IV. Caracterización y dosificación de los materiales IV. Caracterización y dosificación de los materiales IV.1 INTRODUCCIÓN El conocimiento de las diferentes propiedades y características que definen a los materiales de la mezcla asfáltica es fundamental para poder interpretar y justificar las características que van a conferir éstos a las propiedades de la mezcla y para prever su comportamiento. En este sentido, cualquier resultado obtenido de forma experimental en relación a la mezcla bituminosa tiene, en su origen, explicación en las características de cada uno de los elementos que la integran. A continuación, se presenta la caracterización de los materiales que han servido de estudio para la medida del efecto de la relación volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico de las mezclas asfálticas. Los materiales empleados para la dosificación y fabricación de las mezclas han sido cinco fílleres de estudio de naturalezas distintas, un betún de penetración B 40/50 y una mezcla de áridos ofíticos correspondientes a la mezcla patrón UCL® nº 2. En este contexto, se ha desarrollado una caracterización más detallada de los diferentes fílleres atendiendo a que tanto los áridos como el ligante bituminoso van a permanecer como variables fijas en cada una de las mezclas de estudio y las variaciones en el comportamiento de las mezclas vendrá dado por las propiedades que el fíller confiere al mástico. 53 Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico Del mismo modo, se presentan las diferentes dosificaciones de las mezclas fabricadas, en base a la caracterización de los materiales empleados. IV.2 LOS ÁRIDOS Los áridos empleados para la fabricación de las mezclas de estudio corresponden a áridos ofíticos, de naturaleza hidrófila. La granulometría empleada para la dosificación de las mezclas (NLT-150/89) es la presentada en la Tabla III-1 de la metodología y en la Figura IV-1, con un 80% de la fracción comprendida entre 5 mm y 2.5 mm, y un 20% de la fracción comprendida entre 2.5 mm y 0.63 mm. Esta granulometría permite la obtención de mezclas con un alto contenido de huecos, aptas por su ensayo mediante el ensayo Cántabro de pérdidas por desgaste. Los áridos, naturaleza atendiendo ácida, a poseen su 100 una 80 elevado contenido en sílice. Ensayos para la determinación de la densidad real de los áridos (NLT153/92) indican un valor de 2.800 g/cm3. En la Figura IV-2 se muestra el aspecto de los áridos empleados para la fabricación de las mezclas. % pasa composición mineralógica con un 60 40 20 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Tamiz UNE (mm) Figura IV-1. Distribución granulométrica de los áridos empleados para la fabricación de las mezclas. Figura IV-2. Áridos para la fabricación de las mezclas bituminosas de estudio. La imagen izquierda corresponde a la fracción comprendida entre 2.5 mm y 0.63 mm. La imagen derecha corresponde a la fracción comprendida entre 5 mm y 2.5 mm. 54 IV. Caracterización y dosificación de los materiales IV.3 EL LIGANTE BITUMINOSO El ligante bituminoso utilizado para la fabricación de las mezclas ha sido un betún asfáltico de penetración tipo B 40/50. Las especificaciones para este ligante bituminoso se recogen en la Tabla IV-1. Se muestra el aspecto del ligante en la Figura IV-3. Tabla IV-1. Especificaciones del betún asfáltico B 40/50 para su uso como material en las mezclas bituminosas, según Orden Ministerial de 27/12/1999. CARACTERÍSTICAS UNIDAD NORMA DE ENSAYO NLT B 40/50 MÍNIMO MÁXIMO 124/84 40 50 181/84 -1 1 52 61 BETÚN ORIGINAL PENETRACIÓN (25 ºC, 100 g, 5 s) 0.1 mm ÍNDICE DE PENETRACIÓN PUNTO DE REBLANDECIMIENTO (ANILLO Y BOLA) ºC 125/84 PUNTO DE FRAGILIDAD FRAASS ºC 182/84 DUCTILIDAD (5 cm/min) -5 126/84 a 25 ºC cm 70 a 15 ºC cm SOLUBILIDAD EN TOLUENO % 130/84 CONTENIDO EN AGUA (EN VOLUMEN) % 123/84 PUNTO DE INFLAMACIÓN v/a ºC 127/84 235 122/84 1 DENSIDAD RELATIVA, 25 ºC/25 ºC 99.5 0.2 ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE PELÍCULA FINA VARIACIÓN EN MASA % 185/84 PENETRACIÓN (25ºC, 100 g, 5 s) % penetración original 124/84 AUMENTO DEL PUNTO DE REBLANDECIMIENTO (ANILLO Y BOLA) ºC 125/84 DUCTILIDAD (5 cm/min) 0.8 55 8 126/84 a 25 ºC cm a 15 ºC cm 40 La densidad real del ligante empleado, según NLT-122/84, indica un valor de 1.035 g/cm3. 55 Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico Figura IV-3. Betún asfáltico de penetración B 40/50 empleado para la fabricación de las mezclas asfálticas de estudio. IV.4 EL FÍLLER Para el estudio de la cohesión y adhesividad del mástico en la mezcla bituminosa se han caracterizado cinco fílleres de naturaleza y características diversas, comúnmente empleados en el diseño de mezclas asfálticas. Los fílleres de estudio considerados corresponden a dos fílleres de carbonato cálcico de la marca comercial CALCINOR y denominados Carbonato Calcinor y Carbonato Cisne, un filler de hidróxido cálcico o cal apagada, también de marca comercial CALCINOR, un filler de cemento y un filler de recuperación. Las Figuras IV-4 a IV-8 muestran el aspecto de los diferentes fílleres estudiados. Figura IV-4. Muestra de filler Carbonato Figura IV-5. Muestra de filler Carbonato Cisne Calcinor de la marca comercial CALCINOR. de la marca comercial CALCINOR. 56 IV. Caracterización y dosificación de los materiales Figura IV-6. Muestra de filler cal de la Figura IV-7. Muestra de filler de cemento. marca comercial CALCINOR. Para cada uno de los fílleres se ha determinado, atendiendo a las vigentes para el especificaciones empleo de los fílleres en las mezclas bituminosas, su densidad aparente en tolueno según NLT-176/92. A su vez, para la dosificación de las mezclas se ha determinado la densidad real de los fílleres, según UNE-EN 1097-4. Los datos obtenidos se muestran en la Tabla IV-2. Figura IV-8. Muestra de filler de recuperación. Tabla IV-2. Valores de densidad aparente en tolueno y densidad real para los fílleres de estudio. CARBONATO CALCINOR CARBONATO CISNE CAL CEMENTO FÍLLER DE RECUPERACIÓN DENSIDAD APARENTE EN TOLUENO (g/cm3) 0.8 0.5 0.3 0.7 0.8 DENSIDAD REAL (g/cm3) 2.707 2.702 2.308 2.946 2.691 FÍLLER Las especificaciones acotan el valor de la densidad aparente en tolueno de los fílleres empleados en mezclas bituminosas en caliente entre 0.5 y 0.8 g/cm3. De esta forma, y atendiendo a los criterios ponderales empleados en las dosificación del fíller, se evita el empleo de polvos minerales demasiado finos que demanden una cantidad 57 Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico significativa de ligante bituminoso en la mezcla para que ésta no se rigidice sustancialmente. Este criterio de aceptación o rechazo que se realiza de forma general para todo tipo de fíller descarta al fíller cal como aspirante a formar parte de la mezcla bituminosa, sin darle ninguna opción a valorar su comportamiento en la mezcla o a intentar buscarle una dosificación adecuada atendiendo a sus características. Es decir, la filosofía actual para el empleo de fílleres en las mezclas bituminosas evita el problema en lugar de buscar soluciones particulares para fílleres cuyas características divergen de lo estándar. Además, se verá más adelante que el fíller cal, con una correcta dosificación, puede proporcionar a la mezcla bituminosa propiedades mucho más beneficiosas que el empleo de otros fílleres en lo que respecta a la adhesividad. El criterio de dosificación volumétrica que se ha llevado a cabo en este trabajo de investigación obliga a determinar, para cada uno de los fílleres, el valor de su concentración crítica (Norma IRAM 1542) definido por Ruiz (1966). Este parámetro es fundamental para evaluar la demanda de betún del polvo mineral valorando, implícitamente, características del fíller como su finura o superficie específica y su rugosidad o textura superficial. Los valores de concentración crítica de fíller obtenidos para cada uno de los polvos minerales se presentan en la Tabla IV-3. Tabla IV-3. Valores de concentración crítica de fíller para cada uno de los fílleres de estudio. FÍLLER CONCENTRACIÓN CRÍTICA DE FÍLLER (Cs) CARBONATO CARBONATO CALCINOR CISNE 0.377 0.200 CAL CEMENTO FÍLLER DE RECUPERACIÓN 0.127 0.237 0.267 Valores bajos en la concentración crítica de fíller indican fílleres con una elevada superficie específica y rugosidad superficial y, por tanto, con una elevada demanda de ligante bituminoso en la mezcla. En efecto, cabía esperar el valor más bajo de concentración crítica para el fíller cal atendiendo a su valor de densidad aparente en tolueno. IV.5 DOSIFICACIÓN DE LOS MATERIALES La dosificación de los materiales para la fabricación de las mezclas de ensayo se ha fundamentado en una dosificación volumétrica del fíller respecto al betún, fijadas las variables de contenido de ligante y de masa de áridos. 58 IV. Caracterización y dosificación de los materiales En esta línea, se han empleado, para la fabricación de cada una de las probetas de ensayo, las cantidades de áridos (900 g) y de porcentaje de ligante asfáltico sobre la masa de áridos (4.5%), mostradas en la Figura IV-9. A su vez, se han propuesto dosificaciones de fíller a partir de las relaciones entre la concentración volumétrica empleada respecto al ligante (Cv) y la concentración crítica de fíller (Cs), es decir, se han empleado proporciones volumétricas de fíller respecto al betún correspondientes a 0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 veces las proporciones volumétricas de fíller respecto a queroseno observadas mediante el ensayo de sedimentación para la determinación de la concentración crítica de fíller (Norma IRAM 1542) (Figura IV-9). Ligante 40.5 g 4% Fíller 24.5 g 3% Carbonato Calcinor Cv/Cs=0.5 Áridos 900 g 93% Carbonato Calcinor Cv/Cs=1.0 Fíller 137.5 g 13% Ligante 40.5 g 4% Fíller 64.1 g 6% Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 90% Fíller 324.7 g 26% Ligante 40.5 g 3% Carbonato Calcinor Cv/Cs=1.5 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 83% Fíller 11.7 g 1% Carbonato Cisne Cv/Cs=0.5 Carbonato Calcinor Cv/Cs=2.0 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 95% Áridos 900 g 71% Fíller 26.4 g 3% Carbonato Cisne Cv/Cs=1.0 Áridos 900 g 93% Figura IV-9. Dosificación (% en masa en la mezcla) de las probetas fabricadas con los diferentes fílleres de estudio. 59 Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico Fíller 45.3 g 5% Ligante 40.5 g 4% Ligante 40.5 g 4% Carbonato Cisne Cv/Cs=1.5 Fíller 21.3 g 2% Cal Cv/Cs=1.5 Ligante 40.5 g 4% Fíller 15.4 g 2% Cemento Cv/Cs=0.5 Fíller 13.1 g 1% Cal Cv/Cs=1.0 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 94% Áridos 900 g 95% Fíller 30.8 g 3% Áridos 900 g 93% Cal Cv/Cs=2.0 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 94% Áridos 900 g 89% Carbonato Cisne Cv/Cs=2.0 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 95% Cal Cv/Cs=0.5 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 91% Fíller 6.1 g 1% Ligante 40.5 g 4% Fíller 70.5 g 7% Cemento Cv/Cs=1.0 Fíller 35.8 g 4% Áridos 900 g 92% Figura IV-9 (Continuación). Dosificación (% en masa en la mezcla) de las probetas fabricadas con los diferentes fílleres de estudio. 60 IV. Caracterización y dosificación de los materiales Fíller 63.5 g 6% Ligante 40.5 g 4% Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 90% Cemento Cv/Cs=1.5 Ligante 40.5 g 4% Fíller 103.8 g 10% Fíller 16.1 g 2% Ligante 40.5 g 4% Fíller 38.4 g 4% Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 94% Fíller de recuperación Cv/Cs=0.5 Fíller 70.3 g 7% Fíller de recuperación Cv/Cs=1.5 Fíller de recuperación Cv/Cs=1.0 Ligante 40.5 g 4% Áridos 900 g 89% Áridos 900 g 86% Cemento Cv/Cs=2.0 Áridos 900 g 92% Fíller 120.8 g 11% Fíller de recuperación Cv/Cs=2.0 Áridos 900 g 85% Figura IV-9 (Continuación). Dosificación (% en masa en la mezcla) de las probetas fabricadas con los diferentes fílleres de estudio. Está claro que aquellos fílleres con un valor más elevado de concentración crítica contribuirán a la mezcla con una mayor proporción en volumen, tanto mayor respecto a los otros fílleres cuanto mayor sea la relación Cv/Cs de diseño y, atendiendo a las densidades de los materiales, ocurrirá lo mismo con la proporción en masa, tal y como muestra la Figura IV-9. Cabe destacar que para relaciones Cv/Cs=2.0 llegan a haber diferencias en masa en la dosificación del fíller del orden de 10 veces entre fílleres, tal y como ocurre entre el Carbonato Calcinor y la cal. Este hecho contrasta con el criterio de dosificación ponderal que se lleva a cabo actualmente para el cumplimiento de las prescripciones en la dosificación del fíller. Aún así, más adelante se podrá comprobar que las 61 Efecto de la concentración volumétrica fíller/betún en la cohesión y adhesividad del mástico dosificaciones óptimas de los fílleres estudiados pueden alcanzar diferencias cercanas a este orden. 62