Una carta de gradación para mezclas asfálticas Freddy J. Sánchez-Leal Ingeniero Civil, M en I Fundación SOLESTUDIOS, Venezuela sanchez_leal@cantv.net

Resumen

Este trabajo introduce una carta de gradación como parte del desarrollo del módulo de clasificación cuantitativa de RAMCODES (metodología racional para el análisis de densificación y resistencia de geomateriales compactados) aplicada a mezclas asfálticas. La carta de gradación es un gráfico donde se pueden representar todas las especificaciones granulométricas para diversos tipos de mezclas y a su vez representar los intervalos o contornos de variación de respuestas mecánicas e hidráulicas para cada una de estas mezclas. La carta es el equivalente en mezclas asfálticas de la carta de plasticidad en suelos. Utilizando la carta de gradación, el autor analiza los resultados experimentales de recientes investigaciones publicadas por reconocidas organización de Estado Unidos en el desempeño mecánico e hidráulico de mezclas Superpave y explica, entre otras cosas, el motivo de las fallas por debilitamiento de base reportadas en mezclas Superpave.

Palabras clave: mezclas asfálticas, RAMCODES, Superpave, permeabilidad, trabajabilidad, ahuellamiento

Abstract

This paper introduces a gradation chart as a part of the development of quantitative classification module of RAMCODES (rational methodology for compacted geomaterials densification and strength analysis) applied to asphalt mixes. The gradation chart is a plot where both specifications for diverse gradation types and contours for mechanic and hydraulic response of asphalt mixes can be represented. This chart is the equivalent of plasticity chart for soils. By using the gradation chart, author analyzes experimental results from recent research performed by well-recognized institutions within the United States on the mechanical and hydraulic performance of Superpave mixes. Author also explains, among other things, the origin of failures by base course weakening reported on Superpave mixes.

Keywords: asphalt mixes, RAMCODES, Superpave, permeability, workability, rutting

Introducción:

La gradación de la combinación de agregados es uno de los aspectos primordiales en el comportamiento mecánico e hidráulico de una mezcla asfáltica compactada. Las distintas especificaciones de gradación tienen como objetivo asegurarse que durante el diseño los profesionales escojan las mejores combinaciones posibles de materiales para obtener mezclas con respuestas deseadas.

Siguiendo la filosofía del módulo de clasificación cuantitativa de RAMCODES (metodología racional para el análisis de densificación y resistencia de geomateriales compactados, Ref. 1) conviene convertir la clasificación de un geomaterial en un número. El objetivo de este criterio es facilitar la relación de resultados de respuesta mecánica e hidráulica con la clasificación, lo que resultaría de gran ayuda para el estudio general del comportamiento de mezclas asfálticas y la escogencia de agregados y su proporcionamiento.

En este trabajo se presenta el desarrollo de la clasificación cuantitativa para combinaciones de agregados para mezclas asfálticas y sus aplicaciones en la caracterización de su

comportamiento mecánico e hidráulico. Se analizan las especificaciones de gradación tradicionales y las modernas Superpave y se advierte sobre el riesgo de utilizar estas últimas sin un previo conocimiento de la estructura que podrían constituir en la mezcla compactada. Se introduce la «carta de gradación» como una construcción gráfica original de RAMCODES que resulta en una herramienta muy valiosa en la investigación, diseño y control de mezclas asfálticas.

Desarrollo:

Fuller, buena gradación y máxima densidad

La gradación o análisis granulométrico de un geomaterial se obtiene a través de la representación gráfica de las proporciones acumuladas de material que se va pasando a través de las distintas mallas o tamices que componen una batería de cribado (ver figura 1). En un material bien gradado las proporciones están distribuidas en cantidades parecidas en cada uno de los tamaños. En un material mal graduado, o uniforme, por el contrario, la mayor parte del material se concentra en un solo tamaño. La gradación tiene una influencia significativa en el potencial de densificación y en el comportamiento mecánico e hidráulico de materiales gruesos, de allí la importancia de su determinación; materiales bien gradados, por ejemplo, son propensos a alcanzar las más altas densidades y resistencias; los materiales uniformes son los más permeables.

Allen Hazen propuso el coeficiente de uniformidad, Cu, como medida simple de la uniformidad de un suelo o agregado.

10

60

D

DCu

(1)

en donde:

D60: diámetro o tamaño por donde pasa hasta el 60% del peso del material, D10: diámetro o tamaño por donde pasa hasta el 10% del peso del material; Hazen llamó a este el diámetro efectivo.

Este coeficiente en realidad expresa la no uniformidad del material, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta. Se consideran bien gradadas las gravas cuando Cu>6, y las arenas cuando Cu>4. Los suelos o agregados con Cu < 3 se consideran muy uniformes.

Figura 1. Representación de la granulometría de un geomaterial

Figura 2. Ajuste de datos experimentales de fig. 1 con la ecuación de Fuller

Como coeficiente complementario para definir la gradación de un geomaterial, se introdujo el coeficiente de curvatura, Cc, según la expresión:

1060

230

DD

DCc

(2)

D30 se define de manera análoga que D60 y D10. Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos o agregados bien gradados.

Es importante resaltar que el establecimiento de la gradación sólo tiene sentido en materiales gruesos, es decir, con pasantes del tamiz No. 200 iguales o inferiores al 12%.

La curva de distribución granulométrica de un material grueso, no uniforme, puede ser expresada por la conocida ecuación de Fuller (Ec. 3), que se describe a continuación:

n

ii D

Dp

max

(3a)

O bien,

nii Dap

(3b)

donde, pi es el pasante acumulado, en decimal, para el diámetro de partícula Di

Dmax es el tamaño máximo del geomaterial n es un valor asociado a la forma de la curva, y

nDa max

de aquí,

n

aD

1max

(3c)

La figura 2 muestra el ajuste para un agregado pétreo de una mezcla asfáltica. Se consiguió un buen ajuste (r=0.9885) con n=0.366 y Dmax= 64 mm. Con la expresión de Fuller, la gradación de una mezcla asfáltica se puede expresar por un par de números, esto es, un coeficiente de forma (n) y el tamaño máximo (Dmax). La literatura reseña que cuando el factor de forma tiene un valor de 0.45 la mezcla es capaz de alcanzar las máximas densidades cuando se compacta. Lo que hay que resaltar aquí es que sólo las curvas con n igual o cercano a 0.45 producen la máxima densificación; en la opinión del autor esta realidad se ha desvirtuado en la actualidad, lo que se demostrará más adelante.

La deducción de expresiones para Cu y Cc (4 y 5) basadas en la ecuación de Fuller (3) permiten «traducir» los rangos de buena gradación, en valores del exponente «n», ejercicio que se grafica en la figura 2. De aquí se tiene que para gravas bien gradadas, el «n» debe estar entre 0.37 y 1.00, y para arenas bien gradadas, este exponente debe estar entre 0.37 y 1.29. Obsérvese que las expresiones 4 y 5 son independientes del tamaño máximo, Dmax, del geomaterial, por lo que estas conclusiones son aplicables de manera general.

nuC

1

6

(4)

ncC

1

5.1

(5)

Representaciones de la gradación

La figura 1 muestra la representación clásica de la gradación de una combinación de agregados. La figura 4 muestra a su vez la representación con el diámetro elevado a la potencia de 0.45 que fue introducida en los años 60s por la FHWA (por Federal Highway Association) de Estados Unidos. Esta representación permite visualizar la línea de máxima densificación y evitar que la curva de gradación de diseño caiga encima de ella. En general, la curva de máxima densificación es temida porque produciría inaceptablemente bajos valores de vacíos en el agregado mineral (Ref. 2).

Figura 3. Límites para coeficientes de gradación expresados según ecuación de Fuller

Figura 4 Representación de granulometrías según FWHA

En el desarrollo del módulo de clasificación cuantitativa de RAMCODES se introduce la representación «punto-ámbito». Esta consiste en graficar en un mismo plano los parámetros Fuller de una curva de gradación. Específicamente, n en las abcisas y Dmax en las ordenadas. Así, una curva granulométrica cualquiera en esta representación será un punto de coordenadas (n, Dmax) que se representará en adelante como (n/Dmax), tal como se ve en la figura 5. Por otro lado, una banda de especificación, que en las otras representaciones se muestra por una curva superior y otra inferior, se verá como un rectángulo, que se ha llamado ámbito (ver figura 5). Si la curva superior está definida por la coordenada (n2/D2), y la curva inferior por (n1/D1), entonces los vértices del rectángulo del ámbito serán respectivamente: (n1/D2), (n2/D2), (n2/D1) y (n1/D1). En la representación punto-ámbito, un ámbito contiene a todas las curvas de gradación que entrarían en la banda de especificación.

Figura 5 Representación de una curva (punto) y una especificación (ámbito)

Especificaciones granulométricas

Las especificaciones granulométricas son regulaciones que tienen como fin asegurarse que el diseñador escoja una gradación que produzca las respuestas deseadas con respecto al tráfico a servir y la función que el espesor de mezcla compactada va a tener en la estructura del pavimento. Existe una extensa variedad de especificaciones para mezclas asfálticas, entre ellas podemos citar por ejemplo las especificaciones Hveem (todavía usadas en algunos estados de la unión americana) y las especificaciones 1996 de la FHWA. En este artículo se van a estudiar las especificaciones para gradaciones acogidas por la norma venezolana COVENIN 2000-80 (Ref. 4), que llamaremos tradicionales, y especificaciones para las modernas gradaciones Superpave. Como referencia se mostrarán también especificaciones para mezclas drenantes. Las especificaciones granulométricas vienen dadas regularmente por dos curvas, una superior y otra inferior. A continuación se listan tablas con las especificaciones para cada caso dadas en la forma Fuller. Los parámetros se obtuvieron del ajuste de las gradaciones originales de cada especificación.

Tabla 1 Especificaciones gradaciones densas (COVENIN 2000-80)

Tipo I Rodam.

Tipo II Rodam.

Tipo III Rodam.

Tipo IV Rodam. o Interm.

Tipo V Interm. o Base

Sup. n /Dmax 0.40/7.0 0.44/9.5 0.40/12.5 0.34/19.0 0.32/25.0

Inf. n /Dmax 0.46/9.5 0.60/12.5 0.48/19.0 0.46/25.0 0.42/37.5

Las tablas 1 y 2 presentan las especificaciones para mezclas tradicionales. Estas mezclas son muy ilustrativas porque su denominación habla del tipo de estructura o arreglo geométrico entre partículas que producen en la mezcla compactada. De estas tablas se puede ver que las gradaciones densas tienen n menor que 0.45, y en las abiertas este parámetro es mayor que dicho límite. También en las tablas encuentra en la parte superior una recomendación sobre el uso de cada gradación. Observe que las gradaciones abiertas son generalmente para bases, y las densas para rodamiento. En Venezuela se han utilizado ampliamente como rodamiento las gradaciones densas, en especial las tipos III y IV. Pero prácticamente en ninguna ocasión las gradaciones abiertas, probablemente porque estas requieren una inversión inicial más elevada.

Tabla 2 Especificaciones gradaciones abiertas (COVENIN 2000-80)

Tipo VI Rodam.

Tipo VII Rodam. Interm.

Tipo VIII Base

Tipo IX Base

Tipo X Base

Sup. n /Dmax 0.58/9.5 0.52/12.5 0.58/12.5 0.50/19.0 0.46/25.0

Inf. n /Dmax 0.90/12.5 0.70/19.0 0.78/19.0 0.74/25.0 0.70/37.5

La tabla 3 muestra las especificaciones para gradaciones Superpave que forman parte de lo que se conoce como diseño volumétrico de la mezcla asfáltica. Superpave contempla cinco tipos de gradaciones que se diferencian por su tamaño nominal. Los parámetros Fuller que aparecen en la parte baja de la tabla 3 corresponden al ajuste de los datos de los límites superiores e inferiores de los puntos de control. El tamaño máximo se relaciona con las mezclas tradicionales, pero el valor de n abarca un rango aproximado de 0.36-0.74, es decir, todo el espectro para gradaciones densas y abiertas tradicionales. Esto hace suponer que cada especificación Superpave puede contener en sí misma estructuras densas y abiertas. En la tabla 3 no aparecen las especificaciones para la zona restringida, pero este es un punto que se tratará más adelante en el artículo.

Tabla 3 Gradaciones Superpave (puntos de control)

37.5-mm 25-mm 19-mm 12.5-mm 9.5-mm

Sup. n /Dmax 0.36/37.5 0.38/25.0 0.36/19.0 0.36/12.5 0.36/9.5

Inf. n /Dmax 0.60/50.0 0.60/37.5 0.66/25.0 0.66/19.0 0.74/12.5

Tabla 4 Gradaciones para mezclas drenantes

Cedazo Abertura (mm)

PA-10 PA-12

¾

19.0 - 100

½

12.5 100 70-80

3/8

9.5 70-90 50-60

No. 4 4.75 15-30 15-30

No. 8 2.36 10-22 10-22

No. 30 0.600 6-13 6-13

No. 200 0.075 3-6 3-6

Sup. n /Dmax 0.98/12.5 0.74/19.0

Inf. n /Dmax 1.62/12.5 1.10/19.0

Figura 6 Ajuste de 190 muestras de la producción diaria de una mezcla tipo IV

Finalmente en la tabla 4 se resumen gradaciones para un par de mezclas drenantes (Ref. 5). Obsérvense los elevados valores del parámetro n en los rangos de ajuste. Las mezclas drenantes se utilizan para combatir el problema del hidroplaneo y falta de visibilidad por dispersión del agua superficial que sufren los usuarios de las carreteras durante una lluvia. Estas mezclas compactadas llegan a tener arreglos geométricos con una cantidad de poros interconectados entre un 18 y 25% del volumen total, lo que se traduce en una elevada permeabilidad; por ejemplo, Reyes (Ref 6) reportó valores entre 280 y 720x10-5 cm/s para mezclas drenantes con ligante mejorado con polímero.

Variabilidad de la gradación durante la producción

La granulometría de un geomaterial no es un concepto estático, es decir, no está limitado a una curva. Ni siquiera con el estricto control que puede haber en una planta trituradora y tamizadora de agregado la gradación deja de ser un evento estocástico que, de paso, debería ser evaluado como un todo y no con la práctica habitual de hacer controles tamiz por tamiz. La figura 6 ilustra de manera clara este concepto. Se presentan las granulometrías de ciento noventa muestras tomadas diariamente de «boca de planta» por la empresa venezolana EICA (Ref. 7) durante la producción de la mezcla asfáltica tipo IV usada en la pavimentación de la ya mencionada autopista José Antonio Páez. Observe el lector que los datos experimentales se ajustan aceptablemente a un modelo de alometría (R2=0.978). En el recuadro con el resumen de parámetros observamos b=0.39, que es en realidad el valor de n. También se observa

a=30.4; pero n

aD

100max , así que Dmax=21.2 mm. Si vamos a la tabla 1 y comparamos con

los parámetros Fuller podemos apreciar que la gradación de la mezcla de la autopista es una auténtica tipo IV pues Dmax está entre 19 y 25 mm, y a su vez n está entre 0.34 y 0.46, aunque también podría ser una mezcla Superpave de 19 mm pues cumple con lo tipificado en la tabla 3. La variabilidad de una gradación debería controlarse más bien por los parámetros estadísticos del ajuste (por ejemplo el de esta mezcla fue Chi2/DoF=27.3), en vez de la práctica acostumbrada de tolerancias por tamices individuales que tan injustamente cargan a los constructores. Esta práctica estuvo bien para el pasado, pero hoy con tantos programas de computadora, implementar estos criterios es muy sencillo y más cuando se puede hacer más razonable la metodología de control. Los niveles de variabilidad pueden ser incluso asociados al riesgo o importancia de la obra. La tabla 5 muestra una relación sugerida entre niveles riesgo de la obra y del control con respecto al valor de 2 (que se lee «chi» cuadrado).

Los parámetros y estadísticos del modelo alométrico utilizado para ajustar los datos experimentales de la gradación se obtienen utilizando la técnica de mínimos cuadrados. El ajuste es un valor propuesto de la ordenada, o variable dependiente, para un valor específico

de la abscisa, o variable independiente. Se obtiene el mejor ajuste cuando el promedio, a lo largo de todo el espectro de la variable independiente, de las diferencias al cuadrado entre el valor propuesto y el medido de forma experimental es mínimo. A este promedio se le conoce como el estadístico 2.

Tabla 5 Variabilidad en la gradación asociada al riesgo de la obra

2 Control Riesgo obra

25 Excelente

Muy alto

25-35

Bueno Alto 35-42

Medio Intermedio > 42 Pobre Bajo

Carta de gradación

En este trabajo se introduce la carta de gradación. Este es un gráfico basado en la representación punto-ámbito donde se puede mostrar cualquier gradación o especificación y asociarla a una respuesta mecánica o hidráulica con la finalidad de evaluar la influencia de la granulometría en dicha respuesta. La carta de gradación tiene la misma intención de asociación y predicción de la carta de plasticidad en suelos, o la tabla periódica de elementos en química. Lo que se presenta a continuación es un primer esbozo de lo que pretende ser esta carta.

La figura 7 muestra una carta de gradación para granulometrías tradicionales densas y abiertas, y para las mezclas drenantes de la tabla 4. Los recuadros son los ámbitos correspondientes a los diferentes tipos de mezcla identificados por el rótulo en el centro. Observe el lector que prácticamente cada granulometría densa tiene su contraparte abierta; la excepción es la tipo I que no tiene referente abierto. Por otro lado, la tipo III tiene a la vez dos «primas» abiertas, la VII y la VIII que entre ellas comparten prácticamente el mismo ámbito. Se ve nuevamente que las estructuras o arreglos geométricos pasan de densos a abiertos y luego a drenantes con el aumento del parámetro n. Todas las granulometrías tradicionales se enmarcan en el criterio de buena gradación.

En la figura 8 se muestran los ámbitos Superpave que van de diámetros de 9.5 a 50.0 mm, y cubren muy amplios espectros de n dentro de la región de buena gradación. Los espectros de n las mezclas Superpave varían desde estructuras densas hasta abiertas. Se considera que la línea de máxima densificación (n=0.45) es la división de ambas estructuras. En la actualidad existe controversia entre las diferencias de comportamiento mecánico e hidráulico entre gradaciones densas y abiertas de un mismo tamaño nominal Superpave (Ref. 8).

Figura 7. Especificaciones tradicionales

Figura 8. Especificaciones Superpave

Figura 9 Zona restringida en una gradación Superpave

Una especificación de gradación Superpave no sólo viene dada por los límites superior e inferior (ámbito) de los puntos de control, sino también por la zona restringida (ver figura 9). La zona restringida tiene como línea directora a la curva para n=0.45 y diámetro igual al denominador de la especificación (i.e., 9.5, 12.5, 19.0 ). El objetivo de esta «región prohibida» es evitar que la granulometría de diseño pase por la línea de máxima densificación y así prevenir contra mezclas que produzcan VAM inconvenientemente bajos (Ref. 2).

Representación punto-ámbito y trabajabilidad

La trabajabilidad es un anglicismo que se refiere a la propiedad que describe la facilidad con la cual una mezcla asfáltica en caliente puede ser colocada, trabajada a mano y compactada. Esta propiedad es de mucho interés para evaluar el rendimiento en la colocación de mezclas Superpave y el efecto de ligantes basados en polímeros. La trabajabilidad está influenciada notablemente por la temperatura de la mezcla y el tipo de ligante asfáltico, pero también por la gradación. La representación punto-ámbito puede ser usada para elaborar experimentos factoriales que evalúen la influencia del tamaño máximo y la curvatura granulométrica en la trabajabilidad. Para ilustrar esta afirmación se tomaron resultados experimentales de medición de la trabajabilidad en mezclas Superpave 12.5-mm y 19.0-mm publicados por el Centro Nacional de Tecnología del Asfalto (NCAT) de la Universidad de Auburn (Ref. 10). Se utilizó un prototipo medidor de esta propiedad que consiste una paleta automatizada que se introduce en la mezcla fresca y se hace girar. El prototipo permite medir el torque o resistencia de la mezcla para mantener una velocidad de giro. Se considera que la trabajabilidad es el inverso del torque. La figura 10 muestra la interpretación en la carta de gradación de los resultados de esa investigación. «ARZ» significa por encima de la zona restringida y «BRZ», por debajo.

Representación punto-ámbito y ahuellamiento

El ahuellamiento es una de las respuestas mecánicas más importantes de la mezcla compactada y se refiere a la deformabilidad del material ante una carga repetida. Un estudio norteamericano reciente (Ref. 8) sobre el ahuellamiento, medido con el Asphalt Pavement Analyzer (APA) y otros dos dispositivos de evaluación de desempeño, en mezclas Superpave pasando por encima (ARZ) y por debajo (BRZ) de la zona restringida concluyó que no existe diferencia significativa entre la resistencia a la deformabilidad entre estructuras densas y abiertas para un mismo diámetro nominal. Hasta antes de la citada investigación había estados de la unión americana que estaban especificando gradaciones Superpave ARZ o bien BRZ porque les conferían diferentes propiedades, entre ellas la resistencia al ahuellamiento. La representación punto-ámbito puede auxiliar a esta evaluación. Para esto se representaron los datos de la citada investigación, específicamente mediciones de ahuellamiento con el APA, en mezclas de 9.5 y 19.0-mm de tamaño nominal elaboradas con piedra picada y arena,

compactadas en girocompactador con energías de 75 y 100 giros. En la figura 11 se muestra la tendencia de la respuesta dentro de la carta de gradación.

Figura 10

Influencia de la gradación en la trabajabilidad

Figura 11 Influencia de la gradación en el ahuellamiento

Representación punto-ámbito y permeabilidad

El estudio de la permeabilidad en mezclas asfálticas ha tomado un auge importante, sobre todo luego de las fallas en mezclas Superpave de estructura abierta reportadas en el estado de Florida hacia 1998. Se ha visto que las mezclas Superpave de estructura abierta, es decir, mezclas que pasan por debajo de la línea de máxima densidad (n>0.45), son más permeables que las que pasan por arriba de esta línea o las de especificación tradicional (Ref. 11). De hecho, algunos estados de la unión americana están especificando gradaciones ya sea por encima o por debajo de la línea de máxima densidad (Ref. 9). La permeabilidad de una mezcla asfáltica compactada depende de factores tales como la cantidad de vacíos totales, el tamaño máximo y la forma de la curva de gradación, el espesor de la capa, entre otros. La representación punto-ámbito puede ser muy útil para evaluar el efecto de la gradación en la permeabilidad.

Para ilustrar esta afirmación se utilizaron los datos experimentales de una investigación realizada en varios estados de Norteamérica (Ref. 12). En esa investigación se hicieron pruebas de permeabilidad de sitio en el pavimento de once proyectos. Se utilizó un dispositivo basado en el principio de un permeámetro de carga variable. Al lado de cada lugar de prueba se extrajo un núcleo para medir los vacíos totales. En los proyectos se encontraron granulometrías Superpave de 9.5, 12.5, 19 y 25 mm. Para aplicar la representación punto-ámbito se ajustaron las granulometrías de todos los proyectos. La figura 12 muestra la ubicación de cada una de ellas en la carta de gradación. De los núcleos extraídos se obtuvieron proporciones de vacíos de 3 hasta 12%. Sin ser un experimento factorial diseñado a propósito, se aprovechó la disposición de las gradaciones en la carta para obtener contornos de permeabilidad para vacíos de 4, 6 y 8% (ver figuras 13, 14 y 15). En ese mismo estudio referenciado se estableció un valor crítico de permeabilidad entre 100 y 150x10-5 cm/s asociado a una proporción de vacíos entre 4 y 8%. El concepto de valor crítico significa que más allá de ese valor de vacíos la permeabilidad aumenta dramáticamente.

Discusión

El ajuste de Fuller permite expresar la gradación de una mezcla asfáltica con dos números (ni/Di). El primero está referido a la forma de la curva y a la estructura y arreglo geométrico de la potencial masa compactada, y el otro al tamaño máximo del agregado. Esto facilita la expresión y manejo de la gradación, de las especificaciones granulométricas y hasta la definición de la buena gradación y el potencial de densificación de la mezcla. La representación gráfica en un mismo plano de los parámetros Fuller da lugar a la representación punto-ámbito que es de utilidad en la visualización relativa de la gradación de una mezcla asfáltica, o carta

de gradación, y en la evaluación de su respuesta mecánica o hidráulica. El ajuste Fuller tiene la limitante que no explica una gradación uniforme, como sería el caso de las mezclas SMA (por stone matrix asphalt).

Figura 12 Representación de gradaciones donde se midió la permeabilidad

Figura 13 Contorno de permeabilidad para vacíos totales de 4%

Figura 14 Contorno de permeabilidad para vacíos totales de 6%

Figura 15 Contorno de permeabilidad para vacíos totales de 8%

De la visualización de las especificaciones tradicionales (COVENIN) en la carta de gradación (figura 7) se deduce que todas ellas están dentro del rango de buena gradación. Con un valor de n menor que 0.45 están las estructuras densas, y con un valor mayor que 0.45 están las abiertas. Se considera que una mezcla es de máxima densidad cuando ajusta a un n=0.45. Por sus características las mezclas drenantes se colocan a la derecha, con valores de n superiores a 0.80, por lo que se presume que la permeabilidad aumenta con el valor de n. Las mezclas Superpave abarcan en la carta de gradación (figura 8) todo el espectro para las estructuras densas y abiertas, de modo que en el pasado cuando se han construido mezclas densas tradicionales se han estado colocando también mezclas Superpave densas, o bien, cuya curva granulométrica pasa por arriba de la línea de máxima densidad.

El ajuste Fuller también puede servir para controlar la variabilidad de la producción diaria de la mezcla en planta. Este método para evaluar la variabilidad de una granulometría aventaja grandemente al tradicional método de tolerancias en tamices individuales pues aquel considera a la gradación de manera integral; las tolerancias individuales introducen de por sí un sesgo muy significativo que termina afectando injustamente al contratista. Una combinación de agregados es un todo, de esto pueden dar fe los manejadores de plantas trituradoras y

tamizadoras que cuando intentan modificar el pasante de un tamaño los otros se alteran inexorablemente.

Se considera una violación de la zona restringida si la curva granulométrica de una mezcla pasa por encima de ella. En una representación punto-ámbito, sin embargo, la zona restringida es la línea n=0.45 dentro del ámbito de especificación, con lo que obtener una gradación de máxima densidad sería algo bastante improbable (v.gr., probabilidades de 1/24, 1/22, 1/30, 1/30 y 1/38, respectivamente para 9.5, 12.5, 19 y 25 mm, trabajando con un nivel de aproximación de 0.01 para n). Esta incongruencia en el criterio de violación y la escasa probabilidad de igualar la curva de máxima densificación es quizá la razón por la que se ha demostrado que gradaciones que han violado la zona restringida se han desempeñado de manera similar o mejor que las mezclas que tienen gradaciones que pasan afuera de la zona restringida (Ref. 9).

Se observa que hay una influencia igualitaria de Dmax y n en la trabajabilidad. En el ámbito de las gradaciones estudiadas, la facilidad de manejo y colocación aumenta a medida que las mezclas tienen a la vez tamaños máximos más pequeños y estructuras más densas. Una mezcla densa y otra abierta tienen significativamente diferentes trabajabilidades para un mismo tamaño máximo. En las conclusiones obtenidas en el estudio original no se pudo cuantificar la influencia de la estructura, lo que le da validez e importancia a la representación punto-ámbito.

Al menos para los datos estudiados en este trabajo, a medida que las estructuras granulométricas se van volviendo más densas, el ahuellamiento en la mezcla va aumentando. Esto se acentúa a medida que disminuye el tamaño nominal. Al contrario de lo concluido en el estudio original de donde se tomaron los datos experimentales, con la carta de gradación se demostró que sí existe una diferencia importante entre el ahuellamiento de estructuras densas y abiertas, las estructuras abiertas son menos deformables que las densas para un mismo tamaño nominal.

La carta de gradación resultó de utilidad para evaluar la influencia del tamaño nominal, la estructura de gradación y los vacíos totales en la permeabilidad de la mezcla compactada. Un estudio reciente (Ref. 12) demostró que la permeabilidad aumenta con el tamaño nominal y con la proporción de vacíos totales. Allí también se definió un valor crítico de permeabilidad que varía entre 100 y 150x10-5 cm/s y que está asociado a un valor de vacíos entre 4 y 8%. El análisis de los datos de ese estudio en la carta de gradación demostró que a parte de todos los factores antes mencionados, la estructura, cuantificada a través del parámetro n, tiene también una influencia marcada en la permeabilidad. A medida que el valor de n aumenta la estructura se vuelve más abierta y más permeable, lo que corrobora algunos criterios anteriores (Ref. 11). Los gráficos de contorno de permeabilidad interpretados de los datos del estudio mencionado y superpuestos en la carta de gradación demuestran también que la diferencia de permeabilidad entre estructuras densas y abiertas es pequeña o inapreciable en tamaños nominales bajos (i.e., 9.5 y 12.5 mm), significativa en tamaños nominales intermedios (i.e., 19 mm), y bastante considerable en tamaños grandes. Por otra parte, con base en los valores críticos de permeabilidad establecidos en el estudio de referencia, parece totalmente no recomendado compactar mezclas abiertas con vacíos de 8% o más para ninguna mezcla, con vacíos de 6% o más para mezclas con tamaño nominal de 12.5 mm o mayor, y con vacíos de 4% o más para mezclas con tamaño nominal de 25 mm o mayor. Si se van a compactar mezclas con permeabilidades mayores que el rango crítico entonces habría que proteger la base del pavimento contra la infiltración de agua colocando antes una capa impermeable (densa).

En Venezuela se han venido construyendo carpetas con mezclas Superpave abiertas, es decir, que pasan por debajo de la línea de máxima densidad, y se han llamado localmente «TN-S». Estas mezclas son superiores en resistencia a las tradicionales; por las tendencias que se han discutido en este artículo son menos «trabajables», y son ciertamente más permeables que sus contrapartes tradicionales densas. De hecho se han reportado fallas por debilitamiento de la base debido a la infiltración de agua de lluvias. Entre otros factores importantes sobre los cuales el autor no tiene información suficiente, la comprobada alta permeabilidad de estas mezclas, que en el mejor de los casos son compactadas a vacíos totales de 8% de acuerdo con la normativa vigente de control de compactación, sería uno de los principales responsables de estas fallas.

Para finalizar esta discusión se resalta una afirmación del profesor Hveem (Ref. 13), uno de los precursores del estudio de mezclas asfálticas, « la mejor gradación para cualquier mezcla particular sólo puede ser aquella que utilice los agregados disponibles para obtener tantas propiedades deseadas como sea posible una amplia variedad de gradaciones puede ser usada pero lo que no podemos tolerar es demasiada variación.» La carta de gradación ciertamente asiste al diseñador en utilizar los agregados disponibles (antes que otros) en la obtención de las propiedades deseadas, y el método de control basado en el ajuste Fuller permite monitorear la variabilidad en la producción de una manera mucho menos sesgada que la actual.

Conclusiones

La representación punto-ámbito, basada en los parámetros de ajuste Fuller de la curva granulométrica, permite evaluar la influencia del tamaño máximo y la estructura de gradación (parámetro n) en las respuestas mecánica e hidráulica de una mezcla compactada. Cualquier respuesta de variados tipos de mezcla se puede representar en un gráfico general, basado en el punto-ámbito, que se ha llamado carta de gradación.

Toda especificación de gradación Superpave tiene dentro de sí misma dos estructuras, una densa y otra abierta, y tienen comportamientos mecánicos (v.gr., trabajabilidad, ahuellamiento) e hidráulicos (v.gr., permeabilidad) que podrían ser significativamente diferentes. La comprensión y evaluación de estos comportamientos deberá orientar al diseñador en la función que cumplirá la mezcla en la estructura del pavimento.

Si se van a compactar mezclas Superpave de estructura abierta con las especificaciones actuales de control de compactación, es decir, al 8% de vacíos totales, sólo las de tamaño nominal de 9.5 y 12.5 mm se podrían colocar directamente sobre la base. Absolutamente todas las demás deberían colocarse sobre o bien por debajo de una carpeta «impermeable» para prevenir fallas por debilitamiento de la base. En el caso de las mezclas abiertas de tamaños nominales iguales o superiores a 25 mm, estas definitivamente no se pueden colocar sin protección impermeable porque incluso bajo vacíos totales de 4% sobrepasan los valores críticos de permeabilidad. Ya las mezclas tradicionales establecían recomendaciones de función en el pavimento: las mezclas densas son para rodamiento, y las abiertas para base.

Los análisis realizados en este trabajo sobre datos experimentales de investigaciones recientes publicadas en la literatura validan la carta de gradación en su intención original de servir de marco de trabajo para investigadores del comportamiento de las mezclas, para diseñadores en la creación de nuevas mezclas que cumplan con las propiedades deseadas con la mayor economía, y para organismos en el establecimiento de cartas de comportamiento para mezclas con agregados de similar origen, composición y forma, lo que ayudaría grandemente en la preselección y mejora de los servicios de mezcla lista, lo que se traduciría al final en mejores pavimentos.

Referencias

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