Asfaltos Modificados

ASFALTOS MODIFICADOS.
(Conceptualización, aplicación, control y
pruebas).
Expositores:
Arq. Ángel Sánchez González.
Por un camino hacia el futuro.
Introducción.
La modificación de un asfalto es una nueva técnica
utilizada para el aprovechamiento efectivo de asfaltos en la
pavimentación de vías. Esta técnica consiste en la adición
de polímeros a los asfaltos convencionales con el fin de
mejorar sus características mecánicas, es decir, su
resistencia a las deformaciones por factores climáticos.
Los objetivos que se persiguen con la modificación de los
asfaltos con polímeros, es contar con ligantes mas
viscosos a temperaturas elevadas para reducir las
deformaciones permanentes (ahuellamiento), de las
mezclas que componen las capas de rodamiento,
aumentando la rigidez.
Definiciones Básicas.
Cemento Asfáltico.
Sistema homogéneo de asfaltos y aceites aromáticos que
poseen propiedades adecuadas como ligantes para la
construcción de carreteras y pavimentos asfálticos.
Asfalto Modificado con Polímero.
Es un asfalto con propiedades físicas y reológicas
mejoradas, se consigue con la integración de moléculas de
polímeros en la estructura del asfalto.
Emulsiones Asfálticas Cationicas.
Es una mezcla estable de agua (fase continua), y asfalto (fase
dispersa), el asfalto y el agua son inmiscibles entre si, por lo que
se utiliza agentes tenso activos, llamados también emulsificantes
para lograr la estabilidad de la emulsión.
Emulsiones Asfálticas con Polímeros.
Es una emulsión asfáltica en donde la fase dispersa (asfalto) es
mejorado en sus propiedades físicas con polímero, las
características de la emulsión son igualmente mejoradas en
estabilidad y viscosidad.
DEFINICIÓN
PAVIMENTOS.
Y
ESTRUCTURA
DE
LOS
Un pavimento es un operador que funciona a base de
respuestas, cuando es activado por funciones de excitación.
Físicamente el pavimento es un sistema multicapa, construido
por materiales de características mecánicas conocidas,
dispuestos en capas de espesor conocido.
De esta manera, el pavimento esta caracterizado por las
propiedades, disposición y cantidad de los materiales utilizados,
así como de la calidad de la construcción.
Cuando actúan sobre el pavimento funciones tales como las
cargas producidas por el tránsito, se generan respuestas
inmediatas del pavimento que obedecen leyes casi identificadas
como estados de esfuerzos, deformaciones unitarias y
deflexiones.
El tiempo transcurrido hasta alcanzar las condiciones de falla
constituye el ciclo de vida del pavimento, durante el cual, las
condiciones y características del pavimento se degradan con el
tiempo dando lugar a una curva de comportamiento, que refleja
propiamente el nivel de servicio que el pavimento proporciona
al usuario, lo cual tiene a su vez importantes implicaciones de
tipo económico.
El proyecto de un pavimento debe involucrar los aspectos de
diseño estructural, materiales y su disposición, tránsito, clima,
aspectos constructivos y estrategias de conservación, cuya
eficiencia debe juzgarse a través de su evaluación beneficio
costo.
Falla estructural .
Colapso de la estructura del pavimento o de alguno de sus
componentes, de tal manera que el pavimento es incapaz de
soportar las cargas, o bien, se reduce a una interrupción en su
continuidad o integridad. Puede degenerar en falla funcional.
Tipo de falla funcional.
El pavimento no cumple con su función primordial, provocando
incomodidad e inseguridad en el usuario, así como esfuerzos
imprevistos en los vehículos.
No siempre está acompañada de falla estructural.
Atributos de un pavimento.
􀂃 Capacidad para soportar las cargas
􀂃 Resistencia adecuada al derrapamiento
􀂃 Regularidad superficial longitudinal y transversal
􀂃 Rápida eliminación del agua superficial
􀂃 Bajo nivel de ruido
􀂃 Bajo nivel de desgaste de las llantas
􀂃 Adecuadas propiedades de reflexión luminosa y
􀂃 Apariencia agradable
Funciones de las capas de un pavimento flexible .
Carpeta
Soporta directamente las solicitaciones del Transito, absorbe los
esfuerzos horizontales Y parte de los verticales. Aporta las
características funcionales y debe impedir el paso del Agua.
Puede estar constituida por varias capas, esta expuesta
directamente al ambiente.
Base
Tiene una función resistente, absorbe la mayor parte de los
esfuerzos verticales, debe ser resistente a la deformación bajo
las acciones del Transito, por lo que en ocasiones debe estabili
zarse con asfaltos o cemento.
Subbase
Proporciona una capa de apoyo a la base, transmite los
esfuerzos verticales a la capa subrasante, puede constituir una
capa drenante y en ocasiones se omite.
Capa subrasante
Es la capa de apoyo de la estructura del pavimento y sus
características son indispensables para su diseño. Sus atributos
principales deben ser capacidad de soporte y resistencia a la
deformación.
Secciones típicas de pavimentos.
Continuación ……….
Continuación ……….
La carpeta asfáltica.
La carpeta asfáltica se constituye de tres elementos básicos
que al ser mezclados son dan forma final al hipotético proyecto.
El concreto asfáltico
O mezcla asfáltica en caliente (hma) esta compuesto por un
ligante asfáltico y un Agregado mineral.
El ligante (o modificador)
Puede ser un cemento asfáltico normal o modificado, y actúa
como un agente aglutinando las partículas formando una masa
cohesiva, resistente e Impermeable.
El agregado mineral.
Actúa como un esqueleto pétreo que aporta resistencia y rigidez
al sistema.
El comportamiento de la mezcla es afectado por las propiedades
individuales de los componentes y por su interrelación en el
sistema.
Propiedades
modificados.
y
especificaciones
de
los
asfaltos
Los asfaltos modificados con polímeros se constituyen de dos
fases; al agregar pequeñas partículas de polímero hinchado y la
otra por asfalto.
Esta micromorfología bifásica y las interacciones existentes entre
las moléculas del polímero y los componentes del asfalto son la
causa del cambio de propiedades que experimentan los asfaltos
modificados con polímeros.
El efecto principal de mezclar polímeros con los asfaltos es
mejorar la relación viscosidad-temperatura, permitiendo mejorar
de esta manera el comportamiento del asfalto tanto a altas como
a bajas temperaturas.
El asfalto es un material interesante que ha sido usado para
construcción de pavimentos desde muchos años atrás, sin
embargo, dependiendo de su fuente de origen, tiene un
intervalo definido de temperatura donde muestra su mejor
desempeño. Este intervalo de forma práctica se define en
temperaturas positivas por arriba de 10°C y hasta 60°C, ya
que por arriba de este intervalo el asfalto comienza a
ablandarse, adquiriendo un comportamiento plástico.
Figura 1.- Deformación
que experimenta el
asfalto cuando empieza
a ablandarse por efecto
de la temperatura.
Por el otro lado, cuando el asfalto experimenta temperaturas
menores a los 10°C y particularmente temperaturas negativas,
el asfalto se convierte en un sólido rígido, que puede ser tan
duro que no resiste deformaciones y puede sufrir fallas como
fracturas cuando experimenta dichas deformaciones.
Figura
2.Comportamiento
rígido del asfalto
cuando se somete
a
temperaturas
menores a los 0°C
y se somete a
deformaciones.
Aquí es donde conviene preguntar: ¿Cómo mejorar el intervalo
de temperatura de desempeño del asfalto con objeto de
hacerlo mas versátil a cambios climáticos y condiciones
variadas de deformación?
¿ PORQUE MODIFICAR LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO ?
TEMPERATURA DE DESEMPEÑO EN PAVIMENTOS
La respuesta a la pregunta del párrafo de arriba se contesta con
el uso de aditivos modificadores del asfalto. En el mercado
existen diferentes agentes modificadores del asfalto. La mayoría
de estos son de naturaleza polimérica y entre otras cosas,
permiten extender la temperatura de efectividad del asfalto como
agente ligante en el diseño de pavimentos.
TIPOS DE MODIFICADORES.
POLÍMERO TIPO I
Mejora el comportamiento de mezclas asfálticas tanto a altas
como a bajas temperaturas.
Son polímeros elastómeros radiales a base de estireno, se usa
en carpetas delgadas y estructurales de pavimentos con alto
índice de tránsito, con vehículos pesados y climas fríos o
calidos.
POLÍMERO TIPO II
Mejora el comportamiento de mezclas asfálticas a bajas
temperaturas.
Son polímeros elastomericos lineales, con una configuración de
caucho de estireno, butadieno latex o neopreno latex.
Se utiliza en todo tipo de mezclas asfálticas en las que se
requiera mejorar su comportamiento en climas fríos.
TIPOS DE MODIFICADORES.
POLÍMERO TIPO III
Mejorar la resistencia al ahuellamiento de las mezclas
asfálticas, disminuye la susceptibilidad a la temperatura y
mejora su comportamiento a altas temperaturas.
Es un polímero tipo plastomero, se utiliza en climas calientes,
en mezclas asfálticas para carpetas estructurales y alto índice
de tránsito.
HULE MOLIDO DE NEUMÁTICOS
Mejora la flexibilidad y resistencia a la tensión de las mezclas
asfálticas, reduciendo la aparición de grietas por fatiga o
cambios de temperatura.
Es fabricado con base en la molienda de neumáticos.
Se utiliza en carpetas delgadas de granulometría abierta y
tratamientos superficiales.
2. FUNDAMENTOS DE LA MODIFICACIÓN.
Los pavimentos sufren deterioro. Los tres principales factores
que influyen en este deterioro son:
1. Clima.
2. Deformaciones por tránsito.
3. Tiempo.
El clima tiene que ver fundamentalmente con la temperatura
promedio a la que se ve expuesto el pavimento y variaciones de
temperatura por cuestiones climáticas y humedad propiciada
por lluvia, así como las bajas temperaturas en los meses de
invierno.
Las deformaciones se deben al transito vehicular. Los
pavimentos se diseñan para una carga promedio que genera
una deformación debida a la circulación de vehículos.
RELACIÓN DE DETERIOROS O FALLAS
Generalmente las deformaciones que sufren los pavimentos se
se clasifican en dos grandes grupos, dependiendo de su forma
y el origen que las motiva.
Desprendimientos:
De acuerdo al Catalogo de Deterioros en Pavimentos Flexibles
de Carreteras Mexicanas, emitida por el Instituto Mexicano del
Transporte, se tiene en esta clasificación un total de 10 tipos de
fallas.
Deformaciones:
En este tipo de fallas, se tiene plenamente identificado cinco
problemáticas en las vías de comunicación aceptadas por en
ente normativo antes mencionado.
Desprendimientos:
BACHES:
Consiste en oquedades de varios tamaños en la capa de
rodamiento por desprendimiento o desintegración inicial.
Desprendimiento inicial de los agregados que al paso de los
vehículos van formando oquedades.
Causas probables:
1. Falta de resistencia de la carpeta.
2. Escasez de contenido de asfalto.
3. Espesor deficiente.
4. Drenaje deficiente.
5. Puntos débiles en la superficie.
IDENTACIÓN:
Es el encajamiento de objetos duros en al superficie de
rodamiento, produciendo identación o desgaste localizado en la
superficie.
Causas probables:
1. Huellas de tractores o equipo pesado de construcción.
2. Ponchadura de llantas de vehículos pesados.
3. Accidentes de transito.
LEVANTAMIENTO POR CONGELACIÓN:
Consiste en el desplazamiento diferencial hacia arriba que
produce desintegración parcial o total de capas de pavimento.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
Acción de heladas.
Ciclos de congelamiento y descongelamiento.
Expansión localizada en capas inferiores
Expansión localizada en alguna porción de la sección
estructural del pavimento.
DESPRENDIMIENTO DE AGREGADOS:
Son pequeñas depresiones en forma de cráter, por separación
de los agregados gruesos de la carpeta asfáltica, dejando
huecos en la superficie de rodamiento.
Causas probables:
1. Falta de afinidad con el asfalto.
2. Escasez de asfalto.
3. Expansión del agregado grueso.
EROSIÓN AVANZADA DE TALUDES:
Son los agrietamientos en sentido transversal en acotamientos,
que con el tiempo y acción del medio ambiente, va formando
oquedades o canalizaciones transversales, hasta llagar a la
destrucción total de los taludes del cuerpo del terraplén.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Acción del viento.
Acción de la lluvia.
Falta de protección de taludes
Falta de arropamiento de taludes.
Mala compactación.
Escasez de drenaje superficial.
EROSIÓN TOTAL:
Destrucción, eliminación o desaparición de una ovarios capas
subyacentes a la carpeta asfáltica, produciendo falta total de
apoyo interior.
Causas probables:
1. Falta de drenaje supercifial.
2. Falta de subdrenaje.
3. Acción de crecidas de aguas subyacentes al cuerpo del
terraplén.
4. Mala compactación de capas interiores.
5. Falta de armado o arrope en taludes de terraplén..
PULIDO DE SUPERFICIE:
Desgaste acelerado en la superficie de la capa de rodamiento
produciendo áreas lisas.
Causas probables:
1. Transito intenso.
2. Agregado grueso de la carpeta con baja resistencia al
desgaste..
3. Excesiva compactación.
4. Mezclas demasiado ricas en asfalto.
5. Agregados no apropiados a la intensidad del transito.
6. Hundimientos de agregados grueso en el cuerpo de la
carpeta, o en la base cuando se trata de tratamientos
superficiales.
DESINTEGRACIÓN:
Deterioro grave de la carpeta asfáltica en pequeños fragmentos
con perdida progresiva de materiales que la componen.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Fin de la vida útil de la carpeta asfáltica.
Acción de transito intenso y pesado.
Tendido de la carpeta en climas fríos o húmedos.
Agregados contaminados.
Sobrecalentamiento de la mezcla.
Compactación insuficiente.
Presencia de arcilla en cualquiera de las capas.
Separación de agregados y asfalto ligante.
Sección estructural deficiente o escasa.
DESPRENDIMIENTO DE SELLO:
Desintegración parcial o zonificada de la superficie de
rodamiento cuando ésta se forma por uno o varios sellos, el
agregado tiende a desprenderse dejando zonas expuestas por
arranque de la gravilla o granzón.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
5.
Dosificación inadecuada del ligante.
Calidad dudosa del material ligante.
Mala adherencia en capa subyacente.
Espesores insuficiente.
Ejecución de trabajos en malas condiciones de clima.
EROSIÓN LONGITUDINAL DE LA CARPETA:
Desintegración parcial de la carpeta asfáltica principalmente en
la frontera de la supercifie de rodamiento. La carpeta
materialmente se va carcomiendo, reduciendo el ancho efectivo
de carretera.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
5.
Labores de conservación inadecuadas.
Sobrecargas de pesos en acotamientos.
Mala compactación en capas.
Crecimiento significativo de hierba en acotamientos.
Erosión natural del agua y viento.
Deformaciones.:
El tiempo se relaciona fundamentalmente con el envejecimiento
térmico del pavimento ya que a medida que transcurre el
tiempo posterior a su aplicación el asfalto se va degradando.
Las principales fallas que sufren los pavimentos en esta
clasificación, se mencionan a continuación.
BURBUJA:
Consiste en una ampolla de tamaño variable localizada en la
superficie de rodamiento.
Causas probables:
1. Presiones de vapor o aire en zonas de la capa de
rodamiento.
2. Debilidad en espesor o consistencia.
3. Liberación de cal en bases estabilizadoras.
RODERAS O CANALIZACIONES:
Asentamiento o deformación permanente de la carpeta
asfáltica en el sentido longitudinal debajo de las huellas o
rodadas de los vehículos.
Causas probables:
1. Baja estabilidad de la carpeta.
2. Carpeta mal compactada.
3. Consolidación de una o varias de las capas subyacentes.
ONDULACIONES TRANSVERSALES (CORRUGACIONES):
Ondulaciones de la carpeta asfáltica en el sentido
perpendicular al eje del camino que contienen en forma regular
crestas y valles alternados, regularmente con separación menor
a 60 centímetros entre ellas.
Causas probables:
Unión deficiente entre capas asfálticas y/o base.
Estabilidad de la mezcla deficiente.
Acción de transito intenso.
Bases de mala calidad.
Fuerzas tangenciales producto de las aceleraciones y
frenado de los vehículos.
6. Mala calidad de los materiales que conforman la carpeta.
1.
2.
3.
4.
5.
PROTUBERANCIAS:
Desplazamiento de parte del cuerpo de la carpeta asfáltica
hacia la superficie, formando un montículo de considerables
dimensiones.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
5.
Acción de transito intenso.
Estabilidad inadecuada.
Liga deficiente entre capas.
Compactación inadecuada.
Deformaciones plásticas de los materiales.
ASENTAMIENTO TRANSVERSAL.:
Áreas de pavimento localizadas en elevaciones mas bajas que
las áreas adyacentes o elevaciones del diseño, en el sentido
transversal al eje del camino.
Causas probables:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Peso propio de la sección del pavimento.
Cargas excesivas o superiores a las del diseño.
Cambios volumétricos del cuerpo del terraplén.
Compactación inadecuada.
Asentamientos diferenciales transversales.
Procedimientos de construcción inadecuados.
Contaminación de capas inferiores.
Desplome de cavidades subterráneas.
La mayoría de estas fallas mencionadas se producen
fundamentalmente por una baja recuperación elástica del
pavimento, a excepción de la última falla mencionada por
desprendimiento del asfalto o deslavado de la carretera que se
dá por una pobre adherencia del asfalto al pavimento, bien sea
por usar mayor relación de agregado a la mezcla en caliente, o
a que el asfalto tenía poca fuerza cohesiva con el agregado o
bien por un envejecimiento térmico prematuro.
Como ya se ha mencionado, esta pérdida de la memoria
elástica del pavimento o de la propiedad de recuperación
elástica se dá por el exceso de carga vehicular, degradación del
pavimento por la exposición al sol, lluvia y cambios de
temperatura; y el tiempo.
PROBLEMÁTICA EN EL EMPLEO DE ASFALTOS
MODIFICADOS.
1.- Aún cuando se han incrementado las instalaciones para
efectuar la incorporación de polímeros o hule molido de llanta a
los cementos asfálticos, el tipo de equipo, la tecnología
empleada, no siempre son los adecuados.
2.- En muchas de las plantas de emulsiones no cuentan con la
tecnología para hacer las modificaciones.
3.- Falta implementar más laboratorios con equipo adecuado
para el control de calidad de campo.
4.-Prácticamente no existen laboratorios equipados para
desarrollar las pruebas de calidad completas, que incluyan la
reología del asfalto.
Durabilidad de las mezclas asfálticas preparadas con
ligantes modificados con polímeros.
Dependiendo del diseño y condiciones climáticas, las carpetas
asfálticas pueden ser elaboradas por tres tipos de mezclas de
polímeros.
1) Mezclas drenantes
2) Mezclas resistentes y rugosas para capas delgadas y
3) Mezclas densas.
Las ventajas que los asfaltos modificados poseen sobre los
convencionales son entre otros los siguientes:
• Mayor plasticidad.
• Mayor Cohesión
• Mejora el modulo elástico
• Mayor resistencia a la humedad.
• Mayor resistencia al envejecimiento.
CONTROL
RÁPIDO
MODIFICADOS.
EN
CAMPO
DE
ASFALTOS
OBJETIVO:
Determinar calidad, grado de modificación y homogeneidad con
rapidez y oportunidad, empleando métodos de prueba sencillos
y económicos.
Lograr un control de calidad preventivo, que con un grado de
aproximación aceptable nos permita utilizar productos asfálticos
adecuados.
Un método rápido de campo para determinar la calidad,
grado de modificación, así como la homogeneidad del asfalto
modificado mediante pruebas rápidas en la obra, para lo cual
se tienen diferentes alcances en las tres siguientes variantes:
Variante I.
Corresponde a la verificación de la polimeridad del asfalto, así
como su probable contenido de acuerdo al diseño y tiene por
objeto determinar la homogeneidad de la mezcla asfaltopolímero.
Variante II.
Corresponde a la verificación de la homogeneidad de la mezcla
polimerizada del polímero - asfalto, en algunas de sus pruebas
dependiendo del equipo de que se disponga y del polímero
utilizado.
Variante III.
Corresponde a la verificación rápida de la homogeneidad
del asfalto a una variante de la prueba de separación por
anillo y esfera.
Existen métodos de laboratorio para evaluar el comportamiento
a corto y largo plazo de envejecimiento; estos ensayos se
realizan para determinar la alteración que sufren los A.M.P.
Pruebas a realizar
1.-Penetración a 4 y 25ºC
2.-Recuperación elástica por torsión
3.-Resilencia
4.-Recuperación elástica
5.-Separación por anillo y esfera
Tiempos de ensaye
5 Horas para las pruebas 1 a 4
30 Horas para la prueba No. 5
Los Asfaltos Modificados con Polímeros, pueden ser sometidos a
cinco tipos de ensayos, con el objetivo de revisar sus
características físicas y químicas con la intensión de lograr
buenas mezclas.
1) Ensaye de penetración.
Este tipo de ensaye es utilizado para la clasificación de los
asfaltos, se considera como un método antiguo y empírico
que aun se utiliza en la actualidad.
2) Ensaye de Punto de Ablandamiento.
El punto de reblandecimiento se determina usualmente por el
método de ensayo arbitrario de anillo y bola, es empleado
frecuentemente para caracterizar los materiales mas duros
empleados en otras aplicaciones e indica la temperatura en la
cual los asfaltos se hacen fluidos.
3) Ensaye de Ductibilidad.
Esta prueba de ductibilidad se realiza en los cementos asfálticos
con un ensaye del tipo “de extensión”
4) Ensaye de Recuperación Elástica.
Este ensaye esta basado en el ensayo de Ductibilidad ya que se
utiliza el mismo equipo, sin embargo el procedimiento para
evaluar esta propiedad es distinta.
5) Ensaye STOA (Short Term Oven Aging)
Se utiliza para determinar el envejecimiento a corto plazo de
mezclas asfálticas, este ensaye por los resultados que se han
obtenido ha sido adoptado por el SHRP (Strategic Highway
Research Program).
El ensaye consiste en someter a una muestra recién preparada y
en estado suelto a un calentamiento en estufa con circulación
forzada de aire mantenida a 135° durante 4 horas.
Por su Atención
GRACIAS