EVALUACIÓN DEL USO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN …
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EVALUACIÓN DEL USO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE Y FRÍO FABRICADAS CON RAP (RECLAIMED ASPHALT PAVEMENT) COMO MATERIAL DE BASE EN PAVIMENTOS RÍGIDOS. TESIS 2 Presentado por: Cristian David Saavedra Ramírez Asesora SILVIA CARO SPINEL Profesora Departamento Ingeniería Civil y Ambiental Universidad de los Andes Doctor of Philosophy, Magíster en Ingeniería Civil Ingeniera Civil. FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL DICIEMBRE 2017
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EVALUACIÓN DEL USO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
Y FRÍO FABRICADAS CON RAP (RECLAIMED ASPHALT
PAVEMENT) COMO MATERIAL DE BASE EN PAVIMENTOS
RÍGIDOS.
TESIS 2
Presentado por:
Cristian David Saavedra Ramírez
Asesora
SILVIA CARO SPINEL
Profesora Departamento Ingeniería Civil y Ambiental Universidad de los Andes
Doctor of Philosophy,
Magíster en Ingeniería Civil
Ingeniera Civil.
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
DICIEMBRE 2017
MEZCLAS ASFÁLTICAS COMO MATERIAL DE BASE EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Cristian David Saavedra, Civil Engineer,
Universidad de los Andes
(Bogotá, Colombia)
RESUMEN
Un daño común en los pavimentos rígidos es la erosión de la capa de base debido a la presencia
de agua y procesos de bombeo de agua. Cuando esto ocurre, la pérdida de soporte de las placas
de concreto propicia el desarrollo de procesos de fisuración. El objetivo de este trabajo es
determinar la susceptibilidad de mezclas asfálticas que contienen material reciclado tipo RAP
(Reclaimed Asphalt Pavement) ante fenómenos de erosión cuando se emplean como capas de
base en pavimentos rígidos, bajo diferentes condiciones de servicio de la vía (i.e. frecuencia de
aplicación de carga y características de la estructura de pavimento). Para esto, se cuantificó la
susceptibilidad a la erosión de las mezclas mediante el ensayo de mesa vibratoria vertical y se
empleó un modelo numérico de erosión de pavimentos rígidos desarrollado en diferencias finitas,
el cual fue calibrado con los resultados de ensayos de laboratorio realizados a escala real en un
estudio previo. Los resultados obtenidos permitieron estimar el desempeño de diferentes
materiales de base bajo condiciones similares de magnitud, frecuencia de carga y espesor de las
losas de concreto ante el fenómeno de la erosión .
ABSTRACT
A common damage in the rigid pavements is the erosion of the base layer due to the presence of
water and water pumping processes. When this occurs, the loss of support of the concrete plates
encourages the development of cracking processes. The objective of this work is to determine the
susceptibility of asphalt mixtures containing RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) to erosion
phenomena when used as base layers in rigid pavements, under different road service conditions
(i.e. frequency of load application and characteristics of the pavement structure). For this, the
susceptibility to erosion of the mixtures was quantified by the vertical vibratory table test and a
numerical model of erosion of rigid pavements developed in finite differences was used, which
was calibrated with the results of a laboratory tests performed at real scale in a previous research.
The results obtained allowed us to estimate the performance of different base materials under
similar conditions of magnitude, load frequency and thickness of the concrete slabs in the face of
the phenomenon of erosion.
Palabras Clave— Reclaimed Asphalt Pavement, Pavimentos rígidos, material de base, bombeo,
erodabilidad, modulo dinámico, modelo numérico, modelo a escala real.
Keywords— Reclaimed Asphalt Pavement, concrete pavements, pumping, dynamic module,
numerical model, real model.
Contenido
1 Introducción .........................................................................................................................1
2 Objetivos ..............................................................................................................................3
2.1 General .........................................................................................................................3
2.2 Específicos ...................................................................................................................3
3 Revisión bibliográfica ..........................................................................................................4
3.1 Definición y antecedentes del RAP ..............................................................................4
3.2 Aplicaciones viales con RAP........................................................................................5
3.3 Daño por bombeo de agua ............................................................................................6
3.4 Ensayo de erodabilidad .................................................................................................6
4 Metodología .........................................................................................................................8
4.1 Recolección del material reciclado ...............................................................................8
4.2 Granulometría del RAP ................................................................................................8
4.3 Contenido de asfalto del RAP.......................................................................................8
4.4 Recuperación de asfalto ................................................................................................9
4.5 Elección de porcentajes de material reciclado para las mezclas asfálticas. .................10
4.6 Diseño de mezclas ......................................................................................................11
4.6.1 Granulometría de diseño en caliente ...................................................................11
4.6.2 Granulometría de diseño en frío .........................................................................11
4.6.3 Metodología de diseño Superpave para las mezclas densas en caliente ..............11
4.6.4 Dosificación de emulsión asfáltica para mezcla densa en frío ............................12
4.7 Módulo dinámico bajo carga axial en mezclas ...........................................................12
4.8 Ensayo de Erodabilidad y Calibración del Modelo Numérico ....................................13
4.9 Modelación de la Erosión en Estructuras de Pavimento Rígido..................................14
5 Análisis de resultados .........................................................................................................15
5.1 Granulometría RAP ....................................................................................................15
5.2 Contenido de asfalto del RAP.....................................................................................15
5.3 Granulometría de diseño en caliente ...........................................................................18
5.4 Granulometría en frío .................................................................................................19
5.5 Diseño de mezcla en caliente ......................................................................................20
5.5.1 Procedimiento de diseño Superpave ...................................................................20
5.6 Dosificación de emulsión asfáltica para la mezcla en frío ..........................................22
5.7 Extracción de asfalto de las mezclas en caliente .........................................................22
5.7.1 Granulometrías finales en las mezclas en caliente con 15 % y 30% de RAP ......23
5.7.2 Penetración de asfalto recuperado en las mezclas asfálticas ...............................24
5.7.3 Módulo dinámico bajo corte de los asfaltos recuperados ....................................24
5.8 Módulo dinámico bajo carga axial de las mezclas asfálticas con RAP .......................25
5.9 Ensayo erodabilidad y calibración de modelo numérico .............................................26
5.10 Modelación numérica de procesos de erosión en estructuras de pavimento rígido .....28
6 Conclusiones y Recomendaciones ......................................................................................31
7 Bibliografía ........................................................................................................................33
Lista de Figuras
Figura 1 Ensayo de erosión con mesa vibratoria modificando el Modelo de Phu (1979) .............7
Figura 2 Centrifuga de extracción de asfalto. ...............................................................................9
Figura 3 Rotavapor y sistema de recuperación según norma INV-E-735 (INVIAS , 2007) .......10
Figura 4 Limites de la granulometría de diseño Superpave e INVIAS .......................................11
Figura 5 Montaje del Ensayo Módulo Dinámico ........................................................................13
Figura 6 Granulometrías de los bultos de RAP ..........................................................................15
Figura 7 Comparación entre granulometrías inicial del RAP y de extracción de asfalto ............16
Figura 8 Reómetro para realizar ensayo de módulo dinámico en asfaltos .................................17
Figura 9 Curvas maestras del módulo dinámico de corte del asfalto recuperado del RAP
comparado con uno virgen a una temperatura de referencia de 35ºC. ........................................17
Figura 10 Granulometría de diseño vs límites INVIAS y Superpave .........................................18
Figura 11 Comparación de la granulometría del Bulto del RAP con los límites de la norma
INVIAS para MDF .....................................................................................................................19
Figura 12 Porcentaje de Gmm vs número de giros para la mezcla de 15% RAP ........................21
Figura 13 Porcentaje de asfalto estimado óptimo en cada mezcla (valores obtenidos suponiendo
un porcentaje de aporte del asfalto del RAP del 60%)................................................................21
Figura 14 Cantidad de agua en la emulsión asfáltica ..................................................................22
Figura 15 Porcentaje de asfalto presente en el RAP y en las mezclas con 30% y 15% de RAP .23
Figura 16 Granulometrías finales en las mezclas de 15% y 30% RAP en contra de los límites
INVIAS y Superpave .................................................................................................................23
Figura 17 Penetración en materiales asfalticos de las mezclas ...................................................24
Figura 18 Curvas maestras del módulo dinámico al corte de los asfaltos recuperados a una
temperatura de referencia de 35ºC ..............................................................................................25
Figura 19 Curva dinámica del módulo dinámico axial de las mezclas asfálticas evaluadas a una
temperatura de referencia de 20ºC ..............................................................................................26
Figura 20 (a) Montaje erodabilidad con sensores, (b) probeta típica de ensayo y (c) esquema del
funcionamiento del ensayo .........................................................................................................26
Figura 21 Curva deterioro debido a la erosión para cada diseño ................................................27
Figura 22 Porcentaje al final del ensayo de material perdido por probeta de cada mezcla luego
de 80.000 ciclos..........................................................................................................................27
Figura 23 Esquema del modelo de diferencias finitas (Universidad de los Andes, 2016) ..........28
Figura 24 Tamaño de la cavidad en diferentes materiales de base en pavimentos rígidos después
de 5000 ciclos de carga. .............................................................................................................29
Figura 25 Cavidad después de 5000 ciclos para un material granular estabilizado con cemento y
una mezcla asfáltica con 15 % de material reciclado en caliente ................................................30
Lista de Tablas
Tabla 1 Matriz gruesa RAP implementada en extracción de asfalto...........................................15
Tabla 2 Resultados ensayo de extracción de asfalto ...................................................................16
Tabla 3 Granulometría de diseño en caliente. .............................................................................18
Tabla 4 Granulometría para el diseño con 15% de RAP ............................................................19
Tabla 5 Granulometría para el diseño con 30% de RAP ............................................................19
Tabla 6 Materiales disponibles en el modelo de diferencias finitas ............................................28
Tabla 7 Propiedades mecánicas de las mezclas (módulo de elasticidad para mezclas
estabilizadas con cemento y módulo dinámico para las mezclas con ligantes asfálticos) ...........29
1
1 Introducción
Las carreteras son estructuras fundamentales para el desarrollo de los países a nivel mundial
debido a que son el medio por el cual se transportan individuos y mercancías de un lugar a otro
de manera municipal, nacional o internacional, siendo así de vital importancia para el progreso
de la economía en cualquier sociedad (Sankey, 2015). Por esta razón, las actividades para su
fabricación y conservación son un tema de vital importancia para la construcción de proyectos
que promuevan el avance de la economía de una población.
Los pavimentos están constituidos por capas compuestas por asfalto o cemento en conjunto con
material pétreo. Estos materiales son limitados y no renovables, por lo cual, su producción, uso y
manipulación generan un impacto ambiental negativo (McDaniel et al., 2012). En el contexto de
la ciudad de Bogotá se cuenta con una mayor participación de pavimentos elaborados con
materiales asfálticos, los cuales constituyen un 64% del total de vías en la ciudad, según el
Instituto de Desarrollo Urbano (IDU, 2015).
Debido al impacto ambiental, la ingeniería de pavimentos se ha preocupado por desarrollar nuevas
y mejores técnicas de diseño, construcción y mantenimiento, en búsqueda de una mayor
economía, durabilidad de las estructuras de pavimento y beneficios para el medio ambiente (IDU,
2015). En el año 1995 el “Reciclaje de Pavimento” ya era reconocido como el producto reciclado
número uno en Estados Unidos y se había convertido en una alternativa amigable, cada vez más
utilizada para conservar y construir el patrimonio vial (NAPA , 2017). El empleo de este material
genera un ahorro energético y de costos en el proceso constructivo, que deriva en una disminución
en el uso de los recursos naturales junto a un menor impacto ambiental, haciendo que la vía se
convierta en una clase de cantera y vertedero de material al momento de realizar la rehabilitación
o construcción del proyecto vial (U.S. Department of Transportation, 2011).
El reciclaje de pavimentos es una técnica de rehabilitación de carreteras que consiste en re-utilizar
materiales de las capas que conformaban la estructura del pavimento que ha culminado su vida
de servicio (McDaniel et al., 2001). Aunque estos materiales han perdido algunas de sus
propiedades originales debido a los procesos de degradación mecánica y ambiental a los que han
sido sometidos (cohesión, textura, composición, geometría, etc.), éstos todavía conservan el
potencial para volver a ser utilizados en la construcción de nuevas capas (Botasso, et al., 2008).
Cuando se fresa o tritura el material de mezcla asfáltica existente en las capas superiores del
pavimento, se obtiene el material denominado RAP, cuyo nombre se deriva de sus siglas en inglés
“Reclaimed Asphalt Pavement” (Botasso, et al., 2008). El RAP es el elemento más frecuente e
importante en procesos de reciclaje en vías, puesto que su uso significa ahorros económicos que
para el 2016 fueron cuantificados en 2100 millones de dólares según la National Asphalt
Pavement Association (NAPA , 2017).
En la actualidad existen diferentes técnicas para emplear el RAP, entre las que se destacan el
reciclaje en caliente y en frío para la conformación de nuevas mezclas asfálticas. Además, el RAP
se puede emplear para la conformación de capas de base y subbase granulares con o sin procesos
de estabilización. El tipo de uso específico depende de factores como los daños en el pavimento
a reparar, los contaminantes presentes en el material, la disponibilidad de espacio en la obra y el
rendimiento que se necesita cumpla la nueva estructura de pavimento (Tabaković, et al., 2010).
El uso de RAP para la conformación de mezclas asfálticas en caliente hace referencia al empleo
de este material con la adición de asfalto virgen y agregados para producir una mezcla que se
extiende y compacta como una mezcla densa en caliente (HMA por sus siglas en inglés)
tradicional. Por otro lado, el reciclaje en frío emplea como material de liga emulsiones asfálticas
que pueden ser manipuladas a temperatura ambiente gracias a la dispersión de diversos
porcentajes de asfalto en agua con estabilizadores químicos que permiten el equilibrio de la
mezcla, generando así un material de fácil manejo y características estructurales similares a las
HMA (Botasso, et al., 2008).
2
A pesar de los beneficios económicos y ambientales asociados al uso del RAP, no se cuenta con
suficientes estudios a nivel local que permitan entender su comportamiento y rendimiento frente
a diversos fenómenos de daño y su comparación con materiales ya caracterizados. Un ejemplo de
lo anterior se presenta en el control de la erosión de los materiales que se emplean en capas de
base de pavimentos rígidos, un fenómeno que ha causado problemas en la conservación de
proyectos de infraestructura vial en Colombia y que se estudió por primera vez (con solo
materiales tradicionales) en la Universidad de los Andes. Este proyecto, realizado mediante un
contrato de consultoría especializada para el IDU, buscaba modelar experimental y
computacionalmente el desempeño de diferentes materiales de base ante el daño por erosión, con
el objetivo de ofrecer recomendaciones sobre las condiciones que permiten el uso seguro de
dichos materiales (Universidad de los Andes, 2016).
En este contexto, el presente estudio busca determinar la conveniencia de emplear mezclas
asfálticas en caliente y frío fabricadas con RAP como parte de capas de base en pavimentos
rígidos. Para esto, se evaluará la resistencia de estas mezclas frente a fenómenos de bombeo y se
modelarán los resultados obtenidos computacionalmente para general una comparación con los
resultados del proyecto nombrado anteriormente. Con los resultados de este proyecto se espera
contribuir a la conformación de un inventario de materiales completo para la elección en la
construcción de proyectos de pavimentos rígidos en el futuro.
3
2 Objetivos
2.1 General
El objetivo de esta investigación es caracterizar la resistencia de mezclas asfálticas en frío y en
caliente fabricadas con RAP que se pueden emplear en la conformación de bases de pavimentos
rígidos que soporten procesos de bombeo.
2.2 Específicos
• Realizar el diseño de nuevas mezclas asfálticas que se puedan utilizar como base en
pavimentos rígidos.
• Elaborar probetas de mezcla asfáltica empleando material de RAP en diferentes
proporciones con el fin de analizar su comportamiento ante fenómenos de bombeo.
• Emplear la información adquirida de los ensayos experimentales para evaluar mediante
un modelo computacional el comportamiento a la erosión de los diferentes materiales
evaluados como base para pavimentos rígidos.
4
3 Revisión bibliográfica
Este capítulo tiene como objetivo exponer los conceptos generales relacionados con el material
reciclado de pavimentos y con sus aplicaciones y beneficios, con base en investigaciones y
documentos técnicos publicados en la literatura académica internacional. Asimismo, se busca
presentar una breve explicación del deterioro por bombeo de agua y las características de un
ensayo dinámico para determinar la erodabilidad de materiales de pavimento.
3.1 Definición y antecedentes del RAP
Como se describió anteriormente, RAP es el término otorgado a los materiales asfálticos de un
pavimento que ha sido fresado o triturado (McDaniel and Anderson, 2001). La obtención de este
material ocurre cuando se realizan operaciones de reconstrucción, repavimentación o
mantenimiento y sirven para conformar nuevas mezclas asfálticas (U.S. Deparment of
Transportation, 2011), debido a que sus componentes (particularmente el asfalto y agregados)
cuentan con un valor estructural incluso al final de la vida útil del pavimento (McDaniel et al.,
2001).
Con base a lo anterior, el RAP es una alternativa útil porque reduce el uso de nuevos agregados y
la cantidad de asfalto requerido para la producción de una nueva mezcla asfáltica. También, el
uso de RAP ahorra energía, recorta los costos de transporte de materiales y preserva los recursos,
a la vez que disminuye la cantidad de escombros de construcción colocados en vertederos y reduce
el uso de los recursos naturales no renovables como agregados y asfalto virgen. Por lo cual, el
reciclaje de pavimento crea un ciclo sostenible de uso de materiales que optimiza el rendimiento
de la industria de la construcción ahorrando recursos naturales y dinero (U.S. Department of
Transportation, 2011).
El origen de proyectos que reciclan materiales asfálticos data de 1915. Sin embargo, fue solo hasta
los años 70s y debido a la crisis en el precio del petróleo que la industria de pavimentos, que se
generaron las primeras investigaciones en pro del desarrollo de esta técnica para generar un ahorro
económico importante (McDaniel and Anderson, 2001). Luego, en los años 80s, los
departamentos de transporte estales de los Estados Unidos se preocuparon por desarrollar
metodologías de diseño de mezcla y de controlar el rendimiento a largo plazo, para así generar
mejores prácticas relacionadas al muestreo, pruebas y caracterización del material (Willis and
West, 2014).
Sin embargo, entre los años 1987 y 1993, entre otros productos, el programa estratégico de
investigación de carreteras desarrolló el método Superpave para el diseño de mezclas asfálticas
en caliente, el cual reemplazó ampliamente las metodologías Marshall y Hveem en una gran
cantidad de Estados en USA. El problema principal que generó el avance de esta técnica fue que
no establecía ninguna disposición específica para el uso del RAP en el diseño de mezclas en
caliente, y por tanto, obstaculizó el uso de RAP por parte de diferentes agencias de transporte que
lo adoptaron para sus trabajos (McDaniel and Anderson, 2001).
Debido a lo anterior, La Administración Federal de Carreteras (FHWA, por sus siglas en inglés)
generó pautas provisionales para el uso de RAP en el método Superpave. Estos criterios
establecen que el efecto del ligante envejecido de RAP sobre las propiedades de rendimiento del
ligante virgen dependen directamente de la cantidad de material reciclado que se utilice. Cuando
el nivel es bajo, se considera que el efecto es insignificante y el RAP es considerado una “roca
negra” que solo influye en la volumetría de la mezcla y en su rendimiento a través de su
granulometría. En cuanto el porcentaje de material reciclado aumenta, la analogía de “roca negra”
se elimina ya que el ligante envejecido se mezcla con el material virgen en cantidad suficiente
como para afectar sus propiedades y desempeño (McDaniel and Anderson, 2001).
5
Un factor importante que aún no es claro es el nivel de interacción entre los ligantes envejecidos
y vírgenes(Al-Qadi et al, 2007). Esta interacción es incluida de diferentes formas en los
procedimientos de diseño de los departamentos de transporte estatales. Algunas veces se afirma
que todo el asfalto presente en el material reciclado contribuye como ligante efectivo para la nueva
mezcla, lo que significa que la cantidad de asfalto virgen requerido puede ser reducida por todo
el contenido de asfalto en el RAP (Al-Qadi, Elseifi and Carpenter, 2007), aun cuando este aspecto
no ha sido plenamente demostrado.
Para su explicación, la NCHRP (McDaniel and Anderson, 2001) en su proyecto 9-12
“Incorporación de Pavimentos Asfálticos Recuperados en el Sistema Superpave” implementó una
serie de pruebas de laboratorio para comprobar la hipótesis bajo la cual el RAP actúa como una
“roca negra” (McDaniel and Anderson, 2001). Los hallazgos de esta investigación afirman que
se pueden utilizar bajas cantidades de RAP (i.e. 10 al 20 %) sin caracterizar las propiedades del
ligante recuperado, puesto que no hay suficiente material envejecido para cambiar
significativamente las propiedades del nuevo material. No obstante, cuando se añaden cantidades
de RAP superiores al 20%, se recomienda la recuperación y caracterización del asfalto envejecido,
junto al uso de gráficos de mezcla (conocidos internacionalmente como ‘blending charts’) para
determinar cuál grado de rendimiento del ligante virgen debe ser utilizado en el diseño de la
mezcla (McDaniel and Anderson, 2001).
Gracias a este estudio, las agencias y contratistas de carreteras pudieron estar más seguros para
expandir el uso de RAP en mezclas asfálticas en caliente, independientemente del método de
diseño utilizado. En una encuesta realizada por el Departamento de Transporte de Carolina del
Norte entre los años 1980 y 2007 se afirma que el uso del RAP en los Estados Unidos tenía un
promedio de aproximadamente del 12% para la conformación de nuevas mezclas, además, en
muchos estados no se permitía un contenido mayor al 25% de material reciclado para capas
superiores (Willis and West, 2014). Entre los años 2007 y 2009 este promedio aumentó hasta el
16.2% gracias a la información consolidada de los diferentes departamentos de transporte
indicando dificultades y buenas prácticas en el desarrollo de esta técnica. Finalmente para el año
2012, el contenido de RAP típico empleado en las mezclas asfálticas en caliente de proyectos
alrededor de los Estados Unidos fue del 20% y continua creciendo (Willis and West, 2014).
3.2 Aplicaciones viales con RAP
El RAP tiene diferentes aplicaciones en la industria de pavimentos. Este material se usa como
sustituto y suplemento de agregado y ligante en la pavimentación de vías. Puede ser utilizado
tanto en capas superiores como en bases y subbases y puede también emplearse para la
conformación de terraplenes o como material de relleno.
Con base en lo anterior, se debe considerar que existen diferentes tipos de reciclaje de material
asfáltico, entre los cuales se destacan principalmente cuatro:
• Reciclaje caliente en planta: Este tipo de reciclaje es el más común y se produce
normalmente en una instalación de procesamiento de RAP que contiene trituradoras,
unidades de detención, transportadoras y apiladoras con el fin de acumular un material
RAP granular con una granulometría deseada. Este producto se incorpora posteriormente
en las mezclas como un sustituto del agregado, pero en su diseño se tiene en cuenta una
combinación entre el asfalto existente en el RAP y el virgen, debido a que la temperatura
de mezclado genera una combinación del ligante envejecido y virgen. Para su
elaboración se pueden emplear plantas de procesamiento por lotes y plantas con tambor
(Federal Highway Administration, 2016).
6
• Reciclaje caliente in situ: Esta técnica es similar a la realizada en planta, pero con la
dificultad de elaborarse en campo. Se realiza en una o varias operaciones usando
trituración, deposición de materiales, calentamiento especializado, rejuvenecedores y un
equipo de compactación, generando así, una mezcla de manera inmediata sin necesidad
de realizar un transporte de la totalidad de los agregados hasta la obra (Federal Highway
Administration, 2016).
• Reciclaje frío en planta: El procesamiento del RAP para una mezcla de material en frío
es muy similar al empleado en la mezcla en caliente, exceptuando el hecho que el
material RAP no realiza un aporte de material asfáltico. Por el contrario, solo se incorpora
como un sustituto de agregado. Además, para su mezcla se utilizan productos como
emulsiones asfálticas para manipular la mezcla en las máquinas a una temperatura
ambiente. Una planta de RAP en frío típica está constituida por una trituradora, una
unidad de cribado, una transportadora y apiladores (Federal Highway Administration,
2016).
• Reciclaje frío in situ: Este procedimiento, al igual que el anterior, tiene en cuenta el
material reciclado sólo como un complemento a la granulometría de diseño. Para su
realización se necesita una planta de tren continuo, donde se grada el material RAP
molido, y se adicionan rejuvenecedores líquidos. Los productos especiales derivados del
asfalto tales como emulsiones asfálticas han sido desarrolladas especialmente para este
procedimiento y buscan, en la mayoría de los casos, que el material de RAP sea
compatible con el aglutinante recién agregado (Federal Highway Administration, 2016).
3.3 Daño por bombeo de agua
El deterioro por bombeo de agua se refiere a la expulsión (en presencia de agua) de finos a través
de las juntas transversales y longitudinales de las losas debido a la deflexión que sufren ante el
paso de cargas. Al expulsar el agua, esta lleva consigo partículas finas de material de base, que
genera la perdida de soporte de las losas de concreto y su posterior ruptura (Universidad Nacional,
2006).
3.4 Ensayo de erodabilidad
Para el ensayo de erodabilidad seleccionado en este estudio se tienen en cuenta los trabajos
realizados por la Universidad de los Andes en los años 2009 y 2015, en el “Estudio de la
Resistencia a la Erosión de Materiales Empleados como Bases en Pavimentos de Concreto
Hidráulico, Fase I y II” (Universidad de los Andes, 2016). En la primera fase se desarrolló un
experimento para la medición de la erodabilidad en los materiales seleccionados. Luego de
realizar una comparación entre los modelos desarrollados en el pasado, se tomó la decisión de
adaptar un ensayo de erosión sobre la mesa vibratoria desarrollado por Phu (1979), que consiste
en producir vibraciones verticales entre un cilindro del material a caracterizar y una superficie de
concreto de alta resistencia bajo la presencia de agua (Universidad de los Andes, 2010).
Las vibraciones permiten la presencia de dos fases entre el concreto y la capa de base en campo.
Primero el cilindro se aleja de la base de concreto, lo que genera una cavidad entre los materiales,
entretanto una lámina de agua penetra en esta cavidad. En la segunda fase, el espécimen se acerca
a la base de concreto y el agua fluye a través de la cavidad, de forma similar a lo ocurrido en
campo en la interfase entre placas de concreto y capa de base (Universidad de los Andes, 2010).
Cabe resaltar que este ensayo permite controlar la aceleración y frecuencia de vibración tanto de
la base de concreto como de la muestra de ensayo, por lo cual, es posible variar el espesor de la
cavidad y la velocidad a la que fluye el agua en cada ensayo simulando diferentes condiciones de
carga a las cuales son sometidas las estructuras de pavimento. El desarrollo teórico de este
procedimiento se puede consultar de manera detallada en el informe realizado por la Universidad
de los Andes mencionado anteriormente.
7
En la Figura 1 se puede apreciar un esquema del ensayo de erosión con mesa vibratoria
modificado a partir del modelo de Phu (1979).
Figura 1 Ensayo de erosión con mesa vibratoria modificando el Modelo de Phu (1979)
Probeta
Agua 200 cm3
Concreto Alta resistencia
170 mm
160mm
320 mm
50 mm
Mesa Vibratoria
Acelerómetro
8
4 Metodología Este capítulo presenta el proceso experimental desarrollado para realizar esta investigación. En
su elaboración se tuvo en cuenta la disponibilidad de materiales y normativa nacional e
internacional vigente, para así cumplir de la manera correcta con los objetivos expuestos
anteriormente.
A continuación, se explica de manera detallada cada uno de los procedimientos experimentales
realizados durante este proyecto.
4.1 Recolección del material reciclado
La recolección del material se realizó tras realizar una solicitud al proyecto “Ruta del Sol tramo
I” del consorcio HELIOS. Se obtuvieron en total 2 toneladas de material para el estudio e
implementación de mejores prácticas con materiales reciclados.
Cabe aclarar que el objetivo principal de obtener todo el material de estudio de una sola fuente
fue disminuir la variabilidad de la granulometría y el diseño de mezcla, ya que esto implicaba la
uniformidad en el método de recolección del material, junto a una posible homogeneidad en el
contenido de la mezcla asfáltica, además de unas condiciones de almacenamiento conocidas. Sin
embargo, debido a la lejanía del proyecto no se tuvo la oportunidad de elegir el material desde el
centro de almacenamiento y éste fue enviado en volqueta desde Guaduas, Cundinamarca, hasta
la ciudad de Bogotá, por lo que no se cuenta con información clara del tiempo que llevaba
depositado. Sin embargo, se pudo verificar por medio de los ingenieros a cargo que todo el
material triturado es almacenado al aire libre sin una separación por tamaños en un predio de
propiedad del consorcio, con el objetivo de reutilizarse en el mantenimiento o construcción de
diferentes tramos de carretera.
4.2 Granulometría del RAP
El material adquirido llegó completamente humedecido en 50 bultos de entre 25 y 40 kilogramos
cada uno, lo cual llevó a intuir que la componente fina del material fresado sería muy escasa
debido a las condiciones de almacenamiento al aire libre y la escorrentía de agua lluvia. Por lo
anterior, con el objetivo de verificar la variabilidad en el contenido y granulometría de cada bulto,
se realizó la extensión de cuatro de éstos para realizar el secado natural (i.e. al aire libre) del
material (evitando la oxidación del RAP al horno) y su posterior gradación.
Además, para facilitar el diseño de la granulometría de las mezclas y acercar el estudio de
laboratorio a la realidad en la práctica, se decidió utilizar solamente la matriz de agregados
gruesos del material reciclado (i.e. material granular retenido en el tamiz número cuatro), con el
fin de proporcionar un escenario realista para la elaboración de mezclas con material reciclado en
campo, debido a que un menor número de puntos de control y pesaje hace más factible su
reproducción en planta (U.S. Deparment of Transportation, 2011).
4.3 Contenido de asfalto del RAP
Las mezclas asfálticas están compuestas por dos componentes principales, agregados (tanto
granulares como finos) y un material de liga (asfalto) (Montejo, 2002) . Estos componentes no
son ajenos en el material triturado de pavimentos (RAP) y, por tanto, se puede encontrar tanto en
piedras separadas de la matriz asfáltica, como material fino aglomerado en forma de partículas
con mayor tamaño. Por lo tanto, la matriz asfáltica que compone el material reciclado debe ser
tenida en cuenta a la hora de incorporarse en una nueva mezcla, debido a que al calentarse, parte
del asfalto que la compone se derretirá y se incorporará a la mezcla como ligante que aporta a la
adhesión de la mezcla (Hussain and Qiu, 2013).
9
Con esto en mente, para realizar la volumetría inicial y final de las mezclas, se necesitará tener en
cuenta el porcentaje de asfalto que compone el material reciclado (el cual se utilizará para
completar la granulometría objetivo y se incorpora en los cuatro tamices gruesos del RAP 3/4”,
½”, 3/8” y Nº 4) (U.S. Deparment of Transportation, 2011).
Para lograrlo, se realizó el ensayo de “Extracción de Asfalto” con base en la norma I.N.V. E –
732 – 07, el cual establece que una muestra de material de mínimo 1500 g (según su tamaño
máximo nominal) que está suelta y es calentada a 110º C durante más de dos horas, se somete a
una prueba en un recipiente de centrifugado, donde un disolvente (en este caso gasolina)
desprende las partículas de material asfáltico de la mezcla y lo deposita en un contenedor exterior
(INVIAS, 2007). El procedimiento debe realizarse hasta que el disolvente utilizado sea expulsado
con un color similar a su matiz original para luego secar el material granular resultante y proceder
a calcular el porcentaje de asfalto de la muestra por medio de la ecuación (1):
% de asfalto en la mezcla =A−(B+C)
A (1)
donde, A es el peso de la mezcla inicial, B el peso de los agregados secos y C el material retenido
en el papel filtro.
En la Figura 2 se puede observar la máquina de extracción utilizada en este procedimiento.
Figura 2 Centrifuga de extracción de asfalto.
4.4 Recuperación de asfalto
Caracterizar los materiales con los cuales se va a realizar una mezcla asfáltica es de vital
importancia para comprender y analizar de manera detallada su comportamiento respecto a
diferentes tipos de daño como la fatiga y el ahuellamiento (U.S. Deparment of Transportation,
2011).
En este caso, con base en la literatura se reconoce que el asfalto que hace parte del material
reciclado se encuentra con un grado de oxidación alto (debido a su tiempo en servicio) y que tiene
una rigidez mayor producto de ese fenómeno (Federal Highway Administration, 2016), lo cual,
causa en la mezcla una mejor resistencia ante fenómenos de ahuellamiento, pero también la hace
más susceptible ante fenómenos de fatiga.
Gracias a lo anterior y con el fin de realizar una comparación entre las propiedades de los
materiales reciclados, se realizó la recuperación del asfalto presente en el RAP de estudio para así
conocer sus propiedades reológicas y compararlas con el material virgen que se va utilizar para
realizar las mezclas.
10
El procedimiento para realizar la recuperación del asfalto de la mezcla de RAP se basa en la norma
INV-E-759 “Recuperación de asfalto de una solución utilizando el Rotavapor” la cual establece
que la solución producto de una extracción previa por medio de un solvente (en este caso
tricloroetileno) se destila parcialmente, sumergiendo el matraz rotativo de destilación en un baño
de aceite a alta temperatura. Entretanto, la solución de asfalto y tricloroetileno se somete a un
vacío parcial junto a un flujo de gas que puede ser nitrógeno o dióxido de carbono (INVIAS ,
2007). Como resultado, el asfalto producto de este procedimiento es utilizado para realizar los
ensayos necesarios para su caracterización, como lo son el módulo dinámico de corte y la
penetración en materiales asfálticos en base a la norma I.N.V. E –706– 07 (INVIAS, 2007).
En la Figura 3 se expone el modelo para realizar el ensayo según la norma:
Figura 3 Rotavapor y sistema de recuperación según norma INV-E-735 (INVIAS , 2007)
Cabe aclarar que el ensayo de recuperación de asfalto del material reciclado (RAP) y las mezclas
con contenidos de 15% y 30% de RAP, se realizó en la compañía MPI con sede en
Barrancabermeja.
4.5 Elección de porcentajes de material reciclado para las mezclas asfálticas.
Teniendo en cuenta los rangos porcentuales de pavimento reciclado utilizados normalmente en la
industria nacional e internacional para mezclas asfálticas con RAP y los tipos de material de base
probados anteriormente en el estudio de la resistencia a la erosión elaborado por la Universidad
de los Andes (Universidad de los Andes, 2016), se determinó un porcentaje de RAP de 15% y
30% para la elaboración de dos tipos de mezcla en caliente y una mezcla de prueba con el 100%
del material reciclado en frío (Federal Highway Administration, 2016), junto a una mezcla de
control elaborada de manera tradicional sin contenido de RAP. Además, se determinó que el
diseño de las mezclas en caliente sería elaborado por medio del método Superpave (el cual sólo
incluye consideraciones de temperatura y volumetría de la mezcla) y para la mezcla en frío una
dosificación de emulsión asfáltica típica empleada en la ciudad de Bogotá.
11
4.6 Diseño de mezclas
A continuación, se presenta el procedimiento desarrollado para la elaboración de cada diseño:
4.6.1 Granulometría de diseño en caliente
Con base en las metodologías de diseño adoptadas se selecciona una granulometría que cumple
con los requerimientos exigidos por la normativa colombiana INVIAS para bases asfálticas de
mezclas semidensas en caliente en el artículo 450-13 y, de igual manera, se integran los límites
especificados por Superpave de acuerdo al tamaño máximo nominal de la mezcla (19 mm) como
se puede observar en la Figura 4 (National Highway Institute, 2000).
Figura 4 Limites de la granulometría de diseño Superpave e INVIAS
4.6.2 Granulometría de diseño en frío
Teniendo en cuenta la aclaración de la sección 4.5, en el caso de la mezcla en frío se utilizó la
granulometría original con la que viene un bulto de material reciclado. Esto quiere decir que no
se cumplen con los límites establecidos por ninguna norma, debido a que se trata de material
triturado sin clasificar y almacenado directamente de una obra.
4.6.3 Metodología de diseño Superpave para las mezclas densas en caliente
Con base en la granulometría seleccionada se procedió a realizar el diseño para las mezclas en
caliente por el método Superpave (15 % de RAP, 30 % de RAP y de Control). Este método afirma
que el contenido óptimo de asfalto de una HMA es aquel que produce un 4% de vacíos en la
mezcla para un número de giros de diseño, el cual está determinado por las condiciones de tráfico
en ejes equivalentes de 8.5 toneladas y el clima donde está ubicado el proyecto. El contenido
óptimo se encuentra gracias a un análisis volumétrico del material que tiene en cuenta: la gravedad
específica máxima de la mezcla (Gmm), los datos de compactación de probetas de un compactador
giratorio y la gravedad específica bulk (Gmb) (National Highway Institute, 2000).
Para este caso, se estableció un número de ejes equivalentes menor a 10 millones y una
temperatura menor a los 39 grados centígrados, tomando como ubicación del proyecto la ciudad
de Bogotá. Además, del uso como base de pavimento para el sistema de losas del transporte
público Transmilenio, para el ejemplo anterior se obtiene un numero de giros inicial (𝑁𝑖) de 8,
0
20
40
60
80
100
120
0.01 0.1 1 10 100
(%)
pasa
Tamaño (mm)
Inf MSC-25 Sup MSC-25 Inferior SP Superior SP
12
numero de giros de diseño (𝑁𝑑) de 96 y un número de giros máximo (𝑁𝑚) de 152, esenciales para
la compactación de los especímenes.
Cabe resaltar la importancia de realizar un ajuste en el contenido de asfalto de cada uno de los
diseños, debido al aporte de material asfáltico otorgado por el material reciclado y teniendo en
cuenta los factores de corrección del documento “factores de corrección para mezclas de asfalto
en caliente con contenido de pavimentos asfalticos reciclados” (Federal Highway Administration,
2017). Además, se tuvo en cuenta la corrección por asfalto efectivo de Bowers et al. (2014) que
establece un aporte del ligante envejecido del 60%, el cual fue verificado en la investigación de
variabilidad en pavimentos reciclados realizada por Carrizosa, Calvo, Montañez en su tesis de
Maestría en la Universidad de los Andes en los años 2016 y 2017.
Para finalizar, las consideraciones de temperatura en la mezcla se encuentran especificadas tanto
en el reporte 452 del National Cooperatetive Highway Research Program (McDaniel and
Anderson, 2001) y en las recomendaciones para la elaboración de mezcla reciclada con Superpave
del Instituto del Asfalto, donde se estipula que la mezcla debe realizarse con material de RAP
calentado por dos horas a una temperatura de 110ºC, junto a un material virgen a 10 grados por
encima de la temperatura para realizar la mezcla , temperatura de 160ºC a los cuales deberá estar
también el asfalto virgen (Anderson, 2005).
4.6.4 Dosificación de emulsión asfáltica para mezcla densa en frío
En primer lugar, es necesario aclarar que para este diseño se utilizó una emulsión catiónica de
rompimiento lento con un porcentaje de asfalto residual del 60%. Para confirmar este contenido
se realizaron dos tipos de curados para muestras de 100ml de emulsión, el primero se realizó
calentando la muestra a 110ºC hasta estabilizar el peso de la muestra y el segundo se realizo con
un curado de 7 días al aire hasta la estabilización del peso de la emulsión.
Para determinar el contenido de emulsión de la mezcla en frío con 100% de material reciclado, se
realizó un análisis volumétrico de diferentes dosificaciones, con el objetivo de obtener un
contenido de vacíos de 4% para una probeta de 15 cm de alto por 15 cm de diámetro compactando
por altura en el compactador giratorio. Esto se logra luego de establecer la gravedad especifica
máxima final de diferentes contenidos de emulsión y la gravedad especifica bulk de las probetas.
Además, para este método el material reciclado añadido a la granulometría objetivo se tomó como
un agregado más, lo que quiere decir que no hay aporte de material asfáltico y por tanto no hay
necesidad de correcciones volumétricas como en el método Superpave.
4.7 Módulo dinámico bajo carga axial en mezclas
Como parte de la caracterización de materiales resultado de este proyecto se realiza el ensayo de
módulo dinámico para cada mezcla en base a unas ligeras modificaciones a la norma INV-754-
07 “Módulo dinámico de mezclas asfálticas” con el fin de determinar el comportamiento de cada
material bajo diferentes condiciones de carga y frecuencia (INVIAS, 2007).
Para realizar este procedimiento se cuenta con el equipo de laboratorio desarrollado por la
Universidad de los Andes denominado Hollow Cylinder Tester for Asphalt Mixtures (HCT-AM),
el cual permite realizar aplicaciones de carga con diferentes frecuencias y temperaturas de manera
controlada (Rueda et al., 2017). Por esto, en este estudio se utilizan probetas de 15cm de alto por
15 cm de diámetro, lo cual no cumple con la relación de 2 a 1 entre altura y diámetro establecida
por la norma mencionada anteriormente.
Sin embargo, el uso de este equipo permite realizar una mayor cantidad de frecuencias y
temperaturas a las muestras, lo que se refleja en una mayor cantidad de datos para la elaboración
de las curvas maestras de los materiales, disminuyendo errores por aproximaciones visuales o
condiciones ambientales de las muestras.
13
Con base en lo anterior, se realizaron ensayos de módulo dinámico bajo carga axial de compresión
para tres probetas por diseño, en un rango de temperaturas de 0 a 60ºC, en intervalos de 20°C y
con frecuencias de carga de 0.1, 0.5, 1, 5, 9, 13 y 17 Hz.
La Figura 5 presenta el HCT-AM, empleado para la realización del ensayo de módulo dinámico
bajo carga axial.
Figura 5 Montaje del Ensayo Módulo Dinámico
4.8 Ensayo de Erodabilidad y Calibración del Modelo Numérico
El ensayo de erosión en mesa vibratoria (erodabilidad) busca simular de manera aproximada el
fenómeno de erosión por bombeo en las bases de pavimento rígido. Esta prueba se realiza a
diferentes frecuencias (50, 80 y 100 Hz) variando la aceleración de las muestras y con esto la
velocidad de expulsión del agua, generando así diferentes condiciones de carga en ellas
(Universidad de los Andes, 2016).
El procedimiento para realizar el ensayo de erodabilidad es el siguiente:
i. Preparación de muestras
Se deben compactar probetas de 15 cm de diámetro por 15 cm de alto al 96% de su densidad
máxima según los diseños de mezcla, con el objetivo de simular las condiciones de
compactación en campo sobre las muestras. La compactación se realiza por medio del
compactador giratorio (Universidad de los Andes, 2016), y se pegan por medio de un epóxico
con un cilindro de concreto de las mismas dimensiones, para obtener una muestra de 30cm
de alto por 15 de diámetro.
ii. Saturación de las muestras
las muestras son humedecidas mediante ascensión capilar durante 24 horas antes del ensayo
(Universidad de los Andes, 2016).
iii. Instalación de la muestra en el molde de ensayo
Previa a la instalación de las probetas en el molde del ensayo se agregan 350 ml de agua en
el mismo para saturar los sensores de presión y se procede a instalar la muestra (Universidad
de los Andes, 2016).
14
iv. Aplicar el nivel de aceleración 1 (20.000 ciclos) correspondiente a la primera velocidad de
expulsión (V1).
El deterioro de las probetas debido al fenómeno de erosión aumenta a medida que la velocidad
de expulsión del agua también lo hace. Por lo cual, la medida de la erosión comienza con la
menor velocidad y aumenta progresivamente. Teniendo en cuenta las velocidades que se
reportan en la bibliografía y se utilizaron en los ensayos del año 2010 se utilizan las siguientes
velocidades de expulsión de agua: 3 m/s, 5 m/s y 7 m/s aproximadamente. Donde la velocidad
V1 es 3 m/s aproximadamente (la calibración de esta velocidad puede ser consultada en el
documento público del “Estudio de la Resistencia a la Erosión de Materiales Empleados como
Bases en Pavimentos de Concreto Hidráulico, Fase II”) (Universidad de los Andes, 2016).
v. Medir la erosión mediante el peso de material disgregado de la muestra.
Al finalizar los 20.000 ciclos se detiene el ensayo, se retira la muestra y se mide su masa y
altura. Además, se retira el material suelto por erosión, se adicionan nuevamente 350 ml de
agua y se continúa con el ensayo (Universidad de los Andes, 2016).
vi. Repetir los pasos 4 y 5 con velocidades de expulsión de agua V2 y V3.
Se repite el procedimiento descrito empleando las otras dos velocidades (Universidad de los
Andes, 2016).
Por otro lado, se empleó un modelo numérico desarrollado en la Universidad de los Andes con
la capacidad de simular lo que sucede cuando una llanta (con una carga de magnitud y frecuencia
determinada) pasa de manera repetida (cíclica) sobre una estructura de pavimento rígido. Este
pavimento tiene propiedades establecidas de: espesor, largo de losas, tamaño inicial de la cavidad
en la base y el tipo de material de esta. Y se calibra con los resultados de velocidad de expulsión
del agua del ensayo anterior (Universidad de los Andes, 2016).
Este proceso de calibración se realiza gracias a la ‘curva de deterioro’ del material que resulta de
cada uno de los ensayos de erodabilidad, por medio de curvas de erosión en términos de
milímetros de material erosionado por ciclo en contra de la velocidad del agua, las cuales son
determinadas por medio de las herramientas de tendencia de Excel y el software 2R data
(programa de análisis de datos) (Universidad de los Andes, 2016).
En resumen, teniendo en cuenta la velocidad del ciclo determinada por el modelo para el material
usado en el mismo, se tiene la capacidad de asignar una magnitud de erosión para cada ciclo de
carga aplicado, simulando el deterioro a través del tiempo para el material.
La descripción del modelo numérico implementado en este estudio puede ser consultada a
profundidad en el documento público del “Estudio de la Resistencia a la Erosión de Materiales
Empleados como Bases en Pavimentos de Concreto Hidráulico, Fase II” (Universidad de los
Andes, 2016) y en la tesis de maestría desarrollada por el Ingeniero Daniel Ricardo Varela (2015).
4.9 Modelación de la Erosión en Estructuras de Pavimento Rígido
Posterior al ensayo y calibración del modelo, se procedió a realizar un conjunto de simulaciones
para todos los materiales, manteniendo la velocidad, magnitud de carga y el espesor de la losa
constantes con el fin de comparar el desempeño de las diferentes mezclas asfálticas de este estudio
contra los materiales implementados por la Universidad de los Andes ante el fenómeno de erosión.
Cada modelación se realizó con 5000 ciclos de carga y un tiempo computacional de entre 2 y 4
horas por simulación (en función de la capacidad del procesador), con el fin de obtener el aumento
de la cavidad en cada material y realizar las conclusiones finales de comparación entre todos los
que son utilizados como base para pavimentos rígidos (Universidad de los Andes, 2016).
15
5 Análisis de resultados
En este capítulo podrá encontrar los resultados de los procedimientos realizados en esta
investigación
5.1 Granulometría RAP
Luego de realizar el secado de los agregados se realizó el tamizado de cada uno de los bultos, con
el fin de obtener las curvas granulométricas que se presentan en la Figura 6. Esta figura muestra
una evidente similitud entre el contenido de los cuatro bultos, y demuestra una homogeneidad
favorable para el estudio de este material, debido a que, al presentar uniformidad en su
almacenamiento, se podrán reproducir los resultados de este estudio independientemente del bulto
elegido.
Figura 6 Granulometrías de los bultos de RAP
5.2 Contenido de asfalto del RAP
Como se menciona en la sección 4.2 sólo se utilizó la matriz gruesa del material reciclado para
las mezclas en caliente y se realizan dos extracciones de asfalto para la matriz ilustrada en la Tabla
1, con el fin de obtener la cantidad de asfalto presente en este material.
Tabla 1 Matriz gruesa RAP implementada en extracción de asfalto
Matriz gruesa RA
Nº Peso(g) (%)Retenido
3/4" 250 16.67
1/2" 500 33.33
3/8" 250 16.67
No.4 500 33.33
total 1500 100.00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.01 0.1 1 10 100
(%)
pasa
Tamaño (mm)
Bulto 1 Bulto 2 Bulto 3 Bulto 4
16
En la Tabla 2 se pueden observar los resultados del ensayo de extracción de asfalto, en los cuales
se puede concluir que en promedio el contenido de asfalto aproximado del RAP analizado es de
4.0% en la matriz gruesa del material reciclado. Este es un valor de vital importancia para estimar
el aporte efectivo de ligante reciclado en la mezcla final.
Tabla 2 Resultados ensayo de extracción de asfalto
Tamiz Extracción 1 Extracción 2
Nº Peso(g) (%)Retenido % Pasa Peso(g) (%)Retenido % Pasa
3/4" 162.00 11.24 88.76 153.00 10.64 89.36
1/2" 318.50 22.10 66.67 332.50 23.12 66.24
3/8" 186.00 12.90 53.76 154.00 10.71 55.53
#4 441.50 30.63 23.14 385.50 26.81 28.72
10 99.50 6.90 16.23 134.50 9.35 19.37
40 112.00 7.77 8.46 130.00 9.04 10.33
80 42.50 2.95 5.52 65.50 4.55 5.77
200 35.50 2.46 3.05 48.50 3.37 2.40
Fondo 42.00 2.91 0.14 33.00 2.29 0.10
Papel 2.00 0.14 0.00 1.50 0.10 0.00
Peso [kg] 1441.50 1438.00
Peso inicial 1500 1500
% asfalto 3.90 4.13
Además, se graficaron las curvas granulométricas de la matriz gruesa inicial del RAP junto a las
dos extracciones realizadas, con el fin de observar si se presenta una similitud entre ellas y el
número de tamices que puede abarcar la matriz gruesa de mezcla reciclada. El resultado de este
procedimiento se puede observar en la Figura 7.
Figura 7 Comparación entre granulometrías inicial del RAP y de extracción de asfalto
Se puede observar una similitud entre la granulometría de las dos extracciones de material, lo que
permite afirmar que la variabilidad entre materiales de pavimento reciclado se puede disminuir
obteniéndolo de una sola fuente, debido a que su trituración y almacenamiento siempre se
realizarán con la misma maquinaria y de forma homogénea entre los diferentes tramos.
También se puede observar que a pesar de haber seleccionado sólo la matriz gruesa del RAP para
la granulometría de diseño, ésta contiene en sus partículas cerca del 18% de material fino, lo cual
puede disminuir la resistencia al ahuellamiento de la mezcla asfáltica nueva.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.01 0.1 1 10 100
(%)
pasa
Tamaño (mm)Extracción 1 Extracción 2 Granulometría inicial del RAP
17
Por otro lado, sobre el asfalto recuperado se realizó un ensayo de penetración con un resultado de
29 décimas de milímetro y de modulo dinámico de corte con un barrido de temperaturas entre los
25ºC y 75ºC con saltos de 5 grados y con frecuencias entre 1 Hz y 20 Hz con intervalos de 1Hz,
en el reómetro AR2000 que se ilustra en la Figura 8.
Con el resultado de este ensayo se realiza la curva maestra a 35ºC del módulo dinámico al corte
del asfalto recuperado de RAP y se realiza una comparación con respecto a uno virgen 60-70
(1/10 mm). En la Figura 9 se puede observar que para frecuencias bajas el módulo es hasta 10
veces mayor en el asfalto recuperado que en el asfalto virgen y para frecuencias altas es hasta dos
veces mayor, demostrando que efectivamente este material sufre un endurecimiento producto de
la oxidación por el ciclo de vida que tuvo.
Figura 9 Curvas maestras del módulo dinámico de corte del asfalto recuperado del RAP comparado con uno
virgen a una temperatura de referencia de 35ºC.
y = 282544x0.7251
R² = 0.9932
y = 71745x0.8128
R² = 0.9929
1.0E+02
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03
|G*| [P
a]
Frecuencia reducida [Hz]
RAP VIRGEN 60-70
10 veces
mayor
2 veces
mayor
Figura 8 Reómetro para realizar ensayo de módulo dinámico en asfaltos
18
5.3 Granulometría de diseño en caliente
Los límites de granulometría seleccionados para los diseños fueron establecidos por la MSC-25,
que se refiere a una mezcla semi-densa según la normativa INVIAS, con un tamaño máximo
nominal de 19 mm, la cual fue comparada con respecto a los límites de la metodología Superpave
para verificar su cumplimiento.
Con base en lo anterior, la granulometría seleccionada que cumple con los requerimientos
anteriores se muestra en la Tabla 3:
Tabla 3 Granulometría de diseño en caliente.
Tamiz Trial 1
mm Retenido %
25 100
19 92
12.5 75
9.5 65
4.75 45
2 30
0.425 15
0.18 9
0.075 5
De igual forma, en la Figura 10 se puede observar la granulometría de diseño entre los límites de
la Mezcla MSC-25 del INVIAS y Superpave.
Figura 10 Granulometría de diseño vs límites INVIAS y Superpave
Como se mencionó anteriormente esta será la granulometría para los diseños de mezcla en caliente
y fue utilizada como ajuste para la elaboración de los diseños con material reciclado al 15%, 30%
y de control.
Por otro lado, teniendo en cuenta las consideraciones para la elección de tamices presentes en la
granulometría de diseño de la sección 4.2, junto a la granulometría de diseño establecida en esta
sección, se procede a distribuir en cada tamiz de la matriz gruesa el porcentaje de material
reciclado a criterio del diseñador, obteniendo en la Tablas 4 y 5 el porcentaje de material para
cada uno en las mezclas para los diseños de RAP al 15% y 30% respectivamente.
0
20
40
60
80
100
120
0.01 0.1 1 10 100
(%)
pasa
Tamaño (mm)
Inf MSC-25 Sup MSC-25 Inferior SP Superior SP Diseño
19
Tabla 4 Granulometría para el diseño con 15% de RAP
Tamiz (mm) Retenido % Rap% Virgen%
19 8.00 3.00 5.00
12.5 17.00 4.00 13.00
9.5 10.00 4.00 6.00
4.75 20.00 4.00 16.00
2 15.00 15.00
0.425 15.00 15.00
0.18 6.00 6.00
0.075 4.00 4.00
Fondo 5.00 5.00
Total 15.00 85.00
Tabla 5 Granulometría para el diseño con 30% de RAP
Tamiz (mm) Retenido % Rap% Virgen%
19 8.00 5.00 3.00
12.5 17.00 10.00 7.00
9.5 10.00 5.00 5.00
4.75 20.00 10.00 10.00
2 15.00 15.00
0.425 15.00 15.00
0.18 6.00 6.00
0.075 4.00 4.00
Fondo 5.00 5.00
Total 30.00 70.00
Gracias a estos porcentajes se puede realizar el procedimiento de diseño en búsqueda del
porcentaje óptimo de asfalto para cada una de las mezclas.
5.4 Granulometría en frío
En base a la sección 4.6.2 para la granulometría de las mezclas en frío se tomó la gradación
presente en un bulto de RAP almacenado, con el fin de representar una mezcla con material
reciclado en su totalidad. Por lo cual, y como se puede observar en la Figura 11 no se logra cumplir
con los límites establecidos por la especificación INVIAS para mezclas densas en frío (MDF).
Figura 11 Comparación de la granulometría del Bulto del RAP con los límites de la norma INVIAS para MDF
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.01 0.1 1 10 100
(%)
pasa
Tamaño (mm)Inf MDF-1 Sup MDF-1 Bulto 1
20
5.5 Diseño de mezcla en caliente
El diseño Superpave parte de la previa elección de una curva de ajuste granulométrico para la
mezcla, la cual fue elegida en la sección 5.3 de este documento.
5.5.1 Procedimiento de diseño Superpave
Para la elaboración del diseño Superpave se tuvo en cuenta en primer lugar el aporte que genera
el material reciclado para cada una de las mezclas. Esto quiere decir que del 100 % del material
reciclado, 4% será asfalto, pero se supone que sólo el 60% de este ligante asfáltico será efectivo,
por lo que en realidad solo 2.4% del material reciclado aporta a la adherencia de la mezcla. Es de
destacar que el porcentaje real de aporte del RAP es desconocido y que el dato del 60% se usa
como una aproximación para establecer la cantidad de ligante virgen que se debe adicionar a la
mezcla con el fin de realizar el diseño.
A partir de esto, se encuentran los valores de gravedad específica máxima teórica según la norma
INV-E-735, para cada una de las mezclas con su respectiva variación de asfalto, realizando así 12
ensayos de Gmm en total para los 3 diseños en caliente.
De manera ilustrativa se presenta un ejemplo de la elaboración de los cálculos para corregir el
contenido de asfalto en una muestra de 2600 gr con 15 % de material reciclado y 5% de
asfalto(Federal Highway Administration, 2017).
1. En primer lugar, se calcula la cantidad de agregado y asfalto para la muestra
Total de agregado= Masa total – (Masa total* % de asfalto)
Total de agregado = 2600 gr-(2600 gr*0.05)
Total de agregado = 2470 gr
2. Se determina cuanto material de agregado es RAP
Total RAP= Total agregado * % de RAP en la mezcla
Total RAP=2470gr*0.15
Total RAP=370.5 gr
3. Se determina la cantidad de asfalto efectivo presente en la porción de RAP teniendo en
cuenta el aporte efectivo del 60%.
Asfalto en el RAP= Total RAP*% de asfalto en el RAP*aporte efectivo
Asfalto en el RAP= 370.5 gr*0.04*0.6
Asfalto en el RAP= 8.89 gr
4. Se recalcula la cantidad de agregado presente
Total agregado real= Total agregado – asfalto en el RAP
Total agregado total= 2470 gr-8.89 gr
Total agregado total= 2461.11 gr
5. Se realiza la corrección del total del peso de asfalto requerido para alcanzar el contenido
de asfalto (CA) objetivo
Asfalto total= ((100
100−𝐶𝐴 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑖𝑣𝑜) ∗ 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) − 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Asfalto total= ((100
100−5) ∗ 2461.11 𝑔𝑟) − 2461.11 𝑔𝑟
Asfalto total = 129.53 gr
21
6. Para determinar la cantidad de asfalto virgen requerido para cumplir el CA objetivo
Asfalto virgen = Asfalto total- Asfalto en el RAP
Asfalto virgen = 129.53 gr -8.89 gr
Asfalto virgen= 120.64 gr
Luego, se procede a realizar el análisis volumétrico por medio del Gmm y el Gmb para cada
porcentaje de asfalto en cada uno de los diseños de mezcla. Se grafican los datos obtenidos del
compactador giratorio (que relaciona porcentaje de Gmm contra el número de giros) y por medio
de las Figura 12 se encuentra un ejemplo del porcentaje de asfalto óptimo aparente para una
mezcla de 15% de RAP (aparente, debido a la incertidumbre del aporte del asfalto efectivo
presente en el RAP para las mezclas recicladas).
Figura 12 Porcentaje de Gmm vs número de giros para la mezcla de 15% RAP
Para finalizar se obtienen los porcentajes de asfalto estimado óptimos de cada mezcla, los cuales
se pueden observar en la figura 13:
Figura 13 Porcentaje de asfalto estimado óptimo en cada mezcla (valores obtenidos suponiendo un porcentaje
de aporte del asfalto del RAP del 60%).
En estos resultados se puede observar que, en congruencia con la teoría, la mezcla asfáltica con
el 30% de RAP tiene un porcentaje de asfalto menor al de la mezcla control, lo que puede
significar ahorros de cerca de un 8% en cuanto a material asfáltico en relación con la mezcla de
control, sin contar con el ahorro del 30% del material pétreo. Por otro lado, la mezcla de RAP con
15% presenta un porcentaje de asfalto que genera ahorros del 6% de material asfaltico y 15% en
material granular.
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
1 21 41 61 81 101 121 141 161
% G
mm
Giros15%- 5% 15%-5,5% 15%- 4.5% 96 % Gmm 96 giros
4.9
5
5.3
4.7
4.8
4.9
5
5.1
5.2
5.3
5.4
RAP 30% caliente RAP 15% caliente Control caliente
Porcen
taje
de A
sfa
lto
Óp
tim
o (
ap
aren
te)
Porcentaje de RAP en la Mezcla
22
Teniendo en cuenta valores de mezcla otorgados por un ejemplo de la Asphalt Pavement
Association of Michigan donde el valor del asfalto y del agregado pétreo equivalen al 78.9 % y
21.1% de la mezcla respectivamente. Se podría considerar un ahorro económico con material
reciclado de 15% y 30% de un 7.9% y 12.7 % del valor total de la mezcla. Esto genera ahorros
en dinero tangibles para los proyectos junto a beneficios ambientales para la comunidad gracias
a la disminución de disposición de escombros de obras y explotación de nuevos materiales
(Asphalt Pavement Association of Michigan, 2014).
5.6 Dosificación de emulsión asfáltica para la mezcla en frío
Para la dosificación de la mezcla en frío se tuvo en cuenta la cantidad de agua en la emulsión,
debido a que el material granular reciclado no tiene un aporte de asfalto en la mezcla y solo se
incorpora como sustituto del agregado virgen.
En la Figura 14 se puede observar el contenido en gramos de agua de la emulsión asfáltica
equivalente a un 30% del peso total.
Figura 14 Cantidad de agua en la emulsión asfáltica
Luego, se realizaron mezclas con variaciones de emulsión por peso total del material de 6%, 7%
y 8% equivalentes a un porcentaje de asfalto residual de 4.2%, 5% y 5.7% respectivamente.
Posteriormente, se hizo un análisis visual del recubrimiento de las partículas de las mezclas,
encontrando que luego del rompimiento de la emulsión la mezcla con 6% de emulsión no recubre
en su totalidad las partículas y la del 8% presenta una exudación posterior al rompimiento.
Finalmente se observa un buen recubrimiento por parte de la dosificación del 7% lo que hace que
esta sea elegida como el contenido de emulsión a evaluar para la muestra del 100% de material
reciclado.
5.7 Extracción de asfalto de las mezclas en caliente
Inmediatamente después de realizar los diseños de mezcla, se procedió a realizar una extracción
y recuperación del material asfáltico del RAP y de las mezclas en caliente con el fin de caracterizar
las propiedades reológicas de las mezclas.
En la Figura 15 se tienen los resultados de la extracción de asfalto (i.e. el contenido de asfalto real
en la mezcla vs. el contenido de asfalto de diseño) de las mezclas con material reciclado al 15%
y 30% de RAP y en el material reciclado (i.e. en este caso el contenido de asfalto real hace
referencia al presente en la matriz fina junto a la gruesa, mientras que el asfalto de diseño hace
referencia al presente en la matriz gruesa) .
100.49 100.5670.28 70.350
20
40
60
80
100
120
Ensayo 1 Ensayo 2
Gra
mos
Emulsión inicial Asfalto residual
30,2130,21
23
Figura 15 Porcentaje de asfalto presente en el RAP y en las mezclas con 30% y 15% de RAP
Como era de esperarse las mezclas en caliente con material asfáltico presentan un aumento en su
cantidad real de asfalto, del 16% para las mezclas de 15% de material reciclado y del 2% para el
30% de RAP. Esto es debido al aporte de asfalto que el material reciclado realiza al calentarse y
que al hacer la extracción sale todo el material asfáltico de la mezcla (i.e. tanto el asfalto añadido
como el presente en el material reciclado), sin embargo, como se menciona anteriormente, no se
puede estimar la cantidad exacta de material asfáltico que actúa en la mezcla.
Finalmente, al realizar la extracción de asfalto para la matriz completa de tamices de material
reciclado, se obtiene que el 3.4% del peso del material es asfalto, lo que genera una diferencia de
15% de contenido respecto al presente en la matriz gruesa, que puede ser explicado debido a que
varias partículas de la matriz gruesa elegida en realidad eran pedazos de matriz fina aglomerados
en partículas de mayor tamaño, las cuales al realizar la extracción se descomponen y aportan una
mayor cantidad de asfalto a esta muestra de material.
5.7.1 Granulometrías finales en las mezclas en caliente con 15 % y 30% de RAP
Con los resultados del ensayo de extracción de las probetas fabricadas con los diseños de las
mezclas evaluadas se puede elaborar la granulometría real de las muestras en caliente de RAP al
15% y 30% como se muestra en la Figura 16, en donde se puede observar que ambas
granulometrías se salen de los límites establecidos por la normativa INVIAS, pero se mantienen
dentro de las especificaciones de diseño Superpave.
Figura 16 Granulometrías finales en las mezclas de 15% y 30% RAP en contra de los límites INVIAS y
Superpave
3.4
5
5.8
4
4.9 5
0
1
2
3
4
5
6
7
RAP RAP 30% caliente RAP 15% caliente
Con
ten
ido d
e asf
alt
o %
MuestraCA Real CA Diseño
0
20
40
60
80
100
120
0.01 0.1 1 10 100
(%)
pasa
Tamaño (mm)
RAP 15%
RAP 30%
Inf MSC-25
Sup MSC-25
Inferior SP
Superior SP
24
Como se explica en la sección 5.7 el cambio en la granulometría del asfalto se debe a que varias
partículas de la matriz gruesa que se recicla, en realidad son trozos de matriz fina aglomerados en
partículas de mayor tamaño, los cuales, al realizar la extracción se dividen y permiten observar la
verdadera granulometría de la mezcla.
5.7.2 Penetración de asfalto recuperado en las mezclas asfálticas
Para la caracterización del asfalto recuperado de las mezclas en caliente y en frío se realizó el
ensayo de penetración de todos los materiales asfálticos presentes en esta investigación según la
norma I.N.V. E –706– 07 y los resultados son expuestos en la Figura 17.
Figura 17 Penetración en materiales asfalticos de las mezclas
En la Figura 17 se puede observar la comparación entre la penetración de la emulsión curada al
aire naturalmente y la emulsión calentada a 110ºC para acelerar su proceso curado, obteniendo
una disminución en la penetración de la muestra de un 63% que se puede interpretar como un
endurecimiento de este material bajo condiciones de oxidación por la influencia de calor para el
curado.
Por otro parte, se evidencia un endurecimiento de la combinación entre el asfalto virgen de las
mezclas de 15 y 30 % de RAP junto al asfalto del material reciclado con una disminución de la
penetración del 40% para la mezcla con 15% de rap y de 52% para la del 30% producto de una
combinación de factores entre los cuales se encuentran la combinación de materiales asfalticos,
su oxidación en el proceso de mezcla y el proceso de recuperación del mismo.
5.7.3 Módulo dinámico bajo corte de los asfaltos recuperados
Como complemento de la caracterización de las mezclas con material reciclado se realizan las
curvas maestras a una temperatura de 35ºC para los asfaltos recuperados, para así hacer una
comparación con los resultados obtenidos para el asfalto virgen y el asfalto del material reciclado.
En la Figura 18 se pueden observar las curvas que representan el comportamiento a una
temperatura de 35ºC
122
45
65
39
31 29
0
20
40
60
80
100
120
140
Emulsión
curada al aire
Emulsión
calentada
Virgen RAP 15% RAP 30% RAP Original
Déc
imas
de
mil
ímet
ro
Asfalto recuperado de cada mezcla
-40% -
52%
-63%
25
Figura 18 Curvas maestras del módulo dinámico al corte de los asfaltos recuperados a una temperatura de
referencia de 35ºC
La Figura 18 expone un mejor comportamiento de los asfaltos recuperados de las mezclas de 15%
y 30% bajo condiciones de bajas frecuencias de carga frente el asfalto virgen, siendo hasta 13
veces más alto que este, pero un comportamiento similar de no más de 30% mayor, bajo
condiciones de frecuencia de carga altas.
El módulo dinámico de corte es una propiedad reológica de cada material e independiente en cada
uno. Sin embargo, se puede observar que los resultados son acordes a la teoría, donde el asfalto
con mayor rigidez es el recuperado del material reciclado seguido de la mezcla con 30% de RAP
(el cual tiene una mayor cantidad de asfalto envejecido), luego el asfalto de la mezcla con 15%
de RAP y por último el asfalto virgen, que no presenta ninguna modificación en las condiciones
del ligante como consecuencia de mezcla con asfaltos existentes.
5.8 Módulo dinámico bajo carga axial de las mezclas asfálticas con RAP
Luego de realizar el ensayo en el HCT-AM para 3 probetas de cada diseño de mezcla, se realizó
la curva maestra de cada mezcla con una temperatura de referencia de 20ºC. Este procedimiento
se puede observar en la Figura 19.
1.0E+02
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03
|G*| [P
a]
Frecuencia reducida [Hz]
RAP RAP 15 RAP 30 VIRGEN 60-70
13 veces
mayor
2 veces
mayor
10 veces
mayor
26
Figura 19 Curva dinámica del módulo dinámico axial de las mezclas asfálticas evaluadas a una temperatura de
referencia de 20ºC
Según lo expuesto en la Figura 19 la mezcla con el mayor modulo dinámico bajo carga axial es
la que contiene un 15% de material reciclado (caliente), seguido de la mezcla de control (caliente),
la mezcla con 30% de RAP (caliente) y por último la mezcla con material reciclado al 100% (frío).
Teniendo en cuenta que el supuesto era que las mezclas tendrían mejor módulo conforme a la
menor cantidad de material reciclado y a las propiedades del ligante efectivo presente en la
mezcla, los resultados de este ensayo lo contradicen. No obstante, se debe tener en cuenta que en
este ensayo no se cumple con los requisitos de dimensiones para las probetas, ni se asegura que
las dos caras de las muestras sean paralelas. Por lo que se obtienen resultados que no son
totalmente confiables debido a que NO se aplica la carga del ensayo de manera distribuida en las
caras, afectado de una u otra manera la lectura de los sensores de desplazamiento.
5.9 Ensayo erodabilidad y calibración de modelo numérico
Este ensayo se realizó en 3 muestras por diseño de mezcla siguiendo el esquema de la Figura 22.
(a) (b) (c)
Figura 20 (a) Montaje erodabilidad con sensores, (b) probeta típica de ensayo y (c) esquema del
funcionamiento del ensayo
10
100
1000
10000
100000
0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
|E*
| [
MP
a]
Frecuencia reducida [Hz]
Control RAP 15 RAP 30 Frío
F=maAcelerómetros
Sensor de presión
200 ml de aguaMuestra
27
Los resultados del promedio de erosión de las 3 probetas para las diferentes aceleraciones y cada
20.000 ciclos, se graficaron para encontrar las curvas de deterioro por bombeo de agua para cada
uno de los diseños de mezcla, tal como se puede visualizar en la Figura 21.
Figura 21 Curva deterioro debido a la erosión para cada diseño
La Figura 21 deja evidenciar que el mejor desempeño de mezclas ante el fenómeno de bombeo
por agua es la mezcla de control (caliente) seguida por la mezcla del 15 % de RAP (caliente),
luego la del 30% de material reciclado(caliente) y finalmente la mezcla del 100% de RAP (frío)
lo que permite concluir que existe una relación entre la susceptibilidad a la erosión y el contenido
de material reciclado en una mezcla. No obstante, en la Figura 22 se puede observar que a pesar
de que la mezcla en frío con 100% RAP es la más susceptible entre las mezclas con materiales
reciclados, la probeta con mayor perdida porcentual de peso después de 80.000 ciclos de carga
solo perdió el 0.035%. Es decir, en todos los casos la pérdida de peso por efectos de erosión fue
mínima, en especial comparada con los datos obtenidos para materiales granulares estabilizados
con cemento evaluados en proyectos anteriores (Universidad de los Andes, 2016).
Figura 22 Porcentaje al final del ensayo de material perdido por probeta de cada mezcla luego de 80.000 ciclos
Este resultado permite afirmar que las mezclas asfálticas de base con uso de RAP en pavimentos
rígidos son muy poco susceptibles al fenómeno de bombeo por erosión, debido a las mínimas
cantidades de material erosionado al final de cada ensayo.
y = 2E-07x + 3E-07R² = 0.9939
y = -1E-08x2 + 3E-07x + 1E-06R² = 1
y = 1E-07x + 2E-06R² = 0.9965
y = 4E-07ln(x) + 2E-06R² = 0.9965
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
2.00E-06
2.50E-06
3.00E-06
3.50E-06
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
mm
/ c
iclo
de
erosi
ón
Velocidad de expulsión del agua en m/s
Control RAP 15% RAP 30% RAP 100%
RAP 30%RAP 100%
RAP 15%
Control
0.010%0.007%
0.010%
0.003%0.005% 0.004%
0.011%
0.007% 0.007%
0.035%
0.009%
0.016%
0.000%
0.005%
0.010%
0.015%
0.020%
0.025%
0.030%
0.035%
0.040%
Control
1
Control
2
Control
3
15-1 15-2 15-3 30-1 30-2 30-3 Frío 1 Frío 2 Frío 3
% d
e p
erd
ida d
e m
ate
rial
Probetas de cada diseño
28
5.10 Modelación numérica de procesos de erosión en estructuras de
pavimento rígido
Al determinar las curvas de deterioro de las nuevas mezclas con materiales reciclados, se procedió
a simular su comportamiento frente al fenómeno de bombeo por medio del modelo de diferencias
finitas del “Estudio de la Resistencia a la Erosión de Materiales Empleados como Bases en
Pavimentos de Concreto Hidráulico, Fase II” (Varela, 2015) (Universidad de los Andes, 2016).
Para su implementación, se debe tener en claro el esquema de distribución de las losas del modelo,
para realizar una adecuada interpretación de los resultados, tal como se aprecia en la Figura 23.
Figura 23 Esquema del modelo de diferencias finitas (Universidad de los Andes, 2016)
En esta figura se encuentra la distribución de los elementos que hacen parte de la modelación del
material. Un sistema de 4 losas de concreto con 4 metros de longitud, junto con una cavidad de 2
mm de grosor en el centro, apoyadas sobre diferentes materiales de base, al partir del cual se
planea evaluar el proceso de avance de este fenómeno de deterioro en pavimentos rígidos a través
de la aplicación de carga en la placa 2 (cargada) y el efecto que genera la transferencia de carga
en la placa 3 (vecina).
En la Tabla 6 se listan los tipos de material, número con siglas y tipo de ligante de los materiales
disponibles en el modelo desarrollado por la universidad de los andes.
Tabla 6 Materiales disponibles en el modelo de diferencias finitas
Material Nº + material Ligante
Granular estabilizado con cemento de baja
resistencia
1 GEC_B- Gr2 6.1% de cemento
2 GEC_B- Gr2 7.5% de cemento
3 GEC_B- Gr2 8.8% de cemento
Granular estabilizada con emulsión y
cemento de alta resistencia
4 GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 0.0% cemento
5 GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 0.5% cemento
6 GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 1.0% cemento
7 GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 1.5% cemento
Mezcla densa en caliente y frío
8 MD20-Gr1, tipo 1 4.3% de asfalto
9 MD20-Gr1, tipo 2 4.3% de asfalto
10 MDC 25 control 5.3% Asfalto
11 MDC 25 15% RAP 5.1% Asfalto
12 MDC 25 30% RAP 5% Asfalto
13 MDF 100% RAP 7% emulsión
Por otro lado, en la Tabla 7 con el fin de observar las propiedades mecánicas de los materiales
utilizados en la modelación de las bases, se muestra el módulo elástico (para aquellos
estabilizados con cemento) y el módulo dinámico (para mezclas estabilizadas con cemento y
ligante asfaltico o sólo con materiales asfálticos).
29
Tabla 7 Propiedades mecánicas de los materiales (módulo de elasticidad para mezclas estabilizadas con
cemento y módulo dinámico para las mezclas con ligantes asfálticos)
Material Nº
Material Ensayo
Frecuencia
(Hz)
Temperatura
ºC
Prom Modulo
Kgf/cm2
Granular estabilizado
con cemento de baja
resistencia
1 Módulo de
Elasticidad
/ NTC
4025
18486
2 28217
3 31166
Granular estabilizada
con emulsión y cemento
de alta resistencia
4
Módulo
Dinámico
/ INV E –
754
10 25
17080
5 14851
6 21078
7 19776
Mezcla densa en
caliente y frío
8 71673
9 62256
10
9 20
50793
11 76002
12 31401
13 29645
Con el objetivo de realizar una comparación entre todos los materiales disponibles en el modelo,
se realizó una simulación para cada uno con 5000 ciclos de carga y una cavidad inicial de 2 mm.
Esto con el fin de comparar los resultados obtenidos sobre las bases utilizadas tradicionalmente
para pavimentos rígidos vs los materiales alternativos producto de esta investigación.
Los resultados de estas simulaciones están representados en la Figura 24. En esta figura se observa
que las mezclas densas en caliente (virgen y con materiales reciclados) junto a la mezcla densa
en frío, no presentan ningún tipo de aumento en la cavidad, como si se presenta en los materiales
granulares estabilizados con cemento y con emulsión. Por último, con un aumento en la cavidad
hasta 406 veces mayor que los primeros materiales se encuentran los materiales estabilizados
únicamente con cemento.
Figura 24 Tamaño de la cavidad en diferentes materiales de base en pavimentos rígidos después de 5000 ciclos
de carga.
0.00248
0.00240
0.00203
0.00203
0.00207
0.00200
0.00200
0.00200
0.00200
0.00200
0.00200
0.00200
0.00200
0.0018 0.002 0.0022 0.0024 0.0026
GEC_B- Gr2 6.1% de cemento
GEC_B- Gr2 7.5% de cemento
GEC_B- Gr2 8.8% de cemento
GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 0.0% cemento
GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 0.5% cemento
GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 1.0% cemento
GEEA_A- Gr1 6% emulsión + 1.5% cemento
MD20-Gr1, tipo 1 4.3% de asfalto
MD20-Gr1, tipo 2 4.3% de asfalto Pocos finos
MDC 25 control 5.3% Asfalto
MDC 25 ,15% RAP, 5.1% de Asfalto
MDC 25 30% RAP 5% de asfalto
MDF 100% RAP , 7% emulsión
Tamaño final de la cavidad en metros
Tip
o d
e m
ezcl
a
MDC 25 control 5.3% Asfalto MDC 25 ,15% RAP, 5.1% de Asfalto
MDC 25 30% RAP 5% de asfalto MDF 100% RAP , 7% emulsión
30
Para finalizar, se grafican los resultados de la mezcla asfáltica con 15 % de RAP frente al material
granular estabilizado con cemento de baja resistencia (Figura 25), con el fin de observar la
diferencia entre las cavidades desarrolladas por cada material respecto al esquema de losas del
modelo.
Figura 25 Cavidad después de 5000 ciclos para un material granular estabilizado con cemento y una mezcla
asfáltica con 15 % de material reciclado en caliente
Con base a las Figuras 24 y 25 se puede afirmar que: las curvas de deterioro de los materiales
reciclados demuestran una resistencia significativamente mayor (entre 213 y 406 veces mejor) en
relación con otros materiales de base en el estudio. Esto insta a que en definitiva los materiales
ligados con productos asfálticos (mezclas densas tanto en caliente como en frío), no se ven
afectados frente al fenómeno de erosión por bombeo de agua.
Además, teniendo en cuenta los resultados de resistencia presentados frente a este fenómeno de
deterioro, se puede considerar que al no existir una diferencia significativa entre las mezclas
asfálticas, al hacer uso de materiales reciclados en ellas se puede alcanzar un ahorro económico
en materiales de entre el 7.9% y el 21% del costo total teniendo en cuenta los valores utilizados
por el ejemplo de la Asphalt Pavement Association of Michigan (Asphalt Pavement Association
of Michigan, 2014).
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
6.9 7.4 7.9 8.4 8.9
Tam
añ
o d
e la
cavid
ad
(m
)
Abscisa en el sistema de placas (m)
Inicial Cavidad final GEC_B- Gr2 6.1% de cemento Final RAP 15
Cavidad final en
Granular con cemento
de baja resitencia
Cavidad INICIALCavidad FINAL en
MDC-25 con 15%
de RAP
Aumento de
cavidad 406 veces
mayor que en la
mezcla con
material reciclado
31
6 Conclusiones y Recomendaciones
En primer lugar, se debe destacar que los resultados de esta investigación demuestran un
desempeño apropiado de las mezclas asfálticas con material reciclado tipo RAP ante el deterioro
por bombeo de agua en la capa de base de pavimentos rígidos.
Por otro lado, las conclusiones y recomendaciones generales se presentan a continuación:
• Se observa luego de elaborar la granulometría del material reciclado que los bultos
cuentan con una granulometría uniforme. Esta homogeneidad en el material puede ser
producto de la técnica y maquinaria utilizada para realizar el fresado y almacenamiento
del material, ya que se trata de un material obtenido de un mismo proyecto vial.
• Los resultados de las dos extracciones de asfalto mostraron que el material de RAP
cuenta con una similitud en su contenido de asfalto en la matriz gruesa, puesto que se
presenta una diferencia de sólo 0.2% entre ellas, con resultados de 3.9% y 4.13%
respectivamente. Se concluye que aproximadamente el porcentaje de asfalto del peso de
la matriz gruesa del RAP utilizado en las mezclas en caliente para este estudio es del 4%.
• La diferencia entre el contenido de asfalto una matriz completa (fino y grueso) de RAP
que es 3.4% y la matriz gruesa (4%) es de un 15%, lo cual se explica gracias a la presencia
de matriz fina aglomerada en partículas de mayor tamaño en el RAP. Estos trozos, al
descomponerse en la extracción aumentan el contenido de asfalto para la matriz gruesa.
Además, esta diferencia se puede asociar a la variabilidad del material y que solo se
realiza una extracción de asfalto para la matriz completa.
• En cuanto a la reología de los materiales asfálticos que se utilizan en el estudio, los
resultados son acordes a la teoría. Se presenta una mayor rigidez en el asfalto recuperado
del RAP, seguido del asfalto presente en la mezcla con 30 % de RAP, en tercer lugar, la
mezcla con 15 % de RAP y por último el asfalto virgen.
• El contenido de asfalto óptimo aparente de cada mezcla con material reciclado es el
esperado, ya que existe un ahorro de asfalto en las mezclas de 15% y 30% de RAP frente
a una muestra de material virgen, con ahorros aproximados de 6% y 8% de material
asfáltico respectivamente, sumados al ahorro que se presenta de material granular.
• Por otro lado, el cambio que se presenta en las granulometrías con material reciclado al
realizar el procedimiento de extracción de las mezclas se considera despreciable, ya que
no se cambia lo suficiente como para no cumplir con los límites establecidos por la
metodología de diseño en caliente Superpave.
• Los resultados presentes en el ensayo de módulo dinámico axial de las mezclas asfálticas
evaluadas en el equipo HCT no se consideran una buena representación su módulo
dinámico axial. Esto debido a las dificultades expuestas sobre no cumplir con los
requisitos de dimensiones para las probetas, ni asegurar que las dos caras de las muestras
sean paralelas. Por lo que se obtienen resultados que no son totalmente confiables, debido
a que no se aplica la carga del ensayo de manera distribuida en las caras, afectado de una
u otra manera la lectura de los sensores de desplazamiento.
• En cuanto al ensayo de erodabilidad, se observa un excelente desempeño por parte de
todos los diseños de mezcla asfáltica evaluados. Esto permite afirmar que las mezclas
densas en caliente y frío con materiales reciclados son igual de eficientes que una mezcla
tradicional. Ya que a pesar de que las curvas de deterioro presentan diferencias el orden
32
de magnitud del daño es del orden de 10-6 mm/ciclo de material perdido o de erosión, lo
cual se considera insignificante.
• Los resultados producto de las simulaciones del modelo numérico de erosión en
pavimentos rígidos se realizan manteniendo constantes todas las variables y cambiando
únicamente la ecuación de deterioro para cada material. Solo se desarrollan 5000 ciclos
(debido al costo computacional) y se presentaron los resultados bajo condiciones
similares, por lo cual, se recomienda realizar un estudio detallado que realice cambios en
cada una de las variables con el fin de obtener espectro de daño mucho más detallado, al
tener diferentes combinaciones de espesores, carga, velocidad de carga, etc.
• Para finalizar, en las simulaciones del modelo de diferencias finitas se encuentra que las
mezclas asfálticas realizadas con materiales reciclados presentan una resistencia (de 214
a 406 veces mayor) al fenómeno de la erosión en comparación a los materiales de base
granulares estabilizados con cemento de baja o alta resistencia y comparable con el de
mezclas en caliente diseñadas con material virgen. Esto demuestra que este tipo de
material es apropiado para ser utilizado como material de soporte de pavimentos rígidos,
presentado un desempeño significativamente mayor en comparación a materiales
utilizados tradicionalmente y ahorros frente a mezclas asfálticas vírgenes en materiales
granulares de entre el 15% y el 100% junto ahorros en material asfáltico de 6% al 8%.
33
7 Bibliografía
Al-Qadi, I., Elseifi, M. A. and Carpenter, S. (2007) “RECLAIMED ASPHALT PAVEMENT –
A LITERATURE REVIEW,” (March).
Anderson, M. (2005) “Using RAP in the Superpave Mix Design System Acknowledgments.”
Bowers, B. F. et al. (2014) “Blending efficiency of reclaimed asphalt pavement: An approach
utilizing rheological properties and molecular weight distributions,” Fuel. Elsevier Ltd, 135, pp.
63–68. doi: 10.1016/j.fuel.2014.05.059.
Asphalt Pavement Association of Michigan, 2014. apa-mi. [En línea] Available at: http://www
.apa-mí.org/docs/2014LRW-RAP-Final.pdf
Botasso, H., Cuattrocchio, A., Rebollo, O. & J, S. C., 2008. Centro de Investigaciones Viales
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional La Plata. [En línea] Available at:
http://lemac.frlp.utn.edu.ar/wp-content/uploads/2011/12/2008_Reciclado-de-Pavimentos-
Asf%C3%A1lticos-en-Frio_6%C2%BAPROCQMA.pdf [Último acceso: 01 11 2016].
Federal Highway Administration, 2016. User Guidelines for Reclaimed Asphalt Pavemnt. [En
línea] Available at: https://www.fhwa .dot.gov/publications/res earch/infrastructure/structu
res/97148/rap131.cfm[Último acceso: 21 05 2017].
Federal Highway Administration (2017) “Correction Factors for Hot Mix Asphalt ( HMA )
Containing Recycled Asphalt Pavement ( RAP ) by the Ignition Method,” pp. 1–7.
Hussain, A. and Qiu, Y. (2013) “Effect of reclaimed asphalt pavement on the properties of asphalt
binders,” Procedia Engineering. Elsevier B.V., 54, pp. 840–850. doi:
10.1016/j.proeng.2013.03.077.
IDU, 2001. La Guía de Manejo Ambiental,. En: La Guía de Manejo Ambiental,. Bogotá: Alcaldía
Mayor de Bogotá.
IDU, 2011. MEZCLAS ASFÁLTICAS DENSAS EN FRÍO. [En línea]
Available at: http://app.idu.gov.co/e spectecnicas/Capi tulo_5/550-1 1.pdf [Último acceso: 10 11
2015].
IDU, 2012. INFORMACIÓN GENERAL DE LA MALLA VIAL DE BOGOTA (2012). [En línea]
Available at: https://www.idu.gov.co /html/ ftpidu/ dte/inventario_malla_vial_2012_v3.pdf
[Último acceso: 13 11 2015].
IDU, 2015. IDU. [En línea] Available at: http://app.id u.gov.co/geodata/doc/
_mezclas_asfalticas_25ene1 5.pdf[Último acceso: 02 11 2016].
INVIAS , 2007. RECUPERACIÓN DEL ASFALTO DE UNA SOLUCIÓN UTILIZANDO EL
ROTAVAPOR. [En línea] Available at: ftp://ftp.unicauca.edu.co /Facultades/FIC/IngCivil
/Especificaciones_Normas_INV-07/Normas/Norma%20INV%20E-759-07.pdf [Último acceso:
20 04 2017].
INVIAS, 2007. EFECTO DEL AGUA SOBRE LA COHESIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS. [En
línea] Available at: ftp://ftp.unicauca.edu .co/Facultad es/FIC/IngCivil/Especificaciones
_Normas_INV-07/Normas/Norma%20INV% 20E-738-07.pdf [Último acceso: 20 05 2017].
34
INVIAS, 2007. EFECTO DEL AGUA SOBRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LAS.
[En línea] Available at: ftp://ftp.ucauca.edu.co/ Facultades/FIC/IngCivil/
Especificaciones_Normas_INV-07/Normas/Norma%20INV%20E-738-07.pdf [Último acceso:
12 11 2015].
INVIAS, 2007. Evaluación de la susceptibilidad al agua de las mezclas asfálticas compactadas
utilizando la prueba de tracción indirecta. [En línea] Available at:
ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades /FIC/IngCivil/Especificaciones_ Normas_INV-
07/Normas/Norma %20INV%20E-725-07.pdf [Último acceso: 02 11 2016].
INVIAS, 2007. Extracción Cuantitativa del Asfalto en Mezclas en Caliente Para Pavimentos. [En
línea] Available at: ftp://ftp.unicauc a.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/ Especificaciones
_Normas_INV-07/Normas/Nor ma%20INV%20E-732-07.pdf [Último acceso: 08 11 2016].
INVIAS, 2007. EXTRACCIÓN CUANTITATIVA DEL ASFALTO EN MEZCLAS EN CALIENTE
PARA PAVIMENTOS. [En línea] Available at: ftp://ftp.ucauca.edu.co /Facultades/
FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_INV-07/Normas/Norma%20INV%20E-732-07.pdf
[Último acceso: 11 11 2015].
INVIAS, 2007. GRAVEDAD ESPECÍFICA MÁXIMA TEÓRICA (Gmm) Y DENSIDAD DE. [En
línea] Available at: ftp://ftp.ucauca.edu.co/ Facultades/FIC/ IngCivil/Especificaciones_
Normas_INV-07/ Normas/Norma%20INV%20E-735-07.pdf [Último acceso: 10 11 2015].
INVIAS, 2007. GRAVEDAD ESPECÍFICA Y ABSORCIÓN DE AGREGADOS GRUESOS. [En
línea] Available at: ftp://ftp. unicauca.edu.co/ Facultades/FIC/IngCivil/ Especificaciones
_Normas_INV -07/Normas/Norma%20INV%20E-223-07.pdf [Último acceso: 25 05 2017].
INVIAS, 2007. Método de Abson para la recuperación del ligante de mezclas asfálticas. [En
línea] Available at: ftp://ftp.unicauca .edu.co/Facultade s/FIC/IngCivil/ Especificaciones_
Normas_INV-07/Normas/Norma%20INV%20E-783-07.pdf [Último acceso: 06 11 2016].
INVIAS, 2007. Módulo dinámico de mezclas asfálticas. [En línea]
Available at: ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_INV-
07/Normas/Norma%20INV%20E-754-07.pdf
[Último acceso: 05 11 2016].
INVIAS, 2007. MÓDULO DINÁMICO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS. [En línea]
Available at: ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_INV-
07/Normas/Norma%20INV%20E-754-07.pdf
[Último acceso: 03 06 2017].
INVIAS, 2007. PORCENTAJE DE VACIOS DE AIRE EN MEZCLAS ASFALTICAS. [En línea]
Available at: ftp://ftp.ucauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_INV-
07/Normas/Norma%20INV%20E-736-07.pdf
[Último acceso: 12 11 2015].
INVIAS, 2007. Reciclado de pavimento asfáltico en frío en el lugar empleando ligantes
bituminosos. [En línea] Available at: ftp://ftp.unicauca. du.co/Facultades/ FIC/IngCivil/Espe
cificaciones_Normas_INV-07/Especificaciones/Articulo461-07.pdf[Último acceso: 1 11 2016].
35
McDaniel, R. et al. (2001) “Recommended Use of Reclaimed Asphalt Pavement in the Superpave
Mix Design Method : Guidelines,” National Cooperative Highway Research Program Research
Results Digest, (253).
McDaniel, R. and Anderson, M. (2001) NCHRP REPORT 452 - Recommended Use of Reclaimed Asphalt Pavement in the Superpave Mix Design Method: Technician’s Manual TRANSPORTATION, National Cooperative Highway Research Program. Available at: http://www.national-academies.org/trb/bookstore.
McDaniel, R. S. et al. (2012) “Effects of reclaimed asphalt pavement content and virgin binder
grade on properties of plant produced mixtures,” Road Materials and Pavement Design, 13(sup1),
pp. 161–182. doi: 10.1080/14680629.2012.657066.
Méndez, A. A., 2015. Universidad Militar. [En línea] Available at: http://unimilitar
dspace.metabiblioteca.org/ bitstream/10654/13208/1/EVA LUACI%C3%93N%20T %C3%
%20Y%20ECON%C3% %20DEL %20USO%20D E%20 PAV IMENTO%20ASF%C3
%81LTICO%20RE CICLADO%20 (RAP)%20EN% 20V %C3%8 DAS 2
0COLOMBIANAS.pdf [Último acceso: 05 11 2016].
Montejo, A., 2002. Ingeniería de Pavimentos Para Carreteras. Bogotá: Universidad Católica de
Colombia.
NAPA , 2017. Recycling. [En línea] Available at: http://www. asphaltpaveme nt.org/recycling
#Results
National Highway Institute (2000) “Superpave Fundamentals Reference Manual.”
U.S. Deparment of Transportation (2011) “Reclaimed Asphalt Pavement in Asphalt Mixtures:
State of the Practice,” Report No. FHWA-HRT-11-021, (FHWA), p. McLean, Virginia. doi:
10.1016/j.proeng.2016.06.119.
Nieto, J. A., 2011. http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=42762. [En
línea] Available at: http://www. alcaldiabogota.g ov.co/sisjur/norm as/Nor ma1.jsp?i=42762
[Último acceso: 06 06 2017].
Reyes-Ortiz, O. y otros, 2012. Evaluation of Hot Mix Asphalt Mixtures with Replacement of
Aggregates by Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). Procedia - Social and Behavioral Sciences,
Issue 53, p. 379–388.
Rueda, E. J. et al. (2017) “A new approach for the advanced mechanical characterisation of
asphalt mixtures using the hollow cylinder methodology,” Measurement. Elsevier Ltd, 103, pp.
333–342. doi: 10.1016/j.measurement.2017.02.048.
Sankey, C. P., 2015. Road Safety Analysis. [En línea] Available at:
https://www.irf.global/ebooks/IRF-Examiner-15Vol5.pdf
[Último acceso: 09 11 2016].
Tabaković, A., Gibney, A., McNally, C. & and Gilchrist, M., 2010. Influence of Recycled Asphalt
Pavement on Fatigue Performance of Asphalt Concrete Base Courses Read More: http:/
/ascelibrary. /doi/abs /10.1061/%28ASC E%29MT.1943-5533.0000093?jo urnalC
ode=jmcee7.[En línea] Available at: http://asceli brary.org/doi/abs/10 .1061/%28ASCE%
29MT.1943-5533.00 00093?journalCo de=jmcee7 [Último acceso: 06 11 2016].
36
Universidad de los Andes (2010) “Estudio de la Resistencia a la Erosión de Materiales Empleados
Como Bases en Pavimentos de Concreto Hidráulico,” Contrato 089 Alcaldía Mayor de Santa Fe
de Bogotá D.C., Bogotá, Co(6).
Universidad de los Andes, 2014. SEGUIMIENTO CONTRATO No. 029 DE 2012 IDU –
UNIANDES, Bogotá: Informe 26.
Universidad de los Andes, 2016. Estudio de la Resistencia a la Erosión de materiales empleados
como Bases en Pavimentos de Concreto Hidráulico, Fase II, Bogotá: Uniandes.
Universidad Nacional, 2006. Manual para la inspección visual de pavimentos rígidos. Bogotá:
Universidad Nacional.
Varela, D. (2015) “Modelo numérico para la simulación del comportamiento de pavimentos
rígidos sometidos al efecto de erosión.”
Willis, R. and West, R. (2014) “Application of Reclaimed Asphalt Pavement and Recycled
Asphalt Shingles in Hot-Mix Asphalt: National and International Perspectives on Current
Practices,” Transportation Research Circular E-C188, (October).
