivalentes. La mezcla reciclada presenta un bajo contenido óptimo de asfalto (2,2%) y un bajo contenido de cemento (1,0%). De acuerdo a los rendimientos presentados, el proceso constructivo es de rápida ejecución, logrando fácilmente un rendimiento de 1.000 metros de avance diario a calzada completa de 7,0 metros de ancho. Se reciclaron casi 6 kilómetros en pistas de adelantamiento (3,5 metros de ancho), con el tránsito vehicular a un costado de la máquina (de forma muy similar al trabajo en media calzada). En futuros proyectos, será posible aplicar el proceso en media calzada, sin construir desvíos que producen impacto al usuario que transita por la carretera. La base reciclada terminada puede ser abierta al tránsito sin protección superficial, pero por un tiempo limitado y con una serie de restricciones. El proceso constructivo se mejoró a medida que el equipo de trabajo fue adquiriendo experiencia en el manejo del material reciclado. En general no existieron problemas de compactación.
Si algunos sectores reciclados no logran los valores exigidos en el control, deberían reciclarse nuevamente. 3).-En Malasia se realizó una experiencia sobre reciclado en frío teniendo presente las características de los materiales locales y el clima. Se ejecutó en una sección de camino asfáltico en malas condiciones, de 1,5 Km de longitud dividido en 6 tramos experimentales (250m c/u) usando diferentes tipos de mezclas frías (noviembre-diciembre 1999). 4).-Una
concesionaria de Brasil, Caminos del Paraná, ha desarrollado el primer trabajo con asfalto espumado en la rehabilitación, mediante reciclado, de una sección de 55 Km en la ruta BR 227 en el Estado de Paraná (Julio – Agosto 1998). 5).-El rango de temperatura en la Rusia siberiana es de –30ºC en invierno a +30ºC en verano, con ciclos de helado-deshelado que tienen efectos devastadores en los caminos produciendo grietas y baches en las capas asfálticas, que requieren una constante atención. Se necesita mucho trabajo de reciclado El empleo de este asfalto como ligante fue especificado por su habilidad para soportar los ciclos de helado y deshelado (noviembre-diciembre 1999) 6).-En Nigeria, con un régimen de lluvia anual de 3000 a 4000 mm, se sustituyó un proyecto de reconstrucción de pavimento en la Autopista Enugu-Port Harcourt con mezcla asfáltica caliente, por un reciclado frío en sitio utilizando asfalto espumado (noviembre-diciembre 1999).
7).-El trabajo superficial en un camino rural de unos 45 Km fuera de la capital de Noruega, Oslo, es una tarea de mantenimiento rutinario, con una diferencia: un nuevo tipo de superficie asfáltica. El producto, conocido como WAM-Foam (mezcla asfáltica templada o tibia, hecha con un asfalto espumado) ofrece beneficios económicos y ambientales sin sacrificar la calidad del material terminado. Es un desarrollo de Shell y KoloVeidekke, de Noruega (noviembre-diciembre 2000)
8).-Experiencias con el uso de asfalto expandido en el Ecuador (X CIILA, España - Tomo II, 1999). M. Peñe Unda - Revelo Bastidas. Se trata de un reciclado en frío empleando asfalto expandido (espumado) en la pavimentación de calles en Quito (Ecuador) con equipo Wirtgen 2500 Actualmente se utiliza en Japón, Alemania, Inglaterra, África, México, Australia y Estados Unidos. Nuevos productos con asfalto espumado: Shell ha introducido dos novedosos productos de gran futuro: "WAM-Foam" (Warm Asphalt Mix hecho con asfalto espumado) y ACTIVE ASPHALT, un eliminador de polvo (dust eating) desarrollados ambos con el contratista KoloVeidekke de Oslo, Noruega.
WAM-Foam: es una mezcla asfáltica "templada" o "tibia" que se ubicaría entre las mezclas calientes y las frías. Producida en planta a temperaturas entre 100-120ºC sin perder calidad, se compacta entre 80-90ºC. Además de la menor energía para calentar estas mezclas (y así economizar costos) se provoca menos emisiones de gases nocivos. En las WAM-Foam se suele usar dos asfaltos separados incorporando primero a los agregados un asfalto "blando" con temperatura de mezclado 100120ºC y posteriormente un asfalto "duro" inyectado con agua para producir una espuma de asfalto que puede mezclarse a menor temperatura. Un avance importante en el proceso fue hecho por KoloVeidekke introduciendo el componente "duro" en forma de un asfalto espumado.
Asfalto activo: producido por APP (Applied Plasma Physics), de Noruega, con la colaboración de Shell, es un material que atrapa electrostáticamente partículas materiales suspendidas (SPM – suspended particulate matter), o sea polvo en el aire, tales como partículas del escape de los vehículos. La superficie de un pavimento asfáltico tiene normalmente carga electrostática positiva debido a la fricción de los neumáticos. Por lo tanto, SPM cargadas positivamente permanecen en suspensión en el aire sobre el pavimento, más que asentadas en la superficie del mismo por acción de la gravedad.
El Asfalto Activo remueve la carga electrostática positiva del pavimento y atrae a las SPM suspendidas en el aire. El principio usado por Shell-APP consiste en modificar las propiedades de la superficie, eliminando la repulsión electrostática entre la misma y las partículas ionizadas en el aire.
CONCLUSIONES Las aplicaciones del asfalto espumado, se han transformado, en una excelente alternativa para la conservación de pavimentos asfálticos (reciclado) y construcción de caminos económicos (estabilización de caminos sin pavimentar), debido principalmente a su buen comportamiento, facilidad de construcción, compatibilidad con un amplio rango de tipos de agregados y ventajas energéticas, además el éxito que la transferencia de esta tecnología ha tenido en distintos países (incluidos algunos sudamericanos), permite visualizar el potencial que la aplicación de esta técnica tendrá en Chile, especialmente desde el punto de vista de la optimización de las inversiones en conservación y mantención.
ANEXO
DISEÑO DE MEZCLAS DE AGREGADOS CON CEMENTO ASFÁLTICO ESPUMADO INV E – 785 1. DESCRIPCION Esta norma describe el procedimiento para la preparación de cemento asfáltico 1.1 espumado y para el diseño de mezclas de agregados pétreos con cemento asfáltico espumado, a partir de la elaboración de probetas cilíndricas de mezcla, a las cuales se les determina su resistencia a la tensión indirecta. 2. 2. APARATOS 2.1 Planta portátil de laboratorio, capaz de producir asfalto espumado a razón de 50 a 200 gramos por segundo (50 g/s – 200 g/s). El método de producción debe simular de manera muy aproximada el de producción a escala industrial. La planta debe tener un recipiente termostáticamente controlado, capaz de contener una masa de diez kilogramos (10 kg) de asfalto a una temperatura entre 150° C y 205° C, con un margen de ± 5° C. Debe poseer, además, un dispositivo para el suministro de aire comprimido de baja presión de 0 – 500 kPa, con una precisión de ± 25 kPa. También, debe disponer de un sistema para la adición de agua fría al asfalto caliente, variable de 0% a 4% por masa, con una precisión de ± 0.2%. Su diseño debe permitir la descarga directa de la espuma elaborada en el tazón de mezcla de un mezclador de laboratorio accionado por electricidad, con una capacidad de cuando menos 10 kg. Moldes de compactación Marshall de 101.6 ± 0.5 mm de diámetro y 87.3 ± 1 mm de 2.2 altura, con placa de base y collar de extensión. La placa de base y el collar de extensión deberán ser intercambiables, es decir, ajustables en cualquiera de los dos extremos del molde. Extractor de probetas. Elemento de acero en forma de disco, con diámetro de 100 mm y 2.3 12.7 mm de espesor, utilizado para extraer la probeta compactada del molde, con ayuda del collar de extensión. Martillo de compactación. Consiste en un dispositivo de acero formado por una base 2.4 plana circular de 98.5 ± 0.5 mm diámetro y un pisón deslizante de 4536 ± 5 gramos, con una caída libre de 457 ± 3 mm. El martillo de compactación debe estar equipado con un protector de dedos. El empleo de un martillo mecánico es opcional. Pedestal de compactación. Consisten en una pieza prismática de madera, de base 2.5 cuadrada de 203 mm de lado y 457 mm de altura, provista en su cara superior de una platina cuadrada de acero de 305 mm de lado y 25.4 mm de espesor, firmemente sujeta a la misma. La madera será roble u otra clase cuya densidad seca sea de 670 a 770 kg/m3. El conjunto debe fijarse firmemente a una base de concreto debiendo quedar la platina de acero en posición completamente horizontal.
2.6 Soporte para molde. Dispositivo con resorte de tensión, diseñado para centrar rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal. Deberá, además, mantener el molde en su posición durante el proceso de compactación de la mezcla. Balanza de 5 kg de capacidad, con precisión de 1 gramo. 2.7 Espátula con una cuchilla de aproximadamente 150 mm de longitud. 2.8 Prensa con capacidad mínima de carga de 20 kN con una velocidad uniforme de 2.9 desplazamiento de 50.8 mm por minuto, provista de un medidor de carga de cuando menos 15 kN con una precisión de 0.1 kN. 2.10 Recinto termostático capaz de mantener una temperatura e 25 ± 1° C. 2.11 Dos bandas de apoyo, de acero endurecido, de 13 ± 0.1 mm de ancho y 70 mm de longitud, con una superficie cóncava con radio de curvatura de 51 ± 1 mm. Los bordes de la superficie de carga deben ser ligeramente redondeados. Las bandas de apoyo deben montarse en un marco de diseño apropiado, que permita su correcta alineación sobre los especímenes de prueba. 2.12 Placa de transferencia de carga, circular o cuadrada, que permita transferir la carga de la máquina de compresión a las bandas de apoyo sin deformación. Sus dimensiones deben ser tales, que cubran al menos la longitud de la probeta. 2.13 Calibradores para medir la longitud y el diámetro de las probetas, con aproximación a los 0.5 mm más cercanos. 2.14 Grasa de silicona o aceite 2.15 Desecador de vacío u otro recipiente apropiado y una bomba de vacío capaz de reducir la presión a menos de 50 mm de mercurio, conectada a un manómetro. 2.16 Termómetro con un rango de 0 a 50° C. 3. OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO ESPUMADO El objetivo es determinar el porcentaje de agua que optimiza las propiedades de espumado 3.1 de un determinado asfalto, maximizando la relación de expansión y la vida media del asfalto espumado. Para ello, se calibran las ratas de flujo de asfalto y agua. La primera se regula a razón de 100 gramos por segundo. La presión de aire se ajusta a 100 kPa. Se mantiene el asfalto a una temperatura entre 180 y 200°C durante 15 minutos, antes de comenzar la producción de espuma. Se requieren cinco (5) muestras de asfalto espumado para producir espuma con contenidos de agua entre 1% y 3%, en incrementos de 0.5%. 3.2 Para cada muestra, se permite que la espuma descargue durante 5 segundos en un tambor de acero de 20 litros. Se señala con un marcador el máximo volumen al cual se expande la espuma. Usando un cronómetro, se mide el tiempo en segundos que tarda la espuma en reducir su volumen a la mitad, el cual se define como vida media. Se calcula la relación de expansión del asfalto espumado, dividiendo el volumen máximo de la espuma por el volumen de asfalto en el tambor luego de que la espuma se ha disipado totalmente, pero nunca antes de 60 segundos. Se dibuja una gráfica de relación de expansión y vida media contra el contenido de agua para todas las muestras, en el mismo juego de ejes, lo que permite optimizar el contenido de humedad.
3. 4. PREPARACIÓN DE LOS AGREGADOS PÉTREOS 4.1 Se determina la granulometría y la plasticidad de los agregados pétreos. En algunos casos, la mezcla de dos o más agregados puede ser necesaria para satisfacer el requisito granulométrico de
la especificación. Se debe realizar un pretratamiento con cal, si el producto plástico (IP * %pasa tamiz de 75 μm) es mayor de 72. 4.2 Se realiza un ensayo modificado de compactación (INV E – 142), para obtener el contenido óptimo de humedad del agregado. 4.3Se seca la muestra de agregado a masa constante a 105°C. En el caso de materiales recuperados de un pavimento existente, el secado se debe realizar a la menor temperatura que prevenga a las partículas de adherirse unas a otras. El contenido de ligante de los materiales bituminosos recuperados debe ser determinado en este momento. Una vez seca, la muestra debe ser cuarteada y dividida en porciones de 10 kg cada una.
4. 5. TRATAMIENTO DE LOS AGREGADOS CON ASFALTO ESPUMADO 5.2Para el diseño de la mezcla, se deben preparar 5 porciones de 10 kilogramos cada una, con contenidos de asfalto variables, en incrementos de 1 %. La planta portátil de laboratorio se ajusta para producir el asfalto espumado con propiedades óptimas, como se determinó en la sección 2 de esta norma. Si se requiere, se agrega un aditivo mejorador de adherencia para incrementar la adhesión del asfalto al agregado, Cada porción de 10 kg se mezcla de acuerdo con el siguiente procedimiento: 5.3 Se coloca la bachada entera en el recipiente de mezcla. Se añade suficiente agua, de manera que el contenido de humedad más el contenido de ligante añadido sean iguales al contenido óptimo de humedad determinado en el ensayo modificado de compactación. El mezclador mecánico debe ser colocado de manera que la espuma sea descargada directamente al recipiente de mezcla. Los agregados y el agua se mezclan durante un minuto. Posteriormente, sin parar el mezclador, se descarga la masa requerida de asfalto espumado en el recipiente de mezcla y se continúa el proceso de mezclado durante los siguientes 30 segundos. Se transfiere el agregado tratado con el asfalto espumado a un contenedor sellado. Se repite el procedimiento hasta obtener cinco (5) muestras tratadas con diferentes contenidos de asfalto. Estas muestras se encuentran listas para la ejecución del ensayo. 5. 6. CONTENIDOS DE HUMEDAD Y DE ASFALTO 6.1Se toman muestras de cada bachada por duplicado, para verificar los contenidos de agua y de asfalto. Se seca cada muestra hasta masa constante a una temperatura de 105 – 110°C, para determinar su humedad. Posteriormente, se realiza una extracción para determinar el contenido de asfalto. 6. 7. COMPACTACIÓN DE LOS ESPECÍMENES DE ASFALTO ESPUMADO Se limpia el molde, el collar, la placa de base y la base del martillo de compactación. Se 7.1 coloca un papel de filtro en el fondo del molde. Se pesa una cantidad suficiente de material para que la probeta compactada tenga una altura de 63.6 ± 1.5 mm (usualmente 1150 gramos son suficientes). Se golpea la muestra con la espátula 15 veces por su perímetro y 10 veces en su parte interior, de manera que la superficie quede ligeramente redondeada. 7.2 Se compacta la mezcla aplicando 75 golpes del martillo, desde la altura libre establecida. Se remueven el molde y el collar del pedestal, se invierte aquel y se coloca firmemente
sobre la placa de base, se ajusta de nuevo el collar y se aplican otros 75 golpes a la nueva superficie superior de la muestra.
7. 8. CURADO Terminada la compactación, se remueve el molde de la placa de base y se permite el 8.1 curado de la probeta compactada durante 24 horas dentro de él a temperatura ambiente. Se extrae la probeta compactada del molde con ayuda de un gato de extrusión u otro 8.2 dispositivo adecuado.
8. 9. DETERMINACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO APARENTE DE LAS PROBETAS COMPACTADAS Se determina el peso específico aparente de cada probeta luego de su enfriamiento a 9.1 temperatura ambiente, de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma de ensayo INV E733. Se deben excluir de los ensayos posteriores aquellas probetas cuyo peso específico difiera en más de 30 kg/m3 del peso específico promedio del grupo al cual pertenecen.
9. 10. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN INDIRECTA 10.1La prueba de resistencia a la tensión indirecta se usa para ensayar probetas de mezcla con asfalto espumado compactadas y curadas bajo condiciones seca y húmeda. La resistencia a la tensión indirecta se determina midiendo la carga última de falla de una probeta sometida a una rata de deformación constante de 50.8 mm/minuto sobre su eje diametral. 10.2 Las probetas se dejan en reposo a temperatura ambiente durante una noche, antes de ser ensayadas. A continuación, se mide la altura de cada una en cuatro puntos uniformemente espaciados y se calcula su altura promedio en metros (L). Igualmente, se mide su diámetro en metros (D). 10.3Se colocan las probetas en la cámara termostática a una temperatura de 25 ± 1°C durante un período comprendido entre una y dos horas (1h – 2 h). 10.4 Se retira una probeta de la cámara y se coloca en el dispositivo de carga. La posición de la muestra debe ser tal, que las bandas de apoyo estén paralelas y centradas sobre el plano vertical diametral. Se coloca entonces la placa de transferencia sobre la banda superior y se acomoda el conjunto de manera que quede centrado bajo el pistón de carga de la máquina de compresión. 10.5 Se aplica carga a la probeta sin impactos a una velocidad de avance de 50.8 mm/minuto hasta alcanzar la máxima carga, registrando esta última (P) con precisión de 0.1 kN. 10.6 Con el fin de determinar la resistencia a la tensión indirecta de probetas saturadas, se colocan los especímenes curados en un desecador de vacío donde se cubren con agua a 25 ± 1° C. Se aplica un vacío de 50 mm de mercurio durante 60 ± 1 minutos, contando el tiempo desde el instante en que se ha alcanzado el vacío total. Se remueve la muestra, se seca su superficie y se determina su resistencia a la tensión indirecta mediante el procedimiento descrito con anterioridad.
10.7 La resistencia a la tensión indirecta de cada probeta se calcula con la siguiente expresión, debiendo redondearse el resultado al entero de kilopasacal más cercano: RTI =
2P
π LD
Siendo: RTI = resistencia a la tensión indirecta (kPa) P = máxima carga aplicada (kN) L = altura de la probeta (m) D = diámetro de la probeta (m)
10. 11. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LIGANTE DE DISEÑO 11.1 Para todas las muestras (tanto las ensayadas en seco como bajo saturación), se dibuja una gráfica que represente el contenido de ligante (abscisas) contra la resistencia a la tensión indirecta (ordenadas), en el mismo juego de ejes. 11.2 El contenido de ligante para el cual alcanzan la máxima resistencia a la tensión las probetas ensayadas bajo saturación es el contenido de ligante óptimo de la mezcla con asfalto espumado. 11.3 Se determina si esta resistencia y la correspondiente en seco para el mismo contenido de ligante satisfacen las especificaciones. Si no lo hacen, se deberá diseñar una nueva mezcla.
