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TENDENCIA EN EL CONTROL DE CALIDAD DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA MEDIANTE UN ENSAYO

MECÁNICO

Pedro Limón Covarrubias 10 de Abril de 2015

Gobierno del Estado de México

Diciembre 2010

Índice

1. Introducción

2. Objetivos

3. Control de calidad de mezclas bituminosas

4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas

5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa

6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución

7. Determinación de criterios para el control de calidad

8. Conclusiones y futuras líneas de investigación

Pedro Limón Covarrubias 2

Planteamiento general

• En la construcción de una carretera, las mezclas bituminosas en caliente constituyen las capas con mayores exigencias dentro de la estructura de un firme. Hay muchas etapas involucradas y actividades diferentes que entran en el proceso de construcción de un firme con mezcla bituminosa en caliente. Su diseño, elaboración, colocación y compactación son procesos complicados, donde intervienen diferentes factores que definirán la calidad final de la capa.


Evaluación de la calidad durante la producción

• Propiedades volumétricas

– Lavado de mezcla: Granulometría y contenido de betún

– Densidad de la mezcla bituminosa compactada

– Contenido de huecos

• Propiedades mecánicas

– Estabilidad flujo Marshall

– Adhesividad


Evaluación de la calidad durante la ejecución

• Ejecución

– Medición de espesor

– Medición de temperatura

– Densidad Marshall

• Acabado

– Medición de IRI

– Medición de la rugosidad

– Entre otros


Uso de un ensayo mecánico (I)

• Asimismo, en el momento de tomar la decisión de aceptar o rechazar la capa, empleando únicamente el control de densidades sobre el producto final, se desconoce su capacidad resistente. La evaluación de esta propiedad, mediante algún tipo de ensayo, permitiría estudiar el comportamiento del firme y de la capa construida, y analizar la posibilidad de su aceptación, penalización o rechazo, de acuerdo a la calidad obtenida.


Uso de un ensayo mecánico (II)

• Para ello, se ha estudiado un procedimiento de control basado en la determinación del módulo resiliente de la mezcla bituminosa colocada, según las normas NLT-360/91, ASTM D-4123 y la nueva norma Europea, a 20 ºC, UNE-EN 12697-26 ANEXO C.

• Puesto que los ensayos pueden realizarse sobre testigos extraídos del firme para el control de densidades, no supone ninguna actuación suplementaria; además, al ser un ensayo no destructivo, los testigos extraídos pueden ser utilizados para alguna otra prueba adicional.


Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Objetivos de la tesis

1. Establecer el ensayo de módulo resiliente como un método de control de calidad de las mezclas bituminosas al momento de su ejecución.

2. Encontrar la relación entre el ensayo de módulo resiliente y el ensayo de fatiga en la ejecución de mezclas bituminosas.

3. Determinar valores de módulo resiliente para aceptación, penalización, rechazo y estímulo de una mezcla bituminosa al momento de su ejecución.


Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Control de calidad

Control en planta (producción de la mezcla)

- Calidad de los materiales pétreos (c/1000 m3)

a) Granulometría

b) Adherencia

c) Forma de la partícula

d) Equivalente de arena

e) Azul de metileno

Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla)

Tamaño nominal del material pétreo mm (in)

Designación Abertura

mm

37,5

(1-1/2’’)

25

(1’’)

19

(3/4’’)

12,5

(1/2’’)

9,5

(3/8’’)

Porcentaje que pasa

2” 50 - - - - -

1 ½” 37,5 ± 5 - - - -

1” 25 ± 5 ± 5 - - -

¾” 19 - ± 5 ± 5 - -

1/2” 12,5 - - ± 5 ± 5 -

3/8” 9,5 - - - ± 5 ± 5

4 4,75 - - - - ± 5

8 2.36 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3

16 1,18 - - - - -

30 0,60 - - - - -

50 0,30 - - - - -

100 0,15 - - - - -

200 0,075 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5

Control de calidad


Característica Norma Especificación

Desgaste Los Ángeles, % ASTM C131 30 máx. (capas estructurales)

25 máx. (capas de rodadura)

Partículas alargadas, % ASTM D 4 791 3 a 1 %, 15 máx.

Partículas lajeadas, % ASTM D 4791 3 a 1 %, 15 máx.

Adherencia con el asfalto,

% de cubrimiento

Recomendación AMAAC

RA – 08 / 2008 90 mín.

Característica Norma Especificación

Equivalente de arena,%

ASTM D 2419

50 min. (capas estructurales)

55 min. (capas de rodadura)

Azul de metileno, mg/g Recomendación AMAAC RA-

05/2008

15 máx. (capas estructurales)

12 máx. (capas de rodadura)

Control de calidad


Calidad de asfalto cada auto-tanque

a) Punto de reblandecimiento

b) Recuperación elástica por torsión

c) Viscosidad

Control de calidad

Ensaye

Asfaltos Tipo I y II Asfaltos Tipo III

Asfalto Base Asfalto Base

AC10 AC20 AC30 AC10 AC20 AC30

Punto de

reblandecimiento por

anillo – esfera, (º C)

Mín. 50 55 60 50 50 60

Recuperación

Elástica por Torsión,

%

Máx. 20 25 30 20 20 25

Viscosidad

Rotacional tipo

Haake

Mín.

Máx.

600

3000

800

3500

1000

4000

3500

7500

1000

4000

1250

4500

Control de calidad


Fabricación de mezcla conforme a la fórmula de trabajo (c/250 m3)

a) Contenido de asfalto

b) Granulometría

c) Propiedades volumétricas

Control de calidad


•En el contenido optimo de asfalto, la desviación máxima permisible con respecto al diseño aprobado es de ± 0,3 % con respecto al peso de la mezcla.

Rueda de Hamburgo y TSR

• La mezcla Protocolo AMAAC debe cumplir con los ensayos de TSR y rueda de Hamburgo, este ensayo se debe realizar cada Km colocado.

- Susceptibilidad a la humedad (TSR): 80% mínimo

- Rueda de Hamburgo: Deformación máxima de 10mm.

Control de calidad en la puesta en obra

La preparación de la superficie existente exige que se compruebe la

regularidad superficial de la capa subyacente. Si la superficie está constituida por una mezcla bituminosa, se debe ejecutar un riego de adherencia, si es granular o tratado con conglomerantes hidráulicos, se ejecuta un riego de imprimación.


Transporte

• Es la etapa en la que la mezcla es trasladada de la central de fabricación a la extendedora por medio de camiones. Es inevitable el enfriamiento de la mezcla por efecto en la temperatura ambiente y el viento. También es importante evitar la segregación de la mezcla durante la carga y la descarga de los camiones, y para ello se debe mantener una altura mínima de descarga y evitar la formación de pilas cónicas de material, haciendo que el camión se mueva lentamente o esparciendo la mezcla lateralmente en la caja.


Colocación

Durante el proceso de extendido de la mezcla bituminosa se debe: • Verificar que no exista ninguna imperfección en la superficie de

colocación. • Comprobar que exista riego de adherencia sobre la capas asfáltica

subyacente. • Vaciar cuidadosamente y de manera continua la mezcla bituminosa

sobre la extendedora. • Verificar que las planchas de la extendedora se encuentren calentadas

adecuadamente. • Controlar el espesor de mezcla que se está colocando.


Compactación

• La compactación debe realizarse de manera continua y sistemática, si la mezcla ha sido extendida en tres franjas, al compactar cada una de éstas, se ha de superponer la zona de compactación al menos quince centímetros.

• Deben mantenerse limpios los elementos de compactación y en lo posible húmedos.

• Los cambios de dirección de los compactadores deben hacerse sobre una superficie ya compactada y los cambios de sentido deben hacerse con mucha suavidad.


Control del producto terminado

• Control de espesor

• Compacidad

• Acabado


Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Comportamiento de una mezcla bituminosa


El módulo resiliente (I)


El módulo resiliente (II)


Factores que afectan al módulo resiliente (I)

• Nivel de Esfuerzo

• Frecuencia de carga

• Contenido de betún

• Tipo de árido

• Contenido de huecos

• Tipo de betún

• Tipo de ensayo

• Temperatura de ensayo


Factores que afectan al módulo resiliente

“Contenido de betún” (II)


Factores que afectan al módulo resiliente “Tipo

de betún” (III)

Módulo resiliente vs Contenido de modificadores

del betún

0

2000

4000

6000

Mó

du

lo r

esil

ien

te

(MP

a)

Mezcla convencional Mezcla con caucho

Mezcla con caucho fino 2,5% Mezcla con caucho fino 3,0%

Mezcla con caucho fino 3,5%


Factores que afectan al módulo resiliente

“Contenido de huecos” (IV)


Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Plan de trabajo


ENSAYO DE MÓDULO

RESILIENTE

Elaboración de

probetas

Sensibilidad

del ensayo

Extracción de

testigos

Estudio de la

compacidad

Valores representativos de módulo

resiliente por tipo de mezcla

Efecto del módulo en la

fatiga de la mezcla

CONCLUSIONES Y

PROPUESTAS

Efectos de ejecución

deficiente mediante

análisis estructural

Estudio del efecto

de diferentes

variables

Estudio comparativo

probetas-testigos

Sensibilidad del ensayo

Composición de la mezcla: • Contenido de ligante • Tipo de ligante • Naturaleza y calidad del árido • Granulometría • Tamaño máximo del árido

Elaboración de las probetas • Energía de compactación • Temperatura de compactación • Tipo de compactación • Altura de la probeta

Ejecución del ensayo • Temperatura de ensayo • Frecuencia de aplicación de carga • Inmersión de probetas en agua


Sensibilidad del ensayo “Composición” (I)

Efecto del contenido de betún

0

1000

2000

3000

4000

5000

5´5 (1%Menor) 6´5 (Óptimo) 7´5 (1%Mayor)

Contenido de betún (%)

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a)


Sensibilidad del ensayo “Composición” (II)

Efecto del tipo de Betún

0

1000

2000

3000

4000

5000

PG 58-22 PG 64-22 PG 70-22 PG 76-22 PG 82-22

Tipo de betún

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a)


Sensibilidad del ensayo “Composición” (III)

Efecto del tipo de Árido

0

1000

2000

3000

4000

5000

Calizo Basalto Granito

Tipo de árido

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a)


Sensibilidad del ensayo “Elaboración” (I)

Efecto de la energía y temperatura de compactación

0

1000

2000

3000

4000

5000

40ºC menor 20ºC menor Temperatura

óptima

Temperatura de compactación

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a)

35gpc

50 gpc

75 gpc

100 gpc

125gpc


Sensibilidad del ensayo “Elaboración” (II)

Módulo resiliente vs Densidad

35gpc 50gpc

75gpc100gpc

125gpc

75gpc

50gpc

35gpc

2000

2500

3000

3500

4000

2.100 2.150 2.200 2.250 2.300 2.350

Densidad (g/cm3)

Mó

du

lo r

es

ilie

nte

(MP

a)

40ºC menor Temp. óptima


Sensibilidad del ensayo “Ejecución del ensayo” (I)

Efecto de la temperatura de ensayo

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

5ºC 20ºC 40ºC

Temperatura de ensayo

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a)

PG-58

PG-64

PG-70

PG-76

PG-82


Análisis experimental (I)

Composición de la mezcla:

• Contenido de ligante (A)

• El tipo de betún (B)

• La granulometría (C)

• El tamaño máximo de árido (D)

• El tipo de árido (E)


Análisis experimental (II)

Gráfico de probabilidad normal

B

AB

C

A0

20

40

60

80

100

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

Valor estimado

Po

rcen

taje

de p

rob

ab

ilid

ad

no

rmal


Análisis experimental (III)

Elaboración de la mezcla:

• Altura de probeta (A)

• Energía de compactación (B)

• Temperatura de compactación (C)

• Tipo de compactación (D)


Análisis experimental (IV)


D A C B

0

20

40

60

80

100

-300 -100 100 300 500 700 900

Valor estimado

Po

rcen

taje

de p

rob

ab

ilid

ad

no

rmal


Análisis experimental (V)

Ejecución del ensayo:

• Acondicionamiento de las probetas (A)

• Frecuencia de carga (B)

• Temperatura de ensayo (C)


Análisis experimental (VI)


C

0

20

40

60

80

100

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000

Valor estimado

Po

rcen

taje

de p

rob

ab

ilid

ad

no

rmal


Análisis de testigos “Obra 3” (I)

0

1000

2000

3000

4000

5000

1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450

DENSIDAD (g/cm3)

MÓ

DU

LO

RE

SIL

IEN

TE

(M

Pa) TESTIGOS PROBETAS


Análisis de testigos “Obra 4” (II)

0

1000

2000

3000

4000

5000

1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450

DENSIDAD (g/cm3)

MÓ

DU

LO

RE

SIL

IEN

TE

(M



Análisis de testigos “Obra 5” (III)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450

DENSIDAD (g/cm3)

MÓ

DU

LO

RE

SIL

IEN

TE

(M



Análisis de testigos “Obra 7” (IV)

0

1000

2000

3000

4000

5000

1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450

DENSIDAD (g/cm3)

MÓ

DU

LO

RE

SIL

IEN

TE

(M



Análisis de testigos “Obra 10” (V)

0

1000

2000

3000

4000

5000

1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450

DENSIDAD (g/cm3)

MÓ

DU

LO

RE

SIL

IEN

TE

(M



Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Ley de fatiga de probetas fabricadas en laboratorio


Ley de fatiga de testigos de obra (I)


Ley de fatiga de testigos de obra (II)


Cálculo de la vida del firme (I)

o Tráfico T1: 1999 – 800 vehículos pesados por día.

o Explanada: E3

o Módulo de compresibilidad (Ev2): 300 Mpa

o Coeficiente de Poisson

- mezcla bituminosa: 0,35

- zahorra artificial: 0,40

- explanda: 0,45

o Software utilizado: DISPAV-5


Capa Espesor

(cm)

Mezcla bituminosa 25

Zahorra artificial 25

Cálculo de la vida del firme (II)


Vida en millones de ejes equivalentes vs

Temperatura de compactación

Mr = 3752 MPa

Mr = 2980 MPa

0

20

40

60

80

100

105 145

Temperatura de compactación (°C)

Mil

lon

es d

e e

jes

eq

uiv

ale

nte

s

Cálculo de la vida del firme (III)


Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de

ejecución de la mezcla

Mr = 3498 MPaMr = 3594 MPa

0

20

40

60

80

100

Probetas de planta Testigos de obra

Probetas vs Testigos

Mil

lon

es d

e e

jes

eq

uiv

ale

nte

s

Cálculo de la vida del firme (IV)


Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de

ejecución de la mezcla

Mr = 1170 MPa

Mr = 4827 MPa

0

20

40

60

80

100

Probetas de planta Testigos de obra

Probetas vs Testigos

Mil

lon

es d

e e

jes

eq

uiv

ale

nte

s

Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Criterios de control (I)


Porcentaje de compacidad vs Módulo resiliente

para las variables de elaboración y composición

0

1000

2000

3000

4000

5000

85 90 95 100

Porcentaje de compacidad (%)

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a)

PG 58-22

PG 64-22

PG 70-22

PG 76-22

PG 82-22

Calizo

Granito

Gran. Inferior

Gran. Superior

TMN 1/2"

TMN 1"

Criterios de control (II)


Módulo resiliente vs Módulo retenido para las

variables de elaboración y composición

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 20 40 60 80 100

Módulo retenido (%)

Mó

du

lo r

esil

ien

te (

MP

a) PG 58-22

PG 64-22

PG 70-22

PG 76-22

PG 82-22

Calizo

Granito

Gran. Inferior

Gran. Superior

TMN 1/2"

TMN 1"

Criterios de control (III)


Porcentaje de compacidad vs Módulo retenido

para las variables de elaboración y composición

0

20

40

60

80

100

85 90 95 100

Porcentaje de compacidad (%)

Mó

du

lo r

ete

nid

o (

%)

Criterios de control (IV)


Verificación del control de calidad propuesto (I)


Verificación del control de calidad propuesto (II)

Control de calidad a partir de valores mínimos de relación entre módulos:

• Bonificación: Obra 3

• Aceptación: Obras 2, 4, 8, 10 y 11

• Penalización: Obras 1, 6 y 9

• Rechazo: Obras 5 y 7

Control de calidad a partir de valores mínimos de compacidad de acuerdo a Normativa Española:

• Aceptación: Obras 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 11

• Penalización: Obras 7 y 8

• Rechazo: Obras 5 y 9


Verificación del control de calidad propuesto (III)

Control de calidad a partir de valores mínimos de compacidad de acuerdo a Normativa Mexicana:

• Aceptación: Obras 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10 y 11

• No aceptación (*): Obras 5 y 9

(*) No se menciona “Penalización” porque la actual Normativa Mexicana no considera este concepto cuando una mezcla bituminosa no alcanza los valores mínimos establecidos de porcentaje de compacidad.


Índice

1. Introducción

2. Objetivos








Conclusiones (I)

1.- La determinación del módulo resiliente de las mezclas bituminosas permite determinar un parámetro relacionado con su cohesión. El módulo depende de la granulometría de la mezcla y de su compacidad, del tipo de árido y del tipo y contenido de betún, siendo estos factores los que determinan la calidad de la mezcla.

2.- El ensayo para la determinación del módulo resiliente, a 20 °C, es suficientemente sensible para detectar variaciones en el módulo de las mezclas cuando se modifican las proporciones de sus componentes.


Conclusiones (II)

3.- Con respecto a las condiciones de ejecución, se ha evaluado el efecto de una compactación a bajas temperaturas, habiéndose observado que en esas condiciones, es posible conseguir una adecuada compacidad, aumentando suficientemente la energía de compactación, pero provocando a su vez una importante disminución en el valor de módulo resiliente, lo que supone una reducción de la calidad de la mezcla. 4.- Los resultados obtenidos sobre testigos obtenidos de las diferentes obras analizadas han demostrado que el módulo resiliente está relacionado con la compacidad de la mezcla, permitiendo de este modo conocer la calidad de una mezcla no sólo a través de sus propiedades volumétricas, sino también de sus propiedades mecánicas. Por ello, el actual método de control debe ser complementado con un ensayo que evalúe alguna propiedad mecánica, como es el módulo resiliente.


Conclusiones (III)

5.- El módulo resiliente está relacionado con la resistencia a fatiga de la mezcla. A partir de los módulos y de las leyes de fatiga obtenidas sobre testigos, y bajo determinadas hipótesis de cálculo, ha sido posible evaluar el efecto producido por la disminución del módulo en la vida del firme. 6.- Es posible mejorar el control de calidad habitualmente empleado, mediante el ensayo de módulo resiliente, ya que el actual parámetro de control de calidad, la densidad de referencia, no otorga una información concreta sobre el comportamiento de una mezcla bituminosa después de su colocación y compactación.


Líneas futuras de investigación

1.- Realizar un análisis más detallado del efecto de las variables de composición de las mezclas bituminosas sobre el módulo resiliente, ya que sólo se han estudiado betunes y áridos de la Republica Mexicana. 2.- Llevar a cabo un estudio más amplio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de la ejecución de las mezclas bituminosas a través de los criterios propuestos para comprobar si los rangos establecidos en este estudio son los adecuados para aceptar o rechazar una obra, ya que hasta el momento sólo se han estudiado mezclas utilizadas en la Republica Mexicana. 3.- Corroborar con mayor número de mezclas, tanto de laboratorio como de campo, la relación entre el módulo resiliente y el desempeño a fatiga, especialmente a distintas temperaturas.


Gracias por su atención!


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