caracterizacion del asfalto recuperado de una carpeta

caracterizacion del asfalto recuperado de una carpeta

CARACTERIZACION DEL ASFALTO RECUPERADO DE
UNA CARPETA EN SERVICIO PARA LA EVALUACION DEL PAVIMENTO
Autor
Pablo del Águila Rodríguez
Consultor en Suelos y Pavimentos
RESUMEN
Este trabajo presenta los resultados obtenidos en la caracterización físico-química del
asfalto recuperado de una carpeta asfáltica , como parte de la evaluación de un pavimento
en servicio, con la finalidad de establecer el grado de envejecimiento (oxidación) del material
y, en base a ello discernir sobre los trabajos de mantenimiento aplicables para el caso.
Para el estudio del ligante se procedió a la recuperación del mismo mediante el método
Abson (ASTM D 1856), de muestras de carpeta obtenidas in-situ. Se realizaron ensayos
físicos de penetración, viscosidad y ductilidad con el material obtenido, y luego se procedió a
la determinación de las fracciones de saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos, mediante
el método TLC-FID (Thin Layer Chromatography-Flame Ionization Detector) haciendo uso
de un cromatógrafo IATROSCANTM.
Por otro lado, se establecieron los criterios de evaluación, tanto para los parámetros físicos
como para las fracciones del hidrocarburo, correlacionando los resultados con los
correspondientes a un asfalto virgen y, a su vez, con el grado de falla o deterioro de la capa
asfáltica del pavimento evaluado.
1.0
INTRODUCCION
La metodología convencional utilizada en el Perú para la evaluación de un pavimento
en servicio, incluye la ejecución de ensayos de rugosidad, ensayos de deflexiones
con Viga Benkelman, inventario de fallas y estudio de los materiales del pavimento
mediante la ejecución de calicatas y ensayos de laboratorio.
Normalmente, cuando se estudia un pavimento que requiere algún tipo de
tratamiento de mantenimiento o rehabilitación, no se suele profundizar en el estudio
de los materiales de la carpeta asfáltica. Generalmente la caracterización de la
mezcla suele incluir únicamente la determinación de las propiedades físicas:
densidad, contenido de asfalto, granulometría de los agregados, etc. Ocasionalmente
suelen efectuarse ensayos de extracción de bitumen de la carpeta y complementar
los ensayos físicos (penetración, ductilidad, peso específico).
Debido a que muchas veces los pavimentos asfálticos fallan por las características
intrínsecas del ligante asfaltico, se hace necesario, si es que se desea llegar a una
solución racional para el tratamiento del pavimento, la completa caracterización del
material incluyendo la determinación de las propiedades químicas.
El caso presentado corresponde a un pavimento comprendido en un tramo de la Ruta
1-N de la red vial nacional, de aproximadamente 104 km de longitud, con una
antigüedad de aproximadamente 7 años desde la última rehabilitación ejecutada.
Este tramo se estudió a fin de determinar los trabajos necesarios como parte de un
programa de mantenimiento periódico. En los estudios se encontró que el pavimento
demostraba un buen comportamiento funcional-estructural, a pesar del intenso
desgaste y fisuramiento que presentaba la carpeta asfáltica, característica que
1
comprometía cualquier solución de tipo superficial que se quisiese aplicar, por la
probabilidad de propagación del fisuramiento y aceleración de la degradación de la
capa. Los estudios de caracterización física indicaron que el ligante presentaba un
estado de envejecimiento severo, incompatible con la edad de la estructura y las
condiciones medioambientales benignas de la zona proyecto.
2.0
ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO
La estructura del pavimento estudiado se presenta en la Figura 1, en donde se
observa que el tramo se subdividió a su vez en 3 secciones de espesores diferentes:
SECCIONES DE PAVIMENTO
(en cm)
3.0
SECCION
CARPETA
BASE+SUB
BASE
ESPESOR
TOTAL
1
6.0
28.0
34.0
2
20.0
24.0
44.0
3
8.0
30.0
38.0
INVENTARIO DE FALLAS
La Figura 2 presenta las fallas encontradas en el pavimento estudiado, las que fueron
predominantemente fisuramientos del tipo “piel de cocodrilo”, “en bloque”,
“longitudinales” y “transversales”. Las fisuras se presentaban prácticamente a lo largo
de todo el tramo, afectando en algunos lugares hasta un 30% del área total del
pavimento. Si se considera que el límite recomendado para rehabilitar un pavimento
es un 10% de fisuramiento conjunto, los valores encontrados indicaron un grado de
deterioro bastante alto. Como conclusión resaltante, se constató la no existencia de
2
fallas del tipo ”deformaciones”, que pudiesen indicar la fatiga de las capas granulares
y/o colapso de los suelos.
3
4.0
EVALUACION FUNCIONAL DEL PAVIMENTO
La rugosidad medida de la superficie del pavimento fue en promedio igual a 1.47
m/km, mientras que la rugosidad característica resultó en 2.34 m/km (Ver Figura 3).
El valor del Índice de Servicio Actual (PSI) correspondiente fue igual a 3.85. Estos
valores indicaron que el pavimento presentaba una condición funcional bastante
aceptable, correspondiendo a ellos una calificación de la transitabilidad igual a
BUENA. Estas conclusiones no hicieron sino confirmar el principio conocido que el
estado de fisuramiento de la superficie de un pavimento no incide sobre la rugosidad
tanto como las deformaciones y desintegraciones (hundimientos, ondulaciones,
peladuras, baches, etc.).
5.0
EVALUACION ESTRUCTURAL
Para la evaluación estructural del pavimento se procedió con la ejecución de ensayos
para la medición de “curvas de deflexiones”, empleando un deflectómetro tipo Viga
Benkelman, determinando además de la magnitud de la máxima deformación elástica
recuperable, las correspondientes a 25, 30, 40 y 50 cm de distancia del punto inicial
de aplicación de carga. Los valores determinados fueron analizados mediante una
metodología empírica y otra racional.
En general se obtuvo que los valores de la deflexión máxima para todo el tramo eran
bastante bajos, en promedio igual a 26.1 x 10-2 mm, con una desviación standard de
10.3 x 10-2 mm y un coeficiente de variación igual a 39.7%. El valor máximo
alcanzado por la deflexión máxima fue 97.2 x 10-2 mm y el valor mínimo 5.9 x 10-2
mm. Estos resultados indicaban la existencia de un buen suelo de fundación, y una
buena capacidad de soportar cargas.
Los resultados del análisis empírico indicaron que la deflexión característica
promedio, del pavimento del tramo analizado, era igual a 43.1 x 10-2 mm,
correspondiendo a esta un tráfico admisible de 50.7 x 107 ejes equivalentes. El Radio
de Curvatura promedio del tramo fue igual a 674 m, con una desviación promedio
igual a 593 m y un coeficiente de variación igual a 88%. Estos resultados indicaban
que la expectativa estructural del pavimento, basada en la resistencia del suelo, era
adecuada.
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Para la aplicación de la metodología de análisis racional, utilizando la teoría de los
modelos bicapa de Hogg y Burmister, se subdividió el tramo en secciones
homogéneas tomando en consideración el valor de la deflexión máxima y el espesor
del pavimento. Los resultados obtenidos se presentan en el Cuadro 1.
Los valores obtenidos para los parámetros de evaluación elásticos son, en general,
consistentes con el tipo de estructura, los espesores de la carpeta asfáltica, la
calidad del suelo de fundación y el estado de fisuramiento de la superficie de
rodadura. En general estos resultados denotan un comportamiento estructural
aceptable, pero con un aporte estructural bastante disminuido, lo que podría
explicarse por el estado de fisuramiento de la carpeta, entre otras razones.
6.0
ESTUDIO DE LOS MATERIALES DEL PAVIMENTO
Los estudios de evaluación realizados hasta esta fase del trabajo no explicaron de
por si las causas del fisuramiento encontrado en la carpeta asfáltica. De hecho, los
5
resultados del inventario de fallas (ausencia de deformaciones), medición de la
rugosidad y la medición de deflexiones, indicaban mas bien una estructura suelopavimento bastante resistente y poco susceptible a la fatiga. Se planteó entonces la
hipótesis de una carpeta asfáltica conformada por materiales de baja calidad, y en
particular un cemento asfáltico con propiedades limitadas.
Para llevar a cabo el programa de estudio de los materiales del pavimento, se
excavaron calicatas hasta llegar al nivel del suelo de subrasante, se extrajeron
muestras de las diversas capas del pavimento, incluyendo muestras disturbadas de
la carpeta asfáltica y núcleos diamantinos para la determinación de la densidad de la
capa compactada. Las muestras obtenidas fueron ensayadas en el laboratorio,
fundamentalmente para la caracterización físico-mecánica de los materiales.
Los resultados de los ensayos de laboratorio indicaron que los suelos de subrasante
eran predominantemente arenosos, mal graduados (abundancia de arenas finas
eólicas), con contenido de finos limosos no plásticos, clasificados según el sistema
SUCS como SM y SP-SM. El estado de humedad natural de estos suelos era muy
bajo.
Los materiales de sub base fueron predominantemente arenosos gravosos (63.8%),
con una fracción gruesa promedio de 26% y contenido de finos de naturaleza limosa
no plástica, clasificados como SM, SP y SP-SM de acuerdo al sistema SUCS. Un
36.2% de los materiales de base eran gravas arenosas, con un contenido promedio
de partículas gruesas de forma angular a sub angular de 54.6%. La densidad in situ
de estos materiales oscilaba de un estado denso a muy denso, siendo el contenido
de humedad muy bajo.
Los materiales de base del pavimento estudiado estaban compuestos por arenas
gravosas y gravas arenosas, clasificadas como GM (SM), GP (SP), GP-GM (SP-SM)
Y GW-GM (SW-SM), las que poseían una fracción de partículas gruesas de forma
angular a sub angular que oscilaba entre 37 y 52% en promedio. Estos materiales
presentaban una fracción promedio de finos no plásticos de tipo limoso, igual a
6
8.8%. La compacidad de los materiales iba de un estado denso a muy denso, siendo
la humedad en general muy baja.
Los resultados de los ensayos de extracción por centrifugado indicaron que el
contenido de bitumen de la mezcla asfáltica era en promedio igual a 4.57%, con un
máximo de 5.55% y un mínimo de 3.53%. Los resultados de los ensayos
granulométricos de los agregados remanentes (ver Figura 5), caracterizaron un a
mezcla con una fracción de grava promedio igual 38.6%, partículas angulares y
tamaño máximo igual a 1”. La fracción arenosa promedio resultó igual a 61.4%,
siendo la fracción de finos pasantes la malla N° 200 igual a 4.7%. La combinación de
agregados era en consecuencia predominantemente arenosa, con una marcada mal
graduación de la arena con tendencia a fina, escapando del límite superior de la
especificación ASTM D 3515, para un tamaño máximo de 1”.
7.0
CARACTERIZACION DEL LIGANTE
Para la caracterización del ligante se efectuaron ensayos de extracción de bitumen
mediante el ensayo ABSON, siguiendo la norma ASTM D 1856, empleando las
muestras de carpeta obtenidas in situ. Con el asfalto recuperado se realizaron
ensayos para la determinación de las siguientes propiedades físicas:
a.
b.
c.
d.
e.
Contenido de asfalto (ASTM D 1856)
Penetración (ASTM D 5)
Punto de ablandamiento (ASTM D 36)
Viscosidad Brookfield @ 135°C y 177°C (ASTM D 4402)
Ductilidad (ASTM D 113)
Igualmente se realizaron ensayos para la caracterización química del ligante, a fin de
determinar su grado de envejecimiento. Para dicho fin se empleó el método para la
separación de los grupos de hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y
asfaltenos, utilizando para ello la técnica TLC-FID (Thin Layer ChromatographyFlame Ionization Detector) por medio del cromatógrafo IATROSCANTM, la cual esta
basada en el método analítico ASTM D 4124, “Separación del Asfalto en sus Cuatro
Fracciones Fundamentales”.
La técnica analítica TLC-FID, desarrollada por los laboratorios IATRON del Japón, es
una herramienta útil para la separación y detección de sustancias con altos puntos de
ebullición, como son los asfaltos o crudos pesados. Entre las ventajas que ofrece el
uso del cromatógrafo es su sencilla operación, alta eficiencia para la reducción de los
tiempos de análisis y gran ahorro de solventes, así como la fácil cuantificación y
obtención de resultados. El equipo posee un dispositivo especial denominado
CHROMARODTM, el cual presenta un diseño especial y se encuentra recubierto con
una fina capa de sílica-gel, el cual se utiliza para separar las cuatro fracciones del
asfalto en estudio. Una llama de hidrógeno ioniza las fracciones y el detector FID
cuantifica los iones generados, los cuales producen una corriente eléctrica
proporcional a la cantidad de cada sustancia o grupo orgánico, previamente
separado y presente en el CHROMARODTM.
Los resultados de este tipo de análisis permite caracterizar de esa manera la
composición química del asfalto, lo que a su vez facilita la evaluación de los
parámetros o índices de envejecimiento y su relación con las propiedades de
desempeño y comportamiento del concreto asfáltico en la vía (Ref. 1).
7
El Cuadro 2 presenta los resultados obtenidos en la caracterización físico química del
asfalto correspondiente al pavimento estudiado. Igualmente se realizaron los mismos
ensayos con una muestra de asfalto virgen, a fin de obtener un marco comparativo
para la evaluación de los resultados. Se debe indicar que el asfalto virgen ensayado
no correspondió al asfalto original empleado durante la etapa constructiva del
proyecto, sino a un material aleatoriamente escogido pero de la misma graduación
(Pen 60-70), lo que debe tomarse en cuenta al momento del análisis.
CUADRO 2
RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO
CON MUESTRAS DE ASFALTO RECUPERADO
Ensayos
Contenido de asfalto
(5)
Asfalto
Virgen
Repsol
4.7%
6.0 %
5.0 %
5.1%
---
3.0 dmm
3.0 dmm
3.5 dmm
7.0 dmm
67 dmm
83.2°C
80°C
84.2°C
83°C
52 °C
Viscosidad Brookfield
135°C
8200 cP
1608 cP
9200 cP
1807 cP
---
Viscosidad Brookfield
177°C
655 cP
260 cP
705 cP
193 cP
---
Ductilidad a 25°C
2.1 cm
4.0 cm
1.5 cm
3.9 cm
128.2 cm
15.3%
18.0%
38.0%
28.7%
14.3 %
35.0 %
29.2 %
21.5 %
16.0 %
22.0 %
36.0 %
26.0 %
15.3 %
18.0 %
38.1 %
28.6 %
9.9 %
41.3 %
20.3 %
28.5 %
0.79
0.56
0.72
0.78
0.62
Penetración (100g, 5s,
25°C)
Punto de Ablandamiento
Separación Química:
Saturados
Aromáticos
Resinas
Asfaltenos
Índice de Inestabilidad
Coloidal
8.0
(2)
(3)
(4)
(1)
Ruta 1N
Ruta 1N
Ruta 1N
Ruta 1N
km 7+000 km 12+000 km 22+000 km 47+000
L. Derecho L. Izquierdo L. Izquierdo L. Izquierdo
ANALISIS DE RESULTADOS
La finalidad de los estudios para profundizar en la caracterización del ligante del
pavimento en servicio, fue el establecer en que medida la composición o el
comportamiento del mismo era un factor determinante para el deterioro del
pavimento.
En ese sentido la aplicación del método TLC-FID permitió determinar la estructura
química actual del bitumen, así como los cambios producidos dentro de esa
estructura. De acuerdo a la investigación científica para analizar el mecanismo de
oxidación de los asfaltos (Ref. 2), se ha encontrado que existen unos principios
básicos en dicho fenómeno: “la cantidad de los componentes saturados no cambian
significativamente; de la fracción de aromáticos se producen resinas y asfaltenos. El
incremento en la cantidad del grupo de resinas y asfaltenos después de la oxidación
es prácticamente la misma que la disminución en la cantidad de los grupos
aromáticos”.
8
En los resultados que se obtuvieron se observa efectivamente que los valores
encontrados en los ensayos de separación química correspondientes al asfalto en
servicio (columnas 1, 3, y 4), presentan la tendencia indicada por la literatura técnica,
si se comparan con los resultados correspondientes a un asfalto virgen (columna 5).
Se debe aclarar que no se consideró para el análisis los resultados de la columna 2,
por presentar una tendencia disímil disturbadora para fines didácticos.
Se observó así que la cantidad de saturados era prácticamente similar en orden de
magnitud, mientras que la cantidad de aromáticos presentaba un decrecimiento
sustancial (de 41% a 19%), de acuerdo al principio básico de oxidación por la
deshidrogenización de dichos compuestos. Consecuentemente se observó el
incremento de la fracción de resinas y asfaltenos (de 48.8% a 65.1%). Es decir, los
resultados indicaron que el asfalto de la carpeta estudiada presentaban
características compatibles con un proceso de oxidación claramente definido.
Para la valoración cuantitativa de los resultados de caracterización química y
específicamente para evaluar el grado de envejecimiento del asfalto, fueron
establecidos diferentes parámetros, entre ellos el Indice de Inestabilidad Coloidal (IC),
definido como la relación de saturados mas asfaltenos sobre los aromáticos mas
resinas. De acuerdo a la experiencia se debe considerar un valor límite de 0.6 para
que el asfalto pueda considerarse todavía apto para el servicio (Ref. 3). Según este
parámetro, los resultados obtenidos eran indicativos de un estado severo de
envejecimiento del asfalto correspondiente al pavimento estudiado.
El contraste de los resultados de la caracterización química del ligante, con sus
propiedades físicas fue totalmente consistente. Los resultados de penetración, punto
de ablandamiento, viscosidad y ductilidad, caracterizaban a un material severamente
endurecido y prácticamente sin comportamiento elástico remanente. Los criterios que
correlacionan la penetración del ligante y el inicio del fisuramiento de una carpeta,
establecen un valor límite de 20 dmm, el que era rebasado largamente.
La evaluación de los resultados de los ensayos de la mezcla asfáltica permitieron
inferir sobre el inadecuado trabajo de diseño y/o producción de obra, denotado por la
mala graduación de los agregados y bajo contenido de ligante, con el consiguiente
elevado contenido de vacíos, factor que seguramente contribuyó al envejecimiento y
oxidación del material asfáltico. Dentro del factorial de variables no fue posible
descartar un mal manejo o inadecuado almacenamiento del asfalto durante la fase
constructiva, o mas allá aún el verificar las características originales del producto
producido en la refinería y empleado para la construcción.
9.0
CONCLUSIONES
Los resultados del estudio efectuado para la caracterización físico-química del
cemento asfáltico recuperado de la carpeta asfáltica, en el proyecto referido por el
presente trabajo, ha sido un elemento sumamente valioso para la evaluación del
pavimento, al dar una satisfactoria explicación del estado de fisuración de la capa
asfáltica y sobre todo para la definición de las tareas de mantenimiento a ser
implementadas.
Si bien se concluyó que el pavimento evaluado presentaba características
funcionales y estructurales aceptables, se estableció que el estado de envejecimiento
de ligante y la mezcla asfáltica en general eran incompatibles con algún tipo de
tratamiento superficial, como medida para preservar dichas características.
9
Los resultados obtenidos para el ligante permitieron establecer la necesidad de
medidas radicales para el tratamiento de la capa de rodadura, siendo las alternativas
mas apropiadas el reciclado de la mezcla o la colocación de un recapado estructural
de gran capacidad elástica, tal como el uso de un micro pavimento en caliente o una
mezcla abierta de matriz pétrea (SMA).
El uso del método de caracterización química del ligante asfáltico es recomendable
en los casos en donde sea necesario confirmar la idoneidad del material, como es el
caso de los pavimentos en zonas de altura, previamente a su empleo en obra.
Asimismo, durante la fase de control de calidad o auditoria técnica de un pavimento
en construcción, conjuntamente con la ejecución de ensayos de recuperación, para la
evaluación del material presente en las capas construidas. O en forma similar al caso
del presente estudio, para dilucidar racionalmente sobre las medidas de
mantenimiento o rehabilitación mas convenientes para pavimentos en servicio.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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del 10° Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto. Sevilla, 1999.
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