ASFÁLTICA #77

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ENERO-MARZO 2024 ISNN 007-2473

Evaluación de diferentes tipos de geomalla y su colocación mediante ensayos de propagación de fisura en mezclas asfálticas | Evaluación de la tecnología de mezcla templada con altas tasas de material reciclado (RAP) | La variable ambiental —emisiones— en la toma de decisiones para la gestión de la conservación vial | Nueva metodología para el control de calidad de las emulsiones asfálticas utilizadas en los riegos de sello con gravilla | Los riesgos de ignorar la mercadotecnia: un llamado a la acción empresarial

DÉJANOS TU FRESADO Y TE CARGAMOS ASFALTO, ¡AHORRA EN ACARREOS!

LA MEJOR UBICADA EN CDMX

PODEMOS FABRICAR TODO TIPO DE MEZCLA, HASTA CON 30% DE RAP

SUMARIO Presidente

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Mauricio Centeno Ortiz

COMITÉ MEZCLAS ASFÁLTICAS

Evaluación de diferentes tipos de geomalla y su colocación mediante ensayos de propagación de fisura en mezclas asfálticas

Vicepresidentes Francisco Javier Moreno Fierros J. Jesús Martín del Campo Limón Fernando Martín del Campo Aviña Secretario Vinicio Andrés Serment Guerrero

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COMITÉ MATERIALES RECICLADOS

Evaluación de la tecnología de mezcla templada con altas tasas de material reciclado (RAP)

Tesorero Víctor Hugo Flores Campos Consejeros Horacio Delgado Alamilla Reyes Martínez Cordero Domingo Pérez Madrigal Roberto Hernández Domínguez

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Carlos Alberto Flores Villalobos

COMITÉ GESTIÓN Y EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS

La variable ambiental —emisiones— en la toma de decisiones para la gestión de la conservación vial

Israel Sandoval Navarro Rosemberg Reyes Ramírez Juan Adrián Ramírez Escobar Comité de vigilancia Luis Guillermo Limón Garduño Raúl Güitrón Robles Hugo Bandala Vázquez

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COMITÉ MATERIALES ASFÁLTICOS

Nueva metodología para el control de calidad de las emulsiones asfálticas utilizadas en los riegos de sello con gravilla

Comisión de honor Verónica Flores Déleon Raymundo Benitez López Jorge Alarcón Ibarra Director General Raúl Vicente Orozco Escoto asfaltica@amaac.org.mx

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APORTACIONES

Los riesgos de ignorar la mercadotecnia: un llamado a la acción empresarial

www.amaac.org.mx

Pavimentando el camino hacia un futuro sostenible

ASFÁLTICA, año 19, núm. 77, enero-marzo 2024, es una publicación trimestral editada por la Asociación Mexicana del Asfalto, A.C.,

Producción editorial

Camino a Sta. Teresa 187, Parques del Pedregal, Tlalpan, 14010, Ciudad de México. Tel. +52 55 5606 7962, asfaltica@amaac.org.mx.

CODEXMAS, S. de R.L. de CV.

Editor responsable: Raúl Vicente Orozco Escoto. Reservas de Derechos al uso exclusivo Núm. 04-2013-012513385100-102, ISSN: 2007-2473. Licitud de Título Núm. 13611, Licitud de Contenido Núm. 11184, ambos otorgados por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Permiso sepomex Núm. PP09-1532. Este número se terminó el 31 de diciembre de 2023 en su versión impresa y digital. • Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Queda estrictamente prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización.

EDITORIAL

Estimados amigos lectores de nuestra revista Asfáltica, el XIII Consejo Directivo ha tomado la batuta en el trabajo que ha desarrollado la Asociación a lo largo de los años anteriores. Se han realizado ya algunas actividades en estos tres primeros meses, las cuales se mencionan a continuación: 1. De la mano del Instituto Mexicano del Transporte (IMT), de la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT), llevamos a cabo un curso dirigido a laboratoristas en la categoría de Asfaltos del 3 al 6 de octubre del 2023, en las instalaciones del IMT. 2. En alianza con la Subsecretaría de Infraestructura de la SICT, a través de la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) y el IMT, desarrollamos un curso-taller regional sobre la Actualización del diseño de mezclas asfálticas con metodologías Marshall y por Desempeño, del 9 al 13 de octubre del 2023, siendo los dos primeros días de autoestudio por parte de los participantes con pláticas pregrabadas a las cuales pudieron acceder vía Internet. La sede del curso fue la Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) y la empresa Ergon Asfaltos México.

El curso integró tópicos elementales en materia, como son la importancia del control de calidad y la normativa SICT para el diseño de mezclas asfálticas. En el taller se explicó el mezclado y la compactación de especímenes hasta pruebas de desempeño TSR y Hamburgo.

3. Del 6 al 9 de noviembre del 2023 se llevó a cabo el curso Producción de mezclas asfálticas templadas con RAP, con enfoque de economía circular en las instalaciones del Colegio de Ingenieros Civiles de México. Este curso se organizó a solicitud del Director de la Planta de Asfalto de la Ciudad de México. Contó con la participación del personal de la propia planta, de diferentes áreas. El objetivo del curso fue concientizar a los asistentes de la importancia de su trabajo en la calidad de la producción de la mezcla templada, considerando un enfoque de economía circular en las actividades de la planta.

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4. Para continuar se ofreció un curso para laboratoristas en la categoría Mezclas Asfálticas NI y NII del 15 al 17 de noviembre, con sede en el laboratorio de infraestructura de la división de asfaltos y mezclas asfálticas del IMT. En esta categoría se impartió la preparación y compactación de especímenes de mezclas asfálticas en calientes, la gravedad específica bruta de la mezcla asfálticas compactada (Gmb) sin recubrimiento y la resistencia al daño inducido por humedad mediante la rueda cargada de Hamburgo, entre otros métodos de prueba basados en las normativas ASTM y AASHTO. 5. Dado el éxito obtenido en el curso-taller regional sobre la Actualización del diseño de mezclas asfálticas con metodologías Marshall y por Desempeño, se organizó una segunda edición del curso durante los días 20 al 24 de noviembre.

6. Como la familia que somos, el 7 de diciembre celebramos la Posada AMAAC en compañía de nuestros asociados, autoridades, organizaciones y amigos que cada día fortalecen más nuestra Asociación.

El 2024 representa un año de desafíos para nuestro país, para el sector y para la Asociación. Es por esa razón que desde el mes de enero se han planeado diferentes acciones que se pueden englobar en las siguientes: 1. Continuar con la impartición de los cursos-taller regionales en alianza con la Subsecretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes.

2. Organización del VIII Seminario Internacional de AMAAC. 3. Dar seguimiento y fortalecer el programa de Reconocimientos IMT-AMAAC. 4. Conservar y aprovechar los convenios con diferentes instituciones nacionales (universidades, gobierno e iniciativa privada) e internacionales, para el fortalecimiento de las actividades de la Asociación.

5. Retomar e impulsar las actividades de la vicepresidencia de distribución.

6. Fomentar la mayor interacción y participación de los comités técnicos de la Asociación.

7. Apoyar al área de Normativa del IMT en el desarrollo de proyectos de normas y manuales relativos a temas de materiales asfálticos.

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8. Seguir empujando en el sector para mejorar la utilización del asfalto en la industria de los pavimentos.

En esta edición de la revista, encontrarán el artículo denominado Evaluación de la tecnología de mezcla templada con altas tasas de material reciclado (RAP), cuyo análisis propone el uso del pavimento asfáltico recuperado (RAP) y la emulsión asfáltica en una mezcla densa, elaborada con la tecnología de mezcla templada (HWMA) mediante un diseño balanceado por desempeño, propuesto por el Comité de Materiales Reciclados.

El Comité de Materiales Asfálticos, con el artículo Nueva metodología para el control de calidad de las emulsiones asfálticas utilizadas en los riegos de sello con gravilla, nos muestra las bondades de las emulsiones asfálticas como una alternativa más ecológica en la construcción de pavimentos flexibles. Por su parte, el Comité de Gestión y Evaluación de Pavimentos desarrolló una investigación sobre La variable ambiental —emisiones— en la toma de decisiones para la gestión de la conservación vial, donde se analiza el impacto al medioambiente de las emisiones contaminantes generadas por la operación de vehículos bajo las diferentes estrategias de conservación en las carreteras, utilizadas para mejorar la condición superficial del pavimento.

Los artículos antes mencionados se suman al objetivo y esfuerzo de esta Asociación por conducirnos hacia el desarrollo sostenible, difundiendo las mejores prácticas relacionadas con el uso del asfalto bajo un enfoque de economía circular.

Finalmente, aprovecho la oportunidad para desearles a todos los lectores de nuestra revista un feliz y próspero año 2024, esperando que los éxitos lleguen en abundancia para ustedes y sus seres queridos.

Dr. Mauricio Centeno Ortiz Presidente del XIII Consejo Directivo

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DESCRIPCIÓN El presente curso está orientado a conocer las herramientas de gestión para la conservación y rehabilitación de pavimentos asfálticos. El participante conocerá los procedimientos de evaluación funcional y estructural de pavimentos, inspección de obras de drenaje y evaluación geotécnica, así como los relacionados con la elaboración del diagnóstico del pavimento y la formulación de alternativas de conservación.

DIRIGIDO A

OBJETIVO

• Ingenieros de dependencias u organismos públicos relacionados con la administración y conservación de carreteras y vialidades.

• Ingenieros de empresas de consultoría que realicen estudios y proyectos de evaluación de carreteras.

• Ingenieros de empresas concesionarias de carreteras involucrados en el desarrollo de proyectos de construcción, reconstrucción o conservación de carreteras.

• Ingenieros independientes, en activo o recién egresados que deseen cursos de especialización en temas de gestión de pavimentos.

Proporcionar a los asistentes el conocimiento y los fundamentos prácticos que les permitan realizar la evaluación de los pavimentos, con el fín de elaborar los dictámenes técnicos que permitan generar programas de preservación, rehabilitación y/o reconstrucción en pavimentos flexibles.

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EVALUACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE GEOMALLA Y SU COLOCACIÓN MEDIANTE ENSAYOS DE PROPAGACIÓN DE FISURA EN MEZCLAS ASFÁLTICAS Asphalt Pavement & Construction Laboratories, Ixtlahuacán de los Membrillos, México Valeria Montserrat Mora-Gutiérrez valeria.mora@apcl.mx Virginia Sierra-Tafoya vicky_st24122@hotmail.com Universidad de Guadalajara, Jalisco, México

Pedro Limón-Covarrubias

pedro.limon@academicos.udg.mx

COMITÉ MEZCLAS ASFÁLTICAS Alejandro Castellanos Cordero Eymard Ávila Vázquez Carlos Alberto Jiménez García Daniela Bocanegra Martínez Enrique Villa Huerta Sergio Serment Moreno Maricarmen Magaña Jorge Berzunza Jaime Pantoja

RESUMEN Desde hace algunos años, la fisuración del pavimento flexible ha sido un gran problema en la red carretera, posiblemente generado por un diseño deficiente, factores ambientales y una inadecuada ejecución en campo. Estos factores conllevan a un inicio de las fisuras en la carpeta asfáltica. Las fisuras pueden afectar solamente la apariencia de una estructura, pero también pueden indicar fallas estructurales significativas o falta de durabilidad, lo que se traduce en una afectación de la vida útil del pavimento. Es indispensable considerar, en cada proyecto carretero, diferentes alternativas de diseño y materiales para cumplir de manera satisfactoria con la vida útil del pavimento. Las geomallas se utilizan para prevenir la propagación de fisuras y aumentar la resistencia al agrietamiento de las capas asfálticas. Actualmente, existen diferentes tipos de geomallas en el mercado que satisfacen esta necesidad.

En esta investigación se emplea el uso de diferentes tipos de geomalla para reducir la propagación de la fisura en la carpeta asfáltica, y se compara el comportamiento de las mismas en relación con una mezcla asfáltica sin geomalla. También se determinará la correcta colocación de estas geomallas, mediante distintos puntos de aplicación de la emulsión de riego de liga entre capas asfálticas.

La propagación de fisura se evaluará mediante los ensayos en rueda cargada (PFRC), Overlay Texas Test (OTT) y ensayo de corte, laboratorio de caminos de Barcelona (LCB). Los resultados que

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se obtuvieron en el ensayo LCB no fueron favorables, pues no cumplieron el valor recomendado por la normativa NTL-382/08; en cambio, con los de los PRFC y OTT se puede demostrar que la geomalla funciona como mecanismo de anticrecimiento, no obstante, el valor de β es menor en los especímenes con emulsión de riego de liga.

1 INTRODUCCIÓN En la actualidad, la fisuración en las carpetas asfálticas es bastante común debido tanto a diseños deficientes como a diversos motivos que alteran la vida útil de las mismas, lo que genera la manifestación temprana de la falla. Por este motivo, se han desarrollado distintas formas de tratar la presencia del agrietamiento en el pavimento flexible, para así contribuir a la durabilidad y rehabilitar la carpeta. Dentro de las formas de ayudar al pavimento a retardar la aparición de la fisura está el empleo de las geomallas. Cuando se trata de pavimentos, las geomallas se utilizan para mejorar la capacidad de carga, reducir el agrietamiento y la deformación, y prolongar la vida útil de la estructura. Se instalan en capas de suelo o de material granular y se integran mediante el confinamiento de partículas, lo que mejora la resistencia al corte y la estabilidad general del pavimento. Están fabricadas con materiales poliméricos, como poliéster o polipropileno.

En esta investigación se emplean cuatro tipos de geomalla para reducir la propagación de la fisura (agrietamiento) en la carpeta asfáltica. Luego se compara el comportamiento de las mismas en relación con una mezcla asfáltica sin geomalla y otra con presencia únicamente de emulsión asfáltica. Se determinará también la correcta colocación de estas geomallas mediante distintos puntos de aplicación de la emulsión de riego de liga entre capas asfálticas.

La propagación de fisura se evaluará mediante los ensayos de propagación de fisura en rueda cargada (PFRC), Overlay Texas Test (OTT) y ensayo de corte o adherencia entre capas (LCB).

2 OBJETIVO La evaluación de los cuatro tipos de geomallas y su colocación se realiza con la finalidad de demostrar la eficiencia de este instrumento como mecanismo anticrecimiento de fisuras. Además, las geomallas se comparan con una mezcla en caliente sin geomalla, con y sin riego de liga entre capas de mezcla asfáltica.

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3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Figura 1. Metodología experimental.

3.1 Variantes de aplicaciones de riego de liga Caso 1: 1.2 l/m2 de riego de liga Caso 2: 0.6 l/m2 de riego de liga por debajo de la geomalla utilizada y 0.6 l/m2 de riego de liga por encima de la geomalla utilizada Caso 3: 0.6 l/m2 de riego de liga por encima de la geomalla utilizada

espacio de ambientación y se coloca en el dispositivo de corte (dispositivo de ensayo B), como se muestra en la Figura 2, de manera que asegure la mitad de la mordaza. Posteriormente, se aplica una carga constante en el dispositivo a 0.0416 mm/s, logrando así separar las capas de mezcla asfáltica.

3.2 Prueba de adherencia entre capas (LCB) Este método consiste en determinar la adherencia entre capas mediante la evaluación del esfuerzo cortante necesario para lograr la separación entre las mismas.

También permite conocer la efectividad de diferentes emulsiones utilizadas. Para dicho ensayo se realizaron tres especímenes de 4” por variante, excluyendo la mezcla sin geomalla; sin embargo, la norma indica que también se pueden elaborar testigos de 6”.

Los especímenes tendrán que ambientarse previamente a una temperatura de 20° ± 1 durante por lo menos tres horas, tal y como lo indica la norma NLT-382/08 [3]. Al concluir el tiempo, el espécimen se retira del

Figura 2. Dispositivo de ensayo B.

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Los resultados obtenidos se darán por medio del diagrama carga-deformación de cada espécimen, con esto se determina. a. Resistencia a esfuerzo cortante, Tc, se calcula mediante la carga máxima de rotura con la siguiente ecuación cuando se emplea el dispositivo B. 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹á𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 = ( )/𝑆𝑆𝑆𝑆 2

(1)

Donde S es la superficie de la sección transversal, Fmáx es la carga máxima de rotura y Tc es la resistencia de corte en N/mm2.

3.3 Prueba de propagación de fisura mediante rueda cargada Con este ensayo se determinará la velocidad de fisuración que la mezcla asfáltica presentará mediante la flexión de esta, a través de los ciclos de carga de la rueda cargada. Una de las grandes ventajas de este ensayo es que puede utilizarse tanto en el diseño de mezcla asfáltica como en el control de calidad en campo de las mismas, además de poder analizar distintos componentes de la mezcla y nuevas metodologías que retardan la propagación del agrietamiento, en este caso, las geomallas. [2] Para la ejecución de dicha prueba se realiza el muestreo de 15 kg de material para una altura de losa de 5 cm y 22.5 kg por losa requerida con espesor de 8 cm. Posteriormente, la mezcla se coloca en el horno y se calienta a una temperatura de entre 130 °C a 140 °C, y al alcanzar la temperatura, se compacta con un vibrocompactador, que se compone de un molde metálico y una placa de acero con dos vibradores. Previo a la compactación, el molde debe estar lubricado, luego se agrega la primera parte de mezcla, que consta de 7.5 kg, y se procede

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a poner la placa sobre la mezcla. Una vez colocada, se compacta tal como lo indica la norma NLT-173/00 [3], como se observa en la Figura 3.

Cabe recalcar que la fabricación varía según el caso, puesto que la compactación en dos capas únicamente es necesaria al utilizar geomalla o riego de liga, tal como en el caso 1, 2 y 3; en caso de no incluir los anteriores, la losa se compactará en una sola capa.

Al concluir la compactación, se retira la tapa y se deja reposar la losa por 24 horas sin desmoldarla. Al siguiente día se aplica emulsión asfáltica sobre la losa en las cantidades determinadas en cada caso, dejándolas romper para colocar la geomalla. Para la segunda capa de mezcla se repite el procedimiento de compactación, y esta capa será de 15 kg, para así conseguir un espesor de losa de aproximadamente 8 cm o 7.5kg para un espesor de 5 cm aproximadamente.

Figura 3. Compactación de losas.

3.4 Overlay Texas Test El procedimiento de este ensayo permite determinar la resistencia al agrietamiento, pues ejerce tensión directa sobre los especímenes para provocar la fatiga por medio de un sistema electrohidráulico que aplica

cargas de tensión repetidas. Los resultados obtenidos se cuantifican en términos del número de ciclos que el testigo ensayado tarda en fallar, esta falla se reduce al 93% de la carga en medida del primer ciclo bajo las condiciones preestablecidas del ensayo. [1] Para la ejecución de dicha prueba, se realizaron dos especímenes por variante de 6” con una altura de 38 mm, como lo establece la norma Tex-248-F [4]. Los especímenes se compactarán en dos partes, salvo los de mezcla asfáltica sin geomalla o riego de liga. De la misma forma, el riego de liga se aplica tal y como se especifica en los casos 1 y 2.

Terminados los testigos, se cortan de forma que el diámetro total sea de 76 mm, como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Briqueta terminada.

Hecho esto, las briquetas se adhieren en la placa base utilizando epóxico, luego se aplica una carga sobre el espécimen de 4.5 kg durante mínimo 24 horas. La temperatura del ensayo debe programarse a 25° ± 0.5 y se deja correr durante 1000 ciclos. En este ensayo se pueden evaluar los ciclos a que la mezcla tenga una ratio de su resistencia inicial al 7%, así como el valor β, que es el exponente de la línea de regresión exponencial en el gráfico ciclos vs. ratio de resistencia.

Es importante mencionar que el espécimen tendrá una resistencia mayor al agrietamiento cuando el valor β sea menor.

4 RESULTADOS 4.1 Adherencia entre capas En la Figura 5 se observan los resultados dados por la prensa para el ensayo LCB, que demuestran que tanto la geomalla biaxial 100kN como la uniaxial 50kN tienen mejor efectividad en cuanto a la resistencia al esfuerzo cortante, además de que ambas presentan una

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relación similar en su crecimiento carga-deformación. En cuanto a los especímenes con geomalla biaxial 200kN, tienen una menor resistencia al esfuerzo cortante aplicado. Es importante mencionar que los datos que se presentan en las Figuras 5 y 6 no están formulados, son únicamente la representación del comportamiento del espécimen en la prensa.

Figura 5. Relación carga-deformación en especímenes ensayados en la prueba LCB, parte 1.

Figura 6. Relación carga-deformación en especímenes ensayado en la prueba LCB, parte 2.

En los resultados dados por la prensa en la Figura 6, se observa que los mejores resultados se presentan con las mezclas sin geomalla, debido a que esta muestra un posible problema de adherencia entre capas. Sin embargo, las variantes de la geomalla 120, casos 1, 2 y 3, exponen resistencia alta, pero poco desplazamiento al punto máximo de la carga.

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Sin embargo, la Tabla 1 muestra los valores de los promedios de las dos probetas evaluadas en cada variante. Se puede observar que las adherencias entre capas con emulsión presentan el resultado de Tc (resistencia de corte) más alto, por lo que cumplen satisfactoriamente con el valor de 0.4 MPa recomendado. Por otra parte, las geomallas biaxiales de 100kN y 120kN, caso 2, también exhiben un valor alto, sin embargo, aunque poseen buena resistencia, el valor de Tc es inferior a lo esperado, como se puede apreciar en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados generales de LCB. Espécimen

Carga máxima (N)

Resistencia máxima (MPa)

Def. axial (mm)

Tc (Mpa)

Geomalla biaxial 100 kN

5548

0.5485

0.7615

0.357

Geomalla biaxial 200kN

2169

0.2123

0.2686

0.133

Emulsión

8673

0.8753

1.2700

0.541

Geomalla uniaxial 50kN

3302

0.331

0.8340

0.212

Geomalla biaxial 120 kN Caso 2

4806

0.491

0.4393

0.318

Geomalla biaxial 120 kN Caso 3

3285

0.331

0.5016

0.211

4.1 Propagación de fisura en rueda cargada Para evaluar la propagación de fisura, se toma como medida el número de ciclos necesarios para que esta pueda recorrer la mezcla asfáltica desde el cm 1, por encima de la ranura, hasta la superficie.

4.1.1 Propagación de fisura en vigas de 5 cm de espesor En los resultados se puede observar que la mezcla con un mejor comportamiento ante la fisura es la que no tiene geomalla, puesto que es más rígida y, por lo tanto, cuenta con menores vacíos, así permite que la fisura se desplace con mayor dificultad ante los ciclos de la rueda cargada. Por otra parte, las mezclas con menor efectividad son las que únicamente cuentan con emulsión asfáltica, al igual que la geomalla uniaxial 50KN.

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Es importante destacar que tanto la mezcla con geomalla biaxial 120kN como la 200kN y emulsión asfáltica presentan un avance de la fisura de arriba hacia abajo, que se puede apreciar en la Figura 7, y es visible en los últimos cm recorridos. Esto se debe a que, al tener dos capas con espesores menores a 4 cm cada uno, la parte de arriba empieza a trabajar a compresión y genera la fisuración de arriba hacia abajo, a partir de que la fisura de abajo hacia arriba ha llegado a la interfaz de capas (Figura 8). Esto muestra que la mezcla sin geomalla es más efectiva en espesores menores en comparación con la mezcla con emulsión y geomalla, que es la de menor rendimiento.

Figura 7. Análisis de resultados de vigas con 5 cm de espesor.

Figura 8. Propagación de fisura en viga de 5 cm de espesor con geomalla.

En la Tabla 2 se muestran los parámetros a evaluar para conocer la velocidad de propagación de fisura de la viga con 5 cm de espesor. Nuevamente, se demuestra que las muestras ensayadas sin geomalla tienen una menor velocidad de propagación, seguida por la mezcla con geomalla biaxial 120kN emulsión, caso 2.

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Tabla 2. Parámetros de velocidad de propagación de fisura en vigas de 5 cm de espesor.

Vigas

Centímetros

Ciclos

Tiempo (min)

Velocidad de propagación de fisura (cm/min)

Promedio de velocidad(cm/min)

Geomalla biaxial 120kN Caso2

4 3 2 1

696 1155 1176 389

13 22 23 7

0.299 0.135 0.088 0.134

0.164

Sin geomalla

4 3 2 1

2045 1846 942 529

39 36 18 10

0.102 0.085 0.110 0.098

0.099

Geomalla uniaxial 50kN

4 3 2 1

679 455 290 130

13 9 6 3

0.306 0.343 0.359 0.400

0.351

Emulsión

4 3 2 1

393 378 256 11

8 7 5 0

0.529 0.413 0.406 4.727

1.519

Geomalla biaxial 200kN

4 3 2 1

314 503 983 149

6 10 19 3

0.662 30.310 0.106 0.349

0.357

Geomalla biaxial 100kN

4 3 2 1

556 367 205 42

11 7 4 1

0.374 0.425 0.507 1.238

0.636

4.1.2 Propagación de fisura en vigas de 8 cm de espesor En los resultados de la Figura 9 se observa que la mezcla con geomalla biaxial 120kN con emulsión, caso 2 y caso 3, la fisura únicamente se propagó un cm por encima de la ranura y se mantuvo lineal, es decir, la geomalla aportó resistencia y capacidad de retención de la fisura.

Asimismo, las mezclas con geomalla uniaxial 50kN presentan un comportamiento similar.

Sin embargo, la fisura en las mezclas sin geomalla avanzó hasta llegar a la superficie, lo que demuestra el efecto de la geomalla (Figura 10).

Figura 9. Análisis de resultados de vigas con 8 cm de espesor.

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Figura 10. Comparación de propagación en vigas sin geomalla (izquierda) y con geomalla (derecha).

En la Tabla 3 se muestra que la mezcla con geomalla 120kN, caso 2, presenta la menor velocidad de propagación de fisura, seguido por la mezcla con geomalla biaxial 120kN, caso 3.

Por otro lado, los testigos sin geomalla y con emulsión de riego de liga presentan la velocidad más alta de propagación de fisura.

Tabla 3. Parámetros de velocidad de propagación de fisura en vigas de 8 cm de espesor.

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Vigas

Centímetros

Ciclos

Tiempo (min)

Velocidad de propagación de fisura (cm/min)

Promedio de velocidad(cm/min)

Geomalla biaxial 120kN emulsión Caso 2

7 6 5 4 3 2 1

11529

222

0.005

0.005

Geomalla biaxial 120kN emulsión Caso 3

7 6 5 4 3 2 1

6901

117

0.009

0.00

Sin geomalla

7 6 5 4 3 2 1

23306 16360 13263 12739 8948 7778 1148

448 315 255 245 172 150 22

0.016 0.019 0.020 0.016 0.017 0.013 0.045

0.021

Geomalla uniaxial 50kN

7 6 5 4 3 2 1

18116 18116 17060 16006 13801 10291 7011

348 348 328 308 265 198 135

0.020 0.017 0.015 0.013 0.011 0.010 0.007

0.013

Emulsión

7 6 5 4 3 2 1

34572 33724 31117 20505 15665 11398 388

655 649 598 394 301 219 7

0.011 0.009 0.008 0.010 0.010 0.009 0.134

0.027

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4.2 Overlay Texas Test La Figura 11 muestra el desempeño que tienen los especímenes ensayados al resistir al agrietamiento. Los especímenes con únicamente riego de liga muestran un mejor desempeño al agrietamiento al obtener un porcentaje de ratio mayor. Sin embargo, la fisura recorre casi todo el espécimen. En cambio, el comportamiento en los especímenes con geomalla muestra que la fisura se retiene al hacer contacto con la misma, como se puede observar en la Figura 12. De este modo, existe una conducta lineal durante los ciclos restantes.

Figura 11. Análisis general de especímenes en ensayo OTT.

Figura 12. Comparación de propagación de fisura en especímenes ensayados en OTT.

En la Tabla 4 se puede observar que el valor más bajo del valor b lo presentan las mezclas con emulsión entre capas, seguidas de las mezclas con geomalla biaxial 200kN y biaxial 100kN.

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Tabla 4. Resultados de las muestras ensayadas.

Espécimen

Parámetro β

Emulsión 1

0.161

Emulsión 2

0.122

Biaxial 100kN 1

0.231

Biaxial 100kN 2

0.143

Biaxial 200kN 1

0.25

Biaxial 200kN 2

0.046

Uniaxial 50kN 1

0.231

Uniaxial 50kN 2

0.196

Biaxial 120kN caso 2-1

0.175

Biaxial 120kN caso 2-2

0.284

Biaxial 120kN caso 3-1

0.3

Biaxial 120kN caso 3-2

0.347

Sin Geomalla 1

0.368

Sin Geomalla 2

0.201

Desviación estándar de β

Promedio de β

Ratio de resistencia inicial al ciclo 1000 (%)

0.027

0.1415

43.07

0.0622

0.187

26.6

0.1442

0.148

25.25

0.0247

0.2135

21.11

0.0771

0.2295

19.01

0.0332

0.3

17.72

0.1181

0.2845

20.34

5 CONCLUSIONES a. Las geomallas son eficaces para evitar la propagación de fisuras, sobre todo en mezclas mayores a 5 cm de espesor. b. En el ensayo de propagación de fisura para la variable de espesor de 8 de cm, las geomallas presentan mayor eficacia en comparación con la variable de 5 cm, y esto se debe a que la mezcla trabaja a tensión y, en el otro caso, una parte a tensión y otra a compresión. c. Se debe analizar cuidadosamente la colocación de la geomalla con el uso de una emulsión de riego de liga con características y dosificaciones adecuadas. Esto sirve para que la geomalla presente un comportamiento adecuado. d. Es fundamental resaltar que, en el caso de los especímenes de 8 cm, si se les coloca en dos espesores y la unión con un riego de liga adecuado, presentan un comportamiento más alto de resistencia a la propagación de fisura que las mezclas que se colocan en una sola capa. e. Las geomallas funcionan como mecanismo de anticrecimiento de fisuras, como se demostró en el ensayo PFRC y OTT, y si se tienen espesores mayores a 5 cm, pueden aumentar la resistencia a flexión de la mezcla asfáltica. f. El valor de β en la prueba OTT es menor en los especímenes con riego de liga, geomalla biaxial 200kN y 100kN. g. El porcentaje de pérdida de resistencia en el ensayo OTT tiene mejor comportamiento en las mezclas con unión y con riego de liga sin geomalla, ya que esta se alcanza a fisurar casi en su totalidad. En cambio, en todas las mezclas con geomalla, la fisura no avanzo más

20

ENERO-MARZO 2024

allá de donde se encontraba esta, lo que demuestra el efecto de resistencia al crecimiento de la fisura. h. Se puede observar que las mezclas con geomalla no tienen un buen comportamiento en la adherencia entre capas, y esto se debe a la interfaz que se forma entre estas. Se recomienda evaluar diferentes dosificaciones y tipos de emulsión de riego de liga, así como un correcto sistema constructivo para el adecuado funcionamiento de las geomallas. i. Para el ensayo LCB, los especímenes con emulsión de riego de liga cumplieron satisfactoriamente con el valor recomendado de 0.4 MPa. 6 REFERENCIAS [1] Acuña, M. J. (2013). Overlay Tester: equipo de laboratorio para evaluar la resistencia al agrietamiento en mezclas asfáltica. Métodos y Materiales.

[2] Gómez, Á. A., Covarrubias, P. L., & Gaxiola, J. J. (2018). Desarrollo de una nueva metodología para medir la propagación de fisuras en mezclas asfálticas mediante el ensayo pfrc. Guadalajara.

[3] NTL-382/08. (s.f.). Evaluación de la adherencia entre capas de firme, mediante ensayo de corte.

[4] TEX-248-F (2014). Overlay Test.

ASFÁLTICA 77

21

EVALUACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE MEZCLA TEMPLADA CON ALTAS TASAS DE MATERIAL RECICLADO (RAP) Ergon Asfaltos México, Puebla, México Alfonso Díaz, Alfonso.diaz@ergon.com Rosita Martínez, Rosita.martinez@ergon.com Silverio Sampayo, Silverio.sampayo@ergon.com Jorge Mejía, Jorge.mejía@ergon.com Eymard Ávila, Eymard.avila@ergon.com

COMITÉ MATERIALES RECICLADOS Rey Omar Adame Hernández Pedro Limón Covarrubias Leonardo Ambrosio Ochoa Ambriz Domingo Pérez Madrigal Carlos Humberto Fonseca Rodríguez Alfonso Díaz Pichardo Luis Guillermo Díaz Félix

RESUMEN La economía circular (EC) surgió de la degradación ambiental y el desequilibrio entre oferta-demanda, y como una alternativa a la economía lineal. La EC se entiende como la incorporación de medidas que permiten minimizar el impacto medioambiental y que, a su vez, suponen un alargamiento del uso y del valor de todos los recursos, energías y materiales implicados.

Dentro de la industria de la construcción de carreteras existe un activo valioso, tal es el caso del pavimento asfáltico recuperado (RAP), que se puede utilizar en diversas capas del pavimento; sin embargo, también se pretende usarlo en donde mayor valor pueda aportar para alargar la vida útil del mismo.

En este estudio se evalúa la utilización de RAP y emulsión asfáltica en una mezcla densa elaborada con la tecnología de mezcla templada (HWMA) y con un diseño balanceado por desempeño.

Cabe decir que en México no existe aún una normativa ni especificaciones para el diseño de mezclas templadas.

Esta investigación propone una metodología en dos etapas; la primera contempla el análisis del RAP, formulación de la emulsión asfáltica en función del envejecimiento del asfalto existente en el RAP y selección del contenido óptimo de la emulsión mediante la evaluación de desempeño de la mezcla, a tres diferentes contenidos de emulsión mediante las pruebas de susceptibilidad al daño por humedad (TSR), módulo resiliente total (Mrt) e IDEAL-CT.

ASFÁLTICA 77

23

En la segunda etapa, al contenido óptimo de la emulsión, se determina la curva maestra del módulo dinámico y la evaluación de la resistencia a la fatiga utilizado el ensaye de la viga a flexión en cuatro puntos.

Los resultados de la evaluación mecánica de la segunda etapa se comparan con una mezcla asfáltica en caliente convencional (base negra) de lo cual se obtienen resultados superiores para la mezcla templada.

1 INTRODUCCIÓN La economía circular (EC) surgió de la degradación ambiental y el desequilibrio entre oferta-demanda, y como alternativa a la economía lineal [1]. La EC se entiende como la incorporación de medidas que permiten minimizar el impacto medioambiental y que, a su vez, suponen un alargamiento del uso y del valor de todos los recursos, energías y materiales implicados [2,3].

La economía circular permite ofrecer productos fabricados con menos recursos y dar uso a materiales reciclados, ya sea por el rediseño de otros basados en mejoras incrementales a los existentes o por el diseño de productos nuevos, eficientes en recursos que pueden ser reparados, mejorados y reciclados [4].

Los proyectos sostenibles que buscan revertir o minimizar el impacto ambiental generado por la industrialización y transformar la huella ecológica actual en activos valiosos, en general siguen el principio de las 6R: reutilizar, reciclar, rediseñar, remanufacturar, reducir y recuperar.

Dentro de la industria de la construcción de carreteras, existe un activo valioso, tal es el caso del pavimento asfáltico recuperado (RAP), que se puede utilizar en diversas capas del pavimento; sin embargo, también se pretende usarlo en donde mayor valor pueda aportar para alargar la vida útil del pavimento.

En este estudio se evalúa la utilización de RAP en una mezcla densa con emulsión asfáltica elaborada con la tecnología de mezcla templada (HWMA). La contribución de la tecnología HWMA con RAP bajo el enfoque de EC, comparada con la mezcla en caliente, permite reducir el uso de materias primas, energía y emisiones durante la fabricación y aplicación mediante el uso de recursos recuperados.

El asfalto es uno de los materiales más reciclados, sin embargo, solo de un 10 al 20% de RAP se usa en diseños de mezclas y una gran parte se degrada en aplicaciones de menor valor [5]. La cantidad

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ENERO-MARZO 2024

de RAP en mezclas asfálticas puede incrementarse, considerando las actuales tecnologías y avances en los diseños de mezclas. Se ha documentado ampliamente la susceptibilidad al agrietamiento al usar altas tasas de RAP ; sin embargo, la mayor parte de estos estudios han sido realizados en mezclas en caliente [6]. En contraparte se ha reportado el uso de mezclas de RAP templadas y drenantes.

En contraparte, se ha reportado el uso de mezclas templadas en mezclas drenantes y discontinuas, en las que es posible reciclar mezcla bituminosa hasta tasas del 100% en planta [7].

Además, el uso de emulsiones permite disminuir el consumo de energía y las emisiones al ambiente con respecto a las mezclas en caliente [8].

2 OBJETIVO El objetivo del estudio es evaluar la tecnología de mezcla templada con altas tasas de RAP como una alternativa de tecnología sustentable que minimice el impacto ambiental y que, además, tenga un desempeño y durabilidad similar o mejor que una mezcla asfáltica (base negra) en caliente convencional.

3 METODOLOGÍA DE DISEÑO Y MATERIALES 3.1 Metodología de diseño de la mezcla Dado que en México no existe una normativa para el diseño y evaluación de las mezclas templadas con uso de 100% RAP, donde se indique la metodología para la selección del contenido óptimo de la emulsión, tratamiento del material, temperaturas de mezclado y compactación, y pruebas de desempeño, se plantea este trabajo como una alternativa de diseño y evaluación de mezclas templadas bajo el diseño balanceado con enfoque basado en el desempeño de la mezcla [9].

Se proponen dos etapas de evaluación, donde la primera contempla el análisis del RAP, formulación de la emulsión asfáltica en función del envejecimiento del asfalto existente en el RAP y la selección del contenido óptimo de la emulsión asfáltica mediante la evaluación de desempeño de la mezcla a tres diferentes contenidos de emulsión mediante las pruebas de TSR, Mrt e IDEAL-CT. Una vez seleccionado el contenido óptimo de la emulsión, en la segunda etapa se contempla la evaluación de la mezcla mediante la determinación de la curva maestra del módulo dinámico, así como la evaluación de resistencia a la fatiga que se utilizó en el ensaye de la viga a flexión en cuatro puntos.

ASFÁLTICA 77

25

3.2 Materiales 3.2.1 RAP 3.2.1.1 Asfalto recuperado del RAP La extracción del material asfáltico del RAP se realizó de acuerdo con ASTM D2172 (método B). La recuperación se obtuvo mediante un proceso de recirculación (evaporación-condensación) con tricloro-etileno (C2HCl3). El asfalto recuperado se separó del disolvente mediante el procedimiento ASTM D5404.

Se obtuvo el grado PG del asfalto extraído del RAP, bajo la normativa N·CMT·4·05·004/18 “Calidad de cementos asfálticos según su grado de desempeño”, y que cumplió como un grado PG 100-22.

El contenido de asfalto existente en el RAP se obtuvo por medio del método de ignición ASTM D6307, que fue de 7.4% con respecto a la mezcla.

3.2.1.2 Agregados pétreos Para la elaboración de la mezcla templada de este proyecto, se utilizó 100% RAP proveniente del pavimento asfáltico fresado del periférico ecológico de Puebla, en el estado de Puebla, México.

La granulometría del RAP se comparó respecto a los límites establecidos en la norma N·CMT·4·02·003/21 de la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT) para bases de mezcla asfáltica (base negra). Se utilizó una fracción única de ¾” (19 mm) a finos, retirando el material retenido en malla de una pulgada por medio de cribado. La granulometría de RAP se obtuvo considerando el material sin incinerar, y cumplió satisfactoriamente con los límites ya mencionados, como se muestra en la Figura 1.

Para la elaboración de la mezcla asfáltica control se utilizaron agregados pétreos de la misma fuente con que se elaboró la capa original de donde se obtuvo el RAP, que fue el banco Thomé, ubicado en la ciudad de Puebla. La mezcla control se elaboró con un contenido de 5% de cemento asfáltico convencional grado PG 64-22 con respecto a la mezcla. Se utilizó una granulometría que cumple con los límites establecidos en la norma N·CMT·4·02·003/21 de la SICT para bases de mezcla asfáltica (base negra), como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Granulometrías del RAP y de la mezcla control.

26

ENERO-MARZO 2024

3.2.2 Emulsión asfáltica Se evaluaron diversos tipos y formulaciones de emulsiones basadas en el grado de envejecimiento del RAP obtenido en el apartado 3.2.1.1, y se seleccionó la emulsión que presentó la mejor compatibilidad con el material. La seleccionada es una emulsión asfáltica catiónica denominada EARA-2P, cuyas características se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados de la evaluación de la emulsión EARA-2P. Prueba

Método de prueba

Valor obtenido

Pruebas a la emulsión asfáltica Contenido de cemento asfáltico, 204° C, %

ASTM D 6997

63.2

Contenido de aceite destillado, 204° C, %

ASTM D 6997

0.5

Viscosidad Saybolt Furol 25° C, SSF

ASTM D 7496

35.0

Retenido en malla no. 20, %

ASTM D 6933

0.0000

Asentamiento a 5 días, %

ASTM D 6930

0.20

Pruebas al residuo, obtenido por destilación Punto de reblandecimiento, ° C

ASTM D 36

28.10

Jnr 0.1kPa-1, 40° C

ASTM D 7405-20

1.49

R, 0.1kPa, 40° C , %

ASTM D 7405-20

46.44

Jnr 3.2kPa-1, 40° C

ASTM D 7405-20

2.72

R, 3.2kPa, 40° C , %

ASTM D 7405-20

22.94

G*/sen δ, 40° C, KPa

ASTM D 7175-15

2.60

Ángulo de fase, 40° C, °

ASTM D 7175-15

73.10

3.3 Fabricación de especímenes de prueba Para la evaluación de las pruebas de desempeño de TSR, Mrt, IDEAL-CT y módulo dinámico se fabricaron especímenes cilíndricos mediante el compactador giratorio a un nivel de 7±1% de vacíos. La geometría de los especímenes fue de acuerdo con el tipo de prueba, y el ajuste de vacíos se realizó bajo una compactación definida por altura.

Los especímenes para la evaluación de la resistencia a la fatiga se fabricaron mediante un compactador lineal, produciendo slabs de los cuales se cortaron las vigas de prueba.

Con la finalidad de reducir la variabilidad en los resultados, los especímenes de prueba se armaron mediante granulometrías inversas con seis tamaños de control: retenido en malla de ¾”, retenido en malla de 3/8”, retenido en malla #4, retenido en malla #20, retenido en malla #60 y material que pasa la malla #60.

ASFÁLTICA 77

27

El mezclado se realizó calentando los agregados (RAP) a una temperatura de 90° C, y la emulsión asfáltica a 60° C, cuyo resultado fue la mezcla asfáltica a una temperatura de 70 a 75° C. La mezcla se curó en horno a una temperatura de 70° C por un tiempo de dos horas y posteriormente se compactaron los especímenes de prueba. Luego se curaron en horno a una temperatura de 50° C por un tiempo de 48 horas para eliminar la humedad restante en la mezcla.

3.4 Pruebas de desempeño 3.4.1 Susceptibilidad al daño por humedad (TSR) (AASHTO T283).

La susceptibilidad al daño por humedad es una prueba que consiste en determinar la relación de resistencias a la tensión indirecta de una serie de especímenes cilíndricos acondicionados contra otros no acondicionados.

El grupo de especímenes sin acondicionar se evalúan a 25° C mediante la mordaza Lottman, a una velocidad de aplicación de carga uniforme de desplazamiento de 50.8 mm/min.

El grupo de especímenes acondicionados se someten a un ciclo de congelamiento-deshielo y baño de agua caliente para su posterior evaluación de la tensión indirecta a 25° C. Finalmente, se calcula la relación de resistencia retenida a tensión indirecta (TSR) en % sin decimales, como se muestra en la Ecuación 1. 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 =

𝑇𝑇𝑇𝑇2 𝑥𝑥𝑥𝑥100 𝑇𝑇𝑇𝑇1

(1)

Donde TSR es la resistencia al daño inducido por humedad, expresada en %, S1 es la resistencia a tensión indirecta promedio de especímenes no acondicionados en KPa, y S2 es la resistencia a tensión indirecta promedio de especímenes acondicionados en KPa. 3.4.2 Módulo resiliente (ASTM D7369-11) El módulo resiliente en tensión indirecta (Mrt) se define como la relación que existe entre el máximo esfuerzo aplicado y la deformación recuperable a través de la aplicación de ciclos de carga y descarga de tipo haverseno, en especímenes sometidos a compresión diametral para producir un esfuerzo de tensión de manera indirecta.

Se pueden calcular dos valores de módulo resiliente, el instantáneo y el total. El segundo toma en cuenta la deformación cada ciclo en la fracción de descarga instantánea, mientras que el primero se calcula utilizando la deformación recuperable total,

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que incluye la deformación instantánea y la deformación tiempo-dependiente que ocurre durante el periodo de reposo completo, como se ve en la Figura 2.

Figura 2. Prueba de módulo resiliente en tensión indirecta (ASTM D7369).

3.4.3 Índice de agrietamiento IDEAL-CT (ASTM D8225) El IDEAL-CT es una prueba de agrietamiento que desarrolló el Instituto de transporte de Texas. Su objetivo es determinar el índice de agrietamiento de las mezclas asfálticas a temperaturas intermedias (25° C). La prueba se evalúa a tensión indirecta aplicando carga monotónica a una velocidad de 50 mm/min, hasta la falla completa de la muestra, como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Prueba de IDEAL-CT.

3.4.4 Módulo dinámico (AASHTO T342-11) El módulo dinámico es el valor absoluto del módulo complejo que define las propiedades elásticas de un material de viscosidad lineal sometido a una carga sinusoidal [10].

El ensayo consiste en aplicar un esfuerzo de compresión axial sinusoidal (haverseno) a un espécimen de concreto asfáltico, a una temperatura y frecuencia de carga determinada. El esfuerzo aplicado y la deformación axial recuperable del espécimen se miden y utilizan para calcular el módulo dinámico y el ángulo de fase, como se muestra en la Figura 4.

ASFÁLTICA 77

29

Figura 4. Módulo dinámico complejo [10].

El módulo dinámico complejo se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera: 𝐸𝐸𝐸𝐸 ∗

𝜎𝜎𝜎𝜎0 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑖𝑖𝑖𝑖𝜔𝜔𝜔𝜔𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜎𝜎𝜎𝜎0 sin 𝜔𝜔𝜔𝜔𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜎𝜎𝜎𝜎 = = 𝜀𝜀𝜀𝜀 𝜀𝜀𝜀𝜀0 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑖𝑖𝑖𝑖(𝜔𝜔𝜔𝜔𝑡𝑡𝑡𝑡−∅) 𝜀𝜀𝜀𝜀0 sin(𝜔𝜔𝜔𝜔𝑡𝑡𝑡𝑡 − ∅)

(2)

Donde: σ0=esfuerzo máximo, ε0=deformación máxima, φ=ángulo de fase en grados, ω=velocidad angular y t=tiempo en segundos.

De acuerdo con la norma AASHTO T 342-11 “Método de ensayo para determinación del Módulo dinámico de Mezclas Asfálticas en Caliente (HMA)”, se aplica una carga cíclica sinusoidal a un espécimen de concreto asfáltico de 100 mm de diámetro y 150 mm de altura, a las temperaturas de -10, 4, 20, 37 y 54° C, y frecuencias de carga de 0.1, 0.5, 1.0, 5, 10 y 25 Hz para cada una de las temperaturas. Se ensaya cada espécimen para cada una de las 30 combinaciones de temperatura y frecuencia de carga, comenzando de la temperatura más baja a la más alta, y de la frecuencia más alta a la más baja [11].

Una vez completada la prueba y analizados los resultados de las réplicas en cuanto a calidad y consistencia, los datos del módulo dinámico se desplazan utilizando el principio de superposición de tiempo y temperatura para construir una curva maestra a una temperatura de referencia. El principio de superposición tiempo-temperatura es una forma de relacionar los valores de módulo de un material obtenidos a diferentes temperaturas y frecuencias.

3.4.5 Resistencia a la fatiga (AASHTO T-321) En México se ha utilizado el ensaye de la viga a flexión en cuatro puntos, el cual consiste en someter un espécimen prismático a esfuerzos de flexión a una velocidad de aplicación de carga de diez ciclos por segundo (10 Hz) en una cámara de temperatura controlada a 20° C

30

ENERO-MARZO 2024

Durante el ensayo de fatiga se distinguen tres etapas. En la primera (primeros ciclos de carga), existe una disminución súbita de la integridad del material en términos de su módulo de rigidez a flexión. En la segunda, dicho módulo tiende a seguir un comportamiento lineal; es aquí cuando se presenta el fenómeno de fatiga. Y en la tercera etapa se tiene nuevamente una caída abrupta del módulo de rigidez, en la cual se presenta la interconexión y propagación de grietas, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Evaluación del módulo de rigidez a flexión en el ensaye de fatiga y esquema de la ley de fatiga.

La ley de fatiga se representa mediante la curva de Whöler, que define la relación existente entre el nivel de solicitación y el número de ciclos a la falla (Nf). En términos prácticos, la ley de fatiga proporciona información del número de repeticiones que resiste la mezcla asfáltica antes de llegar a su falla a distintos niveles de deformaciones producidos por el paso de vehículos de distintos pesos. El límite de resistencia a fatiga (FEL, por sus siglas en inglés) se define como el nivel de deformación debajo del cual no ocurre el daño por fatiga.

4 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADO 4.1 Densificación de la mezcla Se fabricaron dos especímenes con una masa de 4500 gramos para cada contenido de emulsión evaluado en este trabajo, y se compactaron a 100 giros (con las temperaturas de mezclado, compactación y tiempo de curado descritos en el apartado 3.3), para verificar el porcentaje de compactación alcanzado.

Para los contenidos de 2.5% y 3% de emulsión se alcanzaron vacíos de aire dentro del rango de 3-8% propuesto en la norma N·CMT·4·02·003/21 de la SICT para bases asfálticas (bases negras).

Los porcentajes de vacíos especificados en la normativa se cumplen con contenidos de emulsión superiores al 2%. Los datos se presentan en la Tabla 2.

ASFÁLTICA 77

31

Tabla 2. Densificación de la mezcla a 100 giros.

Contenido de emulsión (%)

Altura @ 100 giros (mm)

2.0

117.8

2.0

118.7

2.5

117.7

2.5

117.5

3.0

117

3.0

117.8

Gmm

2.391

2.375

2.359

Gmb

% de compactación

%Va

2.179

91.1

8.9

2.163

90.8

9.2

2.201

92.7

7.3

2.207

92.8

7.2

2.219

94.1

5.9

2.210

93.9

6.1

%Va promedio 9.1

7.3

6.0

4.2 Evaluación de desempeño: primera etapa y selección del contenido óptimo de emulsión asfáltica 4.2.1 Susceptibilidad al daño por humedad TSR Los resultados para la prueba de TSR se muestran en la Tabla 3. En México, de acuerdo con el Protocolo AMAAC PA-MA 01/2011 para el Diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño, se especifica un valor mínimo de TSR = 80%. Sin embargo, no existe una para mezclas recicladas. En España, según la orden circular 8/2001, sobre reciclado de firmes y pavimentos bituminosos, se especifica un valor de TSR mínimo de 75% [12].

Los valores de TSR obtenidos en este estudio oscilaron entre el 77% y el 82%. En la Tabla 3 se muestran los valores promedio que se obtuvieron para el esfuerzo a tensión indirecta en seco y húmedo para cada uno de los contenidos de emulsión asfáltica evaluados.

Se realizó un análisis estadístico por el método de Tukey con un nivel de confianza del 95% para los esfuerzos en seco y en húmedo de los tres grupos de mezcla. Los resultados se muestran en la Tabla 3 y Figura 6. De acuerdo con el análisis estadístico para cada uno de los contenidos de emulsión, se observa que no existe una diferencia estadística significativa en la resistencia a la tensión indirecta en seco y húmedo de las tres mezclas analizadas.

Tabla 3. Análisis de variación estadístico Tukey al 95 % de confianza para los esfuerzos en seco y húmedo de las evaluaciones de TSR a diferentes contenidos de emulsión.

ID espécimen

N°

Promedio esfuerzo seco

Grupo estadístico

Promedio esfuerzo húmedo

Grupo estadístico

TSR (%)

EARA-2P-2.0 %

3

786.7

A

615.67

A

82

EARA-2P-2.5 %

3

749

A

605.7

A

77

EARA-2P-3.0 %

3

718.3

A

561.7

A

78

4.2.2 Módulo resiliente El comportamiento del Mrt en función del contenido de emulsión que se utilizó en la mezcla se presenta en la Figura 7. En el módulo resiliente para el contenido del 2% de emulsión se obtiene la mayor rigidez de la mezcla, que resulta estadísticamente superior a la resistencia para los contenidos de 2.5% y 3%.

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Figura 6. Resultados promedio del esfuerzo en seco y resultados promedio del esfuerzo en húmedo.

Figura 7. Resultados promedio y análisis estadístico de módulo resiliente.

Para los contenidos de 2.5% y 3% de emulsión en la mezcla se obtuvieron valores promedio de Mrt estadísticamente iguales (grupo estadístico B), de acuerdo con el análisis Anova realizado.

ID Espécimen

N°

Promedio

Grupo estadístico

EARA2P-2 %

3

2658

A

EARA2P-2.5 %

4

1950.8

B

EARA2P-3.0 %

8

2108

B

4.2.3 Susceptibilidad al agrietamiento Una parte importante del diseño de mezclas asfálticas con uso de RAP, y aun más a una tasa del 100%, consiste en la reactivación del asfalto envejecido existente para brindar a la mezcla un comportamiento balanceado en rigidez y flexibilidad, similar al de una mezcla asfáltica en caliente convencional con material 100% virgen. La emulsión asfáltica modificada utilizada como ligante tiene la función principal de restablecer parte de las propiedades del asfalto del RAP. En la Figura 8 se pueden observar los resultados promedio de Index-CT obtenidos para los tres contenidos de emulsión asfáltica utilizados en la mezcla, donde la tendencia es que, a mayor contenido de emulsión, mayor es el valor de Index-CT.

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Para el contenido de 2% se obtuvo un Index-CT de 28.95, grupo estadístico B; para 2.5% se obtuvo un Index-CT de 42.09, grupo estadístico AB, y para el contenido de 3%, se obtuvo un Index-CT de 60.39, grupo estadístico A, que es superior estadísticamente la mezcla fabricada con 3%. El departamento de transporte de Alabama (ALDOT), de acuerdo con un estudio de pruebas de agrietamiento para el diseño balanceado de mezclas en caliente con RAP, desarrollado en la pista de pruebas del National Center for Asphalt Technology (NCAT), especificó un valor de Index-CT mínimo de 50 [13].

Figura 8. Resultados y análisis estadístico de Index-CT.

4.3 Evaluación del desempeño: segunda etapa 4.3.1 Módulo dinámico Para la construcción de la curva maestra del módulo dinámico se realizó la evaluación puntual de módulo dinámico a las temperaturas de -10, 4, 20, 37 y 54° C, y frecuencias de carga de 0.1, 0.5, 1.0, 5, 10 y 25 Hz para cada una de las temperaturas.

En la Figura 9 (a) podemos observar el comportamiento del módulo dinámico en función de la frecuencia para cada una de las temperaturas evaluadas mediante las curvas isotermas, y en la Figura 9 (b) se muestra cómo cambia el valor de módulo dinámico en función de la temperatura para cada una de las frecuencias evaluadas mediante las curvas isócrinas. Mediante estas se puede determinar la susceptibilidad cinética del material asfáltico, esto es, la variación en el valor del módulo con respecto a la velocidad de solicitación [14]. De manera general, a mayor temperatura y menor frecuencia de aplicación de carga, el módulo dinámico será más bajo.

Figura 9. a) Curvas isotermas b) Curvas isócrinas.

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La curva maestra se definió a una temperatura de referencia de 20° C, mediante el principio de superposición tiempo-temperatura. Los datos del módulo dinámico de diferentes temperaturas se desplazan horizontalmente en el gráfico de módulo frente a la frecuencia para formar una sola curva continua. Una vez que se realizan los cambios, el efecto de la temperatura y la frecuencia de carga se representa mediante una frecuencia reducida, que refleja los efectos de ambos factores simultáneamente.

En la Figura 10, la curva maestra de la mezcla templada está en color rojo y la de la mezcla en caliente convencional de control, en azul. Como se observa, los valores de la mezcla templada son similares a los de la mezcla de control para las temperaturas de evaluación de 37 y 54° C (temperaturas en el rango de funcionamiento de un pavimento) en la zona de bajas frecuencias de la curva maestra.

Figura 10. Curva maestra de la mezcla templada vs. mezcla en caliente convencional.

4.3.2 Resistencia a la fatiga Para la evaluación de la resistencia a la fatiga por medio de la viga a flexión de cuatro puntos, se utilizaron niveles de deformación de 500, 600 y 650 mε, se evaluó cada nivel por duplicado y se obtuvo el número de repeticiones a la falla de acuerdo con el criterio de falla clásico del 50% de reducción del módulo de rigidez inicial. Estos resultados se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados de la evaluación de la resistencia a la fatiga de la mezcla templada.

Espécimen

Deformación (mε)

Esfuerzo inicial (KPa)

Rigidez inicial (MPa)

Ciclos a la falla, Nf

EARA 2P_650

650

1,718

2,643

63,095

EARA 2P_650

650

1,670

2,573

79,204

EARA 2P_600

600

1,636

2,729

501,187

EARA 2P_600

600

1,494

2,490

653,130

EARA 2P_500

500

1,370

2,740

3,475,545

EARA 2P_500

500

1,393

2,782

4,178,592

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En la Figura 11 se visualiza la ley de fatiga de la mezcla templada con 3% de emulsión en color rojo vs. la ley de fatiga de la mezcla en caliente convencional de control en color azul. Los niveles de deformación requeridos para obtener números de repeticiones a la falla similares durante la evaluación fueron más altos para la mezcla templada que los requeridos para la mezcla de control; además, la pendiente que muestra la ley de fatiga de la mezcla templada es menor, indicando una mayor resistencia a la fatiga que la mezcla convencional de control.

De acuerdo con el procedimiento descrito en reporte N° 646 de NCHRP, se determinó el valor de límite de resistencia a la fatiga (FEL) para cada una de las leyes de fatiga, que, en términos prácticos, se entiende como el nivel de deformación por debajo del cual la mezcla no falla. De aquí se obtiene un valor de 385 mε para la mezcla templada y 137 mε para la mezcla asfáltica en caliente convencional (base negra).

Figura 11. Ley de fatiga mezcla templada vs. ley de fatiga mezcla en caliente convencional.

5 CONCLUSIONES • Se logró mezclar y compactar la mezcla templada a menores temperaturas que la mezcla en caliente de control a altas tasas de utilización de RAP, con lo cual se logró un equilibrio entre las propiedades de rigidez y flexibilidad de la mezcla.

• La mezcla templada con un contenido mayor a 2.5% de emulsión logró cumplir con el rango de vacíos especificado para una base asfáltica (base negra).

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• La mezcla templada alcanzó un valor de energía de fractura Index-CT superior a 50, que es el especificado por el DOT de Alabama para mezclas en caliente con RAP. En México no se tiene especificación.

• La mezcla templada con emulsión asfáltica tuvo un comportamiento similar de módulo dinámico en la curva maestra a temperaturas intermedias y frecuencias bajas.

• La mezcla templada con emulsión asfáltica tuvo un comportamiento a fatiga superior al de la mezcla asfáltica convencional de control (base negra) y obtuvo un valor de FEL mayor al doble del especificado para proyectos en México.

• La mezcla asfáltica templada cumple con los requisitos de calidad de una mezcla para capa de base negra, de acuerdo con la norma N·CMT·4·02·003/21 de la SICT. 6 REFERENCIAS [1] Merseguer J.V., Molina M. V., Nuñez-Cacho U.P. (2021), Economía Circular: Fundamentos y Aplicaciones. Thomson Reuters Aranzadi, Primera Edición, España.

[2] Korhonen, J., Honkasalo, A. & Sepala, J. (2018). Circular Economy: The Concept and its Limitations. Ecological Economics, 143, https://doi.org/10.1016/j.ecole-con.2017.06.041 [3] Llorente-González & Vence X. (2020). Resources Conservation & Recycling, https://doi. org/10.1016/j.resconrec2020.105033 [4] European Environment Agency. Environmental indicator report 2016. In support to the monitoring of the 7th Environment Action Programme.

[5] Review of very high-content reclaimed asphalt use in plant-produced pavements: state of the art, Martins Zaumanis & Rajib B. Mallick [6] NCAT, (2013), Report 13-08 Alternative methods for increasing the durability of RAP mixtures. Auburn University.

[7] Mezclas templadas con emulsión bituminosa. Asociación Técnica de emulsiones Bituminosas (ATEB), España, 2014.

[8] Galehouse., J.C.a.L., Energy Usage and Greenhouse Gas Emissions of Pavement Preservation Processes for Asphalt Concrete Pavements. Compendium of Papers from the First International Conference on Pavement Preservation, Newport Beach CA., 2010.

Chapter 1: Paper 65: p. 27.

[9] AASHTO PP 105-20 (2022). Standard Practice for Balanced Desing of Asphalt Mixtures.

[10] Leiva, F. Estudio del módulo dinámico complejo de mezclas asfálticas. Desarrollo de curvas maestras. (primera parte). LANAMME. [11] Delgado, H., Gómez, J.A., Flores, M. (2017) Propuesta de método de prueba de módulo dinámico en mezclas asfálticas para México. Pt # 507. IMT. [12] Ministerio de Fomento, Gobierno de España (2001). Anejo de la orden circular 8/2001 sobre reciclado de firmes. Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de conservación de carreteras (PG-4).

[13] NCAT, A. U. (2021). Nacional Center for Asphalt Technology. Implementation Spotlight: Balanced Mix Design for Alabama Counties. Retrieved from: https://www.eng.auburn. edu/research/centers/ncat/newsroom/2021-spring/implementation.html [14] Delgado, H. (2013, abril-junio). Lo complejo del módulo complejo: principio de equivalencia tiempo - temperatura (tercera parte). Asfáltica (34), 42-46.

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LA VARIABLE AMBIENTAL —EMISIONES— EN LA TOMA DE DECISIONES PARA LA GESTIÓN DE LA CONSERVACIÓN VIAL Instituto Mexicano del Transporte, Querétaro, México Juan Fernando Mendoza Sánchez fernando.mendoza@imt.mx Ricardo Solorio Murillo ricardo.solorio@imt.mx José Belisario Aburto Barrera belisario.aburto@imt.mx Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, México Elia Mercedes Alonso Guzmán elia.alonso@umich.mx Wilfrido Martínez Molina wilfrido.martinez@umich.mx Rafael Soto Espitia rsoto@umich.mx Hugo Luis Chávez García luis.chavez@umich.mx

COMITÉ GESTIÓN Y EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS Carlos Salazar García Roberto Hernández Domínguez Diana Berenice López Valdés Francisco Javier Moreno Fierros Ricardo Solorio Murillo Carlos Adolfo Coria Gutiérrez Ricardo Torres Velázquez Luis Daniel Arciga Ramírez Marcos Ariel Villanueva Guzmán Francisco Cesareo Mendoza León Jorge Cepeda Aldape Noé Hernández Fernández José Manuel Osio Méndez Benito García Jiménez Omar Serrano José Luis Gutiérrez Baca José Roberto Medina Campillo

RESUMEN La presente investigación analiza el impacto al medioambiente de las emisiones contaminantes generadas por la operación de los vehículos bajo diferentes estrategias de conservación vial que se utilizan para mejorar la condición superficial de los pavimentos.

Los análisis se realizaron con el submodelo de efectos ambientales que se encuentra incluido en el HDM-4, el cual permite calcular las emisiones vehiculares. Los resultados muestran el nivel de impacto de las emisiones generadas para cada estrategia de conservación, por lo que este tipo de análisis puede ser útil para la toma de decisiones relacionadas con la selección de estrategias de conservación que permitan alcanzar cierto nivel de calidad superficial, y que consideren el impacto ambiental de la variable “emisiones”. Adicionalmente, se presentan los resultados de un análisis de sensibilidad del índice de rugosidad internacional (IRI) en la generación de emisiones realizado con el HDM-4, el cual refleja que existe un ahorro de estos contaminantes atmosféricos por la mejora del estado del camino. Se concluye que el estado superficial de una carretera o vialidad, medido en términos del IRI, ya sea para la selección de estrategias de conservación o durante la etapa de operación de un camino, contribuye a la generación de emisiones contaminantes emitidas a la atmósfera.

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1 INTRODUCCIÓN La calidad superficial de un pavimento tiene especial importancia como un elemento clave para describir el estado en que se encuentra una carretera, en términos de las irregularidades presentes.

Actualmente, se tienen diferentes variables que miden las características superficiales de los pavimentos como la profundidad de rodera, el índice de perfil o el índice de rugosidad internacional (IRI).

En México, la condición del camino se evalúa según se muestra en la Tabla 1 y se correlaciona conforme al IRI, el cual refleja principalmente aspectos de confort y seguridad para los usuarios de una carretera [1].

Tabla 1. Intervalos de IRI para la clasificación de los tramos.

Condición del camino

IRI (m/km) Autopistas de cuota y corredores carreteros

Red básica libre y red secundaria

Bueno

<1.8

<2.5

Aceptable

1.8-2.5

2.5-3.5

No satisfactorio

>2.5

>3.5

Estas mediciones permiten diagnosticar el estado del pavimento de la red nacional de caminos, pero también representan el estado de confort para los usuarios que circulan por los diferentes tramos carreteros del país. Por otra parte, los diferentes estados del pavimento representan impactos más o menos significativos en cuanto a las emisiones contaminantes derivadas del consumo energético de los vehículos.

Las métricas de la rugosidad, es decir, del IRI, son uno de los factores que más influyen en el exceso de consumo de combustible [2]. Por este motivo, es valioso para los países mantener en buen estado la superficie de los pavimentos con la finalidad de obtener ahorros importantes en los costos de operación vehicular del tránsito que circula por la red vial mexicana, aunado a su relación intrínseca con las emisiones.

Para contribuir a una gestión adecuada de la conservación de la red vial es fundamental contar con un sistema de gestión de activos, buscando optimizar las inversiones en el mantenimiento y priorizar los tramos que requieren ser intervenidos, que además permita seleccionar acciones de conservación adecuadas sobre una base técnica, pero considerando su impacto al medioambiente, particularmente en la generación de emisiones.

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El presente trabajo de investigación analiza la variable ambiental —emisiones— que se ha obtenido de diversos estudios mediante el submodelo efectos ambientales (SEA), del sistema para el desarrollo y gestión de carreteras (highway development and management system), mejor conocido por las siglas HDM-4, como un elemento ambiental a considerar en la conservación vial.

2 ANÁLISIS DEL SUBMODELO EFECTOS AMBIENTALES (SEA) El HDM-4 es un modelo computacional que simula condiciones económicas y físicas a lo largo de un periodo de tiempo, para una serie de especificaciones y escenarios definidos por el usuario.

El SEA es un submodelo del HDM-4 que permite realizar un análisis del consumo de energía de los vehículos motorizados y del uso de energía en los trabajos; adicionalmente, posibilita cuantificar las emisiones que los diferentes tipos de vehículos generan en los tramos de análisis [3]. La Figura 1 muestra el marco conceptual de HDM-4, donde se visualiza la ubicación del modelo para la estimación de emisiones.

Dicho modelo permite calcular la cantidad de emisiones contaminantes en forma de sustancias químicas, generadas por la operación del transporte sobre una red carretera o segmento de la misma. La naturaleza y cantidad de estas emisiones depende de una serie de factores que incluyen el tipo, edad y estado de mantenimiento del vehículo, la velocidad de desplazamiento, la composición del combustible, el estado superficial y la pendiente del camino, así como de las condiciones climatológicas.

Figura 1. Marco conceptual del HDM-4.

3 MODELO PARA EL CÁLCULO DE EMISIONES El modelo considera únicamente las siguientes emisiones primarias: el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono (CO2), los óxidos de nitrógeno (NOx), el dióxido de azufre (SO2), hidrocarburos (HC), plomo (Pb), y las partículas suspendidas (PM). Se toman en cuenta solo las emisiones en caliente y el tipo de combustible (diésel o gasolina).

El modelo para el cálculo de emisiones del HDM-4 está diseñado para realizar estimaciones comparativas de las cantidades de emisiones generadas por diferentes opciones de mejora y mantenimiento.

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El HDM-4 realiza una comparación en cuanto a nivel de emisiones entre dos proyectos de mejora de una carretera y no entre dos vehículos, motivo por el cual se construyó el modelo con base en la predicción de niveles de emisión promedio [4]. Esta comparación podría ayudar a decidir entre las diversas estrategias de conservación que deberían ser usadas para un segmento determinado de la red, comparando los beneficios que se obtendrían con la disminución en la cantidad de emisiones generadas debido a la mejora de las condiciones del camino, y el costo de implementar dichas estrategias.

El modelo se basa en el propuesto por Hammarström [5], y predice las emisiones del escape de los vehículos en función del consumo de combustible y de la velocidad. El consumo de combustible está en función de la velocidad del vehículo, que a su vez depende de las características del camino y de la propia unidad.

De esta manera es posible analizar el cambio en la cantidad de emisiones como resultado de la implementación de diferentes estrategias de mantenimiento y/o mejora de un camino (cambios en el IRI), o cuando existen cambios mayores en la flota vehicular que transita en la red carretera.

4 METODOLOGÍA PARA LA ESTIMACIÓN DE EMISIONES La metodología planteada para la estimación de emisiones vehiculares con el HDM-4 se basa en tres etapas, conforme se muestra en la Figura 2 [6]. La primera etapa requiere recopilar la información de los datos del tránsito, obtener la información de la geometría del camino (longitud, pendiente y curvatura promedio), caracterizar la flota vehicular (autos, autobuses y camiones), así como obtener la información ambiental de la zona donde se ubica el camino (ambiente tropical, seco, templado, frío o polar). La etapa 2 es la alimentación del software HDM-4 para realizar los análisis necesarios con el modelo. Finalmente, en la etapa 3 se obtienen los resultados de las emisiones derivadas del análisis del modelo.

Figura 2. Metodología para la estimación de emisiones de vehículos automotores que circulan en carreteras utilizando el HDM-4.

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El análisis realizado en este modelo se basa en una flota de vehículos representativos, los cuales muestran características que pueden ser consideradas como representativas del total de vehículos.

5 CASO DE ESTUDIO Con el fin de ejemplificar la manera en que se obtiene la cantidad de emisiones generadas y observar el impacto en las emisiones al comparar diferentes estrategias de conservación, se seleccionó un tramo carretero en el estado de Querétaro. Dicho tramo es un camino tipo C, el TDPA y de la composición vehicular fueron obtenidos los datos viales de la SICT, la caracterización de la flota vehicular se basó en los análisis de los estudios origen-destino que publica el IMT, la zona climática es subtropical-cálido-semiárido, y el tipo de pavimento es de concreto asfáltico.

Las características del tramo se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2. Características del tramo de estudio.

Tramo

TDPA

Longitud

IRI

Año de medición

Velocidad máxima permitida

ID 1

1900

24 km

5

2022

100 km/h

Se establecieron tres casos de conservación para el tramo. Las características respectivas se muestran en la Tabla 3. Con lo anterior se pretende visualizar los cambios en la cantidad de emisiones generadas por los vehículos cuando se implementan medidas para mejorar las condiciones físicas de la infraestructura carretera.

Tabla 3. Descripción de casos de conservación.

Caso

Descripción del tipo de conservación

1

Bacheo, riego de sello para 20% del área dañada, reconstrucción para IRI = 8

2

Bacheo, reconstrucción para IRI = 8 y sobrecarpeta para IRI=5

3

Bacheo, riego de sello para 20% del área dañada, reconstrucción para IRI = 8 y sobrecarpeta para IRI=5

Esta comparación en cuanto a nivel de emisiones entre dos proyectos de mejora de una carretera, ayudaría a decidir entre diversas estrategias de conservación de un segmento determinado de la red, comparando los beneficios ambientales que se obtendrían con la disminución en la cantidad de emisiones generadas debido a la mejora de las condiciones del camino, y el costo de implementar dichas estrategias.

Lo anterior permite obtener información del comportamiento ambiental en cuanto a la generación de emisiones contaminantes, con requerimientos relativamente bajos de datos de entrada adicionales a los que se requieren para realizar un análisis de proyecto dentro del mismo programa, además facilita una comparación entre las consecuencias de las distintas obras y las alternativas de construcción con un caso base.

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La Tabla 4 muestra la suma de las emisiones generadas del año 2022 al 2032 por emisión, para cada caso de conservación. En la tabla se observa que el caso 2 y 3 generan la misma cantidad de emisiones, y están por debajo de la opción de conservación 1.

Tabla 4. Comparativa entre casos de conservación.

Caso

HC

CO

NOx

PM

CO2

SO

1

129.854,33

519.104,24

1.189.098,00

39.124,81

85.669.510,84

25.446,97

2

129.415,92

542.121,26

1.182.571,76

38.499,87

86.386.404,05

25.682,49

3

129.415,92

542.121,26

1.182.571,76

38.499,87

86.386.404,05

25.682,49

Nota: Emisiones totales en gramos por 1,000 vehículos–kilómetro.

Además de las emisiones anuales totales y por vehículo, la variación anual neta de las emisiones como consecuencia de las distintas obras y alternativas de construcción con un caso base (sin proyecto o mínimo), que normalmente representa el estándar mínimo de conservación rutinario, puede también ser analizada con el HDM-4.

Aunque los resultados no representan de manera detallada la cantidad y naturaleza exacta de las emisiones generadas, por el tipo de agregación de la información, sí nos proporcionan una idea clara de cómo la selección de la estrategia de conservación puede tener mayor o menor impacto en la generación de emisiones.

Esto se debe principalmente al nivel del estado superficial que se desee alcanzar con la estrategia de conservación, por lo que el IRI representa un parámetro significativo en la generación de emisiones carreteras.

6 ANÁLISIS DE LA SENSIBILIDAD DEL IRI EN EL HDM-4 Un análisis adicional fue realizado para evaluar la cantidad de emisiones que se generan en un tramo en operación utilizando el HDM-4 para diferentes niveles de IRI, con la finalidad de observar su sensibilidad e impacto.

La Figura 3 muestra la variación del IRI desde una condición superficial buena (2.0), hasta el límite de inicio de la condición no satisfactoria (4.2), donde se aprecia un incremento en la generación de emisiones, particularmente las de dióxido de carbono, en función del deterioro del estado superficial del pavimento.

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Figura 3. Metodología para la estimación de emisiones de vehículos automotores que circulan en carreteras utilizando el HDM-4.

Los resultados obtenidos tienen como base una muestra representativa de 1,000 vehículos por tipo, por lo que al caracterizar la flota vehicular del tramo se puede conocer el impacto real en las emisiones, el cual varía por la cantidad y el tipo de vehículos.

Los resultados del estudio en el tramo con mayor detalle muestran que la mayoría de las emisiones de HC y CO provienen de los vehículos tipo A. Esto se debe —en esencia— a que los factores de emisión para los vehículos que utilizan gasolina como combustible tienen valores relativamente más elevados.

Por otro lado, los vehículos pesados que utilizan diésel son la categoría de fuente más significativa en cuanto a emisiones de NOx, PM, SO2 y CO2. Esto se debe a que los factores de emisión de estos contaminantes para vehículos pesados que se alimentan con diésel son considerablemente mayores que los correspondientes a vehículos y camiones ligeros con gasolina. Se observa la importante contribución de los vehículos pesados en la generación de NOx, además de la generación de hidrocarburos por parte de los vehículos ligeros (tipo A), debido al uso de gasolina como combustible.

Lo anterior permite observar el comportamiento ambiental de la generación de emisiones contaminantes en carretera con requerimientos relativamente bajos de datos de entrada a los que se requieren para realizar un análisis de proyecto dentro del mismo programa HDM-4.

7 CONCLUSIONES El uso del módulo ambiental para estimar la cantidad de emisiones integrado en el HDM-4 permite tener la posibilidad de estimar

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la cantidad de emisiones generadas en la red o segmento de la misma, por la operación del transporte carretero que circula sobre ella.

Además, el modelo utilizado permite tener una idea aproximada de las implicaciones ambientales del deterioro de las condiciones de la red carretera, lo que genera un aumento en el consumo de combustible, costos para el usuario, y por lo tanto de las emisiones emitidas a la atmósfera.

Desde el punto de vista ambiental el mejoramiento de las carreteras contribuye directamente a la reducción de emisiones contaminantes. De esta manera se puede incluir la variable ambiental —emisiones— en el proceso de toma de decisiones, para lograr convertirse en un criterio relevante en la selección de las estrategias de conservación y en el mejoramiento del estado superficial de las carreteras del país.

El uso del submodelo efectos ambientales del HDM-4 en las redes carreteras puede también ser una herramienta dentro de la conservación vial para la reducción de gases de efecto invernadero y que en un futuro pueda formar parte del criterio de los programas de conservación vial. A nivel de red, por ejemplo, puede identificar tramos carreteros donde actualmente se genera una cantidad significativa de emisiones y, que por lo tanto, deben ser intervenidos para reducir el impacto al medioambiente.

8 REFERENCIAS

[1] Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT). (2016). N-CSVCAR-1-03-0004/16 Determinación del Índice de Regularidad Internacional (IRI).

Dirección General de Servicios Técnicos. Subsecretaría de Infraestructura.

[2] Botshekan, Meshkat; Tootkaboni, Mazdak P.; Louhghalam, Arghavan. (2019). Global Sensitivity of Roughness-Induced Fuel Consumption to Road Surface Parameters and Car Dynamic Characteristics. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. https://doi.org/10.1177/0361198118821318 [3] World Road Association (PIARC). (2006). Highway Development & Management (HDM-4).

Volumen Four: Analytical Framework and Model Descriptions. Version 2.0.

[4] Bennett, Christopher R. (1996). HDM-4 Emissions model - draft specifications: International study of highway development and management tools. United Kingdom: University of Birmingham.

[5] Hammarström, Ulf (1995). Exhaust emissions from road traffic - description of driving patterns by means of simulations models. Swedish National Road and Transport Research Institute, November 1995.

[6] Mendoza, J.F. et al. Inventario de emisiones en carreteras. (2010). Publicación Técnica No. 339 Instituto Mexicano del Transporte. Qro., México.

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NUEVA METODOLOGÍA PARA EL CONTROL DE CALIDAD DE LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS UTILIZADAS EN LOS RIEGOS DE SELLO CON GRAVILLA Álvaro Gutiérrez Muñiz

Quimi-Kao S.A. de C.V., El Salto, Jalisco, México agutierrez@kao.com

COMITÉ MATERIALES ASFÁLTICOS Rosita Martínez Arroyo Israel Sandoval Navarro Adrián Ramírez Aldo Salazar Álvaro Gutiérrez Andrés Guerrero César Álvarez Dulce Valeria Guzmán Ernesto González Francisco Javier Moreno Fierros Gabriel Hernández Zamora Jorge Isaac Díaz Jorge Vázquez Juan Daniel Ruvalcaba Juan Manuel Zambrano Karla Cecilia Camarena Norberto Cano Raymundo Benítez Vanessa López

1 INTRODUCCIÓN Las emulsiones asfálticas son una excelente alternativa ecológica en la construcción de los pavimentos flexibles, ya que el asfalto —al estar disperso en agua en forma de pequeños glóbulos de tamaños ente 4 y 10 micras— presenta a temperatura ambiente una viscosidad muy baja respecto al asfalto sin emulsionar, permitiéndonos hacer mezclas con agregados a temperatura ambiente, lo cual genera grandes ahorros de energía al dejar de calentar este agregado. Así, si la obtención de esta energía proviene de la combustión de compuestos orgánicos, entonces se deja de arrojar a la atmósfera grandes cantidades de dióxido de carbono que es el principal gas que está creciendo en nuestra atmósfera y que incrementa la temperatura promedio global de nuestro planeta.

La IBEF (Federación Internacional de Emulsiones Bituminosas) agrupa a los productores de emulsiones asfálticas para el uso vial a través de sus asociaciones nacionales y sus socios, además de intercambiar información técnica sobre emulsiones asfálticas, en particular sobre la producción y el uso de las mismas. La federación ha reportado que cada año se producen más de 8 millones de toneladas de emulsión de asfalto en todo el mundo, lo que representa casi el 10% del consumo mundial de asfalto, pero la idea es que este porcentaje sea cada vez mayor. México ocupa el cuarto lugar como productor mundial y en el continente americano el segundo lugar, lo cual es un orgullo. La Figura 1 muestra estos datos proporcionados por la IBEF [1].

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Figura 1. Datos de la producción de emulsiones asfálticas de diferentes países proporcionados por la IBEF.

Las emulsiones asfálticas se utilizan tanto en las actividades de mantenimiento del pavimento como en su construcción, ya que aseguran la durabilidad de las estructuras gracias a sus funciones de adherencia, curado y protección. Las principales técnicas de aplicación de las emulsiones son el riego de sello con gravilla, la microsuperficie, el slurry seal, el riego de niebla o sellado, el scrub seal, el riego de impregnación, la grava-emulsión y las mezclas en frío con arena. De todas las anteriores tecnologías, la que más se utiliza es el riego de sello con gravilla; la ISSA (International Slurry Surfacing Association) define esta tecnología como la aplicación de un ligante asfáltico (asphalt binder) seguido de una aplicación uniforme de un agregado de una composición granulométrica determinada y después compactado con un rodillo neumático. Dado que la principal aplicación en la que se utilizan las emulsiones asfálticas es la del riego de sello con gravilla, se requiere de una fuerte innovación para fortalecer esta tecnología motivando a investigadores y constructores a emplear las emulsiones en más aplicaciones. Por tal motivo, en este estudio se proponen dos nuevos métodos para solucionar los dos problemas que más se presentan en los riegos de sello con gravilla que son la migración del asfalto residual a la superficie (bleeding) y la fractura del asfalto residual a bajas temperaturas ocasionando la pérdida de la gravilla (raveling). En la Figura 2 se ilustran las etapas o los pasos que deben de seguirse para la colocación de un riego de sello con gravilla. Los pasos: limpieza de la superficie, distribución de la emulsión asfáltica, distribución de la gravilla, compactación con rodillo neumático y apertura al tráfico a baja velocidad [2].

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Figura 2. Etapas o pasos que deben de seguirse para la colocación de un riego de sello con gravilla. Imagen tomada del libro Emulsiones Asfálticas y traducido del Francés por la AMAAC.

2 METODOLOGÍA Los nuevos métodos propuestos en este estudio están basados en la medición de ciertas propiedades reológicas del asfalto. Para explicar estas propiedades reológicas del asfalto residual de la emulsión partimos de que el asfalto es un compuesto muy susceptible a la temperatura, presentando un módulo aproximado de 0.300 Pascales a 140 °C, un módulo aproximado de 1x103 Pascales a 64 °C, un módulo aproximado de 1x106 Pascales a 25 °C y un módulo aproximado de 1x108 Pascales a -22 °C. Además, presenta un comportamiento visco-elástico debido a que exhibe un comportamiento viscoso (fluye ante una carga) y un comportamiento elástico (se deforma ante una carga) al mismo tiempo, de tal manera que podríamos representar el módulo de corte complejo (G*) como la resultante de un sistema de vectores formado por una componente elástica (G’) y una componente viscosa (G’’); cuando una de las componentes es mayor, el comportamiento que predomina es el de ésta, es decir, si la componente elástica es mayor que la viscosa, el comportamiento del asfalto será como un sólido visco-elástico (esto ocurre a bajas temperaturas) y cuando la componente viscosa es mayor que la elástica, el comportamiento del asfalto será como un líquido visco-elástico (esto ocurre a altas temperaturas). Cuando la componente elástica y la viscosa son iguales en magnitud, el ángulo de fase es 45° representando un punto de transición llamado por algunos autores “punto de transición SOL-GEL”, otros autores lo llaman “crossover point” y otros autores lo llaman “punto de fusión”. Si comenzamos a incrementar la temperatura del asfalto por arriba

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de su punto de transición, el comportamiento de este comenzará como un líquido visco-elástico hasta alcanzar el comportamiento de un líquido viscoso con un ángulo de fase de 90°, pero si comenzamos a disminuir la temperatura del asfalto por debajo de su punto de transición, el comportamiento de éste comenzará como un sólido-visco-elástico hasta alcanzar el comportamiento de un sólido elástico con un ángulo de fase de 0°. En la Figura 3 se explica en forma animada lo anteriormente mencionado.

Figura 3. Propiedades reológicas del asfalto en función de la temperatura y la frecuencia constante.

En la Figura 3 podemos observar la variación del módulo del asfalto en función de la temperatura pero utilizando una frecuencia constante, es decir, el tiempo en que aplicamos el esfuerzo es constante. A altas temperaturas el asfalto se comporta como un líquido viscoso y a bajas temperaturas como un sólido elástico pero si ahora estresamos el asfalto a una temperatura constante y variando la frecuencia, entonces la gota de asfalto que observamos en la Figura 3 estaría del lado del cubo de asfalto sólido y éste estaría donde se encuentra la gota. Ahora podemos decir que a altas frecuencias (equivalente a baja temperatura), el asfalto se comporta como un sólido elástico y a bajas frecuencias (equivalente a altas temperaturas) como un líquido viscoso, es por ello que cualquier ensayo en el que estresemos el asfalto debemos de definir a qué temperatura y a qué frecuencia fue realizado [3]. Para obtener del asfalto los valores del módulo de corte complejo, de almacenamiento y de pérdida se utiliza un reómetro de corte dinámico, que aplica un esfuerzo cortante utilizando un movimiento oscilatorio generando una deformación unitaria. Así, se puede comparar el asfalto con una baraja de naipes e imaginar que cada

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carta es un plano de las moléculas del asfalto y al aplicar fuerza a la primera carta, entonces esta se desplazará a una determinada velocidad y una determinada distancia y la segunda carta con menos distancia que la anterior hasta que la última carta no tenga movimiento. De esta manera, la fuerza aplicada entre el área de la carta será igual al esfuerzo cortante (shear stress) aplicado, representado por la letra griega τ (tau minúscula); sus unidades en el sistema internacional serían Pascales dado que la fuerza está en Newtons y el área en metros cuadrados y un Newton sobre metro2 es igual a un Pascal [3]. Esto lo observamos en la Figura 4.

Figura 4. Explicación del esfuerzo cortante (shear stress) aplicado al asfalto.

Continuando con nuestro ejemplo de la carta de naipes, donde al aplicar determinado esfuerzo cortante la primera carta se desplazará cierta distancia (desplazamiento) y la segunda carta —debido a la fricción— se desplazará con menos distancia que la anterior y así sucesivamente hasta que la última carta no tenga movimiento, entonces la deformación unitaria o deformación en corte (shear deformation) de la carta será igual al desplazamiento entre el espesor de la baraja, es decir, entre la distancia entre planos tal como se representa en la Figura 5. La deformación en corte se representa con la letra griega gamma minúscula γ y no tiene unidades aunque en algunos casos —por comodidad pero no por cálculo— se multiplica por 100, denominándose porcentaje de deformación en corte [3].

Figura 5. Explicación de la deformación unitaria en corte del asfalto al aplicarle un esfuerzo cortante.

Ahora aplicaremos al asfalto el esfuerzo cortante en forma oscilatoria, lo que ocasionará un desplazamiento que dividido entre la distancia generará el dato de una deformación unitaria. A partir de esto, la resistencia que ofrece este residuo es el módulo de corte complejo G* que será igual al esfuerzo cortante (Pascales) entre la deformación unitaria (sin unidades) por lo que sus unidades serán Pascales, tal como lo ilustra la Figura 6.

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Figura 6. El módulo de corte complejo es igual a la relación entre el esfuerzo cortante (τ) y la deformación cortante (γ).

Los nuevos métodos de prueba de este estudio requieren de un reómetro de corte dinámico (DSR) y se llevan a cabo al colocar una capa delgada del residuo asfáltico de la emulsión entre dos platos metálicos de 25 y 8 mm de diámetro, de los cuales el inferior permanece fijo y el superior gira repetidamente en forma oscilatoria de tal forma, que un solo ciclo de carga ocurre cuando el plato superior gira en dirección contraria de las manecillas del reloj desde su posición cero (A) a la posición (C); después, gira en sentido de las manecillas del reloj hasta la posición (D); posteriormente, gira en sentido contrario a las manecillas del reloj hasta la posición (A), tal como lo muestra la Figura 7.

Figura 7. Movimiento del plato superior durante la prueba de los métodos propuestos.

Para el método de la energía de fluidez, la prueba comienza aplicando un esfuerzo de corte (shear stress) necesario para deformar la muestra del residuo asfáltico en un 0.1% (initial strain 0.1%) durante un ciclo y después una deformación del 0.2% por un ciclo y así sucesivamente hasta completar el 100% de deformación por lo que la prueba realiza 1,010 mediciones (1,010 puntos) con 10,100 ciclos totales. Además, la rapidez con la que el equipo realiza los ciclos será con una frecuencia de 2 Hertz (2 ciclos por segundo) y el tiempo que dura el reómetro deformando el residuo asfáltico entre 0.1% y 0.2% será de 5 segundos por lo que el tiempo total de la prueba será de 5,050 segundos. Se utiliza esta baja frecuencia porque —como ya lo mencionamos— a baja frecuencia el asfalto se comporta como un líquido

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viscoso. Los principales datos reológicos generados durante la prueba son el esfuerzo de corte y la deformación de corte en cada punto y estos son graficados obteniendo una curva de esfuerzo vs. la deformación del residuo de una emulsión asfáltica, tal como lo muestra la gráfica de la Figura 8.

Figura 8. Gráfica de esfuerzo cortante vs. deformación cortante del residuo de una emulsión asfáltica de rompimiento rápido obtenida con este nuevo método de prueba.

El científico David Roylance del departamento de ciencia e ingeniería de materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts [4] reporta que la energía de deformación por unidad de volumen de un material estresado es igual a: 𝑈𝑈𝑈𝑈 ∗ =

1 𝑓𝑓𝑓𝑓 � 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 = � 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑/𝐿𝐿𝐿𝐿 = � 𝜎𝜎𝜎𝜎𝑑𝑑𝑑𝑑𝜎𝜎𝜎𝜎 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝐴𝐴𝐴𝐴

(1)

U* = Energía por unidad de volumen (Joules/m3) σ = Esfuerzo cortante (Pa) ∈ = Deformación unitaria De la anterior ecuación del científico Roylance deducimos que la energía de deformación o de fluidez o de escurrimiento (yield energy en Joules/m3) del residuo de una emulsión asfáltica será igual al área bajo la curva del esfuerzo cortante vs. la deformación cortante, dado que la integral del esfuerzo por la derivada de la deformación será igual al área bajo la curva y entonces tendríamos que calcular esta área de la Figura 8. Sin embargo, nos damos cuenta de que esta curva describe dos comportamientos muy

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marcados, el primero comienza con una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación, después se va perdiendo esta relación lineal hasta alcanzar un esfuerzo máximo para luego disminuir en forma controlada pero, posteriormente, comienza una etapa donde el esfuerzo y la deformación aumenta y disminuye en una forma desordenada debido a que la muestra sufre un alto estrés, desorientando a las moléculas por lo que, para calcular el área bajo la curva, será necesario utilizar una ecuación para cada comportamiento y al final sumar las dos áreas para obtener la energía de fluidez (yield energy). En la gráfica de la Figura 9 mostramos la forma en que se deben de seleccionar las dos áreas.

Figura 9. Gráfica de esfuerzo cortante vs. deformación cortante del residuo de una emulsión asfáltica obtenida con este nuevo método de prueba marcando los dos tipos de comportamiento para el cálculo del área bajo la curva.

Para el método de la resistencia a la fisuración por fragilidad del residuo asfáltico de la emulsión, la prueba comienza aplicando un esfuerzo de corte (shear stress) necesario para deformar la muestra del residuo asfáltico en un 0.1% (initial strain 0.1%) durante un ciclo y después una deformación del 0.2% por un ciclo y, así sucesivamente, hasta completar el 100% de deformación por lo que la prueba realiza 1,010 mediciones (1,010 puntos) con 10,100 ciclos totales. La rapidez con la que el equipo realiza los ciclos será con una frecuencia de 20 Hertz (20 ciclos por segundo) y el tiempo que dura el reómetro deformando el residuo asfáltico entre 0.1% y 0.2% será de 0.5 segundos por lo que el tiempo total de la prueba será de 505 segundos.

Se utiliza esta alta frecuencia porque, como ya lo mencionamos, a alta frecuencia el asfalto se comporta como un sólido rígido. Los principales datos reológicos generados durante la prueba son el esfuerzo de corte que al multiplicarse por área de los platos de 8 mm nos da la fuerza o carga y la deformación de corte en cada punto. Después, estos son graficados obteniendo una curva de carga vs. desplazamiento del residuo de una emulsión asfáltica, tal como lo muestra la gráfica de la Figura 10.

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Figura 10. Curva carga-desplazamiento elaborada con los datos obtenidos del método propuesto en este estudio.

Los parámetros obtenidos de la curva de carga-desplazamiento que se muestran en la Figura 10: Trabajo de fractura (Wf), energía de fractura (Gf), pendiente posterior al pico (m), desplazamiento en la carga máxima (uMax), índice de flexibilidad (IF).

• Desplazamiento u (mm): El desplazamiento se calcula utilizando los datos del porcentaje de deformación, la deflexión angular y la distancia de separación entre los platos que es de 1,000 mm (Gap). La prueba tiene 1,010 datos de porcentaje de deformación y 10,100 ciclos, esto significa que la prueba comienza con 0.1% de deformación con 10 ciclos y termina con 100% de deformación con 10 ciclos, sumando un total de 10,100 ciclos. El desplazamiento se calcula utilizando la Ecuación (I-1): Desplazamiento = u = (ángulo de deflexión) * (radio del plato en mm) = mm

(I-1)

Las unidades del desplazamiento están en milímetros porque las unidades del área bajo la curva carga-desplazamiento son Joules y la carga está dada en kilonewtons.

• Desplazamiento inicial u0 (mm): El desplazamiento inicial es siempre 0.0 mm.

• Desplazamiento a la carga máxima uMax (mm): Este desplazamiento ocurre cuando se obtiene la carga máxima.

• Desplazamiento final uFinal: El valor de este desplazamiento es 1.0 mm al llegar al 100% de la deformación cuando termina la prueba, esto sucede si se utiliza 1,000 mm de abertura entre platos. Cuando no se obtiene el 100% de la deformación (esto ocurre cuando la prueba se lleva a cabo usado una frecuencia igual o mayor a 20Hz), el desplazamiento final se calcula empleando la Ecuación (I-2).

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• Carga P (kN): El dato de la carga o fuerza se obtiene del esfuerzo cortante aplicado en cada % de deformación multiplicado por el área del plato, esto significa que tenemos 1,010 datos de esfuerzo cortante, 1,010 datos de deformación y 1,010 datos de carga. Las unidades de la carga están en kilonewton porque las unidades del desplazamiento son milímetros y las unidades del área bajo la curva de carga-desplazamiento son Joules. La fuerza en kN se calcula a partir de la Ecuación (I-2).

Carga = (esfuerzo cortante en Pascales) * (π) * (radio2 del plato en metros)/1000 = kN

(I-2)

• Trabajo de fractura Wf (Joules): El trabajo de fractura se calcula como el área bajo la curva de carga vs. desplazamiento (ver Figura 8).

El área bajo la curva de carga-desplazamiento se calcula utilizando una técnica de integración numérica, es decir, los 1,010 datos de carga-desplazamiento se ajustan a una ecuación polinómica con un grado de 6: P = Au6 + Bu5 + Cu4 – Du3 + Eu2 + Fu + G

(A,B,C,D, F y G son constantes)

(I-3)

El área bajo la curva es la integral de la Ecuación polinomial (I-3) entre los límites de la deformación inicial y la deformación final: 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢

𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊 = � 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑢𝑢𝑢𝑢)𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑢𝑢𝑢𝑢) = 𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝑢𝑢𝑢𝑢𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠𝑠𝑠

(I-4)

𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢

• Energía de fractura (Gf): La energía de fractura Gf se calcula dividiendo el trabajo de fractura Wf que es el área bajo la curva carga-desplazamiento (Ecuación I-4), entre el área de fractura (Ecuación I-6), de acuerdo con la Ecuación (I-5): 𝑊𝑊𝑊𝑊𝐺𝐺𝐺𝐺 𝑋𝑋𝑋𝑋 106

= 𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝑟𝑟𝑟𝑟𝐽𝐽𝐽𝐽𝑟𝑟𝑟𝑟𝐽𝐽𝐽𝐽/𝑚𝑚𝑚𝑚2

(I-5)

Área de fractura = (0.5 * (radio del plato en mm)² * Φ) = mm²

(I-6)

𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 =

(Á𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟𝑟𝑟 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 )

• Área de fractura (mm2): El área de fractura es el área de corte que ocurre en el porcentaje de máxima deformación y donde el ángulo de deflexión Φ es el máximo (ver Figura 7) al que llega la prueba. Este valor es de 2.0 mm2 cuando se utilizan platos paralelos de 8 mm de diámetro y la deformación total es del 100 % con una abertura entre paltos de 1.000 mm.

El área se calcula de acuerdo con la siguiente Ecuación I-6:

• Pendiente m: El valor de la pendiente m en el punto de inflexión se determina derivando la ecuación polinomial de sexto orden (Ecuación I-3) y al poner los valores del desplazamiento de la línea recta que pasa por la mayoría de los puntos en la curva carga-desplazamiento en la zona después de la carga máxima (ver Figura 8 y 10). Se calcula el valor de la derivada en cada uno de esos puntos y se selecciona el valor absoluto máximo (punto de inflexión) que será el valor de m.

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Índice de flexibilidad (IF): El índice de flexibilidad se puede calcular a partir de los parámetros obtenidos utilizando la curva carga-desplazamiento con la energía de fractura y el área de fractura conforme con la Ecuación (I-7). El factor Z se utiliza para la conversión y el escalamiento de unidades. Z es igual a 0.0001 por así convenir a que los valores de IF estén en el rango entre 0 y 20.

•

𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =

𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 × 𝑍𝑍𝑍𝑍 |𝑚𝑚𝑚𝑚|

(I-6)

Dónde |m| = valor absoluto de la pendiente m (kN/mm).

3 ANÁLISIS DE RESULTADOS En este estudio se utilizaron 5 emulsiones asfálticas proporcionadas por diferentes productores con diferentes tipos de asfaltos que son los más utilizados, tal como lo muestra la Tabla 1.

Tabla 1. Emulsiones asfálticas utilizadas en este estudio.

Emulsión A

Emulsión B

Emulsión C

Emulsión D

Emulsión E

Tipo de asfalto

PG 64-22

PG 64-22 más polímero

PG 58-28

PG 64-22 más polímero

PG 70-16

Tipo de emulsificante

Catiónico A

Catiónico A

Catiónico A

Catiónico A

Catiónico A

Dosis de asfalto (%)

66

66

67

66

66

Dosis de emulsificante (%)

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

pH

1.8

1.8

1.8

2.0

1.9

Dosis de látex (%)

0

3.0

0

0

0

3.1 Análisis de resultados con el método que evalúa la energía de fluidez Los resultados de la energía de fluidez a la temperatura de 70 °C de estas 5 emulsiones descritas en la Tabla 1 son observados en las gráficas de esfuerzo contante vs. deformación de la Figura 11 y la Tabla 2.

Figura 11. Gráficas de esfuerzo cortante vs. deformación cortante del residuo de varias emulsiones asfálticas obtenidas con este nuevo método de prueba para calcular el área bajo la curva que será la energía de escurrimiento.

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Tabla 2. Datos a 70 °C de energía de fluidez junto con otros parámetros reológicos del residuo asfáltico de las 5 emulsiones descritas en la Tabla 1.

Emulsión A

Emulsión B

Emulsión C

Emulsión D

Emulsión E

Energía de fluidez (Joules/m3)

832.98

1548.13

332.11

755.88

875.50

Complinace Jnr, 3.2KPa (KPa-1)

4.2299

1.4120

14.2427

6.2601

2.7210

G*/sen δ (KPa)

2.1112

5.4716

0.5038

1.7187

2.1929

Módulo de corte complejo G* (KPa)

2.0696

5.0464

0.5037

1.6213

2.1351

Módulo elástico G’ (KPa)

0.4090

1.9504

0.0164

0.5376

0.4867

Ángulo de fase δ (°)

78.6

67.3

88.1

70.63

76.8

Observando los resultados mostrados en la gráfica de la Figura 11 y la Tabla 2, deducimos que la emulsión “B” fue la que mostró una mayor energía de fluidez y también fue la que presentó un menor valor de plasticidad (Compliance Jnr), mayor módulo de corte complejo, módulo elástico y relación G*/senδ; en sentido opuesto, la emulsión “C“ fue la que presentó menor energía de fluidez y menor rigidez. De esta forma, se observa una relación potencial entre la energía de escurrimiento y el valor de Jnr, además de una relación lineal con las otras propiedades reológicas en todas las emulsiones, tal como lo ilustran las gráficas de la Figura 12.

Figura 12. Gráficas que muestran una estrecha correlación entre la energía de fluidez y las diferentes propiedades reológicas.

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Al utilizar este nuevo método de prueba para evaluar la energía de fluidez (escurrimiento) podemos controlar que el residuo de una emulsión asfáltica obtenido con este método descrito tenga como mínimo una energía de fluidez (yield energy) de 1400 Joules/ m3 a la temperatura más alta del pavimento que generalmente oscila entre 60° y 70 °C. Así, es evidente que este nuevo método y su especificación deben de continuar evaluándose por varias empresas y la SICT para fortalecer estos resultados, pero claramente se puede observar que este nuevo método es una alternativa para controlar que el residuo de la emulsión sea resistente al escurrimiento (bleeding). Cabe hacer mención que The National Cooperative Highway Reserch Program reporta un nuevo método de prueba para controlar el escurrimiento basado en la medición de Jnr a 3.2KPa-1 a la máxima temperatura del pavimento mostrando la importancia de una innovación en los métodos para el control de la calidad de las emulsiones asfálticas [7].

3.2 Análisis de resultados con el método de la energía de fractura e índice de flexibilidad Los resultados de la energía de fractura e índice de flexibilidad a la temperatura de 20 °C empleando el segundo nuevo método de prueba manifestado en este estudio y el residuo asfáltico de las 5 emulsiones descritas en la Tabla 1, son mostrados en las gráficas de carga vs. desplazamiento de la Figura 13. En la Tabla 3 se muestran los resultados del índice de flexibilidad, valor de la pendiente y la energía de fractura. Para evaluar la resistencia a la fractura del residuo de la emulsión asfáltica utilizando este nuevo método, la muestra de ligante asfáltico debe ser colocada dentro de los platos de 8 mm en el DSR y debe de ser obtenida del proceso de colocar 50 gramos de emulsión en la charola estipulada en la prueba AASHTO R28-12 (ensayo PAV) y después esta misma (con los 50 gramos de emulsión) se pone en un horno por 3 horas a 120 °C. Tras este proceso, se deja enfriar por dos horas y se procede conforme la prueba AASHTO R28, donde la muestra del residuo de la emulsión es sometida a 100 °C y 2.1MPa por 20 horas. Estas condiciones simulan un proceso de envejecimiento del asfalto constante en el laboratorio y un proceso en campo que puede oscilar entre los 3 y 8 años. Recordemos que este nuevo método utiliza una frecuencia de 20 Hz para que el asfalto se comporte como un sólido rígido y una temperatura de 20 °C, es decir, la baja frecuencia simula la condición de baja temperatura, aunque la prueba está a 20 °C.

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Figura 13. Gráficas de fuerza vs. desplazamiento del residuo asfáltico de varias emulsiones asfálticas obtenidas con este nuevo método de prueba para calcular el área bajo la curva que será la energía de fractura y el índice de flexibilidad.

Tabla 3. Datos a 20 °C y 20Hz de la energía de fractura e índice de flexibilidad del residuo asfáltico de las 5 emulsiones mostradas en la Tabla 1.

Emulsión A

Emulsión B

Emulsión C

Emulsión D

Emulsión E

Energía de fractura (Joules/m2)

4487.78

4817.79

2856.49

2991.68

4771.31

Índice de flexibilidad (IF)

5.29

6.28

1.15

6.71

3.50

Pendiente (m)

-0.084920

-0.076664

-0.248361

-0.044587

-0.136331

Ángulo de la pendiente (°)

175.15

175.59

166.05

177.45

172.22

Basados en los resultados de la gráfica de la Figura 13 y la Tabla 3, el residuo de las emulsiones “D” y “B” mostraron mayor resistencia a la fractura debido a que presentaron un índice de flexibilidad de 6.71 y 6.28 respectivamente, cabe hacer mención que estas emulsiones contienen polímero. El residuo de la emulsión que presentó menor resistencia a la fractura fue la emulsión “C” con tan solo un índice de flexibilidad de 1.15 y esta fue fabricada con un asfalto grado PG 58. En la gráfica de la Figura 13 observamos el comportamiento frágil del residuo de esta emulsión “C”, donde requerimos mucha fuerza para deformar el asfalto pero después del esfuerzo máximo cae drásticamente y es por ello que el ángulo de la pendiente en este punto es el más bajo.

Empleando este nuevo método de prueba para evaluar el índice de flexibilidad, podemos controlar que el residuo de una emulsión asfáltica —después de ser oxidado conforme la norma AASHTO R28— tenga como mínimo un índice de flexibilidad de 6.0.

4 CONCLUSIONES • Los nuevos métodos de prueba, así como sus especificaciones propuestas en este estudio, están basados en la medición de propiedades físicas fundamentales obtenidas al usar el

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reómetro de corte dinámico, lo que genera un importante avance tecnológico en el campo de las emulsiones asfálticas.

• El nuevo método de prueba descrito en este estudio para evaluar que el asfalto residual de una emulsión tenga la suficiente rigidez a las temperaturas más altas del pavimento y no emigre a la superficie, determina que la energía de fluidez necesaria para que el asfalto no fluya (yield stress) a la temperatura más alta del pavimento y esta debe de ser mínimo 1400 Joules/m3.

• Los resultados de la energía de fluidez de los residuos de las emulsiones de la Tabla 1, presentaron una gran relación lineal con el módulo de corte complejo G*, con el parámetro G*/sen δ y con el módulo elástico G”, así como una relación exponencial con el valor de compliance a 3.2 KPa “Jn3.2KPa”, que es el parámetro más utilizado en los Estados Unidos de Norteamérica para evaluar el escurrimiento y la deformación permanente.

• El nuevo método de prueba para evaluar que el asfalto residual de una emulsión tenga la suficiente resistencia a la fragilidad a las temperaturas más bajas del pavimento determina que el índice de flexibilidad de este asfalto residual debe ser mínimo de 6.0.

• Los resultados del índice de flexibilidad de los residuos de las emulsiones de la Tabla 1 después de ser oxidados en la prueba AASHTO R28-12 (ensayo PAV), fueron muy diferentes y el residuo de la emulsión “C” que fue fabricada con un asfalto PG 58-28 mostró un valor de 1.15. Lo anterior indica que este tipo de asfalto no debe usarse para condiciones de bajas temperaturas porque se tendrán problemas de desprendimiento de la gravilla.

5 REFERENCIAS [1] International Bitumen Emulsion Federation. https://www.ibef.net/es/emulsions-3/figuras-clave/.

[2] Emulsiones Asfálticas. ISBN: 978-607-8134-00-7, página 188.

[3] Applied Rheology (primera edición). Thomas G. Mezger, p. 109 ISBN 978-3-9504016-0-8.

[4] Introduction to Fracture Mechanics. David Roylance, Department of Materials Science of MIT. [5] CARRETERAS, revista técnica de la Asociación Española de la Carretera, número 235, página 30.

[6] ASFÁLTICA, revista técnica de la Asociación Mexicana del Asfalto A.C., volumen 70, página 79.

[7] National Cooperative Highway Research Program, report 837.

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LOS RIESGOS DE IGNORAR LA MERCADOTECNIA: UN LLAMADO A LA ACCIÓN EMPRESARIAL MGIT, Diana Gallardo Oliva

dgallardo@vise.com.mx Mercadóloga, maestra en gestión de la innovación tecnológica, directiva estratega con más de 15 años de experiencia en el sector industrial.

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FUENTES Del Bosque, J. M. (2019, 1 abril). La mercadotecnia industrial y la importancia de conocer los negocios B2B. https://www.mypress.mx/negocios/mercadotecnia-industrial-importancia-conocer-negocios-b2b-4282 PGR Marketing y Tecnología. (s. f.). ¿Cuánto invertiremos en marketing en 2022? https://bit. ly/3SfW5Rv D’mello, A., & D’mello, A. (2020b, julio 23). COVID-19 has sped up digital transformation by 5.3 years, says study. IoT Now News - How to run an IoT enabled business. https://bit. ly/3FzTo5P

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Te invitamos a integrarte como miembro activo de la AMAAC y participar en alguno de nuestros comités técnicos. Forma parte del conocimiento y experiencia de los diferentes comités de la AMAAC en temas relacionados con el ciclo del asfalto en la infraestructura del transporte. Las aportaciones de sus asociados son el motor para la difusión del conocimiento. ¿Quieres ser asociado? vinculacion@amaac.org.mx ¿Eres asociado y te gustaría integrarte a algún comité técnico? ctecnica@amaac.org.mx

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