Asfalto Recuperado 4k6j5u

CARACTERIZACION DEL ASFALTO RECUPERADO DE UNA CARPETA EN SERVICIO PARA LA EVALUACION DEL PAVIMENTO Autor Pablo del Águila Rodríguez Consultor en Suelos y Pavimentos

RESUMEN Este trabajo presenta los resultados obtenidos en la caracterización físico-química del asfalto recuperado de una carpeta asfáltica , como parte de la evaluación de un pavimento en servicio, con la finalidad de establecer el grado de envejecimiento (oxidación) del material y, en base a ello discernir sobre los trabajos de mantenimiento aplicables para el caso. Para el estudio del ligante se procedió a la recuperación del mismo mediante el método Abson (ASTM D 1856), de muestras de carpeta obtenidas in-situ. Se realizaron ensayos físicos de penetración, viscosidad y ductilidad con el material obtenido, y luego se procedió a la determinación de las fracciones de saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos, mediante el método TLC-FID (Thin Layer Chromatography-Flame Ionization Detector) haciendo uso de un cromatógrafo IATROSCANTM. Por otro lado, se establecieron los criterios de evaluación, tanto para los parámetros físicos como para las fracciones del hidrocarburo, correlacionando los resultados con los correspondientes a un asfalto virgen y, a su vez, con el grado de falla o deterioro de la capa asfáltica del pavimento evaluado. 1.0

INTRODUCCION La metodología convencional utilizada en el Perú para la evaluación de un pavimento en servicio, incluye la ejecución de ensayos de rugosidad, ensayos de deflexiones con Viga Benkelman, inventario de fallas y estudio de los materiales del pavimento mediante la ejecución de calicatas y ensayos de laboratorio. Normalmente, cuando se estudia un pavimento que requiere algún tipo de tratamiento de mantenimiento o rehabilitación, no se suele profundizar en el estudio de los materiales de la carpeta asfáltica. Generalmente la caracterización de la mezcla suele incluir únicamente la determinación de las propiedades físicas: densidad, contenido de asfalto, granulometría de los agregados, etc. Ocasionalmente suelen efectuarse ensayos de extracción de bitumen de la carpeta y complementar los ensayos físicos (penetración, ductilidad, peso específico). Debido a que muchas veces los pavimentos asfálticos fallan por las características intrínsecas del ligante asfaltico, se hace necesario, si es que se desea llegar a una solución racional para el tratamiento del pavimento, la completa caracterización del material incluyendo la determinación de las propiedades químicas. El caso presentado corresponde a un pavimento comprendido en un tramo de la Ruta 1-N de la red vial nacional, de aproximadamente 104 km de longitud, con una antigüedad de aproximadamente 7 años desde la última rehabilitación ejecutada. Este tramo se estudió a fin de determinar los trabajos necesarios como parte de un programa de mantenimiento periódico. En los estudios se encontró que el pavimento demostraba un buen comportamiento funcional-estructural, a pesar del intenso desgaste y fisuramiento que presentaba la carpeta asfáltica, característica que

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comprometía cualquier solución de tipo superficial que se quisiese aplicar, por la probabilidad de propagación del fisuramiento y aceleración de la degradación de la capa. Los estudios de caracterización física indicaron que el ligante presentaba un estado de envejecimiento severo, incompatible con la edad de la estructura y las condiciones medioambientales benignas de la zona proyecto. 2.0

ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO La estructura del pavimento estudiado se presenta en la Figura 1, en donde se observa que el tramo se subdividió a su vez en 3 secciones de espesores diferentes: SECCIONES DE PAVIMENTO (en cm)

3.0

SECCION

CARPETA

BASE+SUB BASE

ESPESOR TOTAL

1

6.0

28.0

34.0

2

20.0

24.0

44.0

3

8.0

30.0

38.0

INVENTARIO DE FALLAS La Figura 2 presenta las fallas encontradas en el pavimento estudiado, las que fueron predominantemente fisuramientos del tipo “piel de cocodrilo”, “en bloque”, “longitudinales” y “transversales”. Las fisuras se presentaban prácticamente a lo largo de todo el tramo, afectando en algunos lugares hasta un 30% del área total del pavimento. Si se considera que el límite recomendado para rehabilitar un pavimento es un 10% de fisuramiento conjunto, los valores encontrados indicaron un grado de deterioro bastante alto. Como conclusión resaltante, se constató la no existencia de

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fallas del tipo ”deformaciones”, que pudiesen indicar la fatiga de las capas granulares y/o colapso de los suelos.

3

4.0

EVALUACION FUNCIONAL DEL PAVIMENTO La rugosidad medida de la superficie del pavimento fue en promedio igual a 1.47 m/km, mientras que la rugosidad característica resultó en 2.34 m/km (Ver Figura 3). El valor del Índice de Servicio Actual (PSI) correspondiente fue igual a 3.85. Estos valores indicaron que el pavimento presentaba una condición funcional bastante aceptable, correspondiendo a ellos una calificación de la transitabilidad igual a BUENA. Estas conclusiones no hicieron sino confirmar el principio conocido que el estado de fisuramiento de la superficie de un pavimento no incide sobre la rugosidad tanto como las deformaciones y desintegraciones (hundimientos, ondulaciones, peladuras, baches, etc.).

5.0

EVALUACION ESTRUCTURAL Para la evaluación estructural del pavimento se procedió con la ejecución de ensayos para la medición de “curvas de deflexiones”, empleando un deflectómetro tipo Viga Benkelman, determinando además de la magnitud de la máxima deformación elástica recuperable, las correspondientes a 25, 30, 40 y 50 cm de distancia del punto inicial de aplicación de carga. Los valores determinados fueron analizados mediante una metodología empírica y otra racional. En general se obtuvo que los valores de la deflexión máxima para todo el tramo eran bastante bajos, en promedio igual a 26.1 x 10-2 mm, con una desviación standard de 10.3 x 10-2 mm y un coeficiente de variación igual a 39.7%. El valor máximo alcanzado por la deflexión máxima fue 97.2 x 10-2 mm y el valor mínimo 5.9 x 10-2 mm. Estos resultados indicaban la existencia de un buen suelo de fundación, y una buena capacidad de soportar cargas. Los resultados del análisis empírico indicaron que la deflexión característica promedio, del pavimento del tramo analizado, era igual a 43.1 x 10-2 mm, correspondiendo a esta un tráfico isible de 50.7 x 107 ejes equivalentes. El Radio de Curvatura promedio del tramo fue igual a 674 m, con una desviación promedio igual a 593 m y un coeficiente de variación igual a 88%. Estos resultados indicaban que la expectativa estructural del pavimento, basada en la resistencia del suelo, era adecuada.

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Para la aplicación de la metodología de análisis racional, utilizando la teoría de los modelos bicapa de Hogg y Burmister, se subdividió el tramo en secciones homogéneas tomando en consideración el valor de la deflexión máxima y el espesor del pavimento. Los resultados obtenidos se presentan en el Cuadro 1.

Los valores obtenidos para los parámetros de evaluación elásticos son, en general, consistentes con el tipo de estructura, los espesores de la carpeta asfáltica, la calidad del suelo de fundación y el estado de fisuramiento de la superficie de rodadura. En general estos resultados denotan un comportamiento estructural aceptable, pero con un aporte estructural bastante disminuido, lo que podría explicarse por el estado de fisuramiento de la carpeta, entre otras razones. 6.0

ESTUDIO DE LOS MATERIALES DEL PAVIMENTO Los estudios de evaluación realizados hasta esta fase del trabajo no explicaron de por si las causas del fisuramiento encontrado en la carpeta asfáltica. De hecho, los

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resultados del inventario de fallas (ausencia de deformaciones), medición de la rugosidad y la medición de deflexiones, indicaban mas bien una estructura suelopavimento bastante resistente y poco susceptible a la fatiga. Se planteó entonces la hipótesis de una carpeta asfáltica conformada por materiales de baja calidad, y en particular un cemento asfáltico con propiedades limitadas. Para llevar a cabo el programa de estudio de los materiales del pavimento, se excavaron calicatas hasta llegar al nivel del suelo de subrasante, se extrajeron muestras de las diversas capas del pavimento, incluyendo muestras disturbadas de la carpeta asfáltica y núcleos diamantinos para la determinación de la densidad de la capa compactada. Las muestras obtenidas fueron ensayadas en el laboratorio, fundamentalmente para la caracterización físico-mecánica de los materiales. Los resultados de los ensayos de laboratorio indicaron que los suelos de subrasante eran predominantemente arenosos, mal graduados (abundancia de arenas finas eólicas), con contenido de finos limosos no plásticos, clasificados según el sistema SUCS como SM y SP-SM. El estado de humedad natural de estos suelos era muy bajo. Los materiales de sub base fueron predominantemente arenosos gravosos (63.8%), con una fracción gruesa promedio de 26% y contenido de finos de naturaleza limosa no plástica, clasificados como SM, SP y SP-SM de acuerdo al sistema SUCS. Un 36.2% de los materiales de base eran gravas arenosas, con un contenido promedio de partículas gruesas de forma angular a sub angular de 54.6%. La densidad in situ de estos materiales oscilaba de un estado denso a muy denso, siendo el contenido de humedad muy bajo.

Los materiales de base del pavimento estudiado estaban compuestos por arenas gravosas y gravas arenosas, clasificadas como GM (SM), GP (SP), GP-GM (SP-SM) Y GW-GM (SW-SM), las que poseían una fracción de partículas gruesas de forma angular a sub angular que oscilaba entre 37 y 52% en promedio. Estos materiales presentaban una fracción promedio de finos no plásticos de tipo limoso, igual a

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8.8%. La compacidad de los materiales iba de un estado denso a muy denso, siendo la humedad en general muy baja. Los resultados de los ensayos de extracción por centrifugado indicaron que el contenido de bitumen de la mezcla asfáltica era en promedio igual a 4.57%, con un máximo de 5.55% y un mínimo de 3.53%. Los resultados de los ensayos granulométricos de los agregados remanentes (ver Figura 5), caracterizaron un a mezcla con una fracción de grava promedio igual 38.6%, partículas angulares y tamaño máximo igual a 1”. La fracción arenosa promedio resultó igual a 61.4%, siendo la fracción de finos pasantes la malla N° 200 igual a 4.7%. La combinación de agregados era en consecuencia predominantemente arenosa, con una marcada mal graduación de la arena con tendencia a fina, escapando del límite superior de la especificación ASTM D 3515, para un tamaño máximo de 1”. 7.0

CARACTERIZACION DEL LIGANTE Para la caracterización del ligante se efectuaron ensayos de extracción de bitumen mediante el ensayo ABSON, siguiendo la norma ASTM D 1856, empleando las muestras de carpeta obtenidas in situ. Con el asfalto recuperado se realizaron ensayos para la determinación de las siguientes propiedades físicas: a. b. c. d. e.

Contenido de asfalto (ASTM D 1856) Penetración (ASTM D 5) Punto de ablandamiento (ASTM D 36) Viscosidad Brookfield @ 135°C y 177°C (ASTM D 4402) Ductilidad (ASTM D 113)

Igualmente se realizaron ensayos para la caracterización química del ligante, a fin de determinar su grado de envejecimiento. Para dicho fin se empleó el método para la separación de los grupos de hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos, utilizando para ello la técnica TLC-FID (Thin Layer ChromatographyFlame Ionization Detector) por medio del cromatógrafo IATROSCANTM, la cual esta basada en el método analítico ASTM D 4124, “Separación del Asfalto en sus Cuatro Fracciones Fundamentales”. La técnica analítica TLC-FID, desarrollada por los laboratorios IATRON del Japón, es una herramienta útil para la separación y detección de sustancias con altos puntos de ebullición, como son los asfaltos o crudos pesados. Entre las ventajas que ofrece el uso del cromatógrafo es su sencilla operación, alta eficiencia para la reducción de los tiempos de análisis y gran ahorro de solventes, así como la fácil cuantificación y obtención de resultados. El equipo posee un dispositivo especial denominado CHROMARODTM, el cual presenta un diseño especial y se encuentra recubierto con una fina capa de sílica-gel, el cual se utiliza para separar las cuatro fracciones del asfalto en estudio. Una llama de hidrógeno ioniza las fracciones y el detector FID cuantifica los iones generados, los cuales producen una corriente eléctrica proporcional a la cantidad de cada sustancia o grupo orgánico, previamente separado y presente en el CHROMARODTM. Los resultados de este tipo de análisis permite caracterizar de esa manera la composición química del asfalto, lo que a su vez facilita la evaluación de los parámetros o índices de envejecimiento y su relación con las propiedades de desempeño y comportamiento del concreto asfáltico en la vía (Ref. 1).

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El Cuadro 2 presenta los resultados obtenidos en la caracterización físico química del asfalto correspondiente al pavimento estudiado. Igualmente se realizaron los mismos ensayos con una muestra de asfalto virgen, a fin de obtener un marco comparativo para la evaluación de los resultados. Se debe indicar que el asfalto virgen ensayado no correspondió al asfalto original empleado durante la etapa constructiva del proyecto, sino a un material aleatoriamente escogido pero de la misma graduación (Pen 60-70), lo que debe tomarse en cuenta al momento del análisis.

CUADRO 2 RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO CON MUESTRAS DE ASFALTO RECUPERADO

Ensayos

Contenido de asfalto

(5) Asfalto Virgen Repsol

4.7%

6.0 %

5.0 %

5.1%

---

3.0 dmm

3.0 dmm

3.5 dmm

7.0 dmm

67 dmm

83.2°C

80°C

84.2°C

83°C

52 °C

Viscosidad Brookfield 135°C

8200

1608

9200

1807

---

Viscosidad Brookfield 177°C

655

260

705

193

---

Ductilidad a 25°C

2.1 cm

4.0 cm

1.5 cm

3.9 cm

128.2 cm

15.3% 18.0% 38.0% 28.7%

14.3 % 35.0 % 29.2 % 21.5 %

16.0 % 22.0 % 36.0 % 26.0 %

15.3 % 18.0 % 38.1 % 28.6 %

9.9 % 41.3 % 20.3 % 28.5 %

0.79

0.56

0.72

0.78

0.62

Penetración (100g, 5s, 25°C) Punto de Ablandamiento

Separación Química: Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos Índice de Inestabilidad Coloidal

8.0

(2) (3) (4) (1) Ruta 1N Ruta 1N Ruta 1N Ruta 1N km 7+000 km 12+000 km 22+000 km 47+000 L. Derecho L. Izquierdo L. Izquierdo L. Izquierdo

ANALISIS DE RESULTADOS La finalidad de los estudios para profundizar en la caracterización del ligante del pavimento en servicio, fue el establecer en que medida la composición o el comportamiento del mismo era un factor determinante para el deterioro del pavimento. En ese sentido la aplicación del método TLC-FID permitió determinar la estructura química actual del bitumen, así como los cambios producidos dentro de esa estructura. De acuerdo a la investigación científica para analizar el mecanismo de oxidación de los asfaltos (Ref. 2), se ha encontrado que existen unos principios básicos en dicho fenómeno: “la cantidad de los componentes saturados no cambian significativamente; de la fracción de aromáticos se producen resinas y asfaltenos. El incremento en la cantidad del grupo de resinas y asfaltenos después de la oxidación es prácticamente la misma que la disminución en la cantidad de los grupos aromáticos”.

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En los resultados que se obtuvieron se observa efectivamente que los valores encontrados en los ensayos de separación química correspondientes al asfalto en servicio (columnas 1, 3, y 4), presentan la tendencia indicada por la literatura técnica, si se comparan con los resultados correspondientes a un asfalto virgen (columna 5). Se debe aclarar que no se consideró para el análisis los resultados de la columna 2, por presentar una tendencia disímil disturbadora para fines didácticos. Se observó así que la cantidad de saturados era prácticamente similar en orden de magnitud, mientras que la cantidad de aromáticos presentaba un decrecimiento sustancial (de 41% a 19%), de acuerdo al principio básico de oxidación por la deshidrogenización de dichos compuestos. Consecuentemente se observó el incremento de la fracción de resinas y asfaltenos (de 48.8% a 65.1%). Es decir, los resultados indicaron que el asfalto de la carpeta estudiada presentaban características compatibles con un proceso de oxidación claramente definido. Para la valoración cuantitativa de los resultados de caracterización química y específicamente para evaluar el grado de envejecimiento del asfalto, fueron establecidos diferentes parámetros, entre ellos el Indice de Inestabilidad Coloidal (IC), definido como la relación de saturados mas asfaltenos sobre los aromáticos mas resinas. De acuerdo a la experiencia se debe considerar un valor límite de 0.6 para que el asfalto pueda considerarse todavía apto para el servicio (Ref. 3). Según este parámetro, los resultados obtenidos eran indicativos de un estado severo de envejecimiento del asfalto correspondiente al pavimento estudiado. El contraste de los resultados de la caracterización química del ligante, con sus propiedades físicas fue totalmente consistente. Los resultados de penetración, punto de ablandamiento, viscosidad y ductilidad, caracterizaban a un material severamente endurecido y prácticamente sin comportamiento elástico remanente. Los criterios que correlacionan la penetración del ligante y el inicio del fisuramiento de una carpeta, establecen un valor límite de 20 dmm, el que era rebasado largamente. La evaluación de los resultados de los ensayos de la mezcla asfáltica permitieron inferir sobre el inadecuado trabajo de diseño y/o producción de obra, denotado por la mala graduación de los agregados y bajo contenido de ligante, con el consiguiente elevado contenido de vacíos, factor que seguramente contribuyó al envejecimiento y oxidación del material asfáltico. Dentro del factorial de variables no fue posible descartar un mal manejo o inadecuado almacenamiento del asfalto durante la fase constructiva, o mas allá aún el verificar las características originales del producto producido en la refinería y empleado para la construcción. 9.0

CONCLUSIONES Los resultados del estudio efectuado para la caracterización físico-química del cemento asfáltico recuperado de la carpeta asfáltica, en el proyecto referido por el presente trabajo, ha sido un elemento sumamente valioso para la evaluación del pavimento, al dar una satisfactoria explicación del estado de fisuración de la capa asfáltica y sobre todo para la definición de las tareas de mantenimiento a ser implementadas. Si bien se concluyó que el pavimento evaluado presentaba características funcionales y estructurales aceptables, se estableció que el estado de envejecimiento de ligante y la mezcla asfáltica en general eran incompatibles con algún tipo de tratamiento superficial, como medida para preservar dichas características.

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Los resultados obtenidos para el ligante permitieron establecer la necesidad de medidas radicales para el tratamiento de la capa de rodadura, siendo las alternativas mas apropiadas el reciclado de la mezcla o la colocación de un recapado estructural de gran capacidad elástica, tal como el uso de un micro pavimento en caliente o una mezcla abierta de matriz pétrea (SMA). El uso del método de caracterización química del ligante asfáltico es recomendable en los casos en donde sea necesario confirmar la idoneidad del material, como es el caso de los pavimentos en zonas de altura, previamente a su empleo en obra. Asimismo, durante la fase de control de calidad o auditoria técnica de un pavimento en construcción, conjuntamente con la ejecución de ensayos de recuperación, para la evaluación del material presente en las capas construidas. O en forma similar al caso del presente estudio, para dilucidar racionalmente sobre las medidas de mantenimiento o rehabilitación mas convenientes para pavimentos en servicio. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1.

Morales Maciá, P.C.; Carreño Díaz, L.A.; Maldonado vega, J. “Caracterización por Análisis SARA y HPLC de la Fracción de Maltenos de Crudos con Altos Porcentajes de Asfaltos”. Memorias del XI Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos. Cartagena de Indias, Junio 1997.

2.

Horvathné, E.; Lvey, J. “Structure Analysis of Road-building Bitumens. The Effect of Aging for the Structure Road Building Case Study with Modified Bitumen”. Proceedings of the 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress. Barcelona, 2000.

3.

Nikolaevna Afanasieva, N.; Álvarez Cifuentes, M.; Puello, J. “Envejecimiento de los Asfaltos Colombiano baja la Influencia de los Diferentes Factores Climáticos”. Memorias del 10° Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto. Sevilla, 1999.

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