Embed Size (px)
Citation preview
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
1
EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD DEL ENSAYO DE
EQUIVALENTE DE ARENA DE MATERIALES PÉTREOS
PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
Estudiante Egresado de Maestría en Infraestructura del Transporte [1]
Dr. Jorge Alarcón Ibarra
Coordinador de la Maestría en Infraestructura del Transporte [1]
Oribel Peregrino Maldonado
Carlos Alberto Reyes Negrete
Antonio Silva Reyes
Estudiantes de la facultad de Ingeniería Civil [1]
1. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich.
VII CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO – AMAAC 20011
4 – 6 MAYO 2011
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
2
EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD DEL ENSAYO DE EQUIVALENTE DE ARENA DE
MATERIALES PÉTREOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS
RESUMEN
La exigencia de que los materiales tengan una graduación de tamaños adecuada y la
menor cantidad de finos posible, sobre todo de arcillas, permite asegurar que se logre un
acomodo eficiente de sus partículas para generar la estabilidad y la resistencia de la carpeta
asfáltica.
Actualmente la SCT, cuenta con una norma de calidad de materiales para mezclas
asfálticas, que permite mejorar el comportamiento de las obras que se construyen a futuro, sin
embargo, los requisitos de calidad que son solicitados en dicha norma, han tenido escasas
modificaciones desde la primera versión contenida en las Especificaciones Generales de
Construcción de la extinta SCOP, editada en 1957.
En esta investigación se propuso evaluar la representatividad del ensayo de equivalente
de arena, utilizando para ello 12 muestras de finos (pasa malla No. 200) de materiales
diferentes, las cuales fueron ensayadas de manera particular sin cambiar las proporciones en
peso y siguiendo el procedimiento descrito por la normativa SCT. Las características de los
materiales empleados para el ensayo de equivalente de arena, fueron complementadas con la
determinación de los límites de Atterberg, su ubicación en la carta de plasticidad y clasificación
SUCS, con los que se corroboro que los materiales empleados para el ensayo poseen
características diferentes que abarcan las cuatro zonas de la carta de plasticidad.
El equivalente de arena, se considera como una prueba determinante para saber si se
puede usar un material en un pavimento, no obstante, de los resultados obtenidos mediante
esta investigación, se observó la poca idoneidad que el ensayo tiene para la caracterización de
los materiales, lo que vuelve necesario establecer nuevos ensayos que permitan obtener
parámetros representativos que aseguren la calidad y el desempeño que los agregados tendrán
en una carpeta asfáltica.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
3
I. INTRODUCCIÓN
En la construcción de carreteras se utiliza una gran cantidad de materiales que
no necesitan demasiadas prestaciones para ser utilizados en la elaboración de los
terraplenes y las capas inferiores de la estructura del pavimento. Caso contrario ocurre
con las capas superiores, las que deben de ser más resistentes a la flexión y los
esfuerzos cortantes, por lo que los requisitos de calidad para los materiales con que
estas son elaboradas, se vuelven más exigentes y contemplan parámetros más
conservadores, con los que se pretende garantizar una buena calidad en estas capas.
Como requisito del control de calidad para garantizar un adecuado desempeño
de las mezclas asfálticas elaboradas en México, el material pétreo que se utiliza en la
elaboración de estas debe de cumplir con una serie de requisitos indicados en la norma
N-CMT-4-04/08 Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas.
Los materiales pétreos que comprende dicha norma, son todos aquellos que
pueden ser materiales naturales seleccionados o sujetos a tratamientos de
disgregación, cribado, trituración o lavado, a fin de que garantice la ausencia de
material orgánico.
Según el tipo de mezcla asfáltica en el que los agregados se vayan a utilizar, los
materiales pétreos se clasifican como se indica a continuación:
¤ Materiales pétreos para mezclas asfálticas de granulometría densa.
¤ Materiales pétreos para mezclas asfálticas de granulometría abierta.
¤ Materiales pétreos para mezclas asfálticas de granulometría discontinua,
tipo SMA.
¤ Materiales pétreos para mortero.
¤ Materiales pétreos para carpetas por el sistema de riegos.
¤ Materiales pétreos para mezclas asfálticas para guarniciones.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
4
Las mezclas asfálticas de granulometría densa son las más comúnmente
empleadas para la elaboración de una carpeta asfáltica. En este tipo de mezclas, la
norma nos define los parámetros granulométricos y requisitos de calidad del material
en función del tamaño nominal del agregado con que se elaborara la mezcla asfáltica y
del tránsito esperado en términos del número de ejes equivalentes de ocho punto dos
toneladas, acumulados durante la vida útil del pavimento.
Fig. 1 Usos granulométricos en función de transito esperado y para un tamaño nominal
de agregado de 19 mm (3/4”).
A manera de ejemplo se presentan los rangos granulométricos que se deben de
cumplir en función del tránsito esperado y considerando un tamaño nominal de
agregado de 19 mm (3/4”).
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
5
Adicional a los requisitos granulométricos anteriores, la norma exige que estos
cumplan con los requisitos de calidad que se indican en las tablas siguientes, los
cuales están en función del tránsito esperado.
Características Valor
Densidad relativa, mínimo 2.4
Desgaste de los Ángeles; % máximo 35
Partículas alargadas y lajeadas; % máximo 40
Equivalente de arena; % mínimo 50
Perdida de estabilidad por inmersión en agua; % máximo 25
Tabla II.1 Requisitos de calidad del material pétreo para cuando el transito esperado
sea igual o menor a un millón de ejes equivalentes.
Características Valor
Densidad relativa, mínimo 2.4
Desgaste de los Ángeles; % máximo 30
Partículas alargadas y lajeadas; % máximo 35
Equivalente de arena; % mínimo 50
Perdida de estabilidad por inmersión en agua; % máximo 25
Tabla II.2 Requisitos de calidad del material pétreo para cuando el transito esperado
sea mayor a un millón de ejes equivalentes o tenga cualquier valor.
Hasta aquí, estos son los requisitos de calidad que la norma SCT exige para los
agregados pétreos, y como nos damos cuenta, la fracción del filler solo la restringe
mediante dos parámetros: el porcentaje en peso y el valor de equivalente de arena.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
6
Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), se define como
polvo mineral o filler, a la parte del agregado pétreo total que pasa el tamiz #200 y de
acuerdo con la American Society of Testing and Materials (ASTM), standard D-242,
cuando el 70 % o más de las partículas de polvo mineral pasan la malla Nº 200 (75μm).
El filler es un elemento esencial dentro de las mezclas asfálticas, ya que es el
componente que se mezcla más íntimamente con el asfalto, modificando su reología y
comportamiento. Normalmente, la caracterización del filler se hace independientemente
del tipo de asfalto a emplear, sin tener en cuenta las posibles interacciones que las
propiedades de uno y de otro pueden tener en el comportamiento conjunto.
Comúnmente el polvo mineral o filler es considerado como parte del sistema de
agregados. Sin embargo, al observar cualquier mezcla asfáltica se ha identificado que
realmente está embebido en el asfalto, de tal forma que el mástico está fijando o
aglomerando los agregados gruesos.
A pesar de los requisitos de control de calidad para los agregados pétreos, es
frecuente ver cómo nuestras carreteras se deterioran en períodos de tiempo inferiores
para las que fueron diseñadas. Las razones de este hecho pueden ser variadas y de
orígenes muy diversos. Es bien sabido que los materiales pétreos tienen posibilidad de
influir positiva o negativamente en el comportamiento y durabilidad de una carpeta
asfáltica, debido a que el agregado mismo proporciona la mayoría de las características
de capacidad portante, pues constituye entre el 90% y el 95% del peso de una carpeta
asfáltica.
El equivalente de arena es considerado como un ensayo que permite determinar
el contenido y actividad de los materiales finos o arcillosos presentes en los materiales
pétreos empleados en mezclas asfálticas.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
7
Es evidente que podemos emplear prácticamente cualquier material que pase la
malla # 200, y como observamos en la gráfica granulométrica, estaríamos dentro de los
parámetros que la norma nos exige. Pero, ¿Cualquier material que pase la malla #200
y esté presente en los porcentajes requeridos cumplirá con el porcentaje de equivalente
de arena mínimo exigido por la norma?
II. ETAPA EXPERIMENTAL Y RESULTADOS
Basado en los fundamentos anteriores, en la presente investigación se propuso
ensayar doce tipos de filler diferentes, pretendiendo con esta cantidad de muestras
realizar una correcta evaluación de la idoneidad los resultados obtenidos de
equivalente de arena para cada uno de los diferentes polvos minerales, los cuales se
ensayaron con una granulometría idéntica a la solicitada por la norma, cumpliendo en
todos los casos con las cantidades en peso, y variando únicamente el tipo de filler.
Los materiales fueron seleccionados de tal manera que se lograra contar con
una amplia gama de éstos, y que se pudiera abarcar la mayoría de los diferentes tipos
y calidades de filler que comúnmente suelen estar presentes durante la elaboración de
las mezclas asfálticas en las regiones de Morelia, Mich. y Guadalajara, Jal. Por tal
motivo, se eligieron materiales partiendo desde los que presentan una excelente
calidad y control en el proceso de su elaboración (materiales de origen industrial),
pasando por los materiales naturales comúnmente empleados en dichas regiones
(material de recuperación), hasta el que es indeseable por su desempeño y
característica, la arcilla.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
8
En la tabla siguiente se muestran los tipos de materiales seleccionados para el
ensayo.
Clave Nombre Lugar de Obtención Fuente
1 Banco Los Federales Guadalajara, Jal.
Material de
recuperación
- origen mineral -
2 Banco Cerritos Morelia, Mich.
3 Banco Chapala Guadalajara, Jal.
4 Banco AGC Morelia, Mich.
5 Banco San Martin Guadalajara, Jal.
6 Banco La Vega Guadalajara, Jal.
7 Arcilla Morelia, Mich.
8 Cal
Morelia, Mich.
Material de
aportación
- origen industrial -
9 Hidróxido de Calcio (Q90)
10 Hidróxido de Calcio (Q95)
11 Polvo Calizo
12 Cemento Portland Ordinario
Tabla II.3 Tipos de filler seleccionados para el ensayo de equivalente de arena.
En la Tabla II.3 y en particular la columna de “fuente”, como material de
recuperación nos referimos al polvo mineral o filler que está presente en los agregados
pétreos y que se obtuvo mediante cribado para separarlo del resto de las partículas. El
material de aportación es el producto de origen comercial y de naturaleza pulverulenta,
el cual no requiere de un proceso de cribado para su separación.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
9
¤ Identificación y clasificación de los filler empleados
A fin de conocer y corroborar que los filler a emplear para el ensayo son de
naturaleza y características diferentes, se determinaron sus estados de consistencia
para ubicarlos dentro de la carta de plasticidad.
Para el desarrollo de esta prueba, se siguieron las recomendaciones y
procedimientos indicados por el manual M·MMP·1·07/07, Límites de Consistencia, de la
normativa de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT). Y los resultados
obtenidos se muestran en la carta de plasticidad siguiente:
CARTA DE PLASTICIDAD
―
Los materiales de los bancos Cerritos y Los Federales, así como el Cemento Portland,
no aparecen debido a que por sus características se definen como materiales no
plásticos.
COMPARACIÓN DE LOS FÍLLERES EN LA CARTA DE PLASTICIDAD
NOTA:
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
Facultad de Ingeniería civil
Laboratorio de Materiales "Ing. Luis Silva Ruelas"
LÍMITES DE CONSISTENCIA
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ÍND
ICE
PLÁ
STIC
O
LÍMITE LÍQUIDO
Sn Martín Quimex 90 Quimex 95 La Vega Chapala
Caliza Cal Arcilla CU AGC
ML ó OL
OH ó MH
CH
C.L
4
7 C.L - ML
ML
MUESTRAS
CARTA DE PLATICIDAD
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
10
Como observamos gráficamente, tenemos materiales que abarcan las cuatro
zonas de la carta de plasticidad, lo que indica que tenemos filler con diferentes
calidades. Los materiales de los bancos Cerritos, Los Federales y el Cemento Portland,
no aparecen en la carta de plasticidad debido a que por sus características y el
resultado obtenido para este ensayo, se definen como materiales no plásticos.
Resulta importante mencionar que este es un parámetro que la norma vigente no
requiere de los agregados pétreos para mezclas asfálticas, sin embargo, nos permitirá
demostrar si es posible incluir minerales arcilla dentro de estos, estando consciente de
que se trata de partículas no deseables.
¤ Análisis de Equivalente de Arena
Con el objetivo de evaluar el efecto que cada filler produce en este ensayo, se
utilizó una misma granulometría y del mismo tipo de material grueso en los ensayos
realizados por cada filler. Para ello, se prepararon 12 muestras con material
comprendido entre la malla No. 4 y el retenido en la malla No. 200, el cual se lavó
perfectamente y seco antes de realizar la prueba, variando únicamente el tipo de filler
en cada una de las muestras pero conservando en todas ellas la misma proporción en
peso.
Debido a que la norma define que este ensayo es exclusivo de arenas, se formó
una muestra compuesta de 130 grs, la cual cumple con el valor promedio indicado por
la Norma SCT de las cantidades máximas y mínimas retenidas por cada malla en una
granulometría requerida para cualquier número de ejes equivalentes y de tamaño
nominal de 19 mm (3/4”). Por lo que las proporciones relativas en peso de esta muestra
conformada que se utilizaron, se calcularon y fueron las que a continuación se
muestran:
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
11
Granulometría requerida por Norma
% Equivalente en peso para arenas
Granulometría requerida para muestra conformada de 130 grs
Malla % promedio que pasa la
malla Malla % retenido
Retenido en peso (grs)
4 42.5 100 4 0 0
10 24.5 57.65 10 42.35 55.06
20 15.5 36.47 20 21.18 27.53
40 11 25.88 40 10.59 13.76
60 8.5 20.00 60 5.88 7.65
100 6 14.12 100 5.88 7.65
200 3.5 8.24 200 5.88 7.65
charola 0 0 charola 8.24 10.71
Como se observa en la tabla anterior, esta muestra conformada cumple con los
requisitos granulométricos requeridos por la norma para cualquier número de ejes
equivalentes y un tamaño nominal del agregado pétreo de 19 mm (3/4”).
El proceso que se siguió para el ensayo y cálculo del equivalente de arena en
estos materiales, fue tomado del manual M•MMP•4•04•004/02, “Equivalente de arena
de materiales pétreos para mezclas asfálticas”, de la normativa de la Secretaria de
Comunicaciones y Trasportes (SCT).
Las lecturas y el resultado de equivalente de arena obtenido en este ensayo por
cada tipo de filler evaluado, se lista en la tabla siguiente:
Muestra No.
Material ensayado Lectura de
arena Lectura de
arcilla E. de arena
(%)
1 Banco Los Federales 3.7 4.4 84.09
2 Banco Cerritos 3.9 4.78 81.59
3 Banco Chapala 3.7 4.65 79.57
4 Banco AGC 3.63 4.62 78.57
5 Banco San Martin 3.7 4.76 77.73
6 Arcilla 3.8 5.55 68.47
7 Banco La Vega 3.75 5 75.00
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
12
8 Cal 3.6 5.15 69.90
9 Hidróxido de Calcio (Q90) 3.65 5.4 67.59
10 Hidróxido de Calcio (Q95) 3.62 5.19 69.75
11 Polvo Calizo 3.85 5 77.00
12 Cemento Portland Ordinario 3.45 4.55 75.82
Los valores obtenidos de equivalente de arena se resumen en el grafico
siguiente:
Al trazar una línea de manera horizontal en el valor correspondiente al 50% del
equivalente de arena (eje de las ordenadas) en el gráfico anterior, en el que dicho valor
corresponde al mínimo solicitado por la norma SCT. Observamos claramente que todos
los materiales cumplen con el requisito mínimo de este ensayo.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
13
III. CONCLUSIONES
1. A través de los ensayos realizados en este estudio experimental y de los
resultados obtenidos por cada uno de ellos, queda demostrado que el ensayo de
equivalente de arena no es lo suficientemente confiable para evaluar la
presencia de material arcilloso dentro de los agregados pétreos, sin importar que
se encuentre presente en las proporciones adecuadas.
2. En la última gráfica, en la que se analizan los resultados obtenidos, nos define
que sin importar el tipo de material que se encuentre incorporado en los
agregados pétreos para mezclas asfálticas, basta con cumplir el porcentaje en
peso que se debe de encontrar presente en los agregados pétreos para que
fácilmente cumpla con el valor de equivalente mínimo requerido por la Norma.
3. Resulta necesario innovar en nuevos métodos de análisis de materiales pétreos,
que continúen con la tendencia ser sencillos y rápidos, pero que no pierdan su
objetivo final, proporcionar los requisitos mínimos que garanticen la calidad de
los agregados y la ausencia de materiales potencialmente indeseables, como las
arcillas expansivas y la materia orgánica.
Evaluación de la idoneidad del ensayo de equivalente de
arena de materiales pétreos para mezclas asfálticas MAYO DE 2011
Ing. Mario Francisco Álvarez Loya
14
IV. BIBLIOGRAFÍA
1. Alfonso Rico Rodríguez, Hermilo del Castillo, La Ingeniería de Suelos en
las Vías Terrestres, carreteras, ferrocarriles y aeropistas, Tomo I,
editorial Limusa.
2. Correlación de Resultados entre el Ensayo Equivalente de arena y azul
de Metileno en Materiales Granulares, Octavio Corando, María Mena,
Didier Mican, Diego Alfonso García, Revista Épsilon, Enero - Junio, #
008. Universidad de La Salle, Bogotá, Colombia. pp. 35-43.
3. Juárez Badillo, Rico Rodríguez (1985), Mecánica de Suelos, Tomo I
fundamentos de la mecánica de suelos, tercera edición.
4. Manual de la SCT M.MMP.4.04.002/02 Granulometría de Materiales
Pétreos para Mezclas Asfálticas.
5. Manual de la SCT M.MMP.4.04.004/02 Equivalente de Arena de
Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas
6. Manual de la SCT M.MMP.1.07/07 Limites de Consistencia.
