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Santiago de Cali, Mayo 23 de 2016
Señores
Dirección de Carrera de Ingeniería Civil
Facultad de Ingeniería
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
Por medio de la presente hago constar que en calidad de director he revisado el proyecto de
grado titulado “CARACTERIZACIÓN DE UN AGREGADO RECICLADO DE CONCRETO
(ARC) PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CARPETA ASFÁLTICA DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES” desarrollado por los estudiantes Karen Melissa López Trejos con código
200000069175 y Rafael Ángel Cardona Barona con código 200000071332. Considero que el
proyecto cumple con los requisitos para ser sometido a consideración del jurado.
Atentamente,
iv
Santiago de Cali, mayo 23 de 2016
Señores
Dirección de Carrera de Ingeniería Civil
Facultad de Ingeniería
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
Por medio de la presente se hace entrega oficial del trabajo de grado titulado
“CARACTERIZACIÓN DE UN AGREGADO RECICLADO DE CONCRETO (ARC) PARA
LA CONSTRUCCIÓN DE LA CARPETA ASFÁLTICA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES”
dirigido por la Ingeniera. Alejandra María Gómez Jiménez, para ser sometido a consideración
del jurado.
__________________________ _______________________
Rafael Ángel Cardona Barona Karen Melissa López Trejos
ID: 200000071332 ID: 200000069175
CARACTERIZACIÓN DE UN AGREGADO RECICLADO DE CONCRETO (ARC)
PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CARPETA ASFÁLTICA DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES
POR:
RAFAEL ANGEL CARDONA BARONA
KAREN MELISSA LÓPEZ TREJOS
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
DEPARTAMEENTO DE INGENIERÍA CIVIL E INDUSTRIAL
INGENIERÍA CIVIL
SANTIAGO DE CALI
2016
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CARACTERIZACIÓN DE UN AGREGADO RECICLADO DE CONCRETO (ARC)
PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CARPETA ASFÁLTICA DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES
POR:
RAFAEL ANGEL CARDONA BARONA
KAREN MELISSA LÓPEZ TREJOS
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERÍA CIVIL
DIRECTOR:
ALEJANDRA MARÍA GÓMEZ JIMÉNEZ, I.C.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL E INDUSTRIAL
INGENIERÍA CIVIL
SANTIAGO DE CALI
2016
iii
Este trabajo de grado es dedicado principalmente a nuestras madres por el apoyo incondicional
y a nuestros familiares por los consejos brindados. Este mérito de ser unos profesionales
íntegros también es de ustedes.
“Hay un tiempo para dejar que sucedan las cosas, y un tiempo para hacer que las cosas
sucedan”. Hugh Prater
iv
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a Dios por la oportunidad de vivir esta experiencia tan gratificante y darnos la
posibilidad de culminar esta meta de manera exitosa.
Gracias a nuestras madres por el apoyo que nos brindaron en todo momento, por los
principios inculcados y confiar en nuestras capacidades; ustedes son nuestro motor y ejemplo de
vida.
A nuestros familiares por aconsejarnos, darnos valor en las dificultades y motivarnos a lo
largo de la carrera.
A todos aquellos que tuvieron que ver de manera directa en la realización de nuestro trabajo
de grado. A nuestra directora Alejandra Gómez, por guiarnos para el desarrollo de este trabajo de
grado, por compartir sus conocimientos y su dedicación para que esta investigación tuviese éxito.
Al director de carrera Iván Fernando Otavalo por su colaboración y sus aportes sobre el tema
basado en su experiencia.
A los laboratoristas, Erlo Travi y Mayra Galvis gracias por la gran colaboración, la paciencia
y el acompañamiento en el laboratorio.
Agradecemos a la empresa SERVINDCO SAS, por suministrar la trituradora de mandíbulas
que facilitó el desarrollo de nuestro trabajo de grado.
v
RESUMEN
El impacto ambiental que causan los residuos de construcción y demolición en la ciudad de
Santiago de Cali es altamente nocivo, esta es la razón principal por la cual se procura tener un
adecuado aprovechamiento de los materiales que componen los escombros.
Este trabajo pretendió demostrar la viabilidad técnica de la inclusión de un agregado
reciclado de concreto (ARC) en la carpeta de rodadura de un pavimento flexible. El ARC,
empleado fue generado a partir de la demolición de una estructura de concreto ubicada en el
municipio de Yumbo, - Valle.
La inclusión del ARC en la mezcla asfáltica densa tipo MCD-19, se hizo a partir de la
variación de porcentajes de agregado grueso en las proporciones de 30, 50 y 75%. La mezcla
patrón correspondió a una mezcla densa MCD-19 elaborada a partir de materiales pétreos de uso
común en la ciudad de Cali.
La caracterización física y mecánica de los materiales y de las mezclas se hizo mediante la
aplicación de ensayos convencionales establecidos en las normas colombianas del Instituto
Nacional de Vías (INVIAS). Los ensayos mostraron que el ARC, no cumple con algunas de las
especificaciones técnicas planteadas en las normas. Por lo que, al incluirlos en los diseños de
mezclas deben ser consideradas variaciones de comportamiento.
Para el caso del ARC en estudio se estableció que el reemplazo máximo de agregado grueso
es de 30%, por encima de este porcentaje las mezclas no alcanzan un desempeño aceptable.
Finalmente se estableció el diseño de la estructura de un pavimento flexible para el caso del
Aeropuerto Internacional Alfonso Bonilla Aragón, modificando los datos iniciales de módulo
resiliente en las capas de subrasante, base granular y carpeta asfáltica por valores arrojados
mediante ensayos de laboratorio, utilizando el método de la AASTHO (1993). Para el diseño, el
uso de ARC en la carpeta asfáltica tuvo un mejor desempeño que la estructura convencional.
vi
ABSTRACT
The environmental impact caused by construction and demolition waste in the city of
Santiago de Cali are highly harmful, this is the main reason by which it seeks to have an
appropriate use of the materials that make up the debris.
This work sought to demonstrate the technical feasibility of the inclusion of an aggregate
recycling of concrete (ARC) in the folder of the wearing course of a flexible pavement. The
ARC, an employee was generated from the demolition of a concrete structure located in the
municipality of Yumbo, Valle.
The inclusion of the ARC in the asphalt mixture dense type MCD-19, was made from the
variation of percentages of coarse aggregate in the proportions of 30, 50 and 75%. The mixing
pattern corresponded to a dense mixture MCD-19, which was made from stone materials in
common use in the city of Cali.
The physical characterization and mechanics of materials and of the mixtures made by the
application of tests conventional set forth in colombian regulations of the National Institute of
Roads (INVIAS). The tests showed that the ARC does not comply with some of the technical
specifications expressed in the standards by including them in the design of mixtures should be
considered variations of behavior.
For the case of the ARC in the study it was established that the replacement maximum of
coarse aggregate is 30%, above this percentage the mixtures do not meet acceptable
performance. Finally, we established the design of the structure of a pavement flexible for the
case of the International Airport Alfonso Bonilla Aragon, by modifying the initial data of module
resilient in the layers of subgrade, granular base and finish asphalt by values thrown by
laboratory tests, using the method of the AASTHO (1993). For design, the use of ARC in the
asphalt layer had a better performance than the conventional structure.
vii
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 1.1. Motivación ....................................................................................................................... 2 1.2. Definición del problema ................................................................................................... 3 1.3. Objetivos .......................................................................................................................... 4 1.3.1. Objetivo general ........................................................................................................ 4
1.3.2. Objetivos específicos ................................................................................................ 4 1.4. Justificación y alcance del problema ................................................................................ 5 1.5. Organización del documento ............................................................................................ 5 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 7 3. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................................. 11
3.1. Selección de material ..................................................................................................... 11
3.1.1. Descripción de los materiales naturales .............................................................................. 11
3.1.2. Descripción del agregado reciclado de concreto ................................................................ 13 3.2. Caracterización física de los agregados ......................................................................... 15 3.2.1. Análisis granulométrico de los agregados .............................................................. 15 3.2.2. Límites de Atterberg ............................................................................................... 15
3.2.3. Gravedad específica y absorción ............................................................................ 16 3.2.4. Peso unitario de agregados compactados y sueltos................................................. 18
3.2.5. Equivalente de arena ............................................................................................... 19 3.2.6. Determinación de la limpieza superficial del agregado grueso .............................. 19 3.2.7. Sanidad de los agregados pétreos ........................................................................... 20
3.2.8. Resistencia al desgaste en máquina de los Ángeles ................................................ 21 3.2.9. Resistencia al desgaste por medio del Micro-Deval ............................................... 22
3.2.10. Partículas alargadas y aplanadas ............................................................................. 23 3.2.11. Porcentaje de caras fracturadas en los agregados ................................................... 23
3.2.12. Peso específico del llenante mineral ....................................................................... 24 3.2.13. Concentración critica del llenante mineral ............................................................. 25 3.3. Caracterización física del ligante ................................................................................... 26
3.3.1. Penetración .............................................................................................................. 26 3.3.2. Punto de ablandamiento .......................................................................................... 27
3.3.3. Viscosidad ............................................................................................................... 27 3.3.4. Envejecimiento del asfalto en película delgada en movimiento ............................. 28 3.4. Obtención de la curva granulométrica de la mezcla ...................................................... 29
3.5. Compactación Marshall.................................................................................................. 29 3.6. Caracterización física de la mezcla asfáltica .................................................................. 31
3.6.1. Peso unitario de mezclas asfálticas compactadas ................................................... 31 3.6.2. Peso específico teórico máximo de mezclas asfálticas ........................................... 32
3.6.3. Porcentaje de vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas ............................ 32 3.6.4. Análisis volumétrico de mezclas asfálticas compactadas en caliente ..................... 33 3.7. Caracterización mecánica de la mezcla asfáltica ........................................................... 33 3.8. Método de diseño para pavimentos flexibles AASTHO-93........................................... 34 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS ............................................................................................. 36
4.1. Caracterización física de los agregados ......................................................................... 36 4.1.1. Análisis granulométrico de los agregados .............................................................. 36
4.1.2. Límites de Atterberg ............................................................................................... 37
viii
4.1.3. Gravedad específica y absorción ............................................................................ 38 4.1.4. Equivalente de arena ............................................................................................... 39 4.1.5. Determinación de la limpieza superficial del agregado grueso .............................. 40 4.1.6. Sanidad de los agregados pétreos ........................................................................... 41
4.1.7. Resistencia al desgaste en máquina de los Ángeles ................................................ 42 4.1.8. Resistencia al desgaste por medio del Micro-Deval ............................................... 43 4.1.9. Partículas alargadas y aplanadas ............................................................................. 44 4.1.10. Porcentaje de caras fracturadas en los agregados ................................................... 45 4.1.11. Concentración critica del llenante mineral ............................................................. 46
4.2. Caracterización física del ligante ................................................................................... 46 4.2.1 Penetración y punto de ablandamiento ................................................................... 46 4.2.2 Viscosidad ............................................................................................................... 47
4.3. Diseño Marshall convencional y con ARC .................................................................... 48 4.3.1 Selección del porcentaje óptimo de asfalto para los diseños de mezcla asfáltica
convencional y con ARC .............................................................................................................. 55
4.4. Determinación del porcentaje óptimo de ARC en la mezcla asfáltica para diseño de
pavimento ...................................................................................................................................... 64
4.5. Módulo resiliencia de la mezcla asfáltica ...................................................................... 68 4.6. Comparación mezcla asfáltica convencional con mezcla asfáltica fabricada con el 30%
de ARC 70
5. EVALUACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO INVOLUCRANDO ARC:
APLICACIÓN .............................................................................................................................. 76
5.1. Descripción del caso de estudio ..................................................................................... 76 5.2. Diseño del pavimento ..................................................................................................... 77 5.3. Parámetros de diseño ...................................................................................................... 77
5.3.1. Confiabilidad y desviación normal estándar ........................................................... 77
5.3.2. Desviación estándar ................................................................................................ 78 5.3.3. Índice de serviciabilidad ......................................................................................... 78 5.3.4. Coeficiente de drenaje............................................................................................. 79
5.3.1. Espesores de las capas ............................................................................................ 80 5.3.2. Coeficiente de aporte estructural ............................................................................ 80
5.3.3. Módulo de resiliencia .............................................................................................. 81 5.3.4. Estructura de diseño del pavimento ........................................................................ 81
5.3.5. Cálculo del número estructural ............................................................................... 82 5.4. Resultados obtenidos ...................................................................................................... 82 5.4.1. Diseño inicial .......................................................................................................... 82 5.4.2. Diseño de la estructura del pavimento con carpeta asfáltica en material
convencional 83 5.4.3. Diseño de la estructura del pavimento con carpeta asfáltica con reemplazo de ARC
84
6. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 86 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................. 88
ix
LISTA DE TABLAS
Tabla 3-1. Caracterización del asfalto 60-70, suministrado por Refinería Barrancabermeja. ... 12 Tabla 3-2. Composición de los materiales para el ensayo de sanidad. INV E-220 ..................... 20 Tabla 3-3. Peso inicial de las fracciones de los agregados para ensayo de Micro Deval (INV E-
238-13). ......................................................................................................................................... 22 Tabla 3-4. Requisito para el tamaño de la muestra. ..................................................................... 32
Tabla 4-1. Combinación granulométrica de los materiales ......................................................... 37 Tabla 4-2. Gravedad específica y absorción de los agregados. ................................................... 38 Tabla 4-3. Comparación gravedad específica y absorción agregado natural y ARC. ................. 39 Tabla 4-4. Resultados equivalente de arena para la arena triturada........................................... 40 Tabla 4-5: Equivalente de arena para la arena de río. ................................................................ 40
Tabla 4-6. Coeficiente de limpieza superficial. ........................................................................... 41
Tabla 4-7. Sanidad del Agregado Reciclado de Concreto. ........................................................... 41
Tabla 4-8. Sanidad del agregado grueso natural. ........................................................................ 42 Tabla 4-9. Sanidad de la arena triturada. .................................................................................... 42 Tabla 4-10. Sanidad de la arena de río. ....................................................................................... 42 Tabla 4-11. Resultados desgaste máquina de los Ángeles ARC. .................................................. 43
Tabla 4-12. Resultados desgaste máquina de los Ángeles agregado grueso natural ................... 43 Tabla 4-13. Resultados de desgaste por medio de Micro-Deval. ................................................. 44
Tabla 4-14. Índice de alargamiento y aplanamiento del agregado natural y reciclado. ............. 44 Tabla 4-15. Porcentaje de caras fracturadas de los agregados ................................................... 45 Tabla 4-16. Concentración crítica del llenante mineral. .............................................................. 46
Tabla 4-17. Relación entre la concentración real en volumen y la concentración critica. .......... 46 Tabla 4-18. Penetración y punto de ablandamiento del asfalto ................................................... 47
Tabla 4-19. Resultados diseño Marshall convencional ................................................................ 49 Tabla 4-20. Resultados diseño Marshall con 30% ARC ............................................................... 50
Tabla 4-21. Resultados diseño Marshall con 50% de ARC .......................................................... 52 Tabla 4-22. Resultados diseño Marshall con 75% de ARC .......................................................... 53 Tabla 4-23. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del
6% de una mezcla asfáltica con 30% de ARC .............................................................................. 57 Tabla 4-24. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del
6% de una mezcla asfáltica con 30% de ARC .............................................................................. 64 Tabla 4-25. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del
6,97% de una mezcla asfáltica con 50% de ARC ......................................................................... 65
Tabla 4-26. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del
7 % de una mezcla asfáltica con 75% de ARC ............................................................................. 65
Tabla 4-27. Módulo de resiliencia mezcla convencional .............................................................. 69 Tabla 4-28. Módulo de resiliencia mezcla con 30% de ARC ....................................................... 69
Tabla 4-29. Módulo de resiliencia mezcla con 50% de ARC ....................................................... 69 Tabla 4-30. Módulo de resiliencia mezcla con 75% de ARC ....................................................... 70 Tabla 5-1. Estructura del pavimento flexible. (Muñoz & Zapata, 2015) ...................................... 77 Tabla 5-2. Valores sugeridos de confiabilidad AASTHO (1993). ................................................ 77 Tabla 5-3. Valores de desviación estándar AASTHO (1993). ...................................................... 78
Tabla 5-4. Índice de serviciabilidad pavimentos flexibles AASTHO (1993). ............................... 79 Tabla 5-5. Calidad del drenaje en pavimentos AASHTO (1993).................................................. 79
Tabla 5-6. Valores coeficientes de drenaje AASHTO (1993). ...................................................... 79
x
Tabla 5-7. Parámetros de diseño propuesto por Muñoz & Zapata (2015) .................................. 82 Tabla 5-8. Diseño propuesto para ampliación Aeropuerto por Muñoz & Zapata (2015) ........... 83 Tabla 5-9. Parámetros de diseño propuesto a partir de una mezcla asfáltica convencional ....... 84 Tabla 5-10. Diseño propuesto para ampliación Aeropuerto con base al porcentaje óptimo de una
mezcla convencional ..................................................................................................................... 84 Tabla 5-11. Diseño propuesto para ampliación Aeropuerto con base al 30% de ARC involucrado
en la mezcla asfáltica .................................................................................................................... 85
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 3-1. Disposición del material en Agregados y Mezclas Cachibí S.A. ............................... 12 Figura 3-2. Curva Reológica para el asfalto 60-70, suministrada por Refinería
Barrancabermeja. ......................................................................................................................... 12 Figura 3-3. Ubicación del sitio de muestreo del RCD. (tomado de Google maps, 18-05-2016) .. 13 Figura 3-4. Residuo de construcción y demolición en el lugar de muestreo. ............................... 14
Figura 3-5. Trituradora de mandíbula SERVINDCO SAS. ........................................................... 14 Figura 3-6. Agregado reciclado: a) homogenización de muestras en el laboratorio, b) agregado
reciclado de concreto posterior al tamizado. ............................................................................... 15 Figura 3-7. Límites de Atterberg. (Das, 2006). ............................................................................. 16 Figura 3-8. Ensayo de gravedad específica y absorción para el agregado fino: a) Muestra de
agregado fino dentro del cono, b) Muestra de agregado fino después del ensayo. ..................... 17
Figura 3-9. Fracciones gruesas de ARC durante el ensayo de Sanidad: a) Antes del ataque
químico, b) Durante el ataque químico. ....................................................................................... 21 Figura 3-10. Máquina de los ángeles. Laboratorio de mezclas PUJ Cali. ................................... 21 Figura 3-11. Aparato de Micro Deval. Laboratorio de mezclas PUJ Cali................................... 22 Figura 3-12. Agregado grueso haciendo uso del Cuarteador. Laboratorio de mezclas de la PUJ
Cali. ............................................................................................................................................... 24 Figura 3-13. Picnómetros. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali. ............................................ 25
Figura 3-14.Probetas con la solución de kerosene y la adición de llenante mineral. Laboratorio
de Mezclas de la PUJ Cali. ........................................................................................................... 26 Figura 3-15. Penetrómetro. Laboratorio de ingeniería civil de la PUJ Cali. .............................. 27
Figura 3-16. Aparato de anillo y bola. Laboratorio de ingeniería civil de la PUJ Cali. ............. 27 Figura 3-17. Viscosímetro rotacional. Laboratorio de ingeniería civil de la PUJ Cali. .............. 28
Figura 3-18. Ligante asfáltico envejecido. .................................................................................... 28 Figura 3-19. Martillo mecánico de compactación Marshall. Laboratorio mezclas de la PUJ Cali
....................................................................................................................................................... 30 Figura 3-20. Medición con el pie de rey. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali. ...................... 30 Figura 3-21.Peso unitario de mezclas asfálticas. Laboratorio mezclas de la PUJ Cali. ............. 31
Figura 3-22. Picnómetro de vacío con el dispositivo de agitación. Laboratorio mezclas de la PUJ
Cali. ............................................................................................................................................... 32
Figura 3-23. Diagrama de componentes de una mezcla asfáltica compactada. INV E-799-13. .. 33 Figura 3-24. Adecuación de los cuerpos de prueba para ensayo Marshall: a) Equipo de baño
María, b) Cuerpos de prueba en inmersión. ................................................................................ 34
Figura 3-25. Ensayo de estabilidad y flujo. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali: a) Prensa
Marshall. b) Ruptura del cuerpo durante el ensayo Marshall c) Especímenes después del ensayo
Marshall. ....................................................................................................................................... 34 Figura 4-1. Curva granulométrica de la mezcla. .......................................................................... 37
Figura 4-2. Gravedad específica de los agregados. a) gravedad especifica de la arena triturada.
b) gravedad especifica del llenante mineral .................................................................................. 38 Figura 4-3. Equivalente de arena de los agregados finos. ........................................................... 40 Figura 4-4. Sanidad de los agregados. ......................................................................................... 41 Figura 4-5. Índice de alargamiento y aplanamiento de los agregados gruesos. .......................... 44
Figura 4-6. Porcentaje de caras fracturadas ................................................................................ 45 Figura 4-7. Variación de la curva reolólogica del asfalto............................................................ 47
Figura 4-8. Gráfico estabilidad vs % asfalto diseño convencional. ............................................. 56
xii
Figura 4-9. Gráfico vacíos llenos de asfalto vs % asfalto diseño convencional........................... 56 Figura 4-10. Gráfico flujo vs % asfalto diseño convencional. ...................................................... 56 Figura 4-11. Gráfico vacíos de aire vs % asfalto diseño convencional. ....................................... 56 Figura 4-12. Gráfico vacíos del agregado mineral vs % asfalto diseño convencional. ............... 57
Figura 4-13. Grafico rigidez vs % asfalto diseño convencional. .................................................. 57 Figura 4-14. Gráfico estabilidad vs % asfalto diseño con 30% de ARC. ..................................... 58 Figura 4-15. Gráfico vacíos llenos de asfalto vs % asfalto diseño con 30% de ARC. ................. 58 Figura 4-16. Gráfico flujo vs % asfalto diseño con 30% de ARC................................................. 59 Figura 4-17. Gráfico vacíos de aire vs % asfalto diseño con 30% de ARC. ................................ 59
Figura 4-18. Gráfico vacíos del agregado mineral vs % asfalto diseño con 30% de ARC. ......... 59 Figura 4-19. Gráfico rigidez vs % asfalto diseño con 30% de ARC. ............................................ 59 Figura 4-20. Gráfico estabilidad vs % asfalto diseño con 50% de ARC. ..................................... 60
Figura 4-21. Gráfico vacíos llenos de asfalto vs % asfalto diseño con 50% de ARC. ................. 60 Figura 4-22. Gráfico flujo vs % asfalto diseño con 50% de ARC................................................. 61 Figura 4-23. Gráfico vacíos de aire vs % asfalto diseño con 50% de ARC. ................................ 61
Figura 4-24. Gráfico vacíos del agregado mineral vs % asfalto diseño con 50% de ARC .......... 61 Figura 4-25. Grafico vacíos llenos de asfalto vs % asfalto diseño con 50% de ARC. ................. 61
Figura 4-26. Cara fracturada de la briqueta debido a la compactación Marshall. ..................... 62 Figura 4-27. Gráfico estabilidad vs % asfalto diseño con 75% de ARC. ..................................... 63 Figura 4-28. Gráfico vacíos llenos de asfalto vs % asfalto diseño con 75% de ARC. ................. 63
Figura 4-29. Gráfico flujo vs % asfalto diseño con 75% de ARC................................................. 63 Figura 4-30. Gráfico vacíos de aire vs % asfalto diseño con 75% de ARC. ................................ 63
Figura 4-31. Gráfico vacíos del agregado mineral vs % asfalto diseño con 75% de ARC. ......... 64 Figura 4-32. Gráfico rigidez vs % asfalto diseño con 75% de ARC. ............................................ 64 Figura 4-33. Grafica estabilidad vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC ............................ 66
Figura 4-34. Gráfica flujo vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC ...................................... 66
Figura 4-35. Gráfica vacíos del agregado mineral vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC 67 Figura 4-36. Gráfico porcentaje de vacíos de aire vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC 68 Figura 4-37. Gráfico estabilidad vs % de asfalto mezcla convencional y ARC. .......................... 71
Figura 4-38. Gráfico flujo vs % de asfalto mezcla convencional y ARC. ..................................... 72 Figura 4-39. Grafico VAM vs % de asfalto mezcla convencional y ARC. .................................... 72
Figura 4-40. Grafico VFA vs % de asfalto mezcla convencional y ARC. ..................................... 73 Figura 4-41. Gráfico Va vs % de asfalto mezcla convencional y ARC. ........................................ 74
Figura 4-42. Gráfico densidad vs % de asfalto mezcla convencional y ARC. .............................. 75 Figura 5-1. Ampliación proyectada vía 1A. Aeropuerto Alfonso Bonilla (Muñoz & Zapata, 2015).
....................................................................................................................................................... 76 Figura 5-2. Coeficiente de aporte estructural de la carpeta asfáltica AASTHO (1993). ............. 80
Figura 5-3. Estructura del pavimento planteado para el caso de estudio. ................................... 82
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS, NOMENCLATURAS Y ABREVIATURAS
% Absorción Porcentaje de absorción
% asfalto Porcentaje de asfalto
% vacíos Porcentaje de vacíos
A Masa al aire de la muestra seca al horno
a Variable calculada experimentalmente
A1 Masa Inicial de la fracción
A2 Masa en el aire de la muestra seca medida
A3 Masa del espécimen seco en el aire
AASTHO Association of State Highway and Transportation Officials
ai Coeficiente estructural de los materiales;
ARC Agregados Reciclados de Concreto
ASOGRAVAS La Asociación Colombiana de Productores de Agregados Pétreos de Colombia
ASTM American Society for Testing Materials
B1 Masa del picnómetro aforado lleno de agua
B2 Masa de la muestra de ensayo en la superficie saturada seca en el aire
B3 Masa final de la fracción
B4 Masa del picnómetro sumergida en agua
B5 Masa en el aire del espécimen saturado y superficialmente seco (SSS)
B-C Masa del volumen correspondiente al volumen del espécimen a 25oC
C1 Masa total del picnómetro aforado con la muestra y lleno de agua
C2 Masa aparente de la muestra de ensayo saturada al agua
C3 Masa del recipiente con la muestra, sumergido en agua
C4 Masa del espécimen sumergido en agua
Cc Coeficiente de curvatura
cm3 Centímetros Cúbicos
cP Centi poises
xiv
Cs Concentración critica del llenante
Cs Valor de concentración crítica
Cu Coeficiente de uniformidad
Cy Concentración real en volumen
Di Espesor de la capa
EA Equivalente de arena
ECOPETROL Empresa Colombiana de Petróleos
F Masa o número de partículas fracturadas con, al menos, el número de caras
fracturadas especificado
g gramos
G Masa del agregado más el recipiente de medida
Gmb Gravedad especifica bulk
Gmm Gravedad especifica máxima de la mezcla
Gs Gravedad especifica del llenante mineral
Gsa Gravedad especifica aparente
Gsb Gravedad especifica de bulk
Gsb sss Gravedad especifica bulk saturada
I Impurezas de la porción
INVIAS. Instituto Nacional de Vías de Colombia
KN/mm Kilonewton sobre milímetro
M Densidad bulk del agregado
M Masa seca de las partículas inferiores a 500 µm
M1 Masa de la muestra de llenante empleada
MDC Mezcla asfáltica densa
Mh Humedad de la muestra
Mhe Porción de la muestra de ensayo
mi Coeficiente o calidad de drenaje
mm Milímetros
MR, ,EBG, EHMA, E Módulo de resiliencia de la subrasante y de las capas de base y sub-base
granular
xv
Ms Masa constante seca en el horno
Mse Masa seca
N Newton
N/A No aplica
NT2 Norma para un tránsito tipo2
NT3 Norma para un tránsito tipo 3
OC Grados Centígrados
OF Grados Fahrenheit
P Porcentaje de partículas con el número especificado de caras fracturadas
P Carga aplicada
P1 Masa de la muestra seca antes del ensayo
P2 Masa de la muestra seca después del ensayo previo lavado sobre el tamiz
Pa Peso de la muestra seca antes del ensayo
Pb peso muestra seca después del ensayo y después de lavar sobre tamiz
Pf Serviciabilidad final
PGIRS Plan de Gestión Integral de Residuos Sólidos
Pi Serviciabilidad inicial
PSI Libra por pulgada cuadrada
PUJ Pontificia Universidad Javeriana
Pw Densidad del agua
R Grado de confiabilidad
RCD Residuos de Construcción y Demolición
RTFOT Horno rotacional de alta temperatura
S Masa de la muestra saturada y superficialmente seca
SN Capacidad de la estructura para soportar las cargas
So Desviación estándar
T Masa del recipiente de medida
T1 Espesor del espécimen
V Volumen del recipiente de medida
xvi
v Poisson
Va Vacíos de aire
VAM Vacíos del agregado mineral
VFA Vacíos llenos de asfalto
W Humedad
Wt 18 Número de aplicaciones de carga equivalentes de 80 kN acumuladas en el
período de diseño
ZR Valor desviador en una curva de distribución normal, función de confiabilidad
de diseño
ΔPSI Perdida de Serviciabilidad (condición de servicio) prevista en el diseño
δv Flujo
1
1. INTRODUCCIÓN
Los agregados pétreos son parte fundamental del proceso constructivo, esos materiales son
indispensables para garantizar el buen funcionamiento de los elementos estructurales ya que
constituyen por lo menos el 90% de los mismos. La demanda de recurso natural es alta, según
(Gul & Guler, 2014) en Turquía se producen 290 millones de toneladas de agregados pétreos y
cerca del 35% es usado para la construcción de carreteras. Para el caso local, basado en el trabajo
de Garcia & Giraldo (2013) para el caso de la ciudad de Santiago de Cali, los agregados pétreos
triturados para la construcción durante el periodo del 2003-2010, asciende a 7’493.000 m3 que
equivalen a 11,24 millones de toneladas.
Debido a la demanda de recursos naturales y a la escasez generada por su sobreexplotación,
se han buscado materiales alternativos que permitan reemplazar los agregados pétreos sin alterar
la calidad y funcionalidad de las diferentes estructuras. En la actualidad, los residuos de
construcción y demolición (RCD), se han convertido en una alternativa técnicamente viable para
la construcción de capas granulares de pavimentos flexibles e incluso, se han involucrado estos
residuos en la producción de concreto de baja resistencia. Algunos países que han involucrado
los RCD en los procesos de construcción son: Brasil, España, Turquía, Estados Unidos, Grecia y
Singapur, Hong Kong, entre otros. Los RCD son producidos durante los diferentes procesos
constructivos como reformas, demoliciones de estructuras que llegaron al final de su vida útil o
construcción de nuevos edificios.
De forma general, los RCD se componen de agregados pétreos, tejas, concretos, ladrillos,
asfalto, madera, metal, morteros, entre otros. La mayoría de estos materiales pueden recuperarse
con el fin de incluirse de nuevo en el proceso constructivo. La inserción de estos materiales
reciclados, puede disminuir la inversión de los municipios en saneamiento, y al mismo tiempo,
se aumentaría la vida útil de los rellenos sanitarios, los cuales dejarían de recibir los residuos de
construcción y demolición.
Este trabajo está dirigido a estudiar el caso de agregados reciclados de concreto (ARC) como
materia prima de una mezcla asfáltica densa, siendo el ARC un tipo de RCD.
Diferentes investigaciones a nivel mundial, han mostrado la factibilidad técnica del uso de
residuos de construcción y demolición en las diferentes capas de un pavimento flexible (carpeta
asfáltica, base, sub-base y subrasante), sin embargo, en la ciudad de Santiago de Cali, el
2
conocimiento sobre las características mecánicas de los materiales generados durante la
demolición, construcción o reforma de diferentes estructuras y su posibilidad de uso en la carpeta
asfáltica, es desconocida. A nivel nacional y local se han adelantado algunos trabajos de
caracterización del comportamiento de materiales reciclados. Con base en el estudio desarrollado
por Bojacá (2013) donde se analizó un tipo de ARC, se concluyó que estos materiales se
caracterizan por tener alta porosidad, dejándolos más susceptibles a la degradación ambiental. El
investigador también aclara que un concreto fabricado a partir de ARC puede alcanzar mayor
resistencia a la compresión. Por otro lado, Quiñones (2014) involucró RCD en la mezcla
asfáltica. El autor concluyó que al ir añadiendo el RCD, la ruptura de las partículas disminuye y
a su vez aumenta el porcentaje de ligante asfáltico.
Considerando el potencial de uso de los agregados reciclados reportado en otras
investigaciones y, con el fin de promover el aprovechamiento de residuos de construcción y
demolición en la ciudad de Cali. Esta investigación, pretende estudiar la viabilidad técnica de la
inclusión de un agregado reciclado de concreto, en la capa de rodadura de un pavimento flexible.
Remplazando parte de la fracción gruesa del agregado convencional, variando su porcentaje con
el fin de analizar su comportamiento en la estructura.
1.1. Motivación
La Asociación Colombiana de Productores de Agregados Pétreos de Colombia
(ASOGRAVAS, 2015), afirmó en el tercer encuentro Nacional de Productores de Agregados que
en la década comprendida entre el 2003 y el 2013 las construcciones en Cali reportaron un
promedio de 12,2 millones de metros cuadrados construidos. Y se aspira que en la siguiente
década ascienda a 21,5 millones de metros cuadrados. Además, la proyección que hizo
ASOGRAVAS (2015) para los siguientes diez años, tomando como base el año 2013, es que
para el 2023 el país consumirá 59 millones de toneladas de materiales pétreos. Esto contribuye a
un aumento en el abastecimiento de los recursos no renovables en el sector de la construcción,
que a su vez su gestión depende de los grandes productores de materiales pétreos como;
Triturados el Chocho y Cía. Ltda., Agregados y Mezclas Cachibí S.A., INGEOCC S.A, Rocales
y Concretos S.A.S., entre otros, quienes contribuyen con el 61,5% del mercado correspondiente a
los agregados pétreos triturados (Garcia & Giraldo, 2013). Considerando la afirmación anterior
3
se espera que, con el aumento de la construcción de obras de infraestructura, se incremente la
generación de residuos sólidos.
Según Embus & Quintero (2015) en la ciudad de Santiago de Cali, el mayor aporte en la
producción de escombros se proyectó durante los años 2011 a 2014 proveniente de las empresas
constructoras de vivienda, el desarrollo de las 21 Megaobras y las adecuaciones del sistema de
transporte masivo MIO.
Además, el Plan de Gestión Integral de Residuos Sólidos (Alcaldia de Cali, 2009), establece
que los altos volúmenes de residuos son recolectados, transportados y dispuestos en lotes
baldíos, zonas verdes, separadores viales, vías públicas, canales de aguas lluvias a orillas de ríos,
así como también en escombreras no autorizadas e ilegales generando, entre otros, impactos
negativos en los sistemas de drenaje de la Ciudad, ya que se debe remover cerca de 400
toneladas de residuos sólidos y escombros de ellos.
Los principales afectados a causa de esta problemática son los habitantes y el medio
ambiente. Por ende, para tener una adecuada gestión y aprovechamiento de los diferentes
materiales que componen los residuos de construcción y demolición se propone la alternativa de
reciclar los escombros que se generan, como se ha propuesto para la ciudad de Cali por el
programa de (Alcaldia de Cali, 2009).
1.2. Definición del problema
Diariamente en Colombia se están generando 25.000 toneladas de residuos sólidos de los
cuales se disponen en rellenos sanitarios el 92,8%, el porcentaje restante son puestos en
botaderos no regularizados a cielo abierto o en lotes baldíos (Galarza & Gómez, 2010).
La población de Santiago de Cali produce 1.800 toneladas/día de residuos que son
conducidos en su mayoría al relleno sanitario Colomba - Guabal. La cantidad de residuos sólidos
per-cápita por el municipio corresponde aproximadamente a 0,75kg/hab/día (Marmolejo, 2012).
La inadecuada disposición de los residuos de construcción y demolición (RCD) genera
problemas de contaminación visual e incrementa las tarifas de recolección de basuras y
saneamiento del municipio. Los diferentes depósitos a cielo abierto que se han escogido para el
almacenamiento de estos residuos afectan el medio ambiente e incluso pueden generar problemas
de salud pública debido a empozamiento de aguas y a la proliferación de mosquitos y roedores.
4
Teniendo en cuenta las cantidades de RCD generados en la ciudad de Cali, el problema que
se analizó en este trabajo es cuál es la viabilidad técnica de utilizar agregado reciclado de
concreto (ARC), para reemplazar parcial o totalmente el agregado grueso de la carpeta de
rodadura en un pavimento flexible. De acuerdo con lo anterior este proyecto pretende responder
las siguientes preguntas de investigación:
¿Cuál es el porcentaje óptimo de ARC a reemplazar en la mezcla asfáltica como agregado
grueso?;
¿La producción de residuos de construcción y demolición en la ciudad de Cali, es suficiente
para cubrir la demanda de agregados que se necesitan, para la fabricación de mezcla asfáltica?;
¿El ARC puede ser utilizado como reemplazo del agregado grueso convencional en una
mezcla asfáltica densa para pavimento flexible?;
¿La carpeta asfáltica construida con ARC satisface las condiciones mínimas de diseño de
pavimentos?
1.3. Objetivos
Para el desarrollo de la investigación fue necesario definir algunas pautas que permitieron
mantener el enfoque del trabajo. Estas se presentan a continuación:
1.3.1. Objetivo general
Evaluar el comportamiento de un pavimento flexible fabricado a partir de agregados
reciclados de concreto (ARC).
1.3.2. Objetivos específicos
Determinar las propiedades físicas y mecánicas de un agregado pétreo empleado en la
ciudad de Cali y del ARC seleccionado para esta investigación;
Establecer el diseño de la mezcla asfáltica convencional;
Verificar el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica variando el porcentaje de
ARC involucrado;
Comparar los resultados obtenidos de la mezcla asfáltica fabricada con ARC y la mezcla
fabricada con agregados convencionales;
Evaluar el desempeño de la carpeta asfáltica constituida con ARC empleando el método
de diseño AASTHO-93.
5
1.4. Justificación y alcance del problema
Debido a la gran explotación de los recursos naturales se pretende encontrar una alternativa
de reemplazo de los materiales pétreos, para esto se utilizará agregado reciclado de concreto
como sustituyente del agregado grueso en la mezcla asfáltica para pavimento flexible. De esta
forma se busca dar solución parcial a dos problemas recurrentes en la ciudad de Cali. El primero,
la equivocada disposición de residuos de construcción y demolición, y el segundo disminuir el
uso de recursos naturales.
El alcance del trabajo, se limita a evaluar el comportamiento mecánico, en laboratorio, de una
mezcla asfáltica densa convencional y una mezcla con agregado reciclado de concreto a fin de
determinar sus características y verificar, si el uso de ARC en la carpeta asfáltica de un
pavimento flexible es técnicamente viable, utilizando el método manual de la AASTHO-93 para
el diseño de la capa de rodadura.
1.5. Organización del documento
Este documento se compone de 6 capítulos, divididos de la siguiente manera:
El Capítulo 1, plantea la introducción para dar una idea general del tema. Se incluye la
motivación, la definición del problema, los objetivos propuestos y la justificación, para poder
explicar la viabilidad, las limitaciones y la importancia en su aplicación.
Por otro lado, en el Capítulo 2 se considera la revisión bibliográfica la cual permite conocer
la historia, el uso y el significado del agregado reciclado de concreto (ARC), a partir de
antecedentes históricos de estudios relacionados al tema, con el fin de fundamentar la teoría que
se pretende desarrollar.
En el Capítulo 3 se explican los materiales y métodos que fueron utilizados para el
cumplimiento de los objetivos por medio de ensayos en el laboratorio, haciendo uso de los
procedimientos técnicos expuestos en las normas técnicas de INVIAS. Además se explica el
método de diseño de la AASHTO-93 que permitió definir el comportamiento de los dos
pavimentos evaluados.
En el Capítulo 4 se exponen los resultados y análisis que se obtuvieron a partir de los
ensayos de la caracterización de agregados y del ligante asfáltico, el comportamiento físico y
mecánico de la mezcla asfáltica con ARC y con agregado pétreo convencional.
6
El Capítulo 5 presenta la aplicación donde establece los resultados del diseño de la
estructura del pavimento flexible con ARC involucrado en la carpeta asfáltica por medio del
método de la AASTHO-93.
En el Capítulo 6 se presentan las conclusiones de este trabajo.
Para finalizar, se tienen las referencias bibliográficas donde se muestran todas las fuentes que
se utilizaron para llevar a cabo la investigación.
7
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
El crecimiento de la industria de la construcción, genera una gran cantidad de residuos
producto de las actividades de mantenimiento, reparación, demolición y nuevas construcciones.
En la Unión Europea se genera alrededor de 300 millones de toneladas al año, en Estados Unidos
la cantidad aproximada es de 170 millones de toneladas anuales, en Hong Kong llega a los 20
millones de toneladas por año y en Australia la suma asciende a 6 millones por año. En ciudades
como Brasilia, capital de Brasil, que se producen cerca de 6000 toneladas diarias para una
producción anual de 2.2 millones de toneladas. (Gómez & Farias, 2012). La disposición de este
material desechado genera una carga elevada para los sitios de depósito. Adicionalmente, la
sobreexplotación de los recursos naturales se convierte en una problemática en la parte de
contaminación al medio ambiente. Actualmente se impone el tema de reciclaje en la mayor parte
del mundo, para reducir el impacto ambiental generado por estos dos fenómenos con el fin de
reutilizarlos y producir material granular para los pavimentos. Usualmente los RCD se
componen por concretos, ladrillos, bloques de cemento, tejas, azulejos, asfalto envejecido, entre
otros Farias, M., Gomez, A., Quiñonez, (2013).
En Colombia, durante años se han dispuesto los residuos de construcción y demolición en
sitios llamados escombreras, algunos de estos lugares son autorizados por las entidades de
control ambiental. Sin embargo, el gran volumen de estos materiales, han generado el cierre
prematuro de estos espacios, lo cual ha llevado a la comunidad a disponerlos de forma
inadecuada en lotes baldíos, en las riberas de los ríos o incluso en las zonas verdes urbanas.
Teniendo en cuenta esta problemática, surge la inquietud sobre qué ocurriría si en lugar de
botar estos materiales, fueran introducidos de nuevo en el proceso constructivo, como ya se viene
haciendo en países como Holanda, España, Estados Unidos, Hong Kong, Brasil entre otros.
La reinserción de estos materiales proporciona un aspecto positivo para el País, ya que se
estaría aliviando en un porcentaje la demanda de agregados naturales, y la disminución gradual
de los mal llamados escombros en las calles de las diferentes ciudades, mejorando el entorno y
restableciendo en parte el medio ambiente (Castaño, et.al, 2013).
En el año 2013 en Brasilia, capital de Brasil, se realizó un estudio basado en el uso de
agregado reciclado en capas de base y revestimientos asfálticos, y aunque los resultados
esperados cumplieron finalmente con todos los requisitos establecidos por las normas brasileñas,
8
se recomendó limitar la cantidad de ladrillo y material cerámico en el RCD, ya que provocó la
quiebra de partículas durante el proceso de compactación de los agregados reciclados y esto evitó
la adherencia del material con el ligante asfáltico (Farias et al, 2013)
Basándose en los resultados experimentales, conclusiones y recomendaciones de las
investigaciones citadas anteriormente, se estableció enfocar este proyecto, en el análisis de la
fracción de concreto que se encuentra en los residuos de construcción y demolición (RCD). Para
esto se realizó una búsqueda de información bibliográfica que tuviera como objetivo determinar
las propiedades del agregado reciclado de concreto (ARC) en diferentes áreas de la ingeniería
civil.
Según Mills-Beale & You (2010), el ARC ha mostrado unos resultados prometedores cuando
empleado como agregado ordinario, agregado para base y agregado en concreto Portland en
Texas, California, Minnesota, Michigan y Virginia. Aademás las propiedades físicas, mecánicas
y químicas son poco diferentes a las del agregado natural, por esta razón, se requiere una extensa
investigación para verificar que este sea idóneo como agregado sostenible en la mezcla asfáltica
en caliente. La investigación de estos autores, se enfocó en analizar el comportamiento del ARC
dentro de la mezcla asfáltica para carreteras con bajo volumen de tránsito en Michigan. Los
autores hicieron ensayos de gravedad específica y absorción del agregado fino y grueso
partículas planas y alargadas en el ARC, determinación del porcentaje de partículas fracturadas
del agregado grueso. Los resultados obtenidos a partir de estos ensayos aprobaron la
especificación, concluyendo que el agregado reciclado de concreto es muy útil para ser
reemplazado en la mezcla asfáltica en caliente para carreteras donde las cargas de tránsito son
mínimas, además los resultados demostraron que la deformación permanente es poco probable
que suceda para tránsito bajo con la condición que el uso de ARC sea hasta el 75%, de no ser así,
el uso de un porcentaje mayor de ARC conllevará al fracaso de los criterios de las
especificaciones.
Según Pasandín & Pérez (2014) en los últimos años, el uso de agregados reciclados de
concreto, reemplazando la fracción gruesa en una mezcla asfáltica, se ha identificado como una
práctica viable. Los resultados obtenidos son alentadores a pesar de existir variabilidad en los
mismos, debido a la diversidad de combinaciones de materiales de ARC con agregados
convencionales y ligantes asfálticos. Los autores investigaron sobre el efecto del envejecimiento
en las propiedades primarias del asfalto de una mezcla en caliente que contienen ARC,
9
evaluando las propiedades volumétricas, la rigidez de la mezcla asfáltica en caliente y la
resistencia a la deformación permanente. Como conclusión de esa investigación determinó que la
absorción de ligante asfáltico aumentó con el contenido de ARC y el tiempo de envejecimiento.
Bojacá (2013) recopiló información bibliográfica con el objetivo de realizar una comparación
de los resultados experimentales obtenidos a través del trabajo de campo, utilizando agregados
reciclados de concreto para analizar sus propiedades físico mecánicas y su comportamiento a
través del tiempo, es decir la durabilidad. Como resultado se encontró que el agregado reciclado,
presenta mayor humedad de absorción, menor densidad, menor coeficiente de forma y menor
resistencia al desgaste en la máquina de los Ángeles y en el ensayo Micro Deval. En cuanto a la
durabilidad encontró que el agregado reciclado no produjo deterioro en las propiedades.
Según Cruz, J., Velásquez (2004) a partir de una aproximación genérica se puede hacer una
clasificación de RCD de acuerdo al tipo de actividad y objeto de la obra que los genera. El
primer tipo de RCD analizado por estos autores provino de demoliciones cuyos componentes
principales eran: mampostería, ladrillo, madera, hormigón, hierro, acero y tejas. El segundo tipo
de RCD proveniente de una construcción el cual tiene como componentes principales: tierras,
suelo, roca, hormigón, cerámicos, pavimentos, etc. Luego de comprobar las características físicas
y mecánicas del concreto reciclado, los autores concluyeron que las propiedades de rigidez,
durabilidad y trabajabilidad del concreto reciclado eran aceptables.
En Colombia aún no se cuenta con normas técnicas que regulen el uso de agregados
reciclados pero a pesar de ello algunas ciudades como Bogotá y Santiago de Cali tienen decretos
que reglamentan la disposición y el uso de estos agregados. Bogotá cuenta con la resolución
SDA de la secretaria de Medio Ambiente 01115 de 2012 la cual determina el tratamiento y
aprovechamiento de RCD y Cali con el decreto 0291 de 2005 por medio del cual se regula la
gestión integral de escombros tanto en las actividades de generación, recolección, transporte,
almacenamiento, aprovechamiento y disposición final (Embus & Quintero, 2015).
Alcalde & López (2015) estudiaron el uso de residuos de construcción y demolición
reciclados (RCD-R) con adición de suelo para su uso en la estructura de pavimento. Su objetivo
fue estudiar el comportamiento mecánico de las mezclas de RCD-R y suelo, tales como la
capacidad de soporte (CBR), la resistencia a la compresión uniaxial (USC) y el módulo de
resiliencia (MR). A partir de los resultados dedujeron que la adición de suelo al RCD-R afecta
negativamente el comportamiento resiliente del material analizado, esto se evidenció en los
10
valores del módulo los cuales disminuyeron, por lo que concluyeron que adicionar suelo por
encima del 25% para reemplazar la fracción fina del RCD-R no es conveniente.
11
3. MATERIALES Y MÉTODOS
Dado que el residuo de construcción y demolición tiene diferentes clasificaciones, dentro de
las cuales se cuentan los agregados mixtos y los agregados reciclados de concreto (ARC), esta
investigación se concentró en evaluar la inclusión de un ARC como reemplazo en la fracción
gruesa de una mezcla asfáltica densa (MDC-19) para la construcción de la capa de rodadura en
un pavimento flexible. Los métodos empleados para caracterizar los diferentes materiales
utilizados en este trabajo, tuvieron como base las normas establecidas en Colombia por el
Instituto Nacional de Vías (INVIAS, 2013). En los numerales siguientes se presentarán
detalladamente los diferentes procedimientos utilizados en el transcurso de este trabajo de grado.
3.1. Selección de material
Durante la investigación se emplearon dos agregados naturales para la preparación de la
mezcla convencional: grava y arena triturada proveniente de la Cantera Cachibí; el ligante
asfáltico fue proporcionado por ECOPETROL a través de Cachibí y para la mezcla fabricada con
agregado reciclado, se obtuvo un residuo de demolición de una obra localizada en el municipio
de Yumbo. En las secciones siguientes se presenta una descripción más detallada de los
materiales empleados.
3.1.1. Descripción de los materiales naturales
Los agregados pétreos, que durante el documento serán llamados como agregados
convencionales, utilizados en este trabajo de grado fueron proporcionados por Agregados y
Mezclas Cachibí S.A. Esos materiales son de origen volcánico y están constituidos por basaltos
de color gris oscuro. La grava, la arena triturada y el llenante mineral fueron extraídos de la
cantera “Cachibí”, ubicada en el municipio de Yumbo (Valle), La Figura 3-1 presenta la
disposición de los agregados en el patio de almacenamiento de la empresa Cachibí, proveedora
del agregado natural utilizado en este trabajo. El tamaño máximo de la grava para la composición
de la granulometría de la mezcla asfáltica densa fue de ¾”.
De otro lado, el ligante asfáltico 60-70 de la Refinería Barrancabermeja adscrita a
ECOPETROL, fue suministrado también por la empresa Cachibí. La ficha técnica del asfalto fue
proporcionada por la Refinería referida, los datos de caracterización son presentados en la
Tabla 3-1 y la curva reológica del material en la Figura 3-2.
12
Figura 3-1. Disposición del material en Agregados y Mezclas Cachibí S.A.
Tabla 3-1. Caracterización del asfalto 60-70, suministrado por Refinería Barrancabermeja.
Análisis Unidad Resultado Especificación Método
Curva reológica ASTM D4402
Viscosidad a 60°C cP 198000 Reportar ASTM D4402
Viscosidad a 80°C cP 18000 Reportar ASTM D4402
Viscosidad a 100°C cP 3171 Reportar ASTM D4402
Viscosidad a 135°C cP 337,5 Reportar ASTM D4402
Viscosidad a 150°C cP 182,5 Reportar ASTM D4402
Ductilidad cm 140 100 mínimo Asfalto Vent
Gravedad API/Gravedad específica en crudos
Gravedad API Grados API 7,2 Reportar ASTM D4052
Densidad a 15°C kg/m3 1019,6 Reportar ASTM D4052
Índice de penetración calculado
Penetración a 25°C (77F) mm/10 65 60 mínimo
70 máximo Asfalto Vent
Índice de penetración N/A -9 Reportar Asfalto Vent
Pérdida de masa (RTFOT) g/100g 0,30 1,0 máximo Asfalto Vent
Punto de ablandamiento °C 48,5 45 mínimo
50 máximo Asfalto Vent
Punto de inflamación °C 292 232 mínimo ASTM D9212
Solubilidad en tricloroetileno % 99,9 99 mínimo Asfalto Vent
cP= centi poises; N/A= no aplica
Figura 3-2. Curva Reológica para el asfalto 60-70, suministrada por Refinería Barrancabermeja.
100
1000
10000
100000
1000000
60 80 100 120 140 160
Vis
cocid
ad
(cP
)
Temperatura ( C)
13
3.1.2. Descripción del agregado reciclado de concreto
El ARC utilizado en este trabajo, fue obtenido durante la demolición de una estructura de
concreto que se encontraba parcialmente enterrada y que fue encontrada durante el movimiento
de tierras de la obra del Centro de Desarrollo Integral del municipio de Yumbo, localizada en la
carrera 16N con Carrera 2N del municipio de Yumbo, la Figura 3-3 muestra la ubicación exacta
del lugar donde fueron tomados los residuos de demolición que posterior a un proceso de
trituración fueron transformados en agregados reciclados.
Figura 3-3. Ubicación del sitio de muestreo del RCD. (tomado de Google maps, 18-05-2016)
El material fue fraccionado en el sitio de obra en pedazos de aproximadamente 10 cm de
diámetro y fue transportado desde el municipio de Yumbo hasta la planta de trituración
SERVINDCO SAS en la ciudad de Cali. En el campo se pudo observar que el material reciclado
estaba compuesto en mayor proporción por concreto y acero por lo que fue catalogado como
agregado reciclado de concreto (ver Figura 3-4). Las muestras se recolectaron en costales de
aproximadamente 30 kg, un total de 250 kg. El residuo fue transportado a la planta de trituración
donde se graduó la abertura de las mandíbulas para que el tamaño de salida del material fuera 1”.
La Figura 3-5 presenta la trituradora de mandíbulas empleada para llevar al material a la
gradación estipulada por el artículo 450 de las especificaciones técnicas del INVIAS, el cual
establece en la tabla 450-6 que el tamaño máximo nominal de una mezcla densa en caliente
(MDC-19), es ¾” o 19 mm.
Sitio de
muestreo
14
Una vez triturado, el agregado reciclado fue transportado al laboratorio de Ingeniería Civil de
la Pontificia Universidad Javeriana Cali (PUJ) donde el material fue extendido en el patio de
mezclas y homogenizado. Mediante un tamizado inicial, fueron separadas las fracciones
superiores a ¾”, esto con el fin de garantizar el tamaño máximo requerido por la norma referida
anteriormente.
Figura 3-4. Residuo de construcción y demolición en el lugar de muestreo.
Figura 3-5. Trituradora de mandíbula SERVINDCO SAS.
La Figura 3-6 presenta el agregado reciclado dispuesto en el laboratorio, la Figura 3-6a
presenta el material durante el proceso de homogenización de las muestras y la Figura 3-6b
presenta una fracción del agregado reciclado posterior al tamizado.
15
Figura 3-6. Agregado reciclado: a) homogenización de muestras en el laboratorio, b) agregado reciclado de
concreto posterior al tamizado.
3.2. Caracterización física de los agregados
A continuación se presentan los ensayos que se llevaron a cabo en el laboratorio de
Ingeniería Civil y de Mezclas de la Pontificia Universidad Javeriana para la caracterización física
de los materiales naturales y del concreto reciclado, para ser empleados en la carpeta asfáltica
con base a las especificaciones técnicas para materiales definidas por el Instituto Nacional de
Vías (INVIAS, 2013).
3.2.1. Análisis granulométrico de los agregados
La norma INV E-213-13 es un método cuantitativo para determinar la distribución de los
tamaños de las partículas de los agregados gruesos (natural y reciclado) y finos. Por medio de la
disposición de tamices de diferentes aberturas los cuales son organizados en orden decreciente.
El material en análisis es pesado y posteriormente ubicado en el tamiz con mayor abertura
enseguida, sometido a agitación por un período no inferior a 10 minutos esto con el fin de
facilitar la separación de las diferentes fracciones del agregado. La curva granulométrica se
establece a partir de los pesos retenidos en cada tamiz empleado durante el ensayo.
3.2.2. Límites de Atterberg
Los límites de Atterberg sirven para determinar la consistencia de los materiales finos a partir
del contenido de agua. Albert Atterberg, estableció los cuatro estados (sólido, semisólido,
plástico y líquido) para establecer la deformación del suelo según su humedad como se muestra
en la Figura 3-7.
Para el límite líquido se utilizó una masa aproximada de 250 g que pasa el tamiz No. 40, se
mezcló con agua para ablandar la fracción fina y se utilizó el aparato de Casagrande para
encontrar su consistencia, como se especifica en la norma INV E-125-13. El límite plástico del
a) b)
16
material fue determinado con la norma INV E-126-13. Estos estados son unas de las propiedades
para la caracterización fina del suelo y permiten su caracterización.
Figura 3-7. Límites de Atterberg. (Das, 2006).
3.2.3. Gravedad específica y absorción
Este ensayo se llevó a cabo para determinar la densidad relativa y la absorción de los
agregados gruesos y finos como lo indican las normas INV E 223-13 e INV E 222-13,
respectivamente. La variabilidad de los resultados depende de algunas variables como la
composición del material, el tamaño de las partículas, etc.
Para el material fino el procedimiento consistió en tomar 500 g de la muestra, se llevó al
horno a una temperatura de 110°C por aproximadamente 24 horas después de este tiempo, el
material fue enfriado al aire hasta alcanzar temperatura ambiente, luego fue sumergido en agua
durante 24 horas con el fin de saturar completamente los poros de la muestra. El exceso de agua
fue retirado y la muestra fue secada al aire.
Se utilizó la prueba del cono para comprobar que las partículas finas estuvieran entre estado
saturado y superficialmente seco. El procedimiento consiste en poner el agregado fino dentro del
cono en tres capas de 25 golpes cada una, con la ayuda de un pistón para compactar la muestra,
la Figura 3-8 presenta la muestra agregado fino de ARC dentro del cono después del
procedimiento descrito. Posterior al proceso de compactación, el cono es retirado, si el material
fluye, se considera que la muestra está saturada superficialmente seca. La Figura 3-8b muestra el
material después de la elaboración del ensayo.
17
Figura 3-8. Ensayo de gravedad específica y absorción para el agregado fino: a) Muestra de agregado fino dentro
del cono, b) Muestra de agregado fino después del ensayo.
Adicional a lo anterior, se realizó un procedimiento gravimétrico donde se tomaron tres
muestras del mismo material del ensayo de cono distribuidas equitativamente en las probetas,
con la finalidad de obtener un valor promedio más exacto, se sumergió en agua durante 24 horas
y se procedió a secar el material para determinar su masa en estado superficial. Después, se
utilizó el picnómetro donde se incorporó la muestra con agua para expulsar los vacíos y
finalmente se ingresó la muestra al horno a 110°C. Los cálculos se determinan con base a las
siguientes expresiones:
𝐺𝑠𝑏 =𝐴
𝐵 + 𝑆 − 𝐶 (3-1)
𝐺𝑠𝑏 𝑠𝑠𝑠 =𝐵
𝐵 + 𝑆 − 𝐶 (3-2)
𝐺𝑠𝑎 =𝐴
𝐵 + 𝐴 − 𝐶 (3-3)
% 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 =(𝑆 − 𝐴)
𝐴× 100 (3-4)
donde;
𝐺𝑠𝑏: Gravedad especifica de bulk;
𝐺𝑠𝑏 𝑠𝑠𝑠: Gravedad especifica bulk saturada;
𝐺𝑠𝑎: Gravedad específica aparente;
%Absorción: Porcentaje de absorción;
A: Masa al aire de la muestra seca al horno;
B: Masa del picnómetro aforado lleno de agua;
C: Masa total del picnómetro aforado con la muestra y lleno de agua;
S: Masa de la muestra saturada y superficialmente seca.
a) b)
18
En el caso del agregado grueso, se tomó una muestra de 400g superior al tamiz No.4, se lava
previo al secado en el horno y se realizó el mismo procedimiento del agregado fino. Con las
expresiones que se presentan a seguir, fue posible establecer la gravedad específica de bulk
(𝐺𝑠𝑏), la gravedad especifica bulk saturada (𝐺𝑠𝑏 𝑠𝑠𝑠), la gravedad específica aparente (𝐺𝑠𝑎) y el
porcentaje de absorción (%Absorción):
𝐺𝑠𝑏 =𝐴
𝐵 − 𝐶 (3-5)
𝐺𝑠𝑏 𝑠𝑠𝑠 =𝐵
𝐵 − 𝐶 (3-6)
𝐺𝑠𝑎 =𝐴
𝐴 − 𝐶 (3-7)
%𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 =(𝐵 − 𝐴)
𝐴× 100 (3-8)
donde;
A: Masa al aire de la muestra seca al horno;
B: Masa de la muestra de ensayo en la superficie saturada seca en el aire;
C: Masa aparente de la muestra de ensayo saturada en agua, g.
3.2.4. Peso unitario de agregados compactados y sueltos
Por medio de la norma INV E-217-13, se establece el método para determinar el peso
unitario, en el caso de los agregados gruesos en condición compactada por apisonado para la
muestra con tamaño máximo nominal ¾”. El agregado se secó en el horno a 110°C durante 24
horas, luego se colocó en un recipiente y se armaron tres capas aproximadamente de igual
medida, con la varilla se procedió a dar 25 golpes por cada capa de manera distribuida. Al
terminar de compactar las capas se enrasó la superficie y se pesó para hallar la masa del
recipiente lleno. Para calcular la densidad bulk del agregado apisonado se utiliza la siguiente
expresión:
𝑀 =𝐺 − 𝑇
𝑉 (3-9)
donde:
M: Densidad bulk del agregado;
G: Masa del agregado más el recipiente de medida;
T: Masa del recipiente de medida;
19
V: Volumen del recipiente de medida.
Se calculan los vacíos del agregado como se muestra a continuación:
%𝑣𝑎𝑐í𝑜𝑠 =(𝑆 × 𝜌𝑊) − 𝑀
𝑆 × 𝜌𝑊
× 100 (3-10)
donde:
S: Gravedad especifica bulk determinada según la norma INV-223;
M: Densidad bulk de los agregados;
𝜌𝑊: Densidad del agua.
3.2.5. Equivalente de arena
Para determinar las proporciones de polvo y material arcilloso presentes en los suelos finos
se utilizó la norma INV E-133-13. Este ensayo pretende determinar un valor mínimo de
equivalente de arena con el fin de restringir los finos nocivos en el agregado. Se tomó una
muestra de 1500 g pasante del tamiz No.4, la fracción se agregó al cilindro plástico con la
solución floculante, se agitó para que se liberen las partículas de arcilla o polvo y se dejó reposar
la muestra por 20 minutos y luego se procede a hacer las lecturas de arcilla y arena con ayuda de
una zapata metálica.
El ensayo realiza para tres probetas y se toma las lecturas de arena y de arcilla, se procede a
definir el EA con la siguiente ecuación y se hace un promedio entre ellas para obtener un valor
más exacto.
𝐸𝐴 =𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎
𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎× 100 (3-11)
3.2.6. Determinación de la limpieza superficial del agregado grueso
La limpieza superficial de los agregados gruesos utilizados en la construcción de carreteras
se debe determinar mediante la norma INV E-237-13, la cual establece las impurezas que se
adhieren a las partículas de los materiales naturales o artificiales. Haciendo uso de los tamices
No.4 y No.35, se lavó el material con el fin de separar las partículas menores de 0,5 mm
adheridas a la superficie de las partículas. La fracción que queda retenida en ambos tamices se
recupera en un recipiente y se seca en el horno a 110°C. Luego, el agregado seco es tamizado
sobre el No.35 y se procede a calcular la humedad (w), la masa seca (𝑀𝑠𝑒), las impurezas de la
porción (I) y el coeficiente de limpieza superficial como se muestra a continuación:
20
𝑤 =𝑀ℎ − 𝑀𝑠
𝑀𝑠
(3-12)
𝑀𝑠𝑒 =𝑀ℎ𝑒
1 + 𝑤 (3-13)
𝐼 = 𝑀𝑠𝑒 − 𝑚 (3-14)
𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑚𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =𝐼
𝑀𝑠𝑒
× 100
(3-15)
donde;
𝑀ℎ: Masa húmeda de la muestra;
𝑀𝑠: Masa constante secada en el horno;
𝑀ℎ𝑒: Porción de la muestra de ensayo;
m: Masa seca de las partículas inferiores a 500µm.
3.2.7. Sanidad de los agregados pétreos
Los agregados pétreos sufren cambios en sus propiedades al soportar la intemperie cuando se
encuentran en servicio. Por ende, se requiere conocer la resistencia de los materiales naturales y
ARC bajo la acción de la temperatura, la precipitación, la humedad, etc. El método de ensayo se
encuentra descrito de forma detallada en la norma INV E-220-13, la cual especifica la masa de
los agregados como se muestra en la Tabla 3-2.
Tabla 3-2. Composición de los materiales para el ensayo de sanidad. INV E-220
Agregado Tamiz Masa (g)
Grueso 3/4"-1/2" 670
1/2"-3/8" 330
Fino
No 4 100
No8 100
No16 100
No30 100
La Figura 3-9a muestra una fracción del agregado grueso antes de ser expuesto a una
solución de sulfato de sodio durante un período entre 16 y 18 horas y se almacenaron en el cuarto
húmedo con el fin de mantener una temperatura de 21°C en el estado de inmersión.
Posteriormente, se sacaron las fracciones de la solución para secarlas en el horno a 110°C (ver
Figura 3-9b). El proceso de inmersión y secado de las muestras se repitió hasta completar 5
ciclos.
21
Figura 3-9. Fracciones gruesas de ARC durante el ensayo de Sanidad: a) Antes del ataque químico,
b) Durante el ataque químico.
Cuando se finalizaron los ciclos, se lavaron las fracciones para retirar los residuos de sulfato
de sodio y se secaron las muestras en el horno hasta obtener una masa constante. A partir de ello,
se calculan los valores de pérdidas. Según la Tabla 450-3 del Artículo 450 de INVIAS, los
agregados deben tener una durabilidad al sulfato de sodio menor o igual a 18%.
3.2.8. Resistencia al desgaste en máquina de los Ángeles
La norma INV E-218-13 presenta el procedimiento para medir la resistencia a la abrasión de
los agregados gruesos con tamaño menor a 1½” por medio de la máquina de los Ángeles como se
muestra en la Figura 3-10.
Figura 3-10. Máquina de los ángeles. Laboratorio de mezclas PUJ Cali.
Según el tamaño máximo nominal del agregado se determina cuál es el tipo de granulometría
para determinar el número de esferas a utilizar en el ensayo. En este caso el tamaño máximo
nominal de los agregados es de ¾”, por tanto, el tipo de granulometría correspondiente es la
a) b)
22
clase A, el número de esferas a usar en el ensayo es de 12 y la masa de la carga es de 5000 g. El
porcentaje de pérdida se presenta en la siguiente ecuación:
% 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 =𝑃1 − 𝑃2
𝑃1
× 100 (3-16)
donde;
𝑃1: Masa de la muestra seca antes del ensayo;
𝑃2: Masa de la muestra seca después del ensayo, previo lavado sobre el tamiz No.12.
3.2.9. Resistencia al desgaste por medio del Micro-Deval
El procedimiento que establece la INV E-238 sirve para determinar la pérdida por abrasión
de agregados gruesos en presencia de agua por medio del aparato de Micro Deval (ver Figura
3-11), el cual utiliza 5000 g de esferas de acero como carga abrasiva.
Figura 3-11. Aparato de Micro Deval. Laboratorio de mezclas PUJ Cali.
La masa correspondiente a cada fracción de tamiz para los agregados gruesos y finos se
muestra en la Tabla 3-3.
Tabla 3-3. Peso inicial de las fracciones de los agregados para ensayo de Micro Deval (INV E-238-13).
Agregado Tamiz
(retenido-pasa)
Abertura tamiz
(mm) Masa (g)
Grueso
3/4"-5/8" 19-16 375
5/8"-1/2" 16-12,5 375
1/2"-3/8" 12,5-9,5 750
Fino
No.4-No.8 4.75-2.36 50
No.8-No.16 2.36-1.18 125
No.16-No.30 1.18-600 125
No.30-No.50 600-300 100
23
Agregado Tamiz
(retenido-pasa)
Abertura tamiz
(mm) Masa (g)
No.50-No.100 300-200 75
No.100-No.200 200-100 25
Al determinar su masa final, se procede a calcular el porcentaje de perdidas como se muestra:
% 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 =𝐴 − 𝐵
𝐴× 100 (3-17)
donde;
A: Masa inicial de la fracción;
B: Masa final de la fracción.
3.2.10. Partículas alargadas y aplanadas
En algunos casos para la construcción de vías, las partículas planas o alargadas de agregados
gruesos afecta la colocación, compactación y el comportamiento en servicio del material, no
obstante, el ensayo establecido en la norma INV E-240-13, determina la proporción de las
partículas planas y/o alargadas haciendo uso de un dispositivo de calibración. De esa forma se
logra verificar el cumplimiento de las especificaciones según la tabla 450-3, del artículo 450 del
INVIAS, (2013). Para el ensayo se tomó una masa mínima de 5 kg siendo el tamaño máximo
nominal de ¾”, se pasaron las partículas del agregado grueso por las aberturas del dispositivo y
al finalizar el ensayo se registró la masa de las partículas que se retuvieron en el calibrador para
el índice de alargamiento y la masa de las partículas que pasaron por el calibrador para el índice
de alargamiento.
3.2.11. Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
Las superficies de las partículas del agregado grueso pueden estar quebradas por naturaleza o
por la trituración, de este modo, la norma INV E-227-13 pretende determinar el porcentaje de
partículas con caras fracturadas. Este procedimiento establece requisitos con el fin de
proporcionar estabilidad en los agregados, y mayor fricción y textura a los agregados usados en
la construcción de capas de rodadura. Se utiliza un cuarteador para obtener la muestra de las
partículas quebrantadas como se muestra en la Figura 3-12.
24
Figura 3-12. Agregado grueso haciendo uso del Cuarteador. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali.
Para un tamaño máximo nominal de 19 mm (3/4”) se deben tomar como mínimo 1500g de
cada material y hacer el cálculo correspondiente:
𝑃 =𝐹
𝐹 + 𝑁× 100 (3-18)
donde;
P: Porcentaje de partículas con el numero especificado de caras fracturadas;
F: Masa o número de partículas fracturadas con, al menos, el número de caras fracturadas
especificado;
N: Masa o número de partículas en la categoría de no fracturadas que no cumplen el criterio
de partículas fracturadas.
3.2.12. Peso específico del llenante mineral
Se debe definir la gravedad específica del llenante mineral de las mezclas asfálticas como se
especifica en la norma INV E-128-13 empleando un balón volumétrico o picnómetro.
Se realizó el ensayo para tres probetas con una masa total de 250 g de material fino o pasante
N 200 el cual fue repartido equitativamente en los picnómetros y se procedió a llenarlos con agua
hasta una tercera parte del frasco volumétrico. Con el fin de retirar los vacíos de la mezcla agua –
llenante, se empleó una bomba de vacíos durante 30 minutos, el montaje del ensayo puede
observarse en la Figura 3-13, luego se completaron los picnómetros con agua desairada hasta la
marca flotante de los mismos.
25
Figura 3-13. Picnómetros. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali.
A partir de ello, se calculó el peso específico con la fórmula
𝐺𝑚𝑚 =𝐴
𝐴 − (𝐶 − 𝐵) (3-19)
donde:
𝐺𝑚𝑚: Gravedad especifica máxima de la mezcla;
𝐴: Masa en el aire de la muestra seca medida en gramos;
𝐵: Masa del picnómetro sumergido en agua medida en gramaos;
𝐶: Masa del recipiente con la muestra, sumergido en agua, en gramos.
3.2.13. Concentración critica del llenante mineral
La norma INV E-745-13, establece el procedimiento para determinar la concentración crítica
de llenante mineral por medio de una solución de kerosene con cloruro de calcio.
Se tomaron 100 g de llenante mineral el cual fue secado en el horno a 110ºC, se deshidrató el
kerosene utilizando cloruro de calcio, se introdujo 15 cm3 de solución dentro de una probeta de
50ml y se adicionó la muestra de llenante mineral hasta alcanzar un volumen comprendido entre
8 y 12 cm3, finalmente se adicionó 5 cm3 de kerosene deshidratado como se muestra en la
Figura 3-14.
Después, se sometió la probeta a baño de agua en ebullición y se agitó para eliminar el aire.
Finalmente se dejó sedimentar durante 24 horas. La concentración crítica del llenante se halla
mediante la expresión:
𝐶𝑆 =𝑀
𝑉 × 𝐺𝑆
(3-20)
26
donde;
𝐶𝑆: Concentración critica del llenante;
M: Masa de la muestra de llenante empleada;
𝐺𝑆: Gravedad especifica del llenante mineral.
Figura 3-14.Probetas con la solución de kerosene y la adición de llenante mineral. Laboratorio de Mezclas de la
PUJ Cali.
3.3. Caracterización física del ligante
En la caracterización física del cemento asfáltico, se consideraron sólo algunos ensayos
debido a que no se tiene disponibilidad de equipos para caracterizarlo plenamente. Las
propiedades restantes fueron facilitadas por el proveedor del material y fueron presentadas en la
Tabla 3-1. Los ensayos de penetración, punto de ablandamiento y viscosidad se hicieron
considerando el estado en el que el asfalto fue recibido en el Laboratorio y fue sometido a un
proceso de envejecimiento a corto plazo en la estufa RTFOT, los ensayos fueron repetidos
después de dicho procedimiento.
3.3.1. Penetración
Se utilizó la norma INV E-706-13 con el fin de determinar la resistencia del ligante asfáltico
por medio de su consistencia. Se establece que las condiciones para el ensayo son temperatura
ambiente (25°C), una carga de 100 g y un tiempo de duración de 5 segundos.
Con el fin de indicar que tan dura o blanda es su contextura se realiza el promedio de las
penetraciones registradas haciendo uso del penetrómetro como se muestra en la Figura 3-15, el
cual mide las penetraciones por medio de una aguja de acero inoxidable.
27
Figura 3-15. Penetrómetro. Laboratorio de ingeniería civil de la PUJ Cali.
3.3.2. Punto de ablandamiento
Otra de las características del ligante es el punto de ablandamiento. Según la norma
INV E-712-13, consiste en tomar la temperatura en el intervalo de 30°C a 157°C utilizando el
aparato de anillo y bola, el cual se enseña en la Figura 3-16. La masa bituminosa es sumergida en
agua destilada (30°C a 80°C) y la temperatura final es medida en el instante en que se produce el
contacto con la placa de referencia.
Figura 3-16. Aparato de anillo y bola. Laboratorio de ingeniería civil de la PUJ Cali.
3.3.3. Viscosidad
Se determina la viscosidad del asfalto a una temperatura elevada, desde 60°C hasta más de
200°C, con el fin de comprobar su consistencia y manejabilidad usando el viscosímetro
28
rotacional y utilizando el procedimiento de ensayo de la norma INV E-717-13. Los valores
medidos en este procedimiento son utilizados para estimar las temperaturas apropiadas de
mezclado y compactación durante el diseño de la mezcla asfáltica en caliente. El equipo
empleado para la determinación de la viscosidad del ligante asfáltico fue un viscosímetro
rotacional el cual se presenta en la Figura 3-17.
Figura 3-17. Viscosímetro rotacional. Laboratorio de ingeniería civil de la PUJ Cali.
3.3.4. Envejecimiento del asfalto en película delgada en movimiento
El envejecimiento del ligante durante el servicio afecta la mezcla asfáltica por variables
climatológicas, como son el calor y el aire. La influencia de estos factores en las propiedades del
asfalto, se pueden medir utilizando la norma INV E-720-13, la cual consiste en utilizar una
lámina delgada de material asfáltico en movimiento donde es calentada durante 85 minutos en un
horno rotacional de alta temperatura (RTFOT) a 163°C. Esta permutación que sufre el material
por los efectos del calor y del aire, se ven reflejado a partir de cambios en los valores de los
ensayos físicos del ligante efectuados antes y después del tratamiento en el horno.
En la Figura 3-18, presenta las muestras de ligante asfáltico después del proceso de
envejecimiento en la estufa RTFOT.
Figura 3-18. Ligante asfáltico envejecido.
29
3.4. Obtención de la curva granulométrica de la mezcla
Una vez caracterizados los agregados convencionales, el agregado reciclado y el ligante
asfáltico, se procedió a combinar estos materiales en diferentes proporciones, con el objetivo de
determinar la mejor composición para lograr una mezcla densa en caliente MDC-19, teniendo en
cuenta las propiedades determinadas durante los ensayos de caracterización de cada material.
En la sección 3.2.1 se explicó el procedimiento utilizado para determinar la granulometría de
los cuatro materiales (grava, arena triturada, arena de río y llenante mineral). A partir de lo
anterior, se obtuvo la composición granulométrica de cada uno y así determinar una óptima
composición granulométrica para la mezcla asfáltica.
Se utilizó el método de ensayo y error (tanteo), el cual consistió en variar los porcentajes de
los diferentes agregados involucrados en la mezcla, dicho porcentaje combinado, fue obligado a
encuadrarse dentro de la franja granulométrica para una mezcla asfáltica MDC-19, con el
objetivo de tener una buena gradación como lo indica la especificación de la Tabla 450-6 del
artículo 450 (INVIAS, 2013).
Después de determinar la granulometría de la mezcla, se procedió a reemplazar el porcentaje
de ARC en la fracción gruesa de la mezcla entre 30, 50 y 75%.
3.5. Compactación Marshall
Se hicieron las combinaciones de materiales, como lo indica el ítem 3.4, las cuales fueron
utilizadas para la elaboración de los cuatro diseños de mezcla asfáltica, una mezcla convencional
MDC-19 y tres mezclas con porcentajes de 30, 50 y 75% de ARC en la fracción gruesa, variando
el porcentaje de asfalto de 4% a 7%, incrementando el contenido de ligante en 0,5%.
El procedimiento consistió en la fabricación de tres briquetas cilíndricas para cada porcentaje
de asfalto, y por cada mezcla empleada. Un total de 84 briquetas con 102mm (4”) de diámetro y
una altura nominal de 63,5 mm (21/2”), fueron compactadas.
Inicialmente, las fracciones de los agregados se calentaron en la estufa hasta alcanzar una
temperatura de 163°C, el ligante asfáltico fue calentado hasta una temperatura de 145°C, una vez
obtenidas ambas temperaturas requeridas se procedió a preparar la mezcla de los agregados con
el ligante asfáltico con el propósito de incorporar todos los materiales hasta obtener una mezcla
densa y alcanzar una temperatura de 135°C. A partir de ello, se procedió a compactar la mezcla
30
con el compactador Marshall utilizando un molde cilíndrico el cual fue calentado previamente a
163°C. Un compactador Marshall electromecánico (ver Figura 3-19) fue empleado para aplicar
75 golpes en cada cara de los cuerpos de prueba. Las temperaturas requeridas de compactación y
de mezclado se determinaron a partir de los resultados arrojados por el ensayo de viscosidad.
Figura 3-19. Martillo mecánico de compactación Marshall. Laboratorio mezclas de la PUJ Cali
Después de ser compactada la briqueta, se retira del molde y se dejan enfriar a temperatura
ambiente. Todos los cuerpos de prueba son pesados y medidas sus dimensiones haciendo uso del
aparato de pie de rey como se indica en la norma INVE-733-13 (ver Figura 3-20).
Figura 3-20. Medición con el pie de rey. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali.
31
3.6. Caracterización física de la mezcla asfáltica
Con el fin de determinar el comportamiento físico para los dos tipos de mezclas, es decir la
convencional y la que tiene un reemplazo del agregado grueso con ARC, se emplearon los
métodos utilizados en la evaluación de las propiedades de las mezclas como se presenta a
continuación:
3.6.1. Peso unitario de mezclas asfálticas compactadas
Se definen las densidades de las mezclas asfálticas compactadas por medio del método de la
norma INVE-733-13. Se debe calcular la gravedad específica bulk (Gmb), la cual constituye la
relación entre la masa de un volumen dado de material, y la masa de un volumen del agua
destilada. En la Figura 3-21 se muestra el montaje efectuado en el laboratorio con el fin de hacer
la medición de la propiedad referida en este numeral.
Figura 3-21.Peso unitario de mezclas asfálticas. Laboratorio mezclas de la PUJ Cali.
La gravedad específica de bulk es adimensional y se calcula mediante la ecuación (3-21):
𝐺𝑚𝑏 =𝐴
𝐵 − 𝐶 (3-21)
donde;
𝐴: Masa del espécimen seco en el aire, g;
𝐵 − 𝐶: Masa del volumen de agua correspondiente al volumen del espécimen a 25°C;
𝐵: Masa en el aire del espécimen saturado y superficialmente seco (SSS);
𝐶: Masa del espécimen sumergido en agua.
32
3.6.2. Peso específico teórico máximo de mezclas asfálticas
En la norma INV E-735-13 se esclarece el procedimiento para determinar la gravedad
específica máxima a 25°C de mezclas asfálticas para pavimentos. Se utiliza el picnómetro de
vacío ilustrado en la Figura 3-22 comúnmente conocido como ensayo Rice.
Figura 3-22. Picnómetro de vacío con el dispositivo de agitación. Laboratorio mezclas de la PUJ Cali.
La gravedad específica máxima de la mezcla es la relación entre una masa dada de material a
25°C y la masa de un volumen igual de agua a la misma temperatura. Para este ensayo se calculó
la gravedad específica máxima pesada dentro del agua con la ecuación (3-19) expresada en la
sección 3.2.12. La Tabla 3-4 presenta los pesos indicados en la norma INV E-735-13 para la
ejecución del ensayo, considerando el tamaño máximo nominal del agregado. En el caso de este
trabajo, la masa empleada fue 2500 g.
Tabla 3-4. Requisito para el tamaño de la muestra.
Tamaño máximo nominal del agregado (mm) Tamaño mínimo de la muestra (g)
37,5 mm (1 ½”) o mayor 5000
19 a 25 mm (3/4” a 1”) 2500
12,5 mm (1/2”) o menor 1500
3.6.3. Porcentaje de vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas
Este método de ensayo se encuentra descrito en detalle en la norma INV E-736-13 para
definir el porcentaje de vacíos ocupados por el aire en las mezclas asfálticas densas y abiertas
compactadas. En el caso de una mezcla asfáltica densa, los vacíos con aire deben ser menores de
10%. El porcentaje de vacíos con aire en la mezcla asfáltica compactada, respecto al volumen
total, puede ser calculado como sigue:
𝑉𝐴 = [1 −𝐺𝑚𝑏
𝐺𝑚𝑚
] × 100 (3-22)
33
donde;
𝑉𝐴: Porcentaje de vacíos con aire en la mezcla compactada respecto del volumen de la
probeta;
𝐺𝑚𝑚: Gravedad especifica máxima;
𝐺𝑚𝑏: Gravedad especifica bulk de espécimen compactado.
3.6.4. Análisis volumétrico de mezclas asfálticas compactadas en caliente
La norma INV E-799-13 proporciona los procedimientos para llevar a cabo el análisis
volumétrico de especímenes compactados de mezcla asfáltica en caliente.
La relación de las variables que se aplican en el análisis volumétrico de la mezcla
compactada y se especifican en la norma técnica mencionada, se muestra en la Figura 3-23.
Figura 3-23. Diagrama de componentes de una mezcla asfáltica compactada. INV E-799-13.
3.7. Caracterización mecánica de la mezcla asfáltica
La caracterización mecánica de las mezclas asfálticas se hizo mediante la metodología
Marshall, siguiendo el procedimiento propuesto en la norma INV E-748-13. Este procedimiento
permitió obtener briquetas cilíndricas para los diferentes porcentajes y concluir finalmente si es
posible o no emplear el ARC en mezclas asfálticas densas, y de ser factible cuál es el porcentaje
óptimo de agregado grueso a reemplazar.
Esta norma describe el procedimiento para determinar la resistencia a la deformación plástica
de especímenes de mezcla asfáltica para pavimentación, de manera que permite determinar la
estabilidad y el flujo, y se puede realizar análisis de densidad y vacíos.
34
Después de compactados, los 21 cuerpos de prueba de cada mezcla analizada fueron llevados
a inmersión en un baño María (ver Figura 3-24) donde permanecieron por un período de 30
minutos a una temperatura de 60°C como se observa en la Figura 3-24b, con el fin de simular las
condiciones naturales de la carpeta asfáltica en servicio.
Figura 3-24. Adecuación de los cuerpos de prueba para ensayo Marshall: a) Equipo de baño María,
b) Cuerpos de prueba en inmersión.
Pasados los 30 minutos en el baño María, se utilizó la prensa Marshall (ver Figura 3-25a)
donde los cuerpos fueron sometidos a compresión (ver Figura 3-25b) hasta alcanzar la ruptura
con el fin de medir estabilidad y flujo (Figura 3-25c). La velocidad de aplicación de carga en el
ensayo equivale a un desplazamiento vertical uniforme de (2”/min).
Figura 3-25. Ensayo de estabilidad y flujo. Laboratorio de mezclas de la PUJ Cali: a) Prensa Marshall.
b) Ruptura del cuerpo durante el ensayo Marshall c) Especímenes después del ensayo Marshall.
3.8. Método de diseño para pavimentos flexibles AASTHO-93
Dentro de los objetivos de este trabajo de grado, se contempló hacer el diseño de un
pavimento flexible utilizando materiales convencionales y el ARC aquí analizado para la
conformación de la carpeta asfáltica. El cálculo de la estructura se hizo forma manual, mediante
a) b)
a) b)
c)
35
la programación del modelo en una hoja de cálculo del programa Excel®. Para el diseño, fue
adoptado el método empírico American Association of State Highway and Transportation
Officials (ASSTHO, 1993) definido mediante la expresión a seguir:
𝑙𝑜𝑔10 𝑊𝑡18 = 𝑍𝑅 × 𝑆0 + 9,6 × 𝑙𝑜𝑔10 (𝑆𝑁 + 1) − 0,20 +𝑙𝑜𝑔10 [
∆𝑃𝑆𝐼4,2 − 1,5
]
0,40 +1094
(𝑆𝑁 + 1)5,19
+ 2,32 × 𝑙𝑜𝑔10 𝑀𝑅 − 8,07 (3-23)
donde;
𝑊𝑡18: Número de aplicaciones de carga equivalentes de 80 kN acumuladas en el período de
diseño (n);
𝑍𝑅: Valor desviador en una curva de distribución normal, función de confiabilidad de diseño
(R o grado de confiabilidad en que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas reales
aplicadas sobre el pavimento;
𝑆0: Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las estimaciones de
tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio;
∆𝑃𝑆𝐼: Pérdida de serviciabilidad (condición de servicio) prevista en el diseño;
𝑀𝑅: Módulo de resiliencia de la subrasante y de las capas de base y sub-base granular,
obtenido a partir de ensayos de módulo de resiliencia aplicados sobre los materiales empleados
en el diseño;
𝑆𝑁: Número estructural, o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las
condiciones (variables independientes) de diseño.
Los datos empleados en el diseño serán presentados en detalle en el capítulo 5.
36
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
En este capítulo se presentan los resultados de los ensayos de caracterización de los
diferentes materiales empleados en este trabajo. Para los agregados naturales, el agregado
reciclado y el ligante asfáltico, se utilizaron procedimientos estandarizados por el INVIAS y con
base en las especificaciones técnicas de ese Instituto se determinó, la factibilidad del uso del
ARC evaluado en una mezcla asfáltica densa tipo MDC-19.
Una vez realizada esta caracterización se procedió a la combinación de estos materiales con
el fin de determinar la mejor composición para lograr una adecuada mezcla asfáltica. Para esto,
se remplazó parcialmente el agregado grueso con ARC en porcentajes del 30, 50 y 75% como se
describió previamente. La caracterización mecánica de la mezcla asfáltica se realizó mediante la
metodología Marshall, siguiendo el procedimiento propuesto en la norma INV E-748 (INVIAS,
2013). Por último, se presentará una comparación entre las propiedades de la mezcla asfáltica
fabricada con agregados convencionales y la mezcla fabricada con ARC.
4.1. Caracterización física de los agregados
Los ensayos realizados para caracterizar los agregados gruesos y finos empleados durante el
desarrollo de este trabajo, hacen parte de los procedimientos recomendados por el Instituto
Nacional de Vías para aceptar la calidad de los materiales en la fabricación de mezclas asfálticas.
Dentro de ese grupo de ensayos se encuentran: análisis granulométrico, gravedad específica,
absorción, equivalente de arena, desgaste por abrasión, entre otros. A continuación, se presentan
los resultados de los ensayos de caracterización física de los materiales convencionales y del
ARC.
4.1.1. Análisis granulométrico de los agregados
La curva granulométrica adoptada para la compactación de las briquetas de las diferentes
mezclas fue obtenida a través de ensayo y error como explicado en el numeral 3.4. La Tabla 4-1
presenta los porcentajes de cada material empleado en la mezcla convencional y sus respectivas
fracciones. La Figura 4-1, muestra la curva granulométrica utilizada para la fabricación de las
mezclas convencionales y con reemplazo parcial de ARC en la fracción gruesa. En la referida
figura se observa que la curva granulométrica seleccionada para análisis, se encuentra dentro de
37
la franja granulométrica establecida por el INVIAS, la cual se determinó variando los porcentajes
en los que cada material es involucrado como parte de la mezcla asfáltica.
La curva granulométrica de la mezcla es bien gradada, uniforme, con un coeficiente de
uniformidad 𝐶𝑢 = 60 y un coeficiente de curvatura de 𝐶𝑐 = 1,67.
Tabla 4-1. Combinación granulométrica de los materiales
Tamiz Diámetro
(mm)
% Pasa
grava 1
% Pasa
grava 2
% Pasa
arena
triturada
% Pasa
arena de
río
% Pasa
llenante
mineral
% Pasa
combinado
3/4" 19 15,00 35,00 30,00 15,00 5,00 100
1/2" 12,5 15,00 24,15 30,00 14,89 5,00 89
3/8" 9,5 15,00 10,40 30,00 14,57 5,00 75
No. 4 4,75 4,23 0,59 28,44 13,67 5,00 52
No. 10 2 0,47 0,53 19,09 11,89 5,00 37
No. 40 0,425 0,37 0,52 10,75 5,49 4,79 22
No. 80 0,18 0,34 0,51 7,43 0,68 4,15 13
No. 200 0,075 0,30 0,46 4,36 0,21 3,09 8
TOTAL 15% 35% 30% 15% 5% 100%
Figura 4-1. Curva granulométrica de la mezcla.
4.1.2. Límites de Atterberg
Este ensayo se realizó siguiendo el procedimiento de la norma INV E-125-13 y INV E-126-
13 descritos en el numeral 3.2.2.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,010,1110
% P
asa
Tamaño de las particulas (mm)
Franja Superior
Franja Inferior
Granulometría de la mezcla
38
El ensayo se hizo para la arena triturada y la arena de río. Mediante este ensayo se determinó
que los materiales no presentan límite líquido ya que no permite una buena disposición del
material en el método de Casagrande, de igual forma se determina que no presenta limite
plástico.
4.1.3. Gravedad específica y absorción
Para la ejecución de este ensayo se siguió el procedimiento de la norma INV E-233-13
descrito en el numeral 3.2.3 del presente documento. Se realizaron 3 ensayos para cada material
con el fin de obtener un valor promedio más exacto como se muestra en la Figura 4-2.
Figura 4-2. Gravedad específica de los agregados. a) gravedad especifica de la arena triturada. b) gravedad
especifica del llenante mineral
Los resultados de los ensayos de gravedad específica y absorción para los diferentes
agregados empleados durante este trabajo son presentados en la Tabla 4-2. En estos resultados es
posible observar que el ARC posee una gravedad específica menor que los otros agregados
empleados y que adicionalmente, el porcentaje de absorción es ostensiblemente mayor que el de
los agregados pétreos convencionales
Tabla 4-2. Gravedad específica y absorción de los agregados.
Material Gravedad específica
(Gs)
Gravedad específica
saturada(Gsb sss)
Gravedad específica
aparente (Gsa) % de absorción
ARC 2,25 2,42 2,73 7,12%
Grava 2,83 2,88 2,97 1,67%
Arena Triturada 2,90 2,94 3,01 1,32%
Arena de río 2,67 2,70 2,75 1,28%
Llenante 2,70 - - -
a) b)
39
En la Tabla 4-3 se presenta una comparación entre los resultados obtenidos para los
diferentes materiales empleados.
Tabla 4-3. Comparación gravedad específica y absorción agregado natural y ARC.
Propiedad Agregado grueso natural ARC Variación %
Gravedad especifica (Gs) 2,83 2,25 -20
Gravedad especifica saturada (gsb sss) 2,88 2,42 -16
Gravedad especifica aparente (gsa) 2,97 2,73 -8
% De absorción 1,67% 7,12% 328
Según los datos relacionados en la Tabla 4-3, se observa que la gravedad específica del ARC
fue un 20% menor que la del agregado natural. La gravedad específica saturada del ARC fue un
16% menor que la del agregado natural. De otro lado, la gravedad específica aparente fue un 8%
menor que a la del agregado natural.
La humedad de absorción para el agregado grueso reciclado (ARC) fue 3 veces mayor que la
obtenida para el agregado grueso natural, esta variación también se puede observar según
(Bojacá, 2013), donde obtuvo un porcentaje de absorción de 7,8% para su material reciclado, de
igual forma que (Embus & Quintero, 2015) cuyo porcentaje de absorción del agregado grueso
reciclado fue del 7,7% Esta variación de resultados se puede asociar con una elevada porosidad
que tienen las partículas de concreto y esto posiblemente es ocasionado por la alta relación agua
cemento (A/C) y un bajo grado de hidratación.
4.1.4. Equivalente de arena
Para este ensayo se tomaron 3 muestras de arena triturada y 3 muestras de arena de río como
se muestra en la Figura 4-3, a fin de someterlas al seguimiento de la metodología de la norma
INV E-133-13 descrita el numeral 3.2.5.
Las Tablas 4-4 y 4-5 presentan los resultados de equivalente de arena para los agregados
finos utilizados. El artículo 450 de la especificación técnica del INVIAS (2013), establece que el
equivalente de arena debe ser como mínimo el 50%. Según como se muestra en la Tabla 4-4, el
equivalente de arena de la arena triturada es de 34%, menor a lo especificado en la norma de
referencia indicando que este material puede tener fracciones de arcilla perjudiciales para el
40
pavimento asfáltico. Lo contrario ocurre con el resultado de la arena de río presentado en la
Tabla 4-5 cuyo equivalente de arena supera al mínimo requerido indicando que apenas el 8% del
material podría tener fracciones arcillosas contaminantes.
Figura 4-3. Equivalente de arena de los agregados finos.
Tabla 4-4. Resultados equivalente de arena para la arena triturada.
Probeta 1 2 3 Promedio %EA Valor referencia INVIAS
Lectura de arcilla (mm) 214 226 227
34 ≥50 Lectura de arena (mm) 75 78 77
Equivalente de arena (%) 35 35 34
Tabla 4-5: Equivalente de arena para la arena de río.
Probeta 1 2 3 Promedio %EA Valor referencia INVIAS
Lectura de arcilla (mm) 126,5 122 117,5
92 ≥50 Lectura de arena (mm) 114 110 113
Equivalente de arena (%) 90 90 96
4.1.5. Determinación de la limpieza superficial del agregado grueso
Para la ejecución de este ensayo si siguió el procedimiento de la norma INV E-237-13
descrito en el numeral 3.2.6.
41
En la
Tabla 4-6 se presentan los resultados del coeficiente de limpieza superficial de los agregados
gruesos. Según la Tabla 450-3 del Artículo 450, el valor referencia para un tránsito tipo 2 es de
máximo 0,5%, condición que no cumple para los agregados gruesos presentes en esta
investigación.
Tabla 4-6. Coeficiente de limpieza superficial.
Coeficiente de limpieza superficial
ARC GRAVA
1,69% 1,10%
4.1.6. Sanidad de los agregados pétreos
Este ensayo se realizó siguiendo el procedimiento de la norma INV E-220-13. De la
Tabla 4-7 a la Tabla 4-10 se presentan los resultados del ensayo de sanidad después de cinco
ciclos de inmersión y secado de las muestras en una solución de sulfato de sodio. En la Figura
4-4 se observa el proceso del ensayo.
Figura 4-4. Sanidad de los agregados.
Tabla 4-7. Sanidad del Agregado Reciclado de Concreto.
Fracciones Peso
inicial p1
(g)
Peso
después de
ensayo p2
(g)
% perdida Gradación
original
% perdida
corregida
Valor
referencia
INVIAS Pasa Retenido (p1-p2)/p1x100
1 1/2" 1 " 1017,1 1015,5 0,16% 45% 0,07%
≤18
1 " 3/4" 501,3 499,5 0,36% 45% 0,16%
3/4" 1/2" 670,8 668,6 0,33% 23% 0,08%
1/2" 3/8" 330,3 328,7 0,48% 23% 0,11%
3/8" No 4 300,5 298,6 0,63% 12% 0,08%
PERDIDA TOTAL CORREGIDA 0,50%
42
Tabla 4-8. Sanidad del agregado grueso natural.
Fracciones Peso
inicial p1
(g)
Peso después
de ensayo p2
(g)
% perdida Gradación
original
% perdida
corregida
Valor
referencia
INVIAS Pasa Retenido (p1-p2)/p1x100
3/4" 1/2" 672 669,6 0,36% 23% 0,08%
≤18 1/2" 3/8" 333,4 332,6 0,24% 23% 0,06%
PERDIDA TOTAL CORREGIDA 0,14%
Tabla 4-9. Sanidad de la arena triturada.
Fracciones Peso
inicial
p1 (g)
Peso después
de ensayo p2
(g)
% perdida Gradación
original
% perdida
corregida
Valor
referencia
INVIAS Pasa Retenido (p1-p2)/p1x100
3/8" No 4 100 96,3 3,70% 40% 1,48%
≤18
No 4 No8 100 93,5 6,50% 11% 0,72%
No8 No16 100 92,4 7,60% 17% 1,29%
No16 No30 100 91,8 8,20% 25% 2,05%
No30 No50 100 90,2 9,80% 26% 2,55%
PERDIDA TOTAL CORREGIDA 5,54%
Tabla 4-10. Sanidad de la arena de río.
Fracciones Peso
inicial p1
(g)
Peso
después de
ensayo p2
(g)
% perdida Gradación
original
% perdida
corregida
Valor
referencia
INVIAS Pasa Retenido (p1-p2)/p1x100
3/8" No 4 100,1 95,5 4,60% 40% 1,84%
≤18
No 4 No8 101,4 100,5 0,89% 11% 0,10%
No8 No16 101 96,4 4,55% 17% 0,77%
No16 No30 100,3 99,2 1,10% 25% 0,27%
No30 No50 101 100,2 0,79% 26% 0,21%
PERDIDA TOTAL CORREGIDA 2,98%
Según la Tabla 450-3 del Artículo 450 de INVIAS, (2013) los agregados deben tener una
durabilidad al sulfato de sodio menor o igual a 18. Los valores obtenidos con los materiales
satisfacen este límite de referencia.
4.1.7. Resistencia al desgaste en máquina de los Ángeles
El ensayo de desgaste por abrasión en la Máquina de los Ángeles se llevó a cabo siguiendo el
procedimiento de la norma INV E-218-13 descrito en el numeral 3.2.8. Los resultados de este
43
ensayo para los diferentes materiales empleados en este trabajo se presentan en las
Tablas 4-11 y 4-12.
Tabla 4-11. Resultados desgaste máquina de los Ángeles ARC.
PRUEBAS 1
Gradación usada A
No. de esferas 12
No. de revoluciones 500
Pa peso de la muestra seca antes del ensayo g 5034
Pb peso muestra seca después del ensayo y después de lavar sobre tamiz No. 12 ,g 2927
Pa- Pb = Perdida , g 2107,0
% Desgaste = (Pa - Pb)/ Pa x 100 42
Tabla 4-12. Resultados desgaste máquina de los Ángeles agregado grueso natural
PRUEBAS 1
Gradación usada B
No. de esferas 11
No. de revoluciones 500
Pa peso de la muestra seca antes del ensayo g 5014,1
Pb peso muestra seca después del ensayo y después de lavar sobre tamiz No. 12 ,g 4210
Pa- Pb = Perdida , g 804,1
% Desgaste = (Pa - Pb)/ Pa x 100 16
Según la Tabla 450-3 del Artículo 450 de INVIAS, el porcentaje máximo de desgaste en la
máquina de los Ángeles para capa de rodadura es del 25%. De este modo el ARC tiene un
porcentaje de desgaste muy elevado y no cumple con el valor referencia de la norma, esto se
debe a su baja resistencia y su alta porosidad en las partículas de concreto, a su vez el mortero de
las partículas se pierde al momento de la ejecución del ensayo según (Bojacá, 2013); a
diferencia del agregado natural que obtuvo un 16% de desgaste, valor que cumple con la norma.
4.1.8. Resistencia al desgaste por medio del Micro-Deval
El ensayo de desgaste por medio del Micro-Deval se llevó a cabo siguiendo el procedimiento
de la norma INV E-238-13 descrito en el numeral 3.2.9. Los ensayos se hicieron en las
fracciones estipuladas por la norma y los resultados son presentados en la Tabla 4-13.
44
Tabla 4-13. Resultados de desgaste por medio de Micro-Deval.
Material % perdida
ARC 31,6%
Grava 15,0%
Arena triturada 11,0%
Arena de río 12,0%
Según la Tabla 450-3 del Artículo 450 de INVIAS, (2013) el porcentaje máximo de desgaste
por medio del ensayo Micro-Deval es del 25% para materiales empleados en la capa de rodadura
del pavimento flexible. De forma general, los agregados naturales satisficieron el valor mínimo
requerido. De otro lado, concreto reciclado alcanzó un porcentaje de 31,6%, valor no permitido
por la norma, su alto desgaste se debe a la pérdida de mortero durante la ejecución del ensayo.
Valor similar fue reportado por Bojacá (2013) quien obtuvo un porcentaje de desgaste del 31%
para el concreto reciclado.
4.1.9. Partículas alargadas y aplanadas
Este ensayo se realizó siguiendo el procedimiento de la norma INV E-240-13, para las
partículas de agregado grueso reciclado y natural. La Figura 4-5 muestra el proceso del ensayo
Figura 4-5. Índice de alargamiento y aplanamiento de los agregados gruesos.
Tabla 4-14. Índice de alargamiento y aplanamiento del agregado natural y reciclado.
Material Índice aplanamiento Índice de alargamiento
ARC 17 11
GRAVA 3/4" 11 9
45
GRAVA 3/8" 3 13
El valor de referencia de la Tabla 450-3 del Artículo 450 de INVIAS indica que el porcentaje
de cada índice debe ser máximo el 10%. Según los valores obtenidos durante el ensayo y
presentados en la Tabla 4-14, es posible decir que el material reciclado no cumple con este
parámetro ya que el material ha sido triturado y a su vez presenta sensibilidad a la abrasión y a la
compactación lo que lo hace quebradizo.
4.1.10. Porcentaje de caras fracturadas en los agregados
Este ensayo se realizó siguiendo el procedimiento de la norma INV E-227-13 descrita
previamente en el capítulo 3. En la Figura 4-6 se observa la forma de las partículas del agregado
reciclado después de su proceso de trituración. Los resultados para la grava Cachibí y el
agregado reciclado se muestran en la Tabla 4-15.
Figura 4-6. Porcentaje de caras fracturadas
Tabla 4-15. Porcentaje de caras fracturadas de los agregados
ARC GRAVA
Peso inicial 1525,3 1513,2
Peso caras frac. 1510,2 1435,3
peso caras no frac 15,1 77,9
% de caras fracturadas 99% 95%
Según la Tabla 450-3 del Artículo 450 de INVIAS, el porcentaje mínimo de caras fracturadas
debe ser del 85%. Para el agregado natural como el concreto reciclado (ARC), el porcentaje de
caras fracturadas es alto y cumple con lo estipulado en la norma. Este alto porcentaje se debe a
que los materiales han sido llevados a un proceso de trituración lo cual genera la fractura de sus
partículas.
46
4.1.11. Concentración critica del llenante mineral
Para la ejecución de este ensayo se siguió el procedimiento de la norma INV E-745-13
descrito en el numeral 3.2.13. En la Tabla 4-16 se presentan los resultados obtenidos con el
petróleo deshidratado y este valor de concentración crítica se conoce como Cs, este valor permite
efectuar un control adicional sobre la fragilidad de la mezcla, en la Tabla 4-17 se presenta la
concentración real en volumen que se conoce como Cv el cual debe ser menor al valor de
concentración critica calculado, con el fin de evitar problemas de rigidez en el pavimento y se
presenta una comparación entre estos dos para cada porcentaje de asfalto de la mezcla asfáltica
convencional.
Tabla 4-16. Concentración crítica del llenante mineral.
Probeta Masa de la muestra (g) Volumen del sedimento (cm3) Gravedad especifica Cs
1 12,5 11 2,7 0,42
2 9,6 11,5 2,7 0,31
3 10,2 11 2,7 0,34
Promedio 0,36
Tabla 4-17. Relación entre la concentración real en volumen y la concentración critica.
% de asfalto A F CV Cv/Cs
4,0 3,60 1,78 0,33 0,92
4,5 4,21 1,77 0,30 0,83
5,0 4,67 1,76 0,27 0,76
5,5 5,18 1,75 0,25 0,71
6,0 5,66 1,74 0,24 0,66
6,5 6,19 1,73 0,22 0,61
7,0 6,65 1,72 0,21 0,57
4.2. Caracterización física del ligante
4.2.1 Penetración y punto de ablandamiento
Para la ejecución de este ensayo se siguió el procedimiento de la norma INV E 706-13 y
INV E-712-13, descritas en el numeral 3.3.1 y 3.3.2. Los resultados se presentan en la Tabla
4-18.
Según la Tabla 410-1 del Artículo 410 de INVIAS, los valores referencia para la penetración
de un asfalto 60-70 son como mínimo 60 mm/10 y como máximo 70 mm/10, para nuestro caso la
penetración del asfalto no envejecido es de 60 mm/10 el cual cumple con la norma, el resultado
47
para el asfalto envejecido debe ser mínimo el 50% del original, cuyo valor cumple para el
resultado del asfalto no envejecido que es de 34 mm/10.
Tabla 4-18. Penetración y punto de ablandamiento del asfalto
Análisis Unidad No envejecido Envejecido
Penetración mm/10 60 34
Punto de ablandamiento °c 49,1 56,6
El punto de ablandamiento debe estar entre 48 °C y 54 °C, el resultado obtenido es de
49,1 °C, valor que cumple con lo estipulado en la norma. El incremento del punto de
ablandamiento para el asfalto envejecido es de 7,5 °C, valor que cumple con la norma, ya que
esta menciona un incremento máximo de 9 °C.
4.2.2 Viscosidad
Este ensayo se realizó siguiendo el procedimiento de la norma INV E-717-13 descrito en el
numeral 3.3.3. En la Figura 4-7 se presentan los resultados de viscosidad proporcionados por el
proveedor del asfalto y los resultados obtenidos en el laboratorio para el asfalto envejecido y sin
envejecer.
Figura 4-7. Variación de la curva reolólogica del asfalto.
Como se observa en la Figura 4-7, la viscosidad aumenta cuando el asfalto ha tenido un
proceso previo de envejecimiento, el resultado de viscosidad para el asfalto no envejecido en el
48
laboratorio tiene un incremento del 36% respecto a la proporcionada por ECOPETROL, esto se
debe a los diferentes procesos de calentamiento que ha tenido es asfalto desde la planta de
producción hasta el destino de disposición. De igual forma se observa que la curva reolólogica
correspondiente al asfalto envejecido es mayor a las otras por su incremento en la viscosidad, lo
que es esperado.
4.3. Diseño Marshall convencional y con ARC
A partir de la Tabla 4-19 se presentan los resultados de las diferentes propiedades de la
mezcla asfáltica convencional y la mezcla con ARC hasta la Tabla 4-22, para cada uno de los
porcentajes de asfalto analizados como gravedades específicas, densidades, porcentajes de
vacíos, estabilidad, flujo, etc. Se observa que la gravedad específica bulk para la mezcla
convencional y para las mezclas con ARC, van disminuyendo a medida que el porcentaje de
ARC involucrado aumenta ya que se presentan mayor porcentaje de vacíos en el espécimen
analizado. Esta afirmación puede ser corroborada en los registros presentados en las tablas 4-19 a
4-22.
49
Tabla 4-19. Resultados diseño Marshall convencional
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida (N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
1
4,00
57,40
2,62
481,60 2,45 2438,26 15,62 6,79 56,52 14589,00 17273,38 2,32 7,43
2 63,00 500,00 2,42 2408,75 16,64 7,92 52,41 9464,00 9615,42 3,33 2,89
3 59,83 474,70 2,44 2431,28 15,86 7,06 55,50 10316,00 11440,44 3,69 3,10
promedio 60,08 2,433 2426,10 12776,41 3,11
1
4,50
60,00
2,59
475,00 2,43 2418,62 16,74 6,50 61,17 9023,00 9979,44 3,28 3,04
2 60,67 467,20 2,44 2435,74 16,15 5,84 63,85 7623,00 8263,33 3,35 2,47
3 60,83 481,50 2,45 2445,39 15,82 5,46 65,45 10238,00 11036,56 3,19 3,46
promedio 60,5 2,44 9759,78 3,27
1
5,00
60,50
2,58
476,40 2,45 2440,39 16,43 4,95 69,84 8267,00 9011,03 3,01 2,99
2 59,67 475,20 2,46 2452,64 16,01 4,48 72,03 9393,00 10473,20 3,26 3,21
3 61,67 489,40 2,45 2437,90 16,51 5,05 69,41 10577,00 11137,58 3,64 3,06
promedio 60,61 2,45 10207,27 3,31
1
5,50
59,87
2,55
477,10 2,48 2471,92 15,79 2,91 81,55 11285,00 12515,07 2,88 4,35
2 61,27 486,60 2,45 2443,12 16,77 4,04 75,89 9204,00 9802,26 3,50 2,80
3 61,00 477,50 2,44 2433,93 17,09 4,41 74,22 8395,00 9016,23 3,06 2,94
promedio 60,71 2,46 10444,52 3,50
1
6,00
59,50
2,53
441,60 2,46 2457,05 16,74 2,74 83,61 9764,00 10916,15 4,26 2,56
2 61,57 482,40 2,48 2468,32 16,36 2,30 85,95 10315,00 10892,64 4,06 2,68
3 60,17 474,30 2,48 2473,90 16,17 2,08 87,15 10232,00 11244,97 5,09 2,21
Promedio 60,41 2,47 11017,92 4,47
50
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida (N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
1
6,50
59,17
2,51
471,10 2,50 2491,12 16,04 0,51 96,83 12496,00 14132,98 3,69 3,83
2 59,80 474,30 2,50 2490,50 16,06 0,53 96,68 11871,00 13200,55 3,69 3,58
3 59,37 472,10 2,50 2489,02 16,11 0,59 96,33 13366,00 15023,38 3,12 4,82
promedio 59,44 2,50 14118,97 3,50
1
7,00
59,03
2,49
477,00 2,47 2458,43 17,58 1,12 93,62 9764,00 11072,38 4,26 2,60
2 59,60 476,10 2,47 2461,82 17,47 0,99 94,36 10315,00 11532,17 4,06 2,84
3 63,33 475,90 2,47 2460,34 17,52 1,05 94,03 10232,00 10292,35 5,09 2,02
promedio 60,66 2,47 10965,63 4,47
Tabla 4-20. Resultados diseño Marshall con 30% ARC
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida
(N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
1
4,00
65,17
2,55
515,10 2,27 2216,51 18,78 11,13 40,73 7926,00 7606,96 2,81 2,71
2 64,50 515,20 2,28 2231,06 18,24 10,54 42,20 10879,00 10631,89 2,66 4,00
3 66,33 526,80 2,26 2209,56 19,03 11,41 40,06 9568,00 8906,17 2,77 3,22
promedio 65,33 2,27 9048,34 2,74
1
4,50
64,50
2,51
512,10 2,30 2250,48 17,96 8,07 55,07 9078,00 8871,80 2,89 3,07
2 64,43 515,70 2,32 2269,25 17,28 7,30 57,73 10022,00 9794,35 2,90 3,37
3 64,67 516,60 2,30 2242,79 18,24 8,38 54,04 10304,00 10017,78 2,84 3,53
promedio 64,53 2,31 9561,31 2,88
1 5,00 64,50 2,50 521,70 2,33 2272,55 17,59 7,14 59,42 10788,00 10542,95 2,90 3,64
51
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida
(N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
2 64,50 513,70 2,33 2278,08 17,39 6,91 60,25 11229,00 10973,94 3,34 3,29
3 64,00 506,50 2,35 2292,91 16,85 6,31 62,58 12640,00 12515,22 2,75 4,55
promedio 64,33 2,33 11344,04 3,00
1
5,50
62,83
2,50
502,50 2,35 2294,05 17,25 5,92 65,69 11411,00 11627,81 2,88 4,04
2 63,67 509,10 2,34 2287,53 17,48 6,19 64,62 11636,00 11612,30 2,99 3,88
3 63,50 2,35 2293,19 17,28 5,95 65,54 9754,00 9785,62 2,70 3,63
promedio 63,33 2,35 11008,58 2,86
1
6,00
63,17
2,49
503,30 2,36 2309,43 17,13 5,08 70,36 12118,00 12254,26 2,80 4,37
2 63,17 507,20 2,36 2302,46 17,38 5,37 69,14 12516,00 12656,73 3,04 4,16
3 62,83 501,70 2,36 2304,53 17,31 5,28 69,49 10753,00 10957,31 3,00 3,65
Promedio 63,06 2,36 11956,10 2,95
1
6,50
62,17
2,47
498,70 2,36 2310,36 17,54 4,31 75,45 11308,00 11726,40 3,04 3,85
2 62,60 499,50 2,37 2314,09 17,41 4,15 76,15 12916,00 13264,73 3,13 4,23
3 62,33 501,40 2,38 2323,83 17,06 3,75 78,03 12905,00 13317,96 3,02 4,41
promedio 62,37 2,37 12769,70 3,07
1
7,00
62,83
2,41
502,90 2,37 2312,24 17,92 1,80 89,93 11710,00 11932,49 3,27 3,65
2 63,43 508,50 2,37 2315,98 17,78 1,65 90,75 12115,00 12154,28 3,43 3,55
3 62,83 505,00 2,37 2317,71 17,72 1,57 91,13 13530,00 13787,07 3,30 4,18
promedio 63,03 2,37 12624,61 3,33
52
Tabla 4-21. Resultados diseño Marshall con 50% de ARC
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida
(N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
1
4,00
68,17
2,57
535,60 2,22 2173,08 18,44 13,61 26,17 11597,00 10321,18 3,12 3,31
2 67,50 538,10 2,21 2155,90 19,08 14,30 25,08 9487,00 8590,70 2,74 3,13
3 67,83 531,80 2,20 2148,00 19,38 14,61 24,61 8853,00 7937,54 2,79 2,84
promedio 67,83 2,21 2,88
1
4,50
68,07
2,53
542,60 2,21 2158,91 19,39 12,79 34,03 9941,00 8869,17 3,41 2,60
2 66,83 526,60 2,24 2187,21 18,34 11,65 36,46 10921,00 10038,46 3,13 3,21
3 67,67 539,20 2,24 2183,94 18,46 11,78 36,17 12693,00 11436,91 2,87 3,99
promedio 67,52 2,23 3,13
1
5,00
64,93
2,49
509,80 2,28 2224,60 17,38 8,69 50,02 12830,00 12377,19 3,92 3,16
2 66,17 526,30 2,25 2196,81 18,41 9,83 46,62 13667,00 12786,18 3,59 3,56
3 66,50 527,70 2,26 2207,09 18,03 9,40 47,83 16450,00 15273,54 3,97 3,85
promedio 65,87 2,26 3,83
1
5,50
65,83
2,48
529,50 2,25 2196,27 18,86 9,26 50,90 15261,00 14386,65 2,92 4,94
2 64,90 516,50 2,28 2231,49 17,56 7,80 55,55 14730,00 14246,88 3,61 3,95
3 66,17 525,10 2,26 2209,27 18,38 8,72 52,54 14019,00 13115,50 3,22 4,08
promedio 65,63 2,26 3,61
1
6,00
64,83
2,45
516,30 2,29 2238,23 17,74 6,57 62,98 16424,00 15885,32 2,78 5,71
2 64,17 507,80 2,28 2231,82 17,98 6,84 61,98 13947,00 13737,22 2,51 5,48
3 64,67 515,80 2,31 2254,41 17,15 5,89 65,64 15634,00 15199,73 2,55 5,95
Promedio 64,56 2,29 2,61
1 6,50 62,00 2,43 495,10 2,30 2244,67 17,95 5,51 69,32 12258,00 12785,09 1,49 8,56
53
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida
(N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
2 64,67 517,50 2,27 2219,25 18,88 6,58 65,16 16598,00 16136,95 3,50 4,61
3 64,17 514,90 2,29 2238,81 18,16 5,75 68,32 15476,00 15243,22 3,38 4,50
promedio 63,61 2,29 2,79
1
7,00
63,83
2,42
507,50 2,30 2246,23 18,33 4,84 73,59 12959,00 12864,77 3,50 3,67
2 63,83 507,80 2,30 2243,56 18,43 4,95 73,11 14865,00 14756,91 3,28 4,50
3 65,00 520,20 2,28 2228,02 18,99 5,61 70,44 15877,00 15316,65 3,33 4,60
promedio 64,22 2,29 3,37
Tabla 4-22. Resultados diseño Marshall con 75% de ARC
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida
(N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
1
4,00
70,07
2,50
561,00 2,15 2101,33 18,80 13,95 25,79 22152,00 18826,90 3,73 5,04
2 68,83 549,20 2,15 2104,14 18,69 13,84 25,98 15937,00 13942,84 2,39 5,84
3 69,33 549,60 2,15 2098,88 18,90 14,05 25,63 27137,00 23455,19 4,10 5,73
promedio 69,41 2,15 3,41
1
4,50
70,00
2,48
558,10 2,16 2107,18 19,00 13,15 30,81 17263,00 14706,94 3,74 3,93
2 68,17 531,90 2,20 2151,27 17,31 11,33 34,53 15299,00 13615,92 3,37 4,04
3 69,40 545,90 2,16 2114,00 18,74 12,87 31,34 14831,00 12818,80 3,42 3,75
promedio 69,19 2,17 3,51
1 5,00
68,10 2,45
536,60 2,19 2142,44 18,08 10,37 42,62 22961,00 20485,36 3,11 6,59
2 67,50 528,80 2,22 2168,32 17,09 9,29 45,63 16993,00 15387,57 3,20 4,81
54
Briqueta
No.
%
asfalto
Altura
especimen
(mm)
Gmm Volumen Gavedad
bulk
Densidad
Bulk
(kgf/m3)
VAM Va VFA Estabilidad
(N)
Estabilidad
Corregida
(N)
Flujo
(mm)
Rigidez
(KN/mm)
3 67,17 535,80 2,19 2143,27 18,04 10,34 42,71 20824,00 18998,05 4,19 4,54
promedio 67,59 2,20 3,50
1
5,50
68,90
2,41
525,70 2,20 2151,37 18,17 8,68 52,21 18837,00 16479,97 3,09 5,34
2 66,13 524,30 2,20 2153,20 18,10 8,61 52,45 16695,00 15619,03 3,31 4,73
3 69,10 541,40 2,20 2152,32 18,13 8,64 52,33 24692,00 21497,56 2,14 10,03
promedio 68,04 2,20 2,85
1
6,00
65,17
2,42
517,90 2,24 2184,71 17,34 7,69 55,67 18386,00 17645,92 3,95 4,46
2 67,23 533,60 2,22 2164,38 18,11 8,55 52,81 18864,00 17167,04 3,47 4,94
3 65,83 521,20 2,20 2148,39 18,71 9,22 50,73 12258,00 11555,70 4,60 2,51
Promedio 66,08 2,22 4,01
1
6,50
66,80
2,41
530,20 2,22 2172,36 18,24 7,82 57,14 17560,00 16181,51 2,86 5,67
2 66,47 529,40 2,23 2176,01 18,11 7,66 57,67 17077,00 15855,69 3,32 4,78
3 66,83 524,40 2,24 2192,66 17,48 6,96 60,20 17245,00 15851,41 3,67 4,32
promedio 66,70 2,23 3,28
1
7,00
67,07
2,39
527,80 2,25 2194,83 17,84 6,12 65,69 15666,00 14328,08 3,37 4,25
2 66,87 527,50 2,25 2196,81 17,77 6,04 66,03 20157,00 18528,08 2,77 6,68
3 63,97 507,30 2,25 2199,55 17,66 5,92 66,50 16313,00 16151,96 2,98 5,41
promedio 65,97 2,25 3,04
55
4.3.1 Selección del porcentaje óptimo de asfalto para los diseños de mezcla asfáltica
convencional y con ARC
Para determinar el porcentaje óptimo de asfalto para la mezcla densa en caliente de este
trabajo determinados los siguientes parámetros:
- Máxima estabilidad;
- Máximo peso unitario;
- Valor medio de vacíos de aire.
Luego de obtener el porcentaje de asfalto correspondiente a estos parámetros se determinó un
promedio y este se evalúa dentro del diseño para determinar si cumple con los requerimientos
propuestos por el Articulo 450-13 de INVIAS.
La Figura 4-9, presenta los resultados del ensayo de estabilidad Marshall de la mezcla
convencional. El porcentaje de asfalto que corresponde al valor máximo de estabilidad
(14133 N) es del 6,5% y el porcentaje que corresponde al máximo peso unitario de la mezcla
(2490,5 kgf/m3) es 6,5% de asfalto como se observa en la Figura 4-8 . De otro lado, el valor
medio de vacíos de aire según lo muestra la Figura 4-12 fue de 5,5%. Conocidos estos valores
fue posible establecer un valor medio entre los porcentajes de asfalto y establecer que el
contenido de ligante con el que la mezcla tendría un comportamiento mecánico óptimo sería
6,2%.
Este porcentaje de 6,2% fue analizado en cada una de las propiedades expuestas para el
diseño, en la Figura 4-11 se observa que el flujo correspondiente a este porcentaje es de 4 mm,
valor aceptado según los límites propuestos por el Articulo 450-13 de INVIAS.
El volumen de vacíos del agregado mineral es de 16,15% según la Figura 4-13, el cual es
aceptable ya que el porcentaje mínimo para este valor es de 15%. La Figura 4-10 muestra que
para el 6,2% de asfalto, el porcentaje de vacíos llenos de asfalto es de 90,64%, valor no aceptado
según los limites propuestos (65 – 78 %) para esta propiedad.
Para determinar el porcentaje de vacíos correspondiente asociado a ese porcentaje de asfalto
se tuvo en cuenta el resultado de la Figura 4-12, el porcentaje de vacíos fue 1,88%, el cual no
cumple con los límites establecidos por la norma, y finalmente se observa en la Figura 4-14 que
la rigidez es de 4,05, valor óptimo para tránsito medio.
56
Figura 4-8. Densidad bulk diseño convencional
Figura 4-9. Estabilidad vs % asfalto diseño
convencional.
Figura 4-10. Vacíos llenos de asfalto vs % asfalto
diseño convencional.
Figura 4-11. Flujo vs % asfalto diseño convencional. Figura 4-12. Vacíos de aire vs % asfalto diseño
convencional.
2400,00
2410,00
2420,00
2430,00
2440,00
2450,00
2460,00
2470,00
2480,00
2490,00
2500,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7D
ensi
da
d
Bu
lk (
Kg
f/m
3)
% de asfalto
7500
8500
9500
10500
11500
12500
13500
14500
15500
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Est
ab
ilid
ad
(N
)
% de asfalto
45,00
55,00
65,00
75,00
85,00
95,00
105,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
FA
% de asfalto
2,0
3,0
4,0
5,0
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Flu
jo (
mm
)
% de asfalto
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
a
% de asfalto
57
Figura 4-13. Vacíos del agregado mineral vs % asfalto
diseño convencional.
Figura 4-14. Rigidez vs % asfalto diseño
convencional.
Una vez que no todos los requisitos mínimos establecidos fueron satisfechos, fue necesario
establecer un porcentaje de asfalto que estuviera dentro de los límites exigidos en el diseño
Marshall. Este porcentaje fue establecido por medio de la técnica de ensayo y error, y fue
establecido en 5,6%; de esta forma, y teniendo en cuenta los resultados experimentales
presentados, se observa que el valor propuesto cumple con todos los requerimientos establecidos
para una mezcla asfáltica densa y un tránsito medio (NT2) La Tabla 4-23 presenta las
propiedades de estabilidad y flujo para el porcentaje de asfalto seleccionado para la mezcla
convencional.
Tabla 4-23. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del 6% de una mezcla
asfáltica con 30% de ARC
Propiedad Resultado NT2 NT3
Estabilidad (N) 12677 CUMPLE CUMPLE
Flujo (mm) 3,52 CUMPLE CUMPLE
VAM (%) 19,18 CUMPLE CUMPLE
VFA (%) 77,35 CUMPLE NO CUMPLE
Va (%) 3,78 CUMPLE NO CUMPLE
Rigidez 4,32 CUMPLE CUMPLE
El procedimiento descrito anteriormente, fue adoptado para el análisis y posterior selección
del porcentaje óptimo de asfalto de las mezclas con 30, 50 y 75% de ARC en la fracción gruesa.
Las Figuras 4-15 a 4-21 muestran los resultados del ensayo Marshall para la mezcla diseñada
con el 30% de ARC. La Figura 4-16 muestra que el máximo de estabilidad el cual fue alcanzado
en 13318 N correspondiente al 6,5% de asfalto. El máximo peso unitario es 2316,1 kgf/m3
también asociado a un porcentaje de asfalto de 6,5% como se observa en Figura 4-15; el valor
16,00
16,25
16,50
16,75
17,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
AM
% de asfalto
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Rig
idez
% de asfalto
58
medio de vacíos de aire fue asociado al 5,2% de asfalto como puede observarse en la Figura
4-19. Siendo entonces el promedio de estos 3 valores 6,0% de asfalto.
El flujo para este porcentaje es de 3,06 mm según la Figura 4-18, este valor cumple con la
norma. El porcentaje de vacíos del agregado mineral como se observa en la Figura 4-20 es de
17,12% el cual cumple con los límites establecidos. En la Figura 4-17 para un 6,0 % de asfalto el
porcentaje de vacíos llenos de asfalto es de 71,20%, valor que cumple con los límites
establecidos por la norma. Por último el valor de la rigidez para este porcentaje de asfalto es de
4,27 como se observa en la Figura 4-21. Finalmente, el porcentaje óptimo de asfalto
seleccionado para una mezcla asfáltica con el 30% de su agregado grueso compuesto con ARC
es 6,0%. Para este valor, el diseño Marshall satisface las propiedades requeridas para una mezcla
asfáltica en un tránsito tipo 2 (NT2).
Figura 4-15. Densidad bulk diseño con 30% de ARC
Figura 4-16. Estabilidad vs % asfalto diseño con 30%
de ARC.
Figura 4-17. Vacíos llenos de asfalto vs % asfalto
diseño con 30% de ARC.
2200,0
2220,0
2240,0
2260,0
2280,0
2300,0
2320,0
2340,0
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Den
sid
ad
Bu
lk (
KgF
/m3
)
% de asfalto
7500
8500
9500
10500
11500
12500
13500
14500
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Est
ab
ilid
ad
(N
)
% de asfalto
35,00
45,00
55,00
65,00
75,00
85,00
95,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
FA
% de asfalto
59
Figura 4-18. Flujo vs % asfalto diseño con 30% de
ARC.
Figura 4-19. Vacíos de aire vs % asfalto diseño con
30% de ARC.
Figura 4-20. Vacíos del agregado mineral vs % asfalto
diseño con 30% de ARC.
Figura 4-21. Rigidez vs % asfalto diseño con 30% de
ARC.
En el caso de la mezcla asfáltica con inclusión de ARC en un 50% del agregado grueso, la
estabilidad máxima fue 15438 N como se observa en la Figura 4-23 ese valor fue asociado a un
porcentaje de asfalto de 6,3%. En este caso el peso unitario máximo asociado a un contenido de
asfalto de 7,0 % fue 2246,2 kgf/m3 como se observa en Figura 4-22 y el valor medio de vacíos de
aire fue obtenido para el 6,9% de asfalto como se observa en la Figura 4-26 en el caso de esta
mezcla el porcentaje de asfalto calculado 6,7%.
Como se observa en la Figura 4-25 el flujo para este porcentaje de asfalto es de 3,5 mm,
valor que cumple con lo permitido por la norma. El porcentaje de vacíos del agregado mineral es
de 18,27% según la Figura 4-27 el cual cumple ya que el mínimo porcentaje exigido por la
norma es de 15%. La Figura 4-24 indica que para un 6,7% de asfalto el porcentaje de vacíos
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Flu
jo (
mm
)
% de asfalto
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
a
% de asfalto
15,00
15,50
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
AM
% de asfalto
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Rig
idez
% de asfalto
60
llenos de asfalto es de 70,84% el cual cumple con los límites establecidos por la norma. Por
último la rigidez es de 4,24 como se observa en la Figura 4-28.
Este porcentaje óptimo no cumple con el criterio de vacíos de aire, por lo tanto se determina
por tanteo el 6,97% de asfalto como el óptimo para la mezcla asfáltica con el 50% de ARC.
Porcentaje muy elevado no recomendable para uso comercial ya que el costo para la
construcción de una carpeta asfáltica sería muy alto.
Figura 4-22. Densidad bulk diseño con 50% de ARC
Figura 4-23. Estabilidad vs % asfalto diseño con 50%
de ARC.
Figura 4-24. Vacíos llenos de asfalto vs % asfalto
diseño con 50% de ARC.
2150,0
2160,0
2170,0
2180,0
2190,0
2200,0
2210,0
2220,0
2230,0
2240,0
2250,0
2260,0
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Den
sid
ad
Bu
lk (
KgF
/m3
)
% de asfalto
7500
8500
9500
10500
11500
12500
13500
14500
15500
16500
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Est
ab
ilid
ad
(N
)
% de asfalto
15,00
25,00
35,00
45,00
55,00
65,00
75,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
FA
% de asfalto
61
Figura 4-25. Flujo vs % asfalto diseño con 50% de
ARC.
Figura 4-26. Vacíos de aire vs % asfalto diseño con
50% de ARC.
Figura 4-27. Vacíos del agregado mineral vs % asfalto
diseño con 50% de ARC
Figura 4-28. Vacíos llenos de asfalto vs % asfalto
diseño con 50% de ARC.
Para determinar el porcentaje óptimo de la mezcla asfáltica fabricada con un 75% de ARC, se
siguió el mismo procedimiento mencionado anteriormente.
La máxima estabilidad en este caso según la Figura 4-31 asociada al 6,0 % de asfalto fue
17646 N; el máximo peso unitario 2198,18 kgf/m3 como se observa en Figura 4-30, corresponde
al 7,0 % de asfalto y el valor medio de vacíos de aire según la Figura 4-34 es de 5,1%. De este
modo el porcentaje promedio de asfalto es de 6,03%.
El flujo correspondiente al 6,03% de asfalto según la Figura 4-33 es de 3,47 mm el cual
cumple con los valores referencia de la norma. En la Figura 4-35 se observa que el porcentaje de
vacíos del agregado mineral es de 18,11%, valor aceptado ya que el mínimo porcentaje de vacíos
del agregado mineral es de 15% según la norma. El porcentaje de vacíos llenos de asfalto como
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Flu
jo (
mm
)
% de asfalto
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
16,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
a
% de asfalto
15,00
15,50
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
20,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
AM
% de asfalto
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Rig
idez
% de asfalto
62
el porcentaje de vacíos de aire son 55,67% y 8,12% respectivamente como se observa en la
Figura 4-32 y en la Figura 4-34, valores que sobrepasan los límites establecidos por el INVIAS
para un tránsito tipo 2. Finalmente se determina la rigidez para este porcentaje de asfalto según la
Figura 4-36 con un valor de 4,70 el cual cumple con lo establecido por la norma.
Por el método de ensayo y error se intentó establecer un porcentaje de asfalto que satisficiera
todos los requisitos mínimos exigidos por la norma sin embargo, no fue posible, ya que el diseño
se efectuó hasta el 7,0% de asfalto y este no cumplió con los requisitos de la norma. Los
resultados experimentales mostraron que para esta mezcla es necesario un porcentaje de asfalto
superior al evaluado. Esto descalifica inmediatamente este tipo de mezcla una vez que
porcentajes muy altos de ligante incrementarían el costo de la obra.
Este resultado puede atribuirse a que el agregado reciclado tiene una alta porosidad, como lo
mostró el ensayo de absorción y al emplearse el 75% de ARC en la fracción gruesa, se hace
necesario una cantidad elevada de asfalto. Varias particularidades se observaron durante la
caracterización mecánica de las mezclas. En primero lugar, el proceso de compactación generó
quiebra en las partículas de ARC empleadas para reemplazar el agregado grueso. En algunos
casos, al finalizar la compactación estas partículas quedaron expuestas como se observa en la
Figura 4-29.
Otra de las particularidades observadas fue que con el incremento de ARC, los pesos
unitarios de las briquetas fueron disminuyendo. Esto fue asociado también a la alta porosidad del
material reciclado. Por lo que es recomendable tener en cuenta las características físicas de los
diferentes agregados reciclados a la hora de emplearlos en la conformación de la carpeta
asfáltica.
Figura 4-29. Cara fracturada de la briqueta debido a la compactación Marshall.
63
Figura 4-30. Densidad bulk diseño con 75% de ARC
Figura 4-31. Estabilidad vs % asfalto diseño con 75%
de ARC.
Figura 4-32. Vacíos llenos de asfalto vs % asfalto
diseño con 75% de ARC.
Figura 4-33. Flujo vs % asfalto diseño con 75% de
ARC.
Figura 4-34. Vacíos de aire vs % asfalto diseño con
75% de ARC.
2080,00
2100,00
2120,00
2140,00
2160,00
2180,00
2200,00
2220,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Den
sid
ad
bu
lk (
Kg
f/m
3)
% de asfalto
12000
13000
14000
15000
16000
17000
18000
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Est
ab
ilid
ad
(N
)
% de asfalto
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
55,00
60,00
65,00
70,00
75,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
FA
% de asfalto
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Flu
jo (
mm
)
% de asfalto
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
a
% de asfalto
64
Figura 4-35. Vacíos del agregado mineral vs % asfalto
diseño con 75% de ARC.
Figura 4-36. Rigidez vs % asfalto diseño con 75% de
ARC.
4.4. Determinación del porcentaje óptimo de ARC en la mezcla asfáltica para diseño de
pavimento
Para determinar el porcentaje óptimo de ARC involucrado en la mezcla, se realizaron las
comparaciones entre el 30%, 50% y 75%, determinando que propiedades para cada porcentaje de
asfalto óptimo de cada mezcla cumplen con lo estipulado en la norma para un tránsito tipo 2
(NT2) y un tránsito tipo 3 (NT3), estas comparaciones se muestran en la Tabla 4-24 hasta la
Tabla 4-26.
Tabla 4-24. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del 6% de una mezcla
asfáltica con 30% de ARC
Propiedad Resultado NT2 NT3
Estabilidad (N) 12789 CUMPLE CUMPLE
Flujo (mm) 3,06 CUMPLE CUMPLE
VAM (%) 17,12 CUMPLE CUMPLE
VFA (%) 71,2 CUMPLE CUMPLE
Va (%) 4,81 CUMPLE CUMPLE
Rigidez 4,27 CUMPLE CUMPLE
15,00
15,50
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
AM
% de asfalto
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Rig
idez
% de asfalto
65
Tabla 4-25. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del 6,97% de una
mezcla asfáltica con 50% de ARC
Propiedad Resultado NT2 NT3
Estabilidad (N) 14786 CUMPLE CUMPLE
Flujo (mm) 3,5 CUMPLE CUMPLE
VAM (%) 18,41 CUMPLE CUMPLE
VFA (%) 72,88 CUMPLE CUMPLE
Va (%) 5,00 CUMPLE CUMPLE
Rigidez 3,73 CUMPLE CUMPLE
Tabla 4-26. Aceptación de características según norma INVIAS para un contenido de asfalto del 7 % de una mezcla
asfáltica con 75% de ARC
Propiedad Resultado NT2 NT3
Estabilidad (N) 18528 CUMPLE CUMPLE
Flujo (mm) 2,98 CUMPLE CUMPLE
VAM (%) 17,8 CUMPLE CUMPLE
VFA (%) 65,86 CUMPLE CUMPLE
Va (%) 6,08 NO CUMPLE CUMPLE
Rigidez 6,4 NO CUMPLE CUMPLE
Como se puede observar en la Tabla 4-24 y en la
66
Tabla 4-25, las mezclas con el 30% y el 50% de ARC respectivamente, son las que cumple
con todas las características estipuladas en el Articulo 450-13 para un nivel de tránsito 2 (NT2),
por tanto se optó por hacer una comparación gráfica entre estas dos mezclas para determinar el
porcentaje ideal para realizar el diseño de pavimento y la respectiva comparación con la mezcla
asfáltica fabricada con agregados convencionales.
Para el criterio de estabilidad, las dos mezclas cumplen con la referencia mínima, ya que esta
depende directamente del contenido de asfalto involucrado en la mezcla, como se puede observar
en la Figura 4-37, el comportamiento de las gráficas es similar ya que estas aumentan a medida
que el porcentaje de asfalto aumenta hasta conseguir un máximo nivel.
Figura 4-37. Estabilidad vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC
De igual forma que la estabilidad, en la Figura 4-38, el flujo aumenta a medida que el
porcentaje de asfalto va aumentando, pero el comportamiento de la curva con el 30% de ARC es
creciente en todo su tramo a comparación de la del 50% de ARC, la cual llega a un punto donde
inicia a decrecer.
7500
8500
9500
10500
11500
12500
13500
14500
15500
16500
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Est
ab
ilid
ad
(N
)
% de asfalto
50% ARC
30% de ARC
67
Figura 4-38. Flujo vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC
En la Figura 4-39 se observa que la curva de porcentaje de vacíos del agregado mineral,
decrece a medida que el porcentaje de asfalto aumenta, hasta alcanzar un mínimo valor en el cual
iniciar a crecer. La curva correspondiente al 30% de ARC, presenta un mejor comportamiento ya
que el porcentaje de vacíos de agregado mineral son menores a los de la mezcla con 50% de
ARC, lo que conlleva a determinar que la mezcla con un contenido del 30% de ARC necesita
menos asfalto para cubrir los vacíos del agregado.
El porcentaje de vacíos es una de las propiedades fundamentales para la determinación del
porcentaje óptimo de una mezcla asfáltica como también la aceptación de esta como mezcla de
calidad.
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Flu
jo (
mm
)
% de asfalto
50% de ARC
30% de ARC
68
Figura 4-39. Vacíos del agregado mineral vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC
En la Figura 4-40 se observa que la mezcla asfáltica fabricada con el 50% de ARC tiene
aproximadamente un 28% más de vacíos que la mezcla fabricada con un porcentaje de 30% de
ARC. Cabe notar que un porcentaje alto de vacíos, le puede ocasionar grandes vacíos a través de
la mezcla, provocando que pueda entrar aire y agua y causar deterioro.
Figura 4-40. Porcentaje de vacíos de aire vs % de asfalto para el 30% y 50% de ARC
Según lo observado en los resultados gráficos fue posible determinar que el porcentaje
óptimo de ARC a ser involucrado en la mezcla asfáltica es el 30%, ya que su comportamiento
15,00
15,50
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
20,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
AM
% de asfalto
50% de ARC
30% de ARC
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
a
% de asfalto
50% de ARC
30% de ARC
69
mecánico frente a las pruebas de estabilidad y flujo Marshall satisface todas las condiciones de
diseño para un nivel de tránsito tipo 2 (NT2).
4.5. Módulo resiliencia de la mezcla asfáltica
El módulo de resiliencia de la mezcla asfáltica de diseño fue calculado utilizando la ecuación
propuesta por (Leal, 2012):
𝐸 = −1,275 ∗ 𝑃
𝛿𝑣 ∗ 𝑡(𝑎 + 0,5𝑣)
(4-1)
donde:
P = Carga aplicada;
𝛿𝑣 = Flujo;
T = espesor del espécimen;
a = variable calculada experimentalmente;
= Poisson.
La ecuación (4-1) es una relación semi-empírica que relaciona los parámetros de estabilidad,
flujo y módulo de resiliencia a través de una variable a, que depende del porcentaje de asfalto y
de la gravedad específica Bulk. La ecuación fue desarrollada para unidades inglesas, por tanto
para el caso de estudio fue necesario hacer la conversión a esas unidades.
El valor de Poisson para una mezcla asfáltico fue adoptado = 0,35 como recomendado por
Nikolaides (2015).
Según (Leal, 2012) el valor de a es de 9, el cual es constante para cualquier porcentaje de
asfalto, con este valor fue posible calcular los módulos de resiliencia de la mezclas asfálticas
analizadas en esta investigación como se muestra desde la Tabla 4-27 hasta la Tabla 4-30.
Tabla 4-27. Módulo de resiliencia mezcla convencional
Porcentaje de asfalto Gmb Estabilidad (N) Flujo (δ) (mm) Espesor (mm) a E (MPa)
4,0 2,4 9615,4 3,3 60,1 9,0
4,5 2,4 9979,4 3,3 60,5 9,0 574,8
5,0 2,5 11137,6 3,3 60,6 9,0 656,8
5,5 2,5 12515,1 3,5 60,7 9,0 686,7
5,6 2,5 12676,9 3,5 60,7 9,0 692,6
6,0 2,5 13324,0 3,6 60,4 9,0 715,9
70
6,5 2,5 14133,0 3,7 59,4 9,0 752,5
7,0 2,5 11072,4 4,1 60,7 9,0 524,8
Tabla 4-28. Módulo de resiliencia mezcla con 30% de ARC
Porcentaje de asfalto Gmb Estabilidad (N) Flujo (δ)
(mm) Espesor (mm) a E (MPa)
4 2,43 8906,2 2,77 65,33 9,0 574,37
4,5 2,44 10017,8 2,84 64,53 9,0 638,61
5 2,45 10973,9 2,90 64,33 9,0 686,01
5,5 2,46 11612,3 2,99 63,33 9,0 714,94
6 2,47 12656,7 3,04 63,06 9,0 769,05
6,5 2,50 13318,0 3,13 62,37 9,0 794,67
7 2,47 11932,5 3,43 63,03 9,0 644,05
Tabla 4-29. Módulo de resiliencia mezcla con 50% de ARC
Porcentaje de asfalto Gmb Estabilidad (N) Flujo (δ)
(mm) Espesor (mm) a E (MPa)
4,0 2,21 10321,2 3,3 67,8 9,0
4,5 2,23 11436,9 3,3 67,5 9,0 590,2
5,0 2,26 12786,2 3,3 65,9 9,0 693,8
5,5 2,26 14246,9 3,5 65,6 9,0 723,1
6,0 2,29 15199,7 3,6 64,6 9,0 764,3
6,5 2,29 15243,2 3,7 63,6 9,0 758,4
6,97 2,29 14786,1 3,5 64,2 9,0 767,5
7,0 2,29 14756,9 4,1 64,2 9,0 660,5
Tabla 4-30. Módulo de resiliencia mezcla con 75% de ARC
Porcentaje de asfalto Gmb Estabilidad (N) Flujo (δ) (mm) Espesor (mm) a E (MPa)
4,0 2,2 13942,8 2,4 69,4 9,0
4,5 2,2 14706,9 2,8 69,2 9,0 887,3
5,0 2,2 15387,6 3,2 68,0 9,0 824,4
5,5 2,2 16480,0 3,3 68,0 9,0 854,7
6,0 2,2 17645,9 3,5 66,1 9,0 896,8
6,5 3,4 15855,7 3,7 66,7 9,0 755,0
7,0 3,3 14328,1 3,0 66,0 9,0 849,2
4.6. Comparación mezcla asfáltica convencional con mezcla asfáltica fabricada con el
30% de ARC
Como se observa en la Figura 4-41 la estabilidad para ambas mezclas tiene un
comportamiento adecuado, ya que sus valores obtenidos se encuentran dentro de los rangos
71
establecidos por la norma. Como bien se sabe, la estabilidad es la capacidad de resistir
desplazamientos y deformaciones bajo las cargas de tránsito lo que conlleva a concluir que una
mezcla elaborada con un contenido parcial de ARC es capaz de mantener su forma y textura bajo
cargas repetidas.
Figura 4-41. Estabilidad vs % de asfalto mezcla convencional y ARC.
La mezcla convencional presenta aproximadamente un valor de estabilidad apenas 4% mayor
que la elaborada con ARC, esto se debe a que las partículas convencionales por ser provenientes
de un material triturado son más angulares lo que probablemente permite una mayor trabazón
entre las partículas de agregado. En el caso del ARC las partículas cubiertas por cemento
presentaron susceptibilidad a la quiebra dejando una textura menos rugosa y sobre la cual el
asfalto no consiguió suficiente adherencia (ver Figura 4-29) y debido a la porosidad del cemento,
el porcentaje de asfalto necesario para cubrir las caras del agregado también es mayor. Estas
diferencias son probablemente las responsables de que la estabilidad de la mezcla convencional
sea más alta.
El flujo es la medida de deformación vertical del espécimen, como se observa en la Figura
4-42 los resultados de flujo de la mezcla asfáltica convencional son aproximadamente un 14%
mayores que los de la mezcla asfáltica fabricada con 30% de ARC, quiere decir esto que el
espécimen con ARC tuvo un mejor comportamiento frente a la deformación vertical, esto es
debido a los valores altos de vacíos de aire que presenta la mezcla con 30% de ARC como se
observa en la Figura 4-45.
7500
8500
9500
10500
11500
12500
13500
14500
15500
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Est
ab
ilid
ad
(N
)
% de asfalto
30% de ARC
Convencional
72
Figura 4-42. Flujo vs % de asfalto mezcla convencional y ARC.
La mezcla asfáltica elaborada con el 30% de ARC presenta un incremento de
aproximadamente 6% respecto a la mezcla asfáltica convencional como se observa en la Figura
4-43. Los vacíos en el agregado mineral permiten que el asfalto produzca una adhesión adecuada
para ligar las partículas de agregado cuando las temperaturas se incrementen y el asfalto se
expanda. Esa característica se ve mejor reflejada para la mezcla asfáltica con un 30% de ARC, ya
que posee un porcentaje mayor de vacíos de agregado mineral.
Figura 4-43. VAM vs % de asfalto mezcla convencional y ARC.
2,50
2,70
2,90
3,10
3,30
3,50
3,70
3,90
4,10
4,30
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Flu
jo (
mm
)
% de asfalto
30% de ARC
Convencional
15,00
15,50
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
AM
% de asfalto
30% de ARC
Convencional
73
En la Figura 4-44 se pude concluir que la mezcla asfáltica convencional presenta un mayor
porcentaje de vacíos llenos de asfalto, de tal forma que las partículas de agregado quedaron
mejor recubiertas por el asfalto. Aunque la mezcla asfáltica elaborada con el 30% de ARC tiene
un porcentaje de vacíos llenos de asfalto menor, esto permite determinar un rango de porcentaje
de asfalto óptimo que cumpla con los límites establecidos por el INVIAS.
Figura 4-44. VFA vs % de asfalto mezcla convencional y ARC.
El porcentaje de vacíos es uno de los parámetros clave para determinar la viabilidad de una
mezcla asfáltica, ya que este porcentaje de vacíos del espécimen permiten alguna compactación
adicional bajo el tráfico, como también proporciona espacios a donde pueda fluir el asfalto
durante esta compactación adicional.
Como se observa en la Figura 4-45, la mezcla asfáltica convencional presenta un porcentaje
de vacíos menor, debido a que es una mezcla más densa como se puede observar en la Figura
4-46. La mezcla asfáltica fabricada con 30% de ARC presenta un incremento de
aproximadamente 28% respecto a la convencional. Cabe notar que un porcentaje de vacíos bajo
disminuye la permeabilidad de la mezcla como también puede producir exudación del asfalto,
por otro lado un porcentaje de vacíos elevado proporciona grandes vacios a través de la mezcla,
por los cuales puede entrar el agua y el aire y causar un deterioro de la carpeta asfáltica.
De tal modo se puede concluir que se debe determinar un porcentaje de vacíos óptimo para
asegurar unas buenas condiciones de la mezcla, las dos mezclas asfálticas permiten determinar
35,00
45,00
55,00
65,00
75,00
85,00
95,00
105,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
FA
% de asfalto
PROMEDIO
Convencional
74
un porcentaje óptimo dentro de la franja 3% - 5% de vacíos para cumplir con los requerimientos
establecidos.
Figura 4-45. Va vs % de asfalto mezcla convencional y ARC.
La mezcla asfáltica convencional presenta un incremento de densidad de aproximadamente
7% respecto a la mezcla asfáltica fabricada con el 30% de ARC como se observa en la Figura
4-46. Un incremento en la densidad debido al esfuerzo de compactación puede incrementar la
resistencia cortante y mejorar su funcionamiento. En esta propiedad se puede concluir que la
mezcla asfáltica convencional puede tener un mejor funcionamiento en servicio debido a ser una
mezcla altamente densa.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
% V
a
% de asfalto
30% de ARC
Convencional
75
Figura 4-46. Densidad vs % de asfalto mezcla convencional y ARC.
2200,0
2250,0
2300,0
2350,0
2400,0
2450,0
2500,0
2550,0
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
DE
NS
IDA
D B
UL
K (
Kg
F/m
3)
% de asfalto
30% de ARC
Convencional
76
5. EVALUACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO INVOLUCRANDO ARC:
APLICACIÓN
Una vez definidas la caracterización física de los materiales granulares como el
comportamiento físico-mecánico de la mezcla utilizada en este proyecto, se analizó el
comportamiento de la estructura del pavimento con la metodología descrita en el numeral 3.8.
5.1. Descripción del caso de estudio
Para el caso de estudio se tomó una estructura de pavimento que está siendo construida
actualmente, en el Aeropuerto Internacional Alfonso Bonilla Aragón. Los datos de diseño fueron
tomados del trabajo de grado realizado por Muñoz & Zapata (2015), donde se estudió la
ampliación vial que corresponde a la salida del Aeropuerto a la rotonda Cali-Palmira como se
muestra en la Figura 5-1. El tramo vial analizado es de 230 m y considera un sobre ancho de
aproximadamente 3,8 m. El tramo considerado para el análisis en este trabajo de grado será
apenas de 140 m.
Figura 5-1. Ampliación proyectada vía de salida. Aeropuerto Alfonso Bonilla (Muñoz & Zapata, 2015).
77
La estructura de pavimento flexible con base en la asesoría geotécnica de ALPHA S.A.S,
proponen la estructura del pavimento flexible como se muestra en la Tabla 5-1.
Tabla 5-1. Estructura del pavimento flexible. (Muñoz & Zapata, 2015)
Capas Espesor (cm)
Carpeta asfáltica MDC-2 10
Base granular (INVIAS) 20
Subbase granular (INVIAS) 25
Material de mejoramiento (INVIAS) 25
5.2. Diseño del pavimento
Se plantea una nueva propuesta de diseño de pavimento flexible; para la mezcla asfáltica
convencional a partir del porcentaje óptimo que se alcanzó en el diseño Marshall, y para el que
se obtuvo con el diseño involucrando ARC. En ambos diseños se tuvo en cuenta el módulo de
resiliencia del material de base, sub-base y subrasante obtenido en laboratorio y en el caso de la
carpeta asfáltica calculado a partir de la correlación entre estabilidad y flujo. Adicional a ello se
verifica si el diseño planteado por Muñoz & Zapata (2015) cumple con las condiciones reales del
material disponible.
5.3. Parámetros de diseño
A continuación se nombran las variables necesarias para el desarrollo de la metodología de
diseño AASHTO (1993):
5.3.1. Confiabilidad y desviación normal estándar
La confiabilidad depende directamente de la certeza en los datos proporcionados para el
diseño que se pretende realizar, además su variación está ligada a la clasificación de vía que se
tenga. En la Tabla 5-2 se muestra la variabilidad del nivel de confianza:
Tabla 5-2. Valores sugeridos de confiabilidad AASTHO (1993).
Clasificación funcional Confiabilidad recomendada
Urbano Rural
Interestatales y otras autopistas 85-99,9 80-99,9
Arterias principales 80-99 75-95
Colectoras 80-95 75-95
Locales 50-80 50-80
78
La desviación estándar se obtiene a partir de la confiabilidad seleccionada como se muestra
en la Tabla 5-3.
Tabla 5-3. Valores de desviación estándar AASTHO (1993).
Confiabilidad Desviación normal estándar acumulada Zr
50 0
60 -0,25
70 -0,52
75 -0,67
80 -0,84
85 -1,04
87,5 -1,15
90 -1,28
91 -1,34
92 -1,41
93 -1,48
94 -1,55
95 -1,64
96 -1,75
97 -1,88
98 -2,05
99 -2,33
99,9 -3,09
5.3.2. Desviación estándar
Según la AASTHO (1993), para un proyecto de pavimento flexible el rango de desviación
estándar (So) está comprendido entre 0,40-0,45.
5.3.3. Índice de serviciabilidad
El índice de serviciabilidad en el método de la AASTHO, indica la capacidad de la estructura
de pavimento durante el período de servicio bajo las condiciones de calidad de vía. Se utiliza la
ecuación que representa la pérdida de serviciabilidad a medida que va teniendo uso, con una
serviciabilidad inicial (𝑃𝑖) de superficie lisa del pavimento al concluirse su construcción y la
serviciabilidad final (𝑃𝑓) al finalizar el período de diseño. Para este caso el delta de diseño fue
2,0 debido a que el 𝑃𝑖 =4,2 y el 𝑃𝑓 =2,2, los cuales fueron obtenidos a partir de la
Tabla 5-4.
79
Tabla 5-4. Índice de serviciabilidad pavimentos flexibles AASTHO (1993).
Tipo de vía 𝑷𝒊 ,Inicial 𝑷𝒇 , Final
Vías principales
4,2
2,5
Vías secundarias 2
Condición de falla 1,5
5.3.4. Coeficiente de drenaje
Este coeficiente (mi) está relacionado con la capacidad de drenaje de agua durante el período
de diseño. La calidad del drenaje depende de la sectorización del tramo vial, ya que las capas del
pavimento se encuentran expuestas a saturación por la condición de humedad. La Tabla 5-5 y la
Tabla 5-6 muestran el tiempo estimado para la evacuación del agua y el porcentaje en tiempo
dependiendo el nivel de saturación respectivamente, según de la eficacia del drenaje.
Tabla 5-5. Calidad del drenaje en pavimentos AASHTO (1993).
Calidad del drenaje El agua se remueve en
Excelente 2 horas
Bueno 1 día
Aceptable 1 semana
Malo 1 mes
Muy malo no drena
Tabla 5-6. Valores coeficientes de drenaje AASHTO (1993).
Calidad del drenaje
% del tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a humedades
cercanas a la saturación
Menos de 1% 1%-5% 5%-25% Más del 25%
Excelente 1,40-1,35 1,35-1,30 1,30-1,20 1,2
Bueno 1,35-1,25 1,25-1,15 1,15-1,00 1
Aceptable 1,25-1,15 1,15-1,05 1,00-0,80 0,8
Malo 1,15-1,05 1,05-0,80 0,80-0,60 0,6
Muy malo 1,05-0,95 0,95-0,75 0,75-0,40 0,4
Con respecto a lo anterior, según el estudio seleccionado se tiene una calidad de drenaje entre
1,00 y 0,90 para las capas de la estructura del pavimento, obteniendo para el pavimento diseñado
un drenaje aceptable donde el agua drena en una semana, lo que indica que la estructura está
expuesta a humedades de 5% - 25% del tiempo estando sometido a condiciones cercanas de
saturación.
80
5.3.1. Espesores de las capas
Los espesores (Di) son suministrados por el caso de estudio inicial, donde se dejaran los
mismos en la nueva propuesta de la estructura del pavimento.
5.3.2. Coeficiente de aporte estructural
Este coeficiente (ai) depende de la calidad de construcción y de los materiales, sus datos son
valores promedios por cada capa según la función del comportamiento de la estructura.
Se plantean dos métodos para la obtención del coeficiente. El primer método es con base a
nomogramas, para este caso solo se muestra el de la carpeta asfáltica mostrado en la Figura 5-2,
ya que los demás nomogramas dependen de variables de entrada como el CBR siendo un dato
que no tenemos para las capas. Otro método es a partir de ecuaciones matemáticas propuestas
por cada capa.
Figura 5-2. Coeficiente de aporte estructural de la carpeta asfáltica AASTHO (1993).
El método de Ullidtz (1987):
En la carpeta asfáltica: Para
0,20 ≤ 𝑎1 ≤ 0,44
𝑎1 = 0,40 × 𝑙𝑜𝑔 (𝐸𝐻𝑀𝐴
435𝐾𝑆𝐼) + 0,44
(5-1)
En la base granular:
Para 0,06 ≤ 𝑎2 ≤ 0,20
𝑎2 = 0,25 × 𝑙𝑜𝑔 (𝐸𝐵𝐺
23𝐾𝑆𝐼) + 0,44
(5-2)
En la sub-base granular: 𝑎3 = 0,25 × 𝑙𝑜𝑔 (
𝐸𝑆𝐵𝐺
23𝐾𝑆𝐼) + 0,15
(5-3)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 100000 200000 300000 400000 500000
Co
efic
iene
Esr
ucu
ral
a
Modulo Elastico (psi)
81
Para 0,06 ≤ 𝑎3 ≤ 0,20
Las ecuaciones propuestas en la AASTHO por Guide (1993):
Para la base granular: 𝒂𝟐 = 𝟎, 𝟐𝟒𝟗 × 𝒍𝒐𝒈(𝑬𝑩𝑮) − 𝟎, 𝟗𝟕𝟕 (5-4)
Para la subbase granular: 𝒂𝟑 = 𝟎, 𝟐𝟐𝟕 × 𝒍𝒐𝒈(𝑬𝑺𝑩𝑮)− 𝟎, 𝟖𝟑𝟗
(5-5)
donde;
𝐸𝐻𝑀𝐴: Módulo de resiliencia de la carpeta asfaltica
𝐸𝐵𝐺 : Módulo de resiliencia de la base granular
𝐸𝑆𝐵𝐺: Módulo de resiliencia de la subbase granular
5.3.3. Módulo de resiliencia
Los valores de módulo de resiliencia reflejan la rigidez del suelo y con el propósito de
obtener valores cercanos a la realidad, este nuevo diseño se basa en utilizar los resultados del
módulo de resiliencia empleados en laboratorio, para los materiales utilizados en la subrasante,
base y carpeta asfáltica. Para el caso de la subbase, base granular y material de mejoramiento se
dejan los datos propuestos por el diseño de Muñoz & Zapata (2015), con el agregado proveniente
de la cantera “Cachibí”.
En la capa de la subrasante se obtuvo el resultado de rigidez a partir de un material de
“Cachibí” con base en el proyecto de Alcalde & López (2015). El 𝑀𝑅 en la carpeta asfáltica se
calculó en el ítem 4.5 a partir de la relación de estabilidad y flujo (método Marshall).
5.3.4. Estructura de diseño del pavimento
El número estructural define la resistencia del pavimento siendo una función del espesor de
cada capa. Para el cálculo se utilizó la siguiente ecuación:
𝑆𝑁 = ∑ 𝑎𝑖 × 𝐷𝑖 × 𝑚𝑖 (5-6)
𝑆𝑁 = (𝑎1 × 𝐷1) + (𝑎2 × 𝐷2 × 𝑚2) + (𝑎3 × 𝐷3 × 𝑚3) + ⋯ + (𝑎𝑛 × 𝐷𝑛 × 𝑚𝑛) (5-7)
donde;
𝑎𝑖: Coeficiente estructural de los materiales;
𝐷𝑖: Espesor de la capa;
𝑚𝑖: Coeficiente o calidad de drenaje.
82
La estructura del pavimento para el caso de estudio se muestra en la Figura 5-3 y fue tomada
de la propuesta inicial de diseño presentada por Muñoz & Zapata (2015).
Figura 5-3. Estructura del pavimento planteado para el caso de estudio.
5.3.5. Cálculo del número estructural
Por otro lado, existe un número estructural requerido para verificar el comportamiento de la
subrasante por medio de la ecuación especificada en el 3.8. Se realizó el chequeo para verificar
que ∑ 𝑆𝑁 ≥ 𝑆𝑁 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 (𝑠𝑢𝑏𝑟𝑎𝑠𝑎𝑛𝑡𝑒).
5.4. Resultados obtenidos
A partir de los parámetros explicados anteriormente, se procedió a calcular la estructura del
pavimento flexible.
5.4.1. Diseño inicial
Para el diseño inicial de la estructura se tuvieron en cuenta los parámetros y el diseño
propuesto por Muñoz & Zapata (2015), como se muestra en la Tabla 5-7 y Tabla 5-8
respectivamente, para la ampliación de la vía del Aeropuerto.
Tabla 5-7. Parámetros de diseño propuesto por Muñoz & Zapata (2015)
Descripción Parámetro Magnitud
No ejes equivalentes 8,2 t E18 1.664.400
Confiabilidad (%) R 85
Desviación Estándar So 0,45
CBR de diseño (%) 2,3
Mr de la Subrasante (PSI) K 4.000
Nivel de serviciabilidad Inicial Pi 4,2
Nivel de serviciabilidad Final Pf 2,2
Período de diseño (años) PD 10
Número estructural requerido SN 4,37
83
Tabla 5-8. Diseño propuesto para ampliación Aeropuerto por Muñoz & Zapata (2015)
Capas Tipo
Módulo
Resiliente
(PSI)
Coeficiente
Estructural de
capa (ai)
Coeficiente de
Drenaje (m)
Espesor
(Pulgadas)
Numero
Estructural
(SN*)
1 Concreto asfáltico 392.000 0,38 4 1,52
2 Base granular 77.390 0,2 1,0 8 1,6
3 Sub-base granular 50.000 0,1 0,9 10 0,9
4 Sub-base granular 31.000 0,1 0,9 10 0,9
5 Subrasante 4.000 - - SN 4,92
5.4.2. Diseño de la estructura del pavimento con carpeta asfáltica en material
convencional
En este trabajo fue necesario tener en cuenta los módulos de resiliencia obtenidos mediante
ensayos de laboratorio de investigaciones desarrolladas previamente en la PUJ.
El módulo de resiliencia de la base Mr = 77.390 PSI para el agregado Cachibí, fue tomado de
la investigación de Muñoz & Zapata (2015). El valor de módulo de resiliencia para la sub-base y
el refuerzo de la subrasante, fueron tomados del trabajo de los autores referidos.
En el caso del módulo de resiliencia del suelo de subrasante, se tomaron los reportados en el
trabajo desarrollado por Alcalde & López (2015) en el cual se analizó el comportamiento
resiliente de un suelo finogranular de la ciudad de Cali. El módulo de resiliencia de la capa de
subrasante empleado para el diseño de la estructura de pavimento propuesta fue Mr = 9195 PSI.
Por último, los módulos de resiliencia de la carpeta asfáltica de la mezcla convencional y de
la mezcla incluyendo el ARC fueron calculados a partir del método empírico propuesto por Leal
(2012) como presentado en el capítulo 4.
Una variable en especial llama la atención; el módulo de resiliencia del diseño inicial tiene
un valor de Mr = 392.000 PSI, sin embargo, el resultado del ensayo de módulo indica que el
material de la base granular tiene una rigidez menor correspondiente a un Mr = 100.453 PSI.
Esta diferencia en los módulos de la mezcla, indican una disminución de la rigidez de los
materiales empleados en el diseño inicial y los propuestos en este trabajo. Por otro lado, con
relación al Mr de la subrasante, el material del diseño original presenta un módulo de 4.000 PSI
y el módulo del material de fundación utilizado en este análisis es de 9.195 PSI. A pesar de haber
aumentado su rigidez, aun es bajo para los materiales habitualmente encontrados como
84
subrasante donde los módulos de resiliencia oscilan entre 13.000 < Mr < 18.000 PSI, motivo por
el cual es necesaria la capa de refuerzo de subrasante la cual tiene un Mr = 31.000 PSI valor
adoptado del trabajo presentado por Muñoz & Zapata (2015).
Tabla 5-9. Parámetros de diseño propuesto a partir de una mezcla asfáltica convencional
Descripción Parámetro Magnitud
No ejes equivalentes 8,2 t E18 1.664.400
Confiabilidad (%) R 99,82
Desviación Estándar So 0,45
CBR de diseño (%) 2,3
Mr de la Carpeta asfáltica (PSI) Mr1 100.453
Mr de la base (PSI) Mr2 77.390
Mr de la Subrasante (PSI) K 9.195
Nivel de serviciabilidad Inicial Pi 4,2
Nivel de serviciabilidad Final Pf 2,2
Período de diseño (años) PD 10
Número estructural requerido SN 4,37
En la Tabla 5-10, se plantea el diseño del pavimento a partir del comportamiento durante el
periodo de diseño.
Tabla 5-10. Diseño propuesto para ampliación Aeropuerto con base al porcentaje óptimo de una mezcla
convencional
Capas Tipo
Módulo
Resiliente
(PSI)
Coeficiente
Estructural de
capa (ai)
Coeficiente de
Drenaje (m)
Espesor
(Pulg)
Numero
Estructural
(SN*)
1 Concreto asfáltico 100.453 0,20 4 0,80
2 Base granular 77.390 0,20 1,0 8 1,6
3 Sub-base granular 50.000 0,20 0,9 10 1,8
4 Sub-base granular 31.000 0,18 0,9 10 1,6
5 Subrasante 9.195 - - SN 5,82
Se realizó el chequeo que SN = 5,82 ≥ SNreq, cumpliendo con la condición de diseño.
Además, se observa que para el módulo resiliente modificado de la subrasante y la carpeta
asfáltica, la capacidad de la estructura aumenta.
5.4.3. Diseño de la estructura del pavimento con carpeta asfáltica con reemplazo de ARC
Con el propósito de comparar los resultados del diseño de una mezcla convencional con el
diseño de una mezcla involucrando el 30% de ARC en la fracción gruesa, se estableció la
85
composición de la estructura para analizar su comportamiento con agregado reciclado. Se
utilizaron los mismos parámetros planteados en la Tabla 5-9, pero se cambió el módulo resiliente
de la carpeta asfáltica el cual es 111.541 PSI para un porcentaje óptimo de asfalto de 6%.
Adicional, se muestra el diseño de la estructura de pavimento con ARC, como se observa en
la Tabla 5-11.
Tabla 5-11. Diseño propuesto para ampliación Aeropuerto con base al 30% de ARC involucrado en la mezcla
asfáltica
Capas Tipo
Módulo
Resiliente
(PSI)
Coeficiente
Estructural de
capa (ai)
Coeficiente de
Drenaje (mi)
Espesor
(Pulgadas)
Numero
Estructural
(SN*)
1 Concreto asfáltico 111.541 0,20 4 0,81
2 Base granular 77.390 0,20 1,0 8 1,6
3 Sub-base granular 50.000 0,20 0,9 10 1,8
4 Subbase granular 31.000 0,18 0,9 10 1,6
5 Subrasante 9.195 SN 5,84
Se chequeó la capacidad de la estructura para el diseño con reemplazo del 30% de ARC,
siendo SN = 5,84 ≥ SNreq y cumpliendo con el requerimiento.
Se observó que la capacidad de la estructura (SN) mejora al involucrar ARC en la carpeta
asfáltica dando un valor de 5,84, a comparación del número estructural de la mezcla
convencional de 5,82, por ende es factible el uso de ARC en la estructura de un pavimento
flexible.
86
6. CONCLUSIONES
A continuación se presentan las conclusiones y recomendaciones a partir los resultados
obtenidos para el desarrollo de esta investigación:
El porcentaje de absorción del ARC difiere en un 76% aproximadamente con respecto a la
grava convencional, lo que puede incrementar el porcentaje de asfalto necesario para la
conformación de la mezcla asfáltica. Esto puede ser una desventaja a la hora de proponer el ARC
como agregado para la fracción gruesa en la mezcla asfáltica.
El ARC presentó un alto porcentaje de desgaste por medio de la máquina de los Ángeles, en
comparación de la grava convencional, dando una variación del 26%. Debido al alto porcentaje
de desgaste del ARC obtenido por máquina de los ángeles, al realizar la compactación de las
briquetas con concreto involucrado se desprendieron parte de las partículas de mortero reciclado
dejándola suelta lo que ocasiona una variación en la granulometría inicial.
A partir de los resultados obtenidos en el diseño Marshall para los diferentes porcentajes de
ARC involucrado en la mezcla asfáltica, se concluyó que no es recomendable el reemplazo total
o parcial con el 50% y 75%, ya que no cumplen con la totalidad de las especificaciones
estipuladas por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) de acuerdo al Artículo 450 del 2013.
Se determinó como porcentaje óptimo de ARC a reemplazar el 30%, ya que sus propiedades
mecánicas según el diseño Marshall realizado, cumplen con los parámetros exigidos por el
INVIAS para un tránsito tipo 2 (NT2).
Una de las características más importantes del material reciclado investigado, es su facilidad
para quebrarse. Esto se concluye al momento de realizar la compactación de la mezcla asfáltica
para la elaboración de los especímenes de prueba, debido al impacto del martillo compactador,
algunas de las partículas se quebraban provocando el desprendimiento de mortero y modificando
la granulometría de la mezcla, también puede que en el interior del espécimen se presente el
mismo fenómeno lo que conlleva a un aumento de vacíos llenos de asfalto teóricamente pero en
realidad es el mortero desprendido que cubre los vacíos de aire.
A partir de la modificación del Módulo de Resiliencia de los materiales se determinó que se
tiene un nivel de rigidez bajo cuando los ensayos de rigidez del suelo son in situ, pero cuando
son obtenidos en laboratorio los resultados son valores más cercanos a la realidad. Este aumento
de módulo de ruptura proporciona una mayor resistencia del pavimento (SN).
87
Comparando el diseño planteado con una mezcla asfáltica convencional y el diseño con el
30% de ARC involucrado, se determina que la adición de concreto reciclado a la carpeta asfáltica
mejora la resistencia del pavimento bajo las cargas de transito que soporta la estructura, durante
el período de servicio.
A pesar de que muchas de las propiedades físicas y mecánicas del ARC estudiado en este
trabajo no satisficieron las especificaciones técnicas del INVIAS, no se descarta el uso de este
tipo de materiales en la conformación de la carpeta asfáltica del pavimento flexible.
Adicionalmente, en este trabajo se analizó apenas un agregado reciclado de concreto de los
muchos generados en la ciudad de Cali. Se recomienda entonces que otras investigaciones sean
desarrolladas empleando residuos generados en otros puntos de la Ciudad, con el fin de
establecer un criterio de diseño adecuado a la hora de incluir este tipo de materiales.
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7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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