DISEÑO DE MEZCLAS DE AGREGADOS CON CEMENTO ASFÁLTICO ESPUMADO

INV E – 785

 

1.         DESCRIPCION

 1.1  Esta norma describe el procedimiento para la preparación de cemento asfáltico espumado y para el diseño de mezclas de agregados pétreos con cemento asfáltico espumado, a partir de la elaboración de probetas cilíndricas de mezcla, a las cuales se les determina su resistencia a la tensión indirecta.

  

2.      APARATOS


 2.1  Planta portátil de laboratorio, capaz de producir asfalto espumado a razón de 50 a 200 gramos por segundo (50 g/s – 200 g/s). El método de producción debe simular de manera muy aproximada el de producción a escala industrial. La planta debe tener un recipiente termostáticamente controlado, capaz de contener una masa de diez kilogramos (10 kg) de asfalto a una temperatura entre 150° C y 205° C, con un margen de ± 5° C. Debe poseer, además, un dispositivo para el suministro de aire comprimido de baja presión de 0 – 500 kPa, con una precisión de ± 25 kPa. También, debe disponer de un sistema para la adición de agua fría al asfalto caliente, variable de 0% a 4% por masa, con una precisión de ± 0.2%. Su diseño debe permitir la descarga directa de la espuma elaborada en el tazón de mezcla de un mezclador de laboratorio accionado por electricidad, con una capacidad de cuando menos 10 kg.

2.2  Moldes de compactación Marshall de 101.6 ± 0.5 mm de diámetro y 87.3 ± 1 mm de altura, con placa de base y collar de extensión. La placa de base y el collar de extensión deberán ser intercambiables, es decir, ajustables en cualquiera de los dos extremos del molde.

2.3 Extractor de probetas. Elemento de acero en forma de disco, con diámetro de 100 mm y 12.7 mm de espesor, utilizado para extraer la probeta compactada del molde, con ayuda del collar de extensión.

2.4 Martillo de compactación. Consiste en un dispositivo de acero formado por una base plana circular de 98.5 ± 0.5 mm diámetro y un pisón deslizante de 4536 ± 5 gramos, con una caída libre de 457 ± 3 mm. El martillo de compactación debe estar equipado con un protector de dedos. El empleo de un martillo mecánico es opcional. 

2.5 Pedestal de compactación.  Consisten en una pieza prismática de madera, de base cuadrada de 203 mm de lado y 457 mm de altura, provista en su cara superior de una platina cuadrada de acero de 305 mm de lado y 25.4 mm de espesor, firmemente sujeta a la misma. La madera será roble u otra clase cuya densidad seca sea de 670 a 770 kg/m3. El conjunto debe fijarse firmemente a una base de concreto debiendo quedar la platina de acero en posición completamente horizontal.

 2.6 Soporte para molde. Dispositivo con resorte de tensión, diseñado para centrar rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal. Deberá, además, mantener el molde en su posición durante el proceso de compactación de la mezcla.

2.7 Balanza de 5 kg de capacidad, con precisión de 1 gramo.

2.8 Espátula con una cuchilla de aproximadamente 150 mm de longitud.

2.9 Prensa con capacidad mínima de carga de 20 kN con una velocidad uniforme de desplazamiento de 50.8 mm por minuto, provista de un medidor de carga de cuando menos 15 kN con una precisión de 0.1 kN.

2.10 Recinto termostático capaz de mantener una temperatura e 25 ±  1° C.

2.11 Dos bandas de apoyo, de acero endurecido, de 13 ± 0.1 mm de ancho y 70 mm de longitud, con una superficie cóncava con radio de curvatura de 51 ± 1 mm. Los bordes de la superficie de carga deben ser ligeramente redondeados. Las bandas de apoyo deben montarse en un marco de diseño apropiado, que permita su correcta alineación sobre los especímenes de prueba.

2.12 Placa de transferencia de carga, circular o cuadrada, que permita transferir la carga de la máquina de compresión a las bandas de apoyo sin deformación. Sus dimensiones deben ser tales, que cubran al menos la longitud de la probeta.

2.13 Calibradores para medir la longitud y el diámetro de las probetas, con aproximación a los 0.5 mm más cercanos.

2.14 Grasa de silicona o aceite

2.15 Desecador de vacío u otro recipiente apropiado y una bomba de vacío capaz de reducir la presión a menos de 50 mm de mercurio, conectada a un manómetro.

2.16 Termómetro con un rango de 0 a 50° C.

 

  3.      OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO ESPUMADO

 

3.1       El objetivo es determinar el porcentaje de agua que optimiza las propiedades de espumado de un determinado asfalto, maximizando la relación de expansión y la vida media del asfalto espumado. Para ello, se calibran las ratas de flujo de asfalto y agua. La primera se regula a razón de 100 gramos por segundo. La presión de aire se ajusta a 100 kPa. Se mantiene el asfalto a una temperatura entre 180 y 200°C durante 15 minutos, antes de comenzar la producción de espuma. Se requieren cinco (5) muestras de asfalto espumado para producir espuma con contenidos de agua entre 1% y 3%, en incrementos de 0.5%.

3.2       Para cada muestra, se permite que la espuma descargue durante 5 segundos en un tambor de acero de 20 litros. Se señala con un marcador el máximo volumen al cual se expande la espuma. Usando un cronómetro, se mide el tiempo en segundos que tarda la espuma en reducir su volumen a la mitad, el cual se define como vida media. Se calcula la relación de expansión del asfalto espumado, dividiendo el volumen máximo de la espuma por el volumen de asfalto en el tambor luego de que la espuma se ha disipado totalmente, pero nunca antes de 60 segundos. Se dibuja una gráfica de relación de expansión y vida media contra el contenido de agua para todas las muestras, en el mismo juego de ejes, lo que permite optimizar el contenido de humedad.

 

4.      PREPARACIÓN DE LOS AGREGADOS PÉTREOS

 

4.1 Se determina la granulometría y la plasticidad de los agregados pétreos. En algunos casos, la mezcla de dos o más agregados puede ser necesaria para satisfacer el requisito granulométrico de la especificación. Se debe realizar un pretratamiento con cal, si el producto plástico (IP * %pasa tamiz de 75 mm) es mayor de 72.

4.2 Se realiza un ensayo modificado de compactación (INV E – 142), para obtener el contenido óptimo de humedad del agregado.

4.3Se seca la muestra de agregado a masa constante a 105°C. En el caso de materiales recuperados de un pavimento existente, el secado se debe realizar a la menor temperatura que prevenga a las partículas de adherirse unas a otras. El contenido de ligante de los materiales bituminosos recuperados debe ser determinado en este momento. Una vez seca, la muestra debe ser cuarteada y dividida en porciones de 10 kg cada una.

 

5.      TRATAMIENTO DE LOS AGREGADOS CON ASFALTO ESPUMADO

 

5.2Para el diseño de la mezcla, se deben preparar 5 porciones de 10 kilogramos cada una, con contenidos de asfalto variables, en incrementos de 1 %. La planta portátil de laboratorio se ajusta para producir el asfalto espumado con propiedades óptimas, como se determinó en la sección 2 de esta norma. Si se requiere, se agrega un aditivo mejorador de adherencia para incrementar la adhesión del asfalto al agregado,

5.3 Cada porción de 10 kg se mezcla de acuerdo  con el siguiente procedimiento:

Se coloca la bachada entera en el recipiente de mezcla. Se añade suficiente agua, de manera que el contenido de humedad más el contenido de ligante añadido sean iguales al contenido óptimo de humedad determinado en el ensayo modificado de compactación. El mezclador mecánico debe ser colocado de manera que la espuma sea descargada directamente al recipiente de mezcla. Los agregados y el agua se mezclan durante un minuto. Posteriormente, sin parar el mezclador, se descarga la masa requerida de asfalto espumado en el recipiente de mezcla y se continúa el proceso de mezclado durante los siguientes 30 segundos. Se transfiere el agregado tratado con el asfalto espumado a un contenedor sellado. Se repite el procedimiento hasta obtener cinco (5) muestras tratadas con diferentes contenidos de asfalto. Estas muestras se encuentran listas para la ejecución del ensayo.

 

6.      CONTENIDOS DE HUMEDAD Y DE ASFALTO

 

6.1Se toman muestras de cada bachada por duplicado, para verificar los contenidos de agua y de asfalto. Se seca cada muestra hasta masa constante a una temperatura de 105 – 110°C, para determinar su humedad. Posteriormente, se realiza una extracción para determinar el contenido de asfalto.

 

7.      COMPACTACIÓN DE LOS ESPECÍMENES DE ASFALTO ESPUMADO

 

7.1 Se limpia el molde, el collar, la placa de base y la base del martillo de compactación. Se coloca un papel de filtro en el fondo del molde. Se pesa una cantidad suficiente de material para que la probeta compactada tenga una altura de 63.6 ± 1.5 mm (usualmente 1150 gramos son suficientes). Se golpea la muestra con la espátula 15 veces por su perímetro y 10 veces en su parte interior, de manera que la superficie quede ligeramente redondeada.

7.2 Se compacta la mezcla aplicando 75 golpes del martillo, desde la altura libre establecida. Se remueven el molde y el collar del pedestal, se invierte aquel y se coloca firmemente sobre la placa de base, se ajusta de nuevo el collar y se aplican  otros 75 golpes a la nueva superficie superior de la muestra.

  

8.      CURADO

 

8.1 Terminada la compactación, se remueve el molde de la placa de base y se permite el curado de la probeta compactada durante 24 horas dentro de él a temperatura ambiente.

8.2 Se extrae la probeta compactada del molde con ayuda de un gato de extrusión u otro dispositivo adecuado.

9.      DETERMINACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO APARENTE DE LAS PROBETAS COMPACTADAS

 

9.1 Se determina el peso específico aparente de cada probeta luego de su enfriamiento a temperatura ambiente, de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma de ensayo INV E-733. Se deben excluir de los ensayos posteriores aquellas probetas cuyo peso específico difiera en más de 30 kg/m3 del peso específico promedio del grupo al cual pertenecen.

  

10.  DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN INDIRECTA

 

10.1La prueba de resistencia a la tensión indirecta se usa para ensayar probetas de mezcla con asfalto espumado compactadas y curadas bajo condiciones seca y húmeda. La resistencia a la tensión indirecta se determina midiendo la carga última de falla de una probeta sometida a una rata de deformación constante de 50.8 mm/minuto sobre su eje diametral. 

10.2 Las probetas se dejan en reposo a temperatura ambiente durante una noche, antes de ser ensayadas. A continuación, se mide la altura de cada una en cuatro puntos uniformemente espaciados y se calcula su altura promedio en metros (L). Igualmente, se mide su diámetro en metros (D). 

10.3Se colocan las probetas en la cámara termostática a una temperatura de 25 ±  1°C durante un período comprendido entre una y dos horas (1h – 2 h).  

10.4 Se retira una probeta de la cámara y se coloca en el dispositivo de carga. La posición de la muestra debe ser tal, que las bandas de apoyo estén paralelas y centradas sobre el plano vertical diametral. Se coloca entonces la placa de transferencia sobre la banda superior y se acomoda el conjunto de manera que quede centrado bajo el pistón de carga de la máquina de compresión. 

10.5 Se aplica carga a la probeta sin impactos a una velocidad de avance de 50.8 mm/minuto hasta alcanzar la máxima carga, registrando esta última (P) con precisión de 0.1 kN. 

10.6 Con el fin de determinar la resistencia a la tensión indirecta de probetas saturadas, se colocan los especímenes curados en un desecador de vacío donde se cubren con agua a 25 ±  1° C. Se aplica un vacío de 50 mm de mercurio durante 60 ± 1 minutos, contando el tiempo desde el instante en que se ha alcanzado el vacío total. Se remueve la muestra, se seca su superficie y se determina su resistencia a la tensión indirecta mediante el procedimiento descrito con anterioridad. 

10.7 La resistencia a la tensión indirecta de cada probeta se calcula con la siguiente expresión, debiendo redondearse el resultado al entero de kilopasacal más cercano:

 

 

Siendo:

 

RTI = resistencia a la tensión indirecta (kPa)

P = máxima carga aplicada (kN)

L = altura de la probeta (m)

D = diámetro de la probeta (m)

 

 

11.  DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LIGANTE DE DISEÑO

 

11.1     Para todas las muestras (tanto las ensayadas en seco como bajo saturación), se dibuja una gráfica que represente el contenido de ligante (abscisas) contra la resistencia a la tensión indirecta (ordenadas), en el mismo juego de ejes. 

11.2     El contenido de ligante para el cual alcanzan la máxima resistencia a la tensión las probetas ensayadas bajo saturación es el contenido de ligante óptimo de la mezcla con asfalto espumado. 

11.3     Se determina si esta resistencia y la correspondiente en seco para el mismo contenido de ligante satisfacen las especificaciones. Si no lo hacen, se deberá diseñar una nueva mezcla.

 

12.  REFERENCIA

 

12.1 Foamed asphalt mixes, mix design procedure, Contract report CR – 98/077, K M Multen, SABITA Ltd & CSIR Transportek, South Africa, 1998.