ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN...

FACULTAD DE INGENIERÍA

Carrera de Ingeniería Civil

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE MEZCLAS

ASFÁLTICAS EN CALIENTE CON FIBRAS DE

POLIPROPILENO INCORPORADA PARA

CONDICIONES DE ZONAS DE ALTURA

Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil

CARLOS ALBERTO PILARES CALLA

Asesor:

Marco Antonio Hernández Aguilar

Lima - Perú

2018

ii

DEDICATORIA

A mis Padres, por ser las personas más importantes en mi vida por haberme educado,

ya que sin ellos no hubiera sido posible realizarme como profesional. Además, por ser

ejemplos de lucha, sacrificio, trabajo y justicia en la vida.

También, en la memoria de mis abuelos, en la que me siento orgulloso de que sean

personas muy admirables, nobles, luchadores en la vida.

iii

AGRADECIMIENTO

A Dios, por ser mi fortaleza en los momentos más difíciles. También, por brindarme la

oportunidad de poder terminar la carrera de ingeniería.

A mis Padres, por ayudarme a alcanzar mis objetivos que me tracé.

A mis Hermanas, por el apoyo constante que me brindo para culminar la tesis.

A laboratorio MTC, con quienes compartí momentos de aprendizaje en cada ensayo

realizado.

A mi Asesor, Mg. Ing. Marco Hernández por concederme la oportunidad de orientarme

en la tesis.

A mi Ex Director, Phd. Ing. Andrés Sotil por haberme dado la oportunidad de aprender

de su trabajo en el área de los pavimentos asfalticos.

iv

INDICE

1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1

1.1. Problema de investigación ................................................................................................. 2

1.1.1. Planteamiento del problema ..................................................................................... 2

1.1.2. Formulación del problema ......................................................................................... 4

1.1.3. Justificación de la investigación ................................................................................. 4

1.2. Marco referencial ................................................................................................................. 4

1.2.1. Antecedentes ............................................................................................................. 4

1.3. Objetivos e hipótesis ........................................................................................................... 7

1.3.1. Objetivos .................................................................................................................... 7

1.3.2. Hipótesis ..................................................................................................................... 8

2. MÉTODO .................................................................................................................................. 8

2.1. Tipo de Investigación: ......................................................................................................... 8

2.2. Diseño de Investigación: .................................................................................................... 9

2.3. Variables ............................................................................................................................... 9

2.3.1. Variables Dependientes: ............................................................................................ 9

2.3.2. Variables Independientes: .......................................................................................... 9

2.4. Muestra ............................................................................................................................... 10

2.5. Instrumentos De Investigación ........................................................................................ 10

2.5.1. Balanzas: ................................................................................................................... 10

2.5.2. Termómetros: ........................................................................................................... 10

2.5.3. Tamizador: ................................................................................................................ 11

2.5.4. Horno: ....................................................................................................................... 11

2.5.5. Extractor de Briquetas: ............................................................................................. 11

2.5.6. Martillo de Compactación: ....................................................................................... 11

2.5.7. Prensa: ...................................................................................................................... 12

2.5.8. Medidor de Estabilidad: ........................................................................................... 12

2.5.9. Aparato de Casagrande: ........................................................................................... 12

2.6. Procedimiento .................................................................................................................... 12

3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 13

3.1. Definición de Pavimento ................................................................................................... 13

3.1.1. Pavimento Flexible ................................................................................................... 14

3.2. Ensayos para el Diseño:................................................................................................... 17

3.2.1. Estudios de Mecánica de Suelos: ............................................................................. 17

v

3.2.2. Estudios de Asfalto: .................................................................................................. 23

3.2.3. Estudios Especiales para Briquetas de Asfalto: ........................................................ 30

4. ENSAYO DE MECÁNICA DE SUELOS ............................................................................ 32

4.1. Resumen del ensayo Granulométrico ............................................................................ 33

4.2. Resumen del ensayo para Peso Específico y Absorción ............................................ 38

4.3. Resumen del ensayo de Durabilidad ............................................................................. 40

4.4. Resumen del ensayo de Constantes Físicas ................................................................ 42

4.5. Resumen del ensayo de Chatas, Alargadas y Caras Fracturadas ............................ 44

4.6. Resumen del ensayo de Equivalente de Arena............................................................ 46

4.7. Resumen del ensayo de Abrasión .................................................................................. 47

5. ENSAYO PARA ASFALTO .................................................................................................. 48

5.1. Resumen del ensayo de Penetración ............................................................................ 49

5.2. Resumen del ensayo de Ductilidad ................................................................................ 50

5.3. Resumen del ensayo de Punto de Inflamación ............................................................ 51

5.4. Resumen del ensayo de Película Delgada.................................................................... 51

6. ENSAYO MARSHALL PARA BRIQUETAS DE ASFALTO............................................. 52

6.1. Resumen del ensayo Marshall para Mezcla Convencional ........................................ 52

6.2. Resumen del ensayo Marshall para Mezcla Modificada ............................................. 60

7. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 72

8. RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 73

10. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 75

11. ANEXOS .................................................................................................................................. 77

vi

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Principales indicadores del sector transporte 2001 – 2014(MTC, 2015) ................ 1

Tabla 2. Datos históricos de la estación meteorológica de Pucara – Puno (SENAMH

2015)…………………………………………………………………………………………………………………………..…3

Tabla 3. Especificaciones técnicas de la granulometría para el diseño (MTC, 2013) ........ 18

Tabla 4. Requerimiento para los agregados finos para el diseño del MAC (MTC, 2013)…19

Tabla 5 . Requerimiento para los agregados gruesos para el diseño del MAC (MTC,

2013)………………………………………………………………………………………………………………………….20

Tabla 6 . Requerimiento para los agregados finos en Equivalente de Arena

(MTC, 2013)………………………………………………………………………………………………………………21

Tabla 7. Requerimiento para los agregados gruesos en ensayo de

Durabilidad (MTC,

2013)………………………………………………………………¡Error! Marcador no definido.

Tabla 8. Requerimiento para los agregados finos en ensayo de Durabilidad

(MTC, 2013)…………………………………………………………………………….22

Tabla 9. Requerimiento para los agregados gruesos para abrasión los

Ángeles (MTC, 2013)………………………………………………………………….23

Tabla 10. Registro del ensayo de penetración respecto a la temperatura

(MTC, 2013)………………………………………..…………………………………25

Tabla 11. Especificaciones para los cementos asfalticos a través de su

grado de penetración (MTC, 2013)……………………………………………………………………....25

Tabla 12. Especificación técnica para el ensayo de ductilidad (MTC, 2013)....................... 27

Tabla 13: Especificación técnica para el ensayo de punto de inflamación

respecto al grado de penetración (MTC, 2013)………………………………..………………….29

Tabla 14 . Especificaciones técnicas para el ensayo de película delgada

(MTC, 2013)………………………………………………………………………………………………….…………30

Tabla 15. Requisitos y parámetros de diseño para el ensayo Marshall

(MTC, 2013)……………………………………………………………………………………………………………..32

Tabla 16. Granulometría realizada a las cuatro muestras

(Fuente: Propia)……………………………………………………………………………………………………….36

Tabla 17. Granulometría resultante de las cuatro muestras recolectadas

(Fuente: Propia)……………………………………………………………………………………………………….37

Tabla 18: Curva resultante de la granulometría de la muestra para MAC -2

(Fuente: Propia)……………………………………………………………………………………………………….38

Tabla 19. Ensayo para Peso Específico y Absorción del Agregado Grueso

(Fuente: Propia)………………………………………………………………………………………………………39

Tabla 20 : Ensayo para Peso Específico y Absorción del agregado fino

(Fuente: Propia)……………………………………………………………………………………………….…….40

:Tabla 21. Inalterabilidad del agregado grueso por medio del sulfato de

magnesio (Fuente: Propia)………………………………………………..…………………………….…...41

Tabla 22. Inalterabilidad del agregado fino por medio del sulfato de

magnesio (Fuente: Propia)…………………………………………………………………………………..…42

Tabla 23 . Ensayo de Limite Liquido del agregado fino (Fuente: Propia ) .......................... 43

Tabla 24. Ensayo de límite plástico de agregado fino (Fuente: Propia) ............................... 44

Tabla 25 : Ensayo de partículas con 86 / 51 % de caras fracturadas

(Fuente: Propio)………………………………………………………………………………………………………45

vii

Tabla 26: Ensayo de partículas chatas y alargadas con 0.37 %

(Fuente: Propia)……………………………………………..………………………………………………………..46

Tabla 27. Ensayo de equivalente de arena para las dos muestras

(Fuente: Propia)……………………………………………………………………………………………………….47

Tabla 28: Ensayo normalizado para determinar la resistencia a la

gradación en agregados gruesos (Fuente: Propia)…………………………..…………………48

Tabla 29 : Resultado del Ensayo de Penetración (Fuente: Propia) ...................................... 50

Tabla 30 . Resultado del Ensayo de Ductilidad del Cemento Asfaltico (Fuente:

Propia)…………………………………………………………………………………….……………………………….50

Tabla 31: Resultado de Ensayo de Punto de Inflamación (Fuente: Propia) ........................ 51

Tabla 32. Resultado de ensayo de Película Delgada (Fuente: Propia) ................................ 52

Tabla 33 . Proporciones para la mezcla asfáltica en caliente (Fuente: Propia)................... 53

Tabla 34 Resumen del ensayo Marshall para mezcla asfáltica en caliente

convencional (Fuente: LDEE)…………………………………………………………………………………60

Tabla 35 Resumen del Marshall de mezcla modificada con 0.5 % de fibra

(Fuente: LDEE)…………………………………………………………………………………………………………64


(Fuente: LDEE)…………………………………………………………………………………………………………67


(Fuente: LDEE)…………………………………………………………………………………………………………71

Tabla 38. Cuadro comparativo del ensayo Marshall para los dos tipos de

mezclas (Fuente: Propia)……………………………………………………………………………………….72

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Ensayo normal de Penetración (TAI, 1990) ............................................................. 24

Figura 2. Ensayo normal de Ductilidad (TAI, 1990) ................................................................. 26

Figura 3 .Determinación del punto de inflamación en vaso abierto Cleveland(TAI, 1990).28

Figura 4. Primera muestra de agregado de tamaño de 1 / 2 pulgada (Fuente: Propia) ..... 33

Figura 5. Segunda muestra de agregado de tamaño de 3 / 8 pulgada (Fuente: Propia)...34

Figura 6. Tercera muestra de Arena Chancada (Fuente: Propia)…………………………..34

Figura 7. Cuarta muestra de Arena Zarandeada(Fuente: Propia)…………………………..35

Figura 8. Cemento Asfaltico con Pen 120 / 150 proporcionado por TDM Asfaltos. ........... 49

Figura 9: Colocado de la mezcla asfáltica en caliente en un molde cilíndrico de 4 x 2.5…

pulgadas (Fuente Propia)……………………………………………………………………………………….54

Figura 10. Compactación a 75 golpes por cara en el espécimen (Fuente: Propia) ............ 54

Figura 11. Desmolde de las briquetas después de la compactación de la

mezcla (Fuente Propia)……………………………………………………………………………...………..55

Figura 12. Briquetas sumergidas a una temperatura de 60 °C (Fuente: Propia) ................ 56

Figura 13: Ensayo de Comprensión Axial en la briqueta a temperatura de 60°C

(Fuente: Propia)….………………………………………………………………………………………………….56

Figura 14. Grafica de Peso específico vs Cemento Asfaltico (Fuente: LDEE)………………....57

Figura 15. Grafica de porcentaje de Vacíos vs Cemento Asfaltico (Fuente: LDEE) ………..57

Figura 16 . Grafica de Vacíos Llenos C.A. vs Cemento Asfaltico (Fuente: LDEE) …….…….58

Figura 17. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico (Fuente: LDEE)……………………………………..58

Figura 18. Grafica de fluencia vs Cemento Asfaltico (Fuente: LDEE)…………………….………….59

Figura 19. Grafica de Estabilidad vs Cemento Asfaltico (Fuente: LDEE)…………………..………59

Figura 20. Grafica Peso Específico vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra

(Fuente: LDEE)………………………………………………………………………………………………………61

Figura 21. Grafica de Vacíos vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra(Fuente: LDEE) ... 61

Figura 22. Grafica de Vacíos llenos C.A. vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra

(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….62

Figura 23. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra (Fuente: LDEE) ...... 62

Figura 24. Grafica de Fluencia vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra(Fuente:LDEE) .. 63

Figura 25. Grafica de Estabilidad vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra

(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….63


(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….64

Figura 27. Grafica de Vacíos vs Cemento Asfaltico con 0.6 % de fibra (Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….65

Figura 28. Grafica de Vacíos Llenos con C.A. vs Cemento Asfaltico con 0.6 %

de fibra (Fuente: LDEE)…………………………………………………………………………………………65

Figura 29. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico con 0.6 % de fibra (Fuente: LDEE) ...... 66

Figura 30. Grafica de Fluencia vs Cemento Asfaltico con 0.6 % de fibra

(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….66


(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….67

Figura 32. Grafica de Peso Específico vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra

(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………….68

Figura 33. Grafica de Vacíos vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra(Fuente: LDEE) . 68

ix

Figura 34: Grafica de Vacíos llenos con C.A. vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra

(Fuente: LDEE)………………………………………………………………………………………………………69

Figura 35. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra(Fuente: LDEE) ..... 69


(Fuente: LDEE)……………………………………………………………………………………………………..70


(Fuente: LDEE)………………………………………………………………………………………………………70

x

RESUMEN

En los últimos años se han realizado estudios y aplicaciones de diversos tipos de fibras

buscando mejorar el comportamiento en campo del pavimento. Es por eso, que el propósito

de esta investigación fue evaluar el efecto de la aplicación de las fibras de polipropileno en

mezclas de asfalto en caliente para condiciones de zonas de altura como las de la sierra

peruana.

Así, se evaluaron los efectos de agregar diferentes proporciones de fibra de polipropileno

(0.5%, 0.6% y 0.75% en peso) para obtener el mejor desempeño de la mezcla. Los diversos

especímenes generados fueron evaluados con los ensayos de Marshall y de Módulo

Resiliente en el Laboratorio de Estudios Especiales (LEE) del Ministerio de Transportes y

Comunicaciones (MTC).

Los resultados de los ensayos de Marshall indicaron que el mejor comportamiento

provendría de mezclas con una incorporación de 0.6 % de fibra, con mejoras comparadas

con la mezcla convencional de 1461.4 en estabilidad y 3.8 % en flujo. Es así que se decidió

continuar la evaluación con el ensayo de Modulo Resiliente con las mezclas

convencionales y las mezclas con 0.6 % de incorporación de fibra.

Lamentablemente, los resultados de Modulo Resiliente provistos por el LEE del MTC no

fueron los esperados en magnitud, más si en comparación entre las mezclas. Por un lado,

los valores de modulo proveniente del equipo del LEE a las cuatro temperaturas bajas

evaluadas (-15oC, -5oC, 5oC y 15oC) indicaban valores típicos para suelos (por debajo de

los 40,000 psi), no para mezclas asfálticas (en el rango de 500,000 psi hasta 4,000,000

psi). Sin embargo, aún con estos valores de modulo tan bajos, los módulos resilientes

reportados para la mezcla modificada con 0.6% de fibra de polipropileno eran mayores que

los módulos resilientes para la mezcla convencional. Tratando de buscar una explicación

al error en magnitud de los resultados, se dedujo que la falta de calibración del equipo, la

utilización de protocolos descontinuados, llevó a reportes de datos totalmente

inconsistentes con la realidad.

Este estudio de investigación concluye que la incorporación de fibras de polipropileno si

proveen una mejora en el comportamiento de la mezcla asfáltica, evaluados por el ensayo

de Marshall. Los resultados del ensayo de Modulo Resiliente no son los suficientemente

confiables como para proveer una conclusión válida, aunque esta investigación muestra la

importancia de su realización con equipos y personal calificado.

xi

ABSTRACT

In recent years studies and applications of various types of fibers have been carried out in

order to improve the behavior in the pavement field. That is why, the purpose of this

research was to evaluate the effect of the application of polypropylene fibers in hot asphalt

mixtures for high altitude conditions such as those of the Peruvian highlands.

Thus, the effects of adding different proportions of polypropylene fiber (0.5%, 0.6% and

0.75% by weight) were evaluated to obtain the best performance of the mixture. The various

specimens generated were evaluated with the Marshall and Resilient Module tests at the

Special Studies Laboratory (LEE) of the Ministry of Transport and Communications (MTC).

The results of the Marshall tests indicated that the best performance would come from

mixtures with a 0.6% incorporation of fiber, with improvements compared with the

conventional mixture of 1461.4 in stability and 3.8 % in flow. Thus, it was decided to continue

the evaluation with the Resilient Module test with conventional mixtures and mixtures with

0.6% incorporation of fiber.

Unfortunately, the Resilient Module results provided by the MTC LEE were not as expected

in magnitude, more so in comparison between the mixtures. On the one hand, the module

values from the LEE equipment at the four evaluated low temperatures (-15 °C, -5 °C, 5 °C

and 15 °C) indicated typical values for soils (below 40,000 psi), not for asphalt mixtures (in

the range of 500,000 psi up to 4,000,000 psi). However, even with these modulus values

so low, the resilient modules reported for the modified mixture with 0.6% polypropylene fiber

were larger than the resilient modules for the conventional mix. Trying to find an explanation

for the error in the magnitude of the results, it was deduced that the lack of equipment

calibration, the use of discontinued protocols, led to data reports totally inconsistent with

reality.

This research study concludes that the incorporation of polypropylene fibers if they provide

an improvement in the behavior of the asphalt mixture, evaluated by Marshall's trial. The

results of the Resilient Module test are not reliable enough to provide a valid conclusion,

although this research shows the importance of its realization with equipment and qualified

personnel.

xii

LISTA DE ABREVIATURAS

MAC Mezcla Asfáltica en Caliente.

TAI Instituto del asfalto (The Asphalt Institute).

ASTM Asociación Americana de Ensayo de Material.

AASHTO Asociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y

Transportes.

Mr Modulo Resiliente.

E Modulo Elástico.

LVDTs Transductores de Desplazamiento.

LDEE Laboratorio de la Dirección de Estudios Especiales.

εr Deformación Recuperable.

σd Esfuerzo Desviador.

Ѵ Relación de Poison.

T°C Temperatura en grados Celsius.

SENAMHI Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú.

MTC Ministerio de Transportes y Comunicaciones.

N.P. No presenta contenido

V.M.A. Vacíos en el Agregado Mineral

1

1. INTRODUCCIÓN

La red vial de carreteras, con sus más de 165 mil kilómetros de longitud, es la vía de

comunicación más utilizada en el Perú, muy por encima de la red vial ferroviaria ( menos

de 2000 km ) o los 141 aeropuertos y 47 puertos reportados en el Compendio

Estadístico 2015 que se observa en la Tabla 1 ( MTC, 2015a ).

Tabla 1. Principales indicadores del sector transporte 2001 – 2014

(MTC, 2015)

Por lo tanto, la calidad en la conectividad del país depende fuertemente en la calidad

de la condición de estas vías, tanto en su trazo, en sus pendientes y sobre todo en la

condición de la carpeta de rodadura; esta última depende del diseño de la estructura

en general, de los materiales utilizados, de la calidad durante la construcción, del

mantenimiento que recibe, de la cantidad y frecuencia de tráfico.

Entendiendo lo anterior, esta tesis se enfoca en el diseño de mezclas asfálticas en

caliente convencionales y su potencial mejoramiento con la inclusión de fibras de

polipropileno en diferentes proporciones utilizando diferentes métodos de ensayos,

para mejorar el desempeño.

2

1.1. Problema de investigación

1.1.1. Planteamiento del problema

En el Perú existen 22,775 km de vías pavimentadas, lo cual representa el 14% de

la red vial nacional y 143,339 km no pavimentadas. De esta red pavimentada, en el

2015 se registró que solo 3,637 km tuvieron su mantenimiento periódico y rutinario,

que representa un bajísimo 2.24% en toda la red vial nacional (MTC, 2015 b y c).

La red vial nacional atraviesa ciudades ubicadas en departamentos como Arequipa,

Cusco, Ayacucho, Cajamarca, Puno, Huancavelica, Pasco, Apurímac, Huánuco y

Lima que se encuentran por encima de los 3,000 msnm. Estos kilómetros de vías

pavimentadas que se registra en las ciudades nombradas alcanzan un promedio de

9,620 km. Esta cantidad representa la conectividad de ciudades y pueblos de las

zonas andinas del Perú. Estos registros se ubican en el Compendio Estadístico

Perú (MTC, 2015).

Las condiciones climáticas de la sierra peruana son muy variables e inestables, con

temperaturas mínimas promedio de -5.3 °C y temperaturas máximas promedio de

20.0 °C, con picos de –14 °C y + 22 °C, los indicadores se observa en la Tabla 2.

La temperatura afecta directamente en la deformación de la carpeta asfáltica; y las

variaciones de temperaturas produce tensiones en la carpeta asfáltica. Por ello, las

temperaturas bajas tienen influencia en la aparición de agrietamientos. .

Y por esta razón el Manual de Carreteras - 2013 hace clara diferencia en el diseño

de pavimentos situados por debajo y encima de los 3,000 msnm. (MTC, 2013).

La Tabla 2 muestra las temperaturas mínimas y máximas así como la

precipitaciones promedio de la ciudad de Pucará en la región de Puno de la sierra

peruana. Estas variaciones térmicas se representan en el entorno a través de

heladas con fuertes radiaciones solares y vientos frígidos.

3

Tabla 2. Datos históricos de la estación meteorológica de Pucara – Puno

(SENAMHI, 2015)

La pavimentación en el Perú en su gran mayoría se realiza con pavimentos flexibles

que incluye una carpeta asfáltica en caliente y en los últimos años se está tratando

de incorporar soluciones novedosas como mezclas asfálticas tibias, tratamientos

superficiales bicapa e inclusive soluciones con slurry seal, como lo considera el

Manual de Carreteras (MTC, 2013).

Otras opciones de diseño incluyen el modificar el material asfáltico con polímeros y

fibras de diferente marca y origen. Todas estas variaciones tienen el objetivo de

extender la vida útil de los pavimentos, debido al poco mantenimiento que reciben.

4

1.1.2. Formulación del problema

¿Cuál es la influencia de la incorporación de fibras de polipropileno en el

comportamiento de mezclas asfálticas en caliente en condiciones de zonas de

altura?

1.1.3. Justificación de la investigación

Debido al poco mantenimiento de la red vial nacional y a las condiciones climáticas

agrestes en zonas de más de 3000 msnm que perjudican la vida útil de los

pavimentos, se realiza esta investigación que tiene el fin de incorporar propuestas

de mezclas asfálticas en caliente utilizando fibras de polipropileno que incrementen

la resistencia frente a cargas y temperaturas bajas. Por esta razón permitirá mejorar

la durabilidad de las vías pavimentadas y será aprovechado por los gobiernos

locales y población, obteniendo beneficios indirectos como: el incremento del

comercio en estas zonas, mayor flujo vehicular, menor coste de mantenimiento, etc.

1.2. Marco referencial

1.2.1. Antecedentes

En la investigación realizada por la Alcaldía de Mayor de Bogotá

D.C.”Instituto de Desarrollo Urbano” con el titulo de “Mezclas Asfálticas

en Caliente, Densas, Semidensa, Gruesas y de Alto Modulo“, se justifica

la elaboración de los diseños de los pavimentos asfalticos en caliente a

través de su granulometría, contenido de vacíos con el aire, porcentaje

de compactación, densidad, contenido de asfalto. (2006)

5

Por otro lado, se tiene a la “Secretaría de Comunicaciones y Transportes

del Instituto Mexicano del Transporte”, cuya tesis titulada como

“Caracterización Geo mecánica de Mezclas Asfálticas” determina la

influencia de la compactación en el contenido de asfalto adecuado.

Además, se analiza la interacción del asfalto y la energía de

compactación en los vacíos, así como, la determinación de la

deformación y la resistencia de la mezcla asfáltica compactada. (2005)

Así mismo, el Mgs. Botasso H.Gerardo de la Universidad Tecnológica

Nacional perteneciente a la Facultad Regional de la Plata realizo un

“Estudio comparativo de diseño de mezclas asfálticas por el método

tradicional y el método Bailey”, en cuya tesis se sustenta la diferencia

entre una mezcla densa en caliente diseñada con el método tradicional

y otra mezcla elaborada a través del método Bailey para poder optimizar

el elemento granular de los áridos. (2011)

Además, el estudio presentado por el Ministerio de Transporte y

Comunicación, titulado como “Especificaciones Técnicas Generales

para la Construcción de Carreteras EG-2013 MTC: Mezclas asfálticas

en caliente y mezclas asfálticas con emulsión”. Este estudio analiza los

tipos de mezclas con emulsiones asfálticas. Además, de su performance

a largo plazo de mezcla abiertas comparadas con mezclas asfálticas en

caliente. (2000)

Y con un gran aporte a la investigación, autores como, Kamil kaloush,

Matthew Witczak y Michael Mamlouk con su tesis titulada como “Fiber

Dosage Effects in Asphalt Binders and Hot Mix Asphalt Mixtures”,

demuestra que las fibras de FORTA tienen propiedades que mejora la

estabilidad del Marshall. Además, mejora la resistencia a la tracción, a

la compresión, a la deformación permanente y a la vida de fatiga. Por

otro lado, se demuestra la reducción de la prolongación de la deflexión

de grietas por carga inducida. (Arizona state university: 2012)

6

Asi mismo, Krishna P. Biligiri, Waleed A. Zeiada, Carolina Rodezno,

Smita Dwivedi, Jordan Reed y Carlos Cary con su tesis titulada como

“Evaluation of FORTA Fiber-Reinforced Asphalt Mixtures Using

Advanced Material Characterization Tests – Evergreen Drive, Tempe,

Arizona” fundamenta la mejora del rendimiento de mezclas asfálticas

contra la deformación permanente y agrietamiento por fatiga. Además,

se demuestra los beneficios de rendimiento de optimización del

contenido de la fibra.(department of civil enviromental engineering:

2008)

Asi mismo, la investigación realizada por Jeffrey J. Stempihar, Mena I.

Souliman y Kamil E. Kaloush, cuya tesis titulada como ”Fiber-Reinforced

Asphalt Concrete as Sustainable Paving Material for Airfields” sustenta

la viabilidad del uso de FRAC como el material de pavimento sostenible

para zonas de la aviación. Además, esta investigación analiza el control

de mezcla, análisis de costos y emisiones de dióxido de carbón. (2009)

Transportation Research Board, Washington, D.C cuya investigacion

titulada como “ Fiber Additives in Asphalt Mixtures” demuestra los

mecanismos de funcionamiento y características de los materiales con

diferentes tipos de fibras, a través de un análisis riguroso del rendimiento

de los materiales reciclados.(National Cooperative Highway Research

Program :2015)

Michael S. Mamlouk y John P. Zaniewski cuya investigacion titulada

como “Aglomerantes Asfálticos y Mezclas Asfálticas” habla sobre los

tipos de productos de asfalto. Además, brinda información sobre la

susceptibilidad térmica del asfalto y propiedades químicas del asfalto.

También, existen diversos métodos de clasificación de los cementos

asfálticos.(Materiales para ingeniería civil: 2009)

7

Con otro aporte importante tenemos a Oscar J. Reyes Ortiz , Juan R.

Troncoso Rivera, Fredy A. Reyes Lizcano cuya tesis titulada como

“Comportamiento mecánico y dinámico de una mezcla Asfáltica con

adición de Fibras” argumenta que la adherencia de un porcentaje de

fibras a una mezcla de asfalto por vía seca es favorable, puesto que la

mezcla de esta fibra se cohesiona mejor con los otros materiales de la

mezcla. Por ello, se tiene un crecimiento en la estabilidad de la mezcla

asfáltica. (2005)

1.3. Objetivos e hipótesis

1.3.1. Objetivos

Objetivo General

Determinar la influencia de las fibras de polipropileno en el comportamiento de la

mezcla asfáltica en caliente para condiciones de zonas de altura.

Objetivo Específico

Determinar los efectos de la proporción de incorporación de fibras de

polipropileno en mezclas asfálticas en caliente en el ensayo Marshall.

Obtener la dosificación optima de fibras de polipropileno a fin mejorar las

propiedades de la mezcla asfáltica en caliente.

.

8

1.3.2. Hipótesis

Hipótesis General

La fibra de polipropileno mejora el comportamiento de las mezclas asfálticas en

caliente en condiciones de zonas de altura.

Hipótesis Específica

El efecto producido por la incorporación de fibra de polipropileno en las

mezclas asfálticas en caliente en el ensayo Marshall aumenta la resistencia

a la compresión.

La dosificación optima de fibra de polipropileno mejora las propiedades de

la mezcla asfáltica en caliente en condiciones de zonas de altura en 0.6%

del peso del testigo de prueba.

2. MÉTODO

2.1. Tipo de Investigación:

Es un análisis correlacional, puesto que “La investigación correlacional es un tipo

de estudio que tiene como propósito evaluar la relación que exista entre dos o más

conceptos, categorías o variables”. Los estudios cuantitativos correlaciónales

miden el grado de relación entre esas dos o más variables, es decir, miden cada

variable presuntamente relacionada y después analizan la correlación. Tales

correlaciones se expresan en hipótesis sometidas a prueba. (Hernández,

Fernández & Baptista, 2010, p 79).

9

2.2. Diseño de Investigación:

El trabajo de investigación está orientado al diseño experimental, puesto que “Los

experimentos manipulan tratamientos, estímulos, influencias o intervenciones

(denominadas variables independientes) para observar sus efectos sobre otras

variables (las dependientes) en una situación de control” (Hernández, Fernández &

Baptista, 2010, p 121).

2.3. Variables

Las variables que sustentan el desarrollo de la investigación son de dos tipos:

2.3.1. Variables Dependientes:

Esta variable está referida a los resultados de los ensayos, puesto que asegura el

objetivo de una mezcla asfáltica con incorporación de fibras en condiciones frígidas.

Estos indicadores son la estabilidad y flujo.

2.3.2. Variables Independientes:

En esta variable se hace referencia a la incorporación de fibras de polipropileno en

el diseño de mezclas asfálticas para la obtención de un porcentaje óptimo de fibras

de polipropileno.

10

2.4. Muestra

La ubicación geográfica de la muestra se encuentra cerca del pueblo de

Cantamarca en la provincia de Canta, la cual se encuentra en la sierra de Lima a

una altitud de 3060 msnm y se encuentra a 15 kilómetros al noroeste de Canta.

De esta manera la muestra estará conformada por el conjunto de materiales que

forman la mezcla asfáltica junto a las fibras de polipropileno, a su vez serán

sometidos a cambios de temperatura controlada en un laboratorio y de esta manera

se obtendrá los resultados.

2.5. Instrumentos De Investigación

Los instrumentos de investigación utilizados son los requeridos para el análisis de

los suelos y ensayos de mezclas asfálticas. A continuación se mostraran los

instrumentos usados en laboratorio.

2.5.1. Balanzas:

Equipo de medición de 5 kg de capacidad, sensible a 1 g para pesar agregados y

asfalto, otro equipo de 3kg de capacidad para la medición de briquetas

compactadas.

2.5.2. Termómetros:

Estos termómetros blindados de 9°C a 204°C (50°F a 400°F) son para determinar

las temperaturas del asfalto, agregados y mezclas, con sensibilidad de 2.8°C. Por

otro lado, para la temperatura del baño de agua se utilizara un termómetro con

escala de 20°C a 70°C y sensibilidad de 0.2°C (68°F a 158° F ± 0.4°F).

11

2.5.3. Tamizador:

Equipo de análisis de distribución por tamaño de partículas que componen el

material natural del suelo. Este equipo realiza un análisis granulométrico a través

del porcentaje que pasa por cada malla, así mismo, con estos resultados se realiza

la curva granulométrica.

2.5.4. Horno:

Equipo calentador de agregados, materiales asfálticos, moldes de briquetas y

materiales compactados como la muestra. Estos poseen un control termostático,

capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 2.8ºC (5ºF).

2.5.5. Extractor de Briquetas:

Maquina en forma de disco usado en la extracción de briquetas compactadas del

molde. Además, se hace uso de un elemento adecuado para transferir la carga a la

briqueta, de manera que esta se posicione lentamente del molde al collar.

2.5.6. Martillo de Compactación:

Este equipo contiene un dispositivo de acero formado por una base de impacto de

98.4 mm de diámetro y el peso del martillo de 4535 g, ubicado en forma

perpendicular a una altura de caída de 457.2 mm.

12

2.5.7. Prensa:

Este equipo se emplea para la rotura de briquetas. Además, esta prensa mecánica

produce una velocidad uniforme de desplazamiento vertical de 50.8 mm por minuto

(2”/ min). Además, su capacidad de carga mínima deberá ser de 40 KN.

2.5.8. Medidor de Estabilidad:

Este aparato mide la resistencia de la briqueta la cual se registra con un anillo

dinamométrico acoplado en la máquina de prensa de 22.2 KN de capacidad con

una sensibilidad de 44.5 N hasta 4.45 KN y 111.2 N hasta 22.2 KN. Además, el

registro del anillo se medirá con un deformímetro calibrado en 0.0025 mm

(0.0001”).

2.5.9. Aparato de Casagrande:

Este equipo consiste de un mecanismo ajustable de manija y leva, un contador de

golpes y una cuchara removible de latón montada a la base. Estos equipos

proporcionan datos para determinar el límite líquido y el contenido de humedad de

los suelos arcillosos cuando se convierten de un estado plástico a líquido.

2.6. Procedimiento

Se desarrolló el presente trabajo de investigación, con la metodología que se

planteó anteriormente. Los procedimientos serán desarrollados con las

especificaciones del ensayo Marshall. Este proceso comenzará con la preparación

de briquetas de ensayo para lo cual los materiales propuestos deben cumplir con

las especificaciones de granulometría y otros fijados en el Manual de Carreteras

(MTC, 2013). Además, se tendrá que obtener previamente la gravedad específica

bulk de los agregados, la gravedad específica del asfalto y efectuar un análisis de

Densidad – Vacíos de las briquetas compactadas.

13

Para determinar el contenido óptimo de asfalto para una gradación de agregados

dada o preparada, se deberá elaborar briquetas con distintos porcentajes de asfalto,

de tal manera que al graficar los diferentes valores obtenidos después de ser

ensayadas, permitan determinar el valor óptimo.

La incorporación de fibras en la mezcla asfáltica será añadida inicialmente de

acuerdo a una dosificación de diseño de mezclas que permita un contenido óptimo

de fibra.

Para el análisis de adherencia de la fibra de polipropileno mediante la vía seca, será

conveniente iniciar con una mezcla convencional, con el fin de comparar las

variaciones de las propiedades de esta mezcla al incorporarle diferentes

proporciones de fibra de polipropileno.

Finalmente, se concluirá con la fabricación de briquetas cilíndricas de 4 pulg de

diámetro y 2.5 pulg de altura, dosificadas de acuerdo a las Especificaciones

Técnicas (MTC, 2013) para posteriormente romperlas en la Prensa Marshall y

determinar su estabilidad y deformación.

3. MARCO TEÓRICO

3.1. Definición de Pavimento

Un pavimento es un elemento estructural construido para soportar el paso de

vehículos y está conformado por varias capas de espesores. Las principales

funciones que debe cumplir un pavimento son “Una superficie de rodadura

homogénea, de color, textura apropiada y resistente al tránsito vehicular. Además,

de soportar el intemperismo y otros agentes perjudiciales, así como transmisión de

las cargas producidas por los automóviles”. (CASTILLO H. 1999)

14

La capa de rodadura tiene que ser duradera al deterioro debido a la abrasión

producida por los neumáticos y los desgastes por humedad. Además, el diseño de

esta infraestructura debe contar con un buen desempeño para prolongar el periodo

de vida útil. En estos tipos de infraestructura, existen varios tipos de pavimentos;

sin embargo, se profundizará en uno como el pavimento flexible.

3.1.1. Pavimento Flexible

Este tipo de pavimento se caracteriza por tener una superficie de capa bituminosa

o mezcla asfáltica que se encuentra sobre materiales granulares. Es así que las

características fundamentales que debe tener un pavimento flexible son las

siguientes:

Capacidad Estructural:

La estructura del pavimento tiene la capacidad de soporte de las cargas

producidas por el tránsito vehicular de forma que el periodo de vida útil sea

prolongado. Por otro lado, la falla constante de estos tipos de infraestructura

está en los esfuerzos cortantes y esfuerzos tensores que se producen en la

capa de rodadura.

Deformación:

Las deformaciones en esta infraestructura deben ser controladas ya que son

las principales causas de fallas, en la infraestructura. Además, estas fallas

se presentan de forma elástica y plásticas.

Durabilidad:

Consiste en el periodo de servicio prolongado de la vía en condiciones

aceptables.

15

Por otro lado, la composición de las capas de un pavimento flexible son las

siguientes:

Capa Asfáltica:

Es la superficie de una estructura de pavimento, cuyas funciones es servir

como capa de rodamiento uniforme, impermeabilizar la capa asfáltica para

evitar la filtración del agua al interior del pavimento y ser resistente a los

esfuerzos producidos por el vehículo.

Base:

Este estrato trasmite las cargas producidas por los vehículos a las capas

inferiores del pavimento.

Sub – Base:

Este estrato tiene como función la transición entre capas de la estructura del

pavimento, puesto que actúa como un filtro que separa a la base de la

subrasante. Además, controla los cambios volumétricos en la subrasante.

Sub – Rasante:

Este estrato tiene la capacidad de soporte de los suelos que se encuentra

sobre esta capa. También, esta superficie tiene como función la estabilidad

de toda la estructura del pavimento frente a cargas por tránsito.

Es importante definir los conceptos que estructuran la capa de rodadura y que es

materia de investigación en la presente tesis.

16

Cemento Asfáltico:

Es una mezcla de hidrocarburos de diferentes pesos moleculares. Por ello,

“las características del asfalto dependen de la composición química y de la

distribución de los diferentes hidrocarburos. Si la distribución de los pesos

moleculares son grandes, entonces el asfalto de vuelve más duro y viscoso.

A temperatura ambiente, el cemento asfáltico es un material semisólido que

no se puede aplicar fácilmente como aglomerante sin antes calentarlo”

(MICHAEL, 2009, p 338).

Mezcla Asfáltica en Caliente:

Es considerada como bituminosa en caliente a la combinación de áridos con

un ligante. Además, “el propósito del diseño de la mezcla es determinar el

contenido de asfalto necesario, utilizando el asfalto y los áridos disponibles.

El contenido en asfalto del diseño variara para los distintos tipos de

materiales, propiedades de los mismos, niveles de carga y condiciones

medioambientales. Para producir una mezcla asfáltica en caliente de buena

calidad es necesario controlar con precisión el contenido de asfalto en la

mezcla y la temperatura óptima” (MICHAEL, 2009, p 365). También, la

temperatura de la mezcla supera los 100 °C. Si no se tuviera el contenido

óptimo de asfalto, el pavimento no obtendrá la durabilidad y estabilidad

esperada.

Fibra de Polipropileno:

Las fibras de polipropileno son polímeros versátiles que cumplen funciones

como plástico y fibra. Estas fibras son polímeros termoplásticos que tienen

una densidad de 0.90 gr/cc y su estructura molecular está dentro del grupo

metilo. Además, estas fibras son monofilamentos cortados a 19 mm,

17

utilizados también en diseños de concreto o mortero. Por otro lado, las fibras

de polipropileno poseen un índice de fluidez a 230°C de 18g/10min,

resistencia máxima a la tracción 5250 psi (36 MPa) y punto de fusión es

162°C.

3.2. Ensayos para el Diseño:

Existen métodos de diseño que pueden variar; sin embargo, los siguientes

ítems son factores necesarios para el diseño de pavimentos.

3.2.1. Estudios de Mecánica de Suelos:

Este estudio consiste en la exploración del suelo a través de calicatas para

obtener muestras del mismo, que son necesarios para clasificar y

caracterizar el material granular que servirá para el diseño de las briquetas

de asfalto.

3.2.1.1. Ensayo de Granulometría (ASTM D 422 – 69)

Los ensayos de granulometría se realizarán para materiales del terreno

natural y de cantera que serán usados para el diseño de las briquetas. Este

análisis granulométrico consiste en zarandear la muestra de suelo por un

conjunto de mallas que tienen aberturas grandes y pequeñas. Después del

periodo de vibración se determina la masa del suelo retenido en cada malla

y los resultados de este análisis se representan generalmente como

porcentaje del peso total de suelo que pasó por las diferentes mallas.

Estos resultados se representan a través de una curva de distribución

granulométrica en la cual los diámetros de las partículas se grafican a escala

logarítmica. Por ello, de acuerdo a las Especificaciones Técnicas Generales

para la Construcción de Carreteras (MTC, 2013) se debe cumplir con las

especificaciones granulométricas para que el agregado sea considerado

18

aceptable. En la Tabla 3, se observan tres tipos de mezclas asfálticas en

caliente (MAC 1, MAC 2, MAC 3).

A continuación, se presentarán los porcentajes que pasan por los tamices.

Tabla 3. Especificaciones técnicas de la granulometría para el diseño

(MTC, 2013)

3.2.1.2. Límites de Atterberg (ASTM D4318 – 95A)

En este ensayo se conocen las propiedades del material, límite líquido y

límite plástico.

El límite líquido es el contenido de humedad que delimita la transición entre

el estado líquido y plástico de un suelo. El limite plástico es la mínima

humedad con la que el suelo tiene un comportamiento plástico, es decir que

la muestra no admite deformaciones sin rotura.

Por consiguiente, el índice de plasticidad es la diferencia entre el límite

líquido y el límite plástico de un suelo.

Por lo tanto, de acuerdo a las Especificaciones Técnicas Generales para la

Construcción de Carreteras (MTC, 2013) los límites del Índice de Plasticidad

para diseño de mezclas asfálticas requeridos se muestran en la Tabla 4.

19

Tabla 4. Requerimiento para los agregados finos para el diseño del MAC

(MTC, 2013)

3.2.1.3. Partículas Chatas y Alargadas (ASTM D – 4791)

El muestreo que se le hace al material para considerarlas partículas chatas

y planas está relacionado al ancho/ espesor o largo / ancho mayor al valor

especificado de 3 a 1,4 a 1 o 5 a 1.Estas muestras son ensayadas en

partículas de cada tamaño usando una calibración proporcional.

Por lo tanto, según las Especificaciones Técnicas Generales para la

Construcción de Carreteras (MTC, 2013) tienen contemplados valores que

se encuentren en la Tabla 5.

20

Tabla 5 . Requerimiento para los agregados gruesos para el diseño del MAC

(MTC, 2013)

3.2.1.4. Equivalente de Arena (ASTM D 2419)

Este ensayo de equivalente de arena se usa para determinar las

proporciones relativas de arcilla y polvo en agregados finos. En este ensayo

se hace uso de una probeta donde se coloca el agregado fino con una

solución floculante luego se agita en el agua y deja reposar. Después, de

unos minutos, los componentes se asientan y se aprecia que el material

arcilloso entre en suspensión por encima del agregado. El valor equivalente

de arena es la relación entre la arena de lectura y la lectura de la arcilla como

un porcentaje.

Las Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de

Carreteras (MTC, 2013) contemplan valores que están en la Tabla 6 donde

se registra el porcentaje equivalente para zonas mayores a 3000 msnm.

21

Tabla 6 . Requerimiento para los agregados finos en Equivalente de Arena

(MTC, 2013)

3.2.1.5. Ensayo de Durabilidad (ASTM C-88) (AASHTO T-104)

El ensayo de durabilidad se conoce como la prueba de sulfato de sodio o de

magnesio. Este ensayo se usa para medir la resistencia a la congelación y

descongelación de los agregados gruesos. La muestra global se sumerge

en una solución de sodio o sulfato de magnesio por un periodo de 16 a 18

hrs a una temperatura de 21± 1°C .Luego esta muestra se drena por 15 ± 5

min y se coloca en un horno a 110 ± 5°C; así mismo el proceso de inmersión

y secado suele repetirse durante cinco ciclos.

El proceso de humedad y secado influye en el cambio de volumen de áridos

y esta diferencia debe ser bajo o nulo en el cambio de volumen en las

variaciones de contenido de humedad. Además, en este proceso de

congelación y descongelación se podría provocar la fractura de los

agregados gruesos.

22

En las Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de

Carreteras (MTC, 2013) asigna porcentajes para materiales de agregados

finos y gruesos que están en la Tabla 7 y Tabla 8 donde el porcentaje

máximos de durabilidad debe ser para altitudes mayores a 3000 m.s.n.m.

Tabla 7. Requerimiento para los agregados gruesos en ensayo de

Durabilidad (MTC, 2013)

Tabla 8. Requerimiento para los agregados finos en ensayo de Durabilidad

(MTC, 2013)

23

3.2.1.6. Ensayo de los Ángeles (AASHTO T96) (ASTM C131)

El ensayo de los Ángeles consiste en evaluar la resistencia de los agregados

gruesos a la abrasión y las fuerzas de impacto. En esta prueba los

agregados gruesos son colocados en un tambor de acero. Luego, se añade

de 6 a 12 bolas de acero cada uno con un peso de 420 gr) y posteriormente

el tambor es rotado a 500 veces a una velocidad de 30 a 33 rpm. El resultado

de un valor alto indica el potencial de generación de polvo y rotura.

Las Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de

Carreteras (MTC, 2013) asignan valores admisibles para materiales de

agregados gruesos que están en la Tabla 9.

Tabla 9. Requerimiento para los agregados gruesos para abrasión los

Ángeles (MTC, 2013)

3.2.2. Estudios de Asfalto:

Los estudios de ensayos asfálticos son necesarios para mantener la calidad

del material en óptimas condiciones.

24

3.2.2.1. Ensayo de penetración (ASTM D5):

Este ensayo consiste en el número de unidades de 0,1 mm de profundidad

de penetración alcanzados durante el ensayo de penetración. Estos

resultados son medidas empíricas que muestran la dureza del cemento

asfáltico. El procedimiento se realiza cuando una aguja cargada con un peso

de 100gr empieza a penetrar a una muestra de cemento asfaltico durante

un periodo de 5 segundos. Al realizar el ensayo, la muestra de cemento

asfaltico es llevado a la temperatura de análisis, por lo general 25°C

(77°F).Por ello, un asfalto más duro tendrá una penetración más baja

mientras que un asfalto más suave tendrá una mayor penetración.

Figura 1: Ensayo normal de Penetración (TAI, 1990)

Por otro lado, este ensayo también puede realizarse a 0°C (32°F) con una

carga de 200gr durante 60 segundos o a 46.1°C (115°F) con un peso de 50

gr durante 5 segundos. Además, el Instituto de Asfalto manifiesta lo

siguiente: “Los betunes asfálticos se clasifican en grados según su dureza o

consistencia por medio de la penetración. El Instituto del Asfalto ha adoptado

cuatro grados de betún asfáltico para pavimentación con penetraciones

comprendidas dentro de los márgenes siguientes: 60 – 70, 85 – 100, 120 –

150 y 200 – 300”. También, el Manual de Carreteras (MTC, 2013) clasifica

valores admisibles según la temperatura de la zona geográfica. Por esta

razón, en la Tabla 10 se muestra la relación de penetración del asfalto en

relación con la temperatura de la zona.

25

Tabla 10. Registro del ensayo de penetración respecto a la temperatura

(MTC, 2013)

Además, las características de este ensayo están representadas a través de

la equivalencia entre el grado de betún asfáltico y el grado de penetración.

Por ello, en el Manual de Carreteras (MTC, 2013) se incorpora la Tabla 11

donde se hace la clasificación del cemento asfáltico por penetración.

Tabla 11. Especificaciones para los cementos asfalticos a través de su

grado de penetración (MTC, 2013)

26

3.2.2.2. Ensayo de Ductilidad (AASHTO T51) (ASTM D 113)

El ensayo de ductilidad es la medida en centímetros de una muestra

estándar de cemento asfáltico que se extenderá antes de ser roto. Por ello,

el ensayo de ductilidad se realiza a través de una muestra de molde de forma

transversal de

1 cm2. Esta muestra debe mantenerse en agua bajo una temperatura de

25°C para proceder luego a estirarla a una tasa de 5 cm / min hasta que se

rompa. Este ensayo algunas veces se realiza a 4°C a una tasa de 1 cm /

min.

Figura 2. Ensayo normal de Ductilidad (TAI, 1990)

De otro lado, los betunes asfalticos con ductilidad muy elevada son

recurrentemente más susceptible a los cambios de temperatura. También,

las características de este ensayo se reflejan en el cuadro de

especificaciones técnicas según el grado de penetración.

En la Tabla 12 se muestra el cuadro de requerimiento de la ductilidad.

27

Tabla 12. Especificación técnica para el ensayo de ductilidad (MTC, 2013)

3.2.2.3. Ensayo de Punto de Inflamación (AASHTO T48)

Este ensayo tiene como procedimiento el llenado de cemento asfáltico en

una taza de latón para luego calentarlo a un periodo determinado. Se

observa luego una llama que se pasa sobre la superficie de este pequeño

recipiente repetidas veces y la temperatura a la que esta llama produzca una

flama instantánea se indica como el punto de inflamación. Por ello, el punto

de inflamación es la temperatura a la que puede ser cemento asfáltico.

Por otro lado, se hace considerar como “punto llama” la temperatura a la que

se han desprendido vapores suficientes para producir una llama repentina.

28

Figura 3 . Determinación del punto de inflamación en vaso abierto

Cleveland (TAI, 1990)

Además, el punto de inflamación del cemento asfáltico muestra la

temperatura a la que pueda calentarse el material sin peligro de inflamación

en presencia de llama libre.

Por otro lado, según el Manual de Carreteras (MTC, 2013) la cual dentro

de sus especificaciones técnicas contempla en la Tabla 13 los valores

mínimos y máximos de acuerdo al cemento asfaltico por el grado de

penetración.

29

Tabla 13: Especificación técnica para el ensayo de punto de inflamación

respecto al grado de penetración (MTC, 2013)

3.2.2.4. Ensayo de Película Delgada (ASTM D 1754)

Este ensayo tiene como objetivo la prevención del envejecimiento que puede

producirse en un cemento asfáltico durante el periodo de la mezcla. Además,

la prueba se realiza colocando una muestra de 50 g de cemento asfáltico en

un recipiente cilíndrico de 13.97 mm de diámetro interior y 9.525 mm de

profundidad con fondo plano. Posteriormente, el recipiente se coloca en un

soporte giratorio en un horno bien ventilado con una temperatura de 163 °C

durante 5 horas.

En las especificaciones del Manual de Carreteras (MTC, 2013) señala en la

Tabla 14 los valores máximos y mínimos de las pruebas sobre película

delgada respecto al grado de penetración del cemento asfaltico.

30

Tabla 14 . Especificaciones técnicas para el ensayo de película delgada

(MTC, 2013)

3.2.3. Estudios Especiales para Briquetas de Asfalto:

Los estudios para briquetas de asfalto son primordiales para aseverar el

desempeño que tendrá durante el periodo de vida útil de la capa de

rodadura.

3.2.3.1. Ensayo Marshall (AASHTO R - 12)

El procedimiento de este ensayo es usado en mezclas bituminosas para un

tamaño de agregado máximo de 1 pulgada. Además, se fue modificando

para usar agregados de tamaño grande hasta 1.5 de pulgada. Este método

permanece vigente en trabajos de diseño de pavimentos. Por otro lado, este

método ha sido usado para mezclas de emulsión asfáltica.

Las etapas para efectuar el diseño de mezclas con el método Marshall son

las siguientes:

31

En primer lugar, es la evaluación de los agregados que abarca los ensayos

de gravedad específica, granulometría y durabilidad, adicionando todos los

ensayos requeridos por el control de calidad que posee la Norma de Diseño

para pavimentos.

En segundo lugar, se encuentra la evaluación del cemento asfáltico, puesto

que debe ser ubicado de acuerdo a la zona geográfica donde se coloque la

mezcla.

En tercer lugar, los ensayos de viscosidad del asfalto a diferentes

temperaturas. Luego, seleccionar temperaturas de mezclas de entre 170 ±

20 °C y seleccionar temperaturas de compactación entre 280 ± 30 °C.

En cuarto lugar, se tiene las mezclas de 18 especímenes, 6 con cada 3

contenidos de asfalto. Además, el contenido de asfalto debe de

incrementarse en 0.5% de asfalto. También, dos contenidos de asfalto

deben caer por encima y dos por debajo del contenido de óptimo de asfalto.

Luego, estas muestras se compactan con el compactador Marshall usando

un martillo con una cantidad de golpes de acuerdo al tráfico.

En quinto lugar, se determina el mayor peso específico de las muestras

compactadas y el máximo peso específico teórico de la mezcla.

En sexto lugar, se procede al ensayo de los especímenes para encontrar la

Estabilidad y el Flujo. Por ello, la estabilidad se define como carga máxima

resistente por la muestra compactada y acondicionada a una temperatura

de 60°C (140° C) aplicando a su vez una velocidad de carga de 2 cm / min.

Los factores principales para determinar la estabilidad son los ángulos de

fricción interna de los áridos y la viscosidad del cemento asfáltico.

En séptimo lugar, se procede a graficar el Contenido de Asfalto vs Peso

Unitario; Estabilidad vs Contenido de Asfalto; Flujo vs Contenido de Asfalto;

Vacíos de Aire vs Contenido de Asfalto; VMA vs Contenido de Asfalto y VFA

vs Contenido de Asfalto.

32

Finalmente, se debe seleccionar el contenido de asfalto óptimo para

alcanzar un mejor desempeño del espécimen durante su periodo de servicio.

En el Manual de Carreteras (MTC, 2013) muestra la Tabla 15 donde se

observa la relación entre la clase de mezcla respecto a los números de

golpes que se le hace al espécimen.

Tabla 15. Requisitos y parámetros de diseño para el ensayo Marshall

(MTC, 2013)

4. ENSAYO DE MECÁNICA DE SUELOS

Los ensayos realizados en el laboratorio sobre cada tipo de material deberán ser

por tanto reflejo de las condiciones a las que estarán sometidas durante su periodo

de vida de servicio.

33

4.1. Resumen del ensayo Granulométrico

En la elaboración de este ensayo se recolecto cuatro muestras de la cantera

de Canta, tal como se muestra en la figuras 4, 5,6 y 7.

Figura 4. Primera muestra de agregado de tamaño de 1 / 2 pulgada

(Fuente: Propia)

34

Figura 5. Segunda muestra de agregado de tamaño de 3 / 8 pulgada

(Fuente: Propia)

Figura 6. Tercera muestra de Arena Chancada

(Fuente: Propia)

35

Figura 7. Cuarta muestra de Arena Zarandeada

(Fuente: Propia)

La granulometría de los materiales que serán usados para el diseño de las

briquetas de asfalto se muestran en la siguiente Tabla 16 , la cual se realizó

para los 4 tipos de materiales extraídos de la cantera.

36

Tabla 16. Granulometría realizada a las cuatro muestras

(Fuente: Propia)

En este primer ensayo, se observa que la muestra traída contiene agregado

grueso de 1/2˝ y 3/8˝. Además, se registra el contenido de agregado fino

desde la N° 4 hasta la N° 200.

% EN PESO RET. (gr) PASA % RET. (gr) PASA % RET. (gr) PASA % RET. (gr) PASA %

3'' 76,200

2'' 50,800

1 1/2'' 38,100

1'' 25,400

3/4'' 19,050

1/2'' 12,700 2619.4 72 11.8 0

3/8'' 9,525 836.8 23 354.7 9

1/4'' 6,350 181.9 5 2445.1 62

N°4 4,760 993.7 26 50.6 10 26 12

N°6 3,360 134.5 3 107.3 12 53.7 15

N°8 2,380 72.3 10 50.0 14

N°10 2,000 34.6 4 31.1 6

N°16 1,190 83.5 13 73.6 14

N°20 0,840 31.5 6 35.3 6

N°30 0,590 29.6 6 34.5 5

N°40 0,426 18.5 5 29.5 4

N°50 0,297 11.9 5 23.3 3

N°80 0,177 11.4 7 41.7 4

N°100 0,149 3.5 2 9.9 1

N°200 0,074 12.3 6 24.6 5

-200 32.8 14 64.9 11

PROFUNDIDAD

MALLAS

SERIE

AMERICANA

M1 - PIEDRA DE 1/2'' M2-PIEDRA DE 3/8'' M3 - A. ZARANDEADA M4 - A. CHANCADA

37

El análisis de granulometría resultante de la muestra, pertenece a los

parámetros del Manual de Carretera (MTC, 2013). La gradación de la Mezcla

Asfáltica en Caliente (MAC) deberá responder a algunos de los husos

granulométricos especificados en la Tabla 17.Tambien, puede emplearse

las gradación del ASTM D 3515.

Por consiguiente, la granulometría resultante se encuentra dentro de los

parámetros del (MAC-2).

Tabla 17. Granulometría resultante de las cuatro muestras recolectadas

(Fuente: Propia)

En la Tabla 17 se puede apreciar que el porcentaje pasante está dentro de

los intervalos de la gradación de la mezcla asfáltica en caliente. Este

parámetro selecciona las mallas de 1/2˝, 3/8˝, N°4, N°10, N°40 y N°200.

Además, se ve reflejado en la curva granulométrica la cual se observa que

está dentro de los valores del intervalo que corresponde al (MAC – 2). Esto

se observa en la Tabla 18.

38

Tabla 18: Curva resultante de la granulometría de la muestra para MAC -2

(Fuente: Propia)

4.2. Resumen del ensayo para Peso Específico y Absorción

En el ensayo se obtuvieron las características de peso y volumen de los

agregados. También, se llegó a determinar la cantidad de agua que absorbe

los agregados, ya que es importante la obtención de la humedad en los

huecos de los áridos.

Por tanto, los materiales altamente absorbentes requerirán mayor cantidad

de aglomerante asfáltico, de modo que la mezcla resulte menos económica.

En la Tabla 19 se observa los valores obtenidos en el laboratorio.

39

Tabla 19. Ensayo para Peso Específico y Absorción del Agregado Grueso

(Fuente: Propia)

En la Tabla 19 se observa que los valores obtenidos en laboratorio son

apropiados, puesto que en el Manual de Carreteras ( MTC,2013) se puede

verificar que estos resultados están dentro del requerimiento para los

agregados gruesos.

Se realizó de igual manera el ensayo de peso específico y absorción para

suelos finos. Además, es recomendable una absorción baja para mejorar la

cohesión entre asfalto y agregado. Los valores registrados en este ensayo

fueron de 0.30 %, 0.67 %, 0.74 % de absorción. En la Tabla 20 se registra

los datos obtenidos de los tres materiales:

40

Tabla 20 : Ensayo para Peso Específico y Absorción del agregado fino

(Fuente: Propia)

4.3. Resumen del ensayo de Durabilidad

El ensayo realiza el proceso de congelación y descongelación, el cual

genera la fractura de agregados debido a la acumulación de tensiones

internas como consecuencia del aumento de volumen de agua en el interior

de los agregados. Los resultados del ensayo serán mostrados en la

siguiente Tabla 21.

41

:

Tabla 21. Inalterabilidad del agregado grueso por medio del sulfato de

magnesio (Fuente: Propia)

En la Tabla 21 se observa que el porcentaje es de 2.03 % de pérdida para

el material grueso, lo cual indica un valor óptimo. En el Manual de Carreteras

(MTC, 2013), existe un límite máximo de 15 % para zonas a mayor de los

3000 m.s.n.m. Por ello, el material grueso analizado es un material óptimo

para el diseño de la mezcla asfáltica en caliente.

De igual manera se realizó el ensayo para los agregados finos y se

registraron los siguientes valores en la Tabla 22.

42

Tabla 22. Inalterabilidad del agregado fino por medio del sulfato de

magnesio (Fuente: Propia)

En la Tabla 22 registra el porcentaje es de 5.51 % de perdida para el

material fino, el cual registra un valor considerable. El Manual de Carretas

(MTC, 2013) se admite valor límite el 18 % máximo para zonas mayores a

los 3000 m.s.n.m. El porcentaje obtenido señala que el material fino es ideal

para el diseño de la mezcla asfáltica en caliente.

4.4. Resumen del ensayo de Constantes Físicas

El ensayo de constantes físicas es un indicador de la cantidad y el tipo de

fino que presenta el material; por consiguiente, para determinar estos

valores se obtiene los resultados del límite líquido y limite plástico de los

agregados finos. Por ello, a continuación se mostrara la tabla 23 de

resultados.

43

Tabla 23 . Ensayo de Limite Liquido del agregado fino (Fuente: Propia )

La Tabla 23 describe la no presencia de límite líquido en la malla N° 40 para

los dos tipos de muestra. El resultado está dentro del requerimiento para los

agregados finos del Manual de Carreteras (MTC, 2013). En la malla N° 200

se encuentran valores muy bajos. Por esta razón, no se considera límite

líquido en la malla N° 200.

En el ensayo de límite plástico no presenta plasticidad, puesto que no se

llega a formar los pequeños filamentos que contempla la norma. Por

consiguiente, no se presenta límite plástico en la malla N° 40 y N° 200. La

falta de esta característica física en los dos materiales es ideal para el diseño

de la mezcla asfáltica en caliente, a su vez se puede verificar en la Tabla 24

del Manual de Carreteras (MTC, 2013).

44

Tabla 24. Ensayo de límite plástico de agregado fino (Fuente: Propia)

Finalmente, la no presencia de límite líquido y límite plástico tiene como

resultado la no presencia de índice de plasticidad en el material.

4.5. Resumen del ensayo de Chatas, Alargadas y Caras Fracturadas

El ensayo para obtener porcentaje de partículas fracturadas en materiales

de agregados gruesos debe contener una cara fracturada de por lo menos

25 % del área de la cara fracturada. En la Tabla 25 se muestra los resultados

del ensayo.

45

Tabla 25 : Ensayo de partículas con 86 / 51 % de caras fracturadas

(Fuente: Propio)

En la Tabla 25 se observa que 86 / 51 % de caras fracturadas son valores

óptimos para el diseño de mezclas asfálticas, ya que en el Manual de

Carreteras (MTC, 2013) contempla un máximo de 90 / 70 % de caras

fracturadas para zonas a más de los 3000 m.s.n.m.

El ensayo de partículas chatas y alargadas se realiza en partículas de cada

tamaño usando una calibración proporcional en una muestra representativa.

46

Tabla 26: Ensayo de partículas chatas y alargadas con 0.37 %

(Fuente: Propia)

En la Tabla 26 se observa que 0.37 % de chatas y alargadas es un valor

óptimo.El Manula de Carreteras ( MTC, 2013) considera el 10 % .

4.6. Resumen del ensayo de Equivalente de Arena

En el ensayo de equivalente de arena se determinará la proporción relativa

de arcilla y polvo de los agregados finos. Por consiguiente, se mostraran los

resultados del ensayo en la siguiente Tabla 27.

47

Tabla 27. Ensayo de equivalente de arena para las dos muestras

(Fuente: Propia)

En el ensayo se puede apreciar que los valores obtenidos se encuentran

dentro del rango de aceptación del Manual de Carreteras (MTC, 2013), ya

que el requerimientos para los agregados finos, contempla un límite de 70

% máximo para zonas a más de los 3000 m.s.n.m.

4.7. Resumen del ensayo de Abrasión

El ensayo de Abrasión o resistencia de pérdida por abrasión se enfoca en la

evaluación a la resistencia de los agregados gruesos por fuerzas de impacto.

En este ensayo se procedió a la gradación con la colocación de 11 esferas

metálicas. A continuación, se muestran los resultados del ensayo en la Tabla

28.

48

Tabla 28: Ensayo normalizado para determinar la resistencia a la

gradación en agregados gruesos (Fuente: Propia)

El ensayo registra un desgaste de 12 % en el agregado grueso lo cual indica

un valor óptimo de diseño de mezcla asfáltica en caliente. El Manual de

Carreteras (MTC, 2013) registra una tolerancia máxima de 35 % para zonas

de más de 3000 m.s.n.m.

5. ENSAYO PARA ASFALTO

Los ensayos para materiales asfálticos están representados por una

variedad de tipos y grados normalizados. En los siguientes párrafos se

explicará brevemente los ensayos de laboratorio para determinar que el

asfalto cumpla con las especificaciones técnicas.

49

5.1. Resumen del ensayo de Penetración

El ensayo de penetración determina la dureza y la consistencia de un asfalto.

Además, se pueden clasificar según su PEN de acuerdo a condiciones de

temperatura.

El asfalto solido fue proporcionado por TDM Asfalto, el cual se usó para el

diseño de mezclas asfálticas en caliente. Además, el asfalto proporcionado

contiene el control de calidad PEN 120 – 150. Este cemento asfáltico

mantiene las especificaciones técnicas del ASTM D 5 Y AASHTO T 49.

También, se requiere este tipo de PEN, puesto que es ideal para condiciones

de temperaturas bajas como la sierra del Perú.

Figura 8. Cemento Asfaltico con Pen 120 / 150 proporcionado por TDM

Asfaltos.

50

Tabla 29 : Resultado del Ensayo de Penetración

(Fuente: Propia)

En esta tabla podemos constatar que la penetración mínima es de 120 y la

penetración máxima de 150, lo cual indica que el resultado es 133 y se

encuentra dentro de las especificaciones técnicas.

.

5.2. Resumen del ensayo de Ductilidad

El ensayo de ductilidad determina la presencia o ausencia de esta

característica en el cemento asfáltico. Por ello, los cementos asfalticos

dúctiles tienen normalmente mejores propiedades aglomerantes. Por otro

lado, los cementos asfálticos con ductilidad mayor son usualmente más

susceptibles a los cambios de temperatura.

A continuación, el resultado del ensayo de ductilidad realizada por TDM

Asfaltos se observa en la Tabla 30.

Tabla 30 . Resultado del Ensayo de Ductilidad del Cemento Asfaltico

(Fuente: Propia)

Se comprueba que en el Manual de Carreteras (MTC, 2013) permite una

ductilidad mínima de 100. Por ello, este ensayo se encuentra dentro de las

especificaciones técnicas.

Penetracion a 25 °C 100g,5s,1/10 mm D5 / AASHTO T 49 133

PROPIEDADESMETODOS

ASTM / OTROSRESULTADOS

PENETRACION

PROPIEDADESMETODOS


DUCTILIDAD

Ductilidad a 25 °C,5cm/mm D113 / AASHTO T 51 135

51

5.3. Resumen del ensayo de Punto de Inflamación

El ensayo de punto de inflamación es la temperatura a la que puede ser

calentado el cemento asfáltico sin causar una inflamación instantánea en la

presencia de una llama. Además, los requisitos mínimos del punto de

inflamación suelen ser incorporados en las especificaciones técnicas por

razones de seguridad. Por ello, un cambio en el punto de inflamación puede

indicar la presencia de contaminación.

A continuación, el resultado del ensayo de punto de inflamación realizado

por TDM asfaltos se observa en la Tabla 31.

Tabla 31: Resultado de Ensayo de Punto de Inflamación

(Fuente: Propia)

El resultado del ensayo se encuentra dentro de los parámetros de la

especificación técnica del Manual de Carreteras (MTC, 2013) el cual

contempla como punto de inflamación mínima el valor de 218.

5.4. Resumen del ensayo de Película Delgada

El ensayo de Película Delgada representa la pérdida de masa durante el

proceso de envejecimiento de corto plazo. En este ensayo, la pérdida de

masa durante el proceso de envejecimiento se debe a las perdidas volátiles.

A continuación, el resultado de ensayo de Película Delgada realizada por

TDM Asfaltos se observa en la Tabla 32.

PROPIEDADESMETODOS


VOLATILIDAD

Punto de Inflamacion °C D92 / AASHTO T 48 295

52

Tabla 32. Resultado de ensayo de Película Delgada

(Fuente: Propia)

El resultado del ensayo se encuentra dentro de los parámetros de las

especificaciones técnicas del Manual de Carreteras (MTC, 2013) el cual

contempla como perdida máxima 1.3 para un Pen 120 – 150.

6. ENSAYO MARSHALL PARA BRIQUETAS DE ASFALTO

Los ensayos para mezclas asfálticas son realizados para la obtención del

desempeño óptimo en la superficie de rodadura. Por ello, en los siguientes párrafos

se explicará brevemente el ensayo Marshall para determinar que la Mezcla de

Asfalto cumpla con las especificaciones técnicas.

6.1. Resumen del ensayo Marshall para Mezcla Convencional

En esta primera parte del ensayo se diseñó una mezcla asfáltica en caliente

convencional, la cual servirá como comparativo respecto a una modificada. Por

ello, para este diseño convencional se determinó las proporciones de la mezcla,

en la siguiente Tabla 33.

PROPIEDADESMETODOS


ENSAYO DE PELICULA FINA

Perdida por Calentamiento , %m D1754 / AASHTO T 149 0.13

53

Tabla 33 . Proporciones para la mezcla asfáltica en caliente

(Fuente: Propia)

Estas proporciones obtenidas fueron calculadas a través de un peso referencial

total de la mezcla asfáltica de 1160 gr. También, estas proporciones en

porcentajes de los agregados salieron de la tabla 15 y 16 del Ítem 3.1 Resumen

del ensayo Granulométrico. Además, se prepararon 15 moldes con las

proporciones indicadas en la tabla 33.El mezclado de los materiales de

agregados y cemento asfaltico se realizó a una temperatura de 140 °C. Los

moldes de la mezcla se compacto a 75 golpes por cara y posteriormente se

enumeraron ya que estaban compactados a diferentes contenidos óptimos de

cemento asfáltico.

Estos moldes fueron agrupados para luego llevarlos a un baño de 60°C y

posteriormente ensayarlos en la comprensora de fuerza axial.

A continuación, se mostrará el desarrollo del ensayo Marshall mediante las

Figuras 9 y 10.

ARENA ZARANDEADA 50 580 gr

PIEDRA DE 3/8 " 20 232 gr

ARENA CHANCADA 10 116 gr

PROPORCIONES DE LA MEZCLA % PESO

PIEDRA DE 1/2 " 20 232 gr

54

Figura 9: Colocado de la mezcla asfáltica en caliente en un molde cilíndrico

de 4 x 2.5 pulgadas. (Fuente Propia)

Figura 10. Compactación a 75 golpes por cara en el espécimen

(Fuente: Propia)

55

Posteriormente, se agruparon los moldes con diferentes porcentajes de

contenido óptimo de cemento asfáltico. Al siguiente día, se desmoldaron las

briquetas para luego ser ensayadas.

Por otro lado, en el cemento asfáltico usado se incorporó el aditivo de

adherencia para el diseño convencional. También, al efectuar el diseño de una

mezcla asfáltica en caliente se incorporó tres tipos de contenido de cemento

asfaltico para seleccionar al final del ensayo el más óptimo. A continuación, en

la figura 12 se observa el diseño de estas briquetas.

Figura 11. Desmolde de las briquetas después de la compactación de la

mezcla (Fuente Propia)

56

Figura 12. Briquetas sumergidas a una temperatura de 60 °C

(Fuente: Propia)

Figura 13: Ensayo de Comprensión Axial en la briqueta a temperatura de 60°C

(Fuente: Propia)

57

Los resultados de la medición de la mezcla bituminosa usando el ensayo

Marshall mostraron los siguientes gráficos.

Figura 14. Grafica de Peso específico vs Cemento Asfaltico

(Fuente: LDEE)

Figura 15. Grafica de porcentaje de Vacíos vs Cemento Asfaltico

(Fuente: LDEE)

58

Figura 16. Grafica de Vacíos Llenos C.A. vs Cemento Asfaltico

(Fuente: LDEE)

Figura 17. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico

(Fuente: LDEE)

59

Figura 18. Grafica de fluencia vs Cemento Asfaltico

(Fuente: LDEE)

Figura 19. Grafica de Estabilidad vs Cemento Asfaltico

(Fuente: LDEE)

60

Finalmente, el resultado del ensayo Marshall para el diseño convencional

muestra una estabilidad de 1461.4 kg y un flujo de 3.8 mm como mayor

desempeño de la mezcla. Los pasos importantes para determinar el porcentaje

óptimo de asfalto es encontrar la máxima estabilidad, máxima densidad y el

rango permitido del porcentaje de vacíos de la mezcla Las otras características

de la Mezcla se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 34 Resumen del ensayo Marshall para mezcla asfáltica en caliente

convencional (Fuente: LDEE)

6.2. Resumen del ensayo Marshall para Mezcla Modificada

El ensayo Marshall para mezclas bituminosas modificadas tiene la misma

proporción de agregados que se muestra en la tabla 30 del Ítem 5.1 Resumen

del ensayo Marshall para mezcla convencional. Sin embargo, esta mezcla

contiene una incorporación de fibra en estado seco de la mezcla. Este aditivo

incorporado es la fibra de polipropileno que se añadió con una proporción de

0.5%, 0.6% y 0.75% de fibra. Estos tres tipos de proporciones de fibra fueron

ensayadas y se tomó en cuenta la proporción que tuviese mayor desempeño.

Los datos obtenidos del ensayo tuvieron las siguientes características.

En primer lugar, se ensayó las briquetas con contenido de 0.5 % de fibra de

polipropileno en la mezcla y sus resultado fueron los siguientes.

Características Muestra 01 Muestra 02 Muestra 03

Nro de golpes por cara 75 75 75

Contenido Óptimo de Cemento Asfáltico, %*

4.8 5.0 5.2

Peso Específico bulk, g/cm3 2482 2488 2491

Vacíos, % 3.3 2.7 2.3

Vacíos llenos con Cemento Asfáltico, %

76.8 80.4 83.3

V.M.A., % 14.2 14.1 14.2

Estabilidad, Kg (kN) 1453.7 (14256) 1461.4 (14331) 1454.1 (14259)

Flujo, mm (10E2 pulg) 3.6 (14.1) 3.8 (14.8) 3.9 (15.3)

Absorción de Asfalto, % 0.4

Relación Estabilidad /Flujo, kg/cm (lb/pulg)

4049 (10.0) 2890 (10.0) 3739 (10.0)

Temperatura de la Mezcla, °C 140 - 145

61


(Fuente: LDEE)

Figura 21: Grafica de Vacíos vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra

(Fuente: LDEE)

62

Figura 22. Grafica de Vacíos llenos C.A. vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de

fibra (Fuente: LDEE)

Figura 43: Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico con 0.5 % de fibra

(Fuente: LDEE)

63


(Fuente: LDEE)


(Fuente: LDEE)

En el resultado del ensayo Marshall para el diseño modificado con 0.5 % de

fibra muestra mayor desempeño una estabilidad de 985.4 kg y un flujo de 3.9

mm. Estas características y otras más se pueden apreciar en la siguiente Tabla

35.

64




5.5 5.7 5.9


Vacíos, % 4.2 3.4 2.3


75.5 80.5 85.7

V.M.A., % 17.1 16.7 16.3


Flujo, mm (10E2 pulg) 3.8 (15.0) 3.9 (15.2) 3.9 (15.4)



2583.0 (6.0) 2547.0 (6.0) 2487.0 (6.0)



(Fuente: LDEE)

En segundo lugar, se procedió a ensayar las briquetas de contenido 0.6 % de

fibra de polipropileno en la mezcla. A continuación, se aprecia los valores

obtenidos en las figuras siguientes.


(Fuente: LDEE)

65

Figura 27. Grafica de Vacíos vs Cemento Asfaltico con 0.6 % de fibra

(Fuente: LDEE)

Figura 28. Grafica de Vacíos Llenos con C.A. vs Cemento Asfaltico con 0.6 %

de fibra (Fuente: LDEE)

66

Figura 29. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico con 0.6 % de fibra

(Fuente: LDEE)


(Fuente: LDEE)

67


(Fuente: LDEE)

El resultado del ensayo Marshall para el diseño modificado con 0.6 % de fibra

muestra una estabilidad de 2029.4 kg y un flujo de 4.1 mm. Las otras

características de la Mezcla modificada se muestran en la siguiente Tabla 36.




5.1 5.3 5.5


Vacíos, % 3.3 2.9 2.5


78.9 81.5 83.8

V.M.A., % 15.4 15.5 15.7


Flujo, mm (10E2 pulg) 3.9 (15.3) 4.1 (16.1) 4.3 (17.0)



5235.0 (13.0) 4953.0 (12.0) 4612.0 (11.0)



(Fuente: LDEE)

68

Por último, se procedió a ensayar las briquetas de contenido 0.75 % de fibra de

polipropileno en la mezcla. A continuación, se aprecia los valores obtenidos en

las figuras siguientes.

Figura 32. Grafica de Peso Específico vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra

(Fuente: LDEE)

Figura 33. Grafica de Vacíos vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra

(Fuente: LDEE)

69

Figura 34: Grafica de Vacíos llenos con C.A. vs Cemento Asfaltico con 0.75 %

de fibra (Fuente: LDEE)

Figura 35. Grafica de VMA vs Cemento Asfaltico con 0.75 % de fibra

(Fuente: LDEE)

70


(Fuente: LDEE)


(Fuente: LDEE)

71

El resultado del ensayo Marshall para el diseño modificado con 0.75 % de fibra

muestra una estabilidad de 1371.4 kg y un flujo de 4.1 mm. Las otras

características de la Mezcla modificada se muestran en la siguiente Tabla 37.




5.9 6.1 6.3


Vacíos, % 3.9 3.2 2.6

Vacíos llenos con Cemento Asfáltico 78.1 81.5 85.0

V.M.A., % 17.7 17.6 17.5


Flujo, mm (10E2 pulg) 3.7 (14.7) 4.1 (15.9) 4.4 (17.3)



3687.0 (9.0) 3386.0 (8.0) 3056.0 (8.0)



(Fuente: LDEE)

Finalmente, el resumen los datos obtenidos por el ensayo Marshall están

representados a través de un cuadro comparativo de los dos tipos de mezclas

asfálticas. No obstante, se debe tener en cuenta que en la mezcla asfáltica

convencional se usó un aditivo de adherencia en cemento asfaltico a una

proporción de 0.5 %. Por otro lado, en la mezcla asfáltica modificada solo se

incorporó el aditivo de fibra de polipropileno a una proporción de 0.6 %, ya que

representa la mayor respuesta estructural de estabilidad y fluencia. No obstante,

las proporciones de 0.5 % y 0.75 % no muestra valores óptimos para el diseño

de mezcla. A continuación, se observa en la Tabla 38 la diferencia de los dos

tipos de mezclas asfálticas.

72

Tabla 38. Cuadro comparativo del ensayo Marshall para los dos tipos de

mezclas (Fuente: Propia)

7. CONCLUSIONES

La evaluación sobre cómo los ensayos clásicos se comportan en relación a

ensayos dinámicos son de mucha importancia para plantear soluciones. Así,

sin desligarse drásticamente de los diseños clásicos, se pueden establecer

congruencias que permitan la mayor respuesta estructural de la vida útil de la

capa de rodadura. Por esta razón, se concluyen puntos importantes que se

obtiene de la tesis.

La utilización de fibra de polipropileno en una proporción de 0.6 %

incrementa la estabilidad de la mezcla asfáltica en caliente en 38 % en

relación al diseño de mezcla convencional. Este incremento de la

estabilidad proporciona mayor respuesta estructural frente a cargas

vehiculares.

0.5% 0.6% 0.75%

5.7 5.3 6.1

2.432 2.443 2.416

3.4 2.9 3.2

80.5 81.5 81.5

16.7 15.5 17.6

985.4 2029.4 1371.4

3.9 4.1 4.1

0.14 0.10 0.11

2547 4953 3386

140 -145 140 - 150 140 - 145

0.4

3890

140 -145

75

Contenido de Fibra de Polipropileno, % N.P.

Absorcion de Asfalto, %

Relacion Estabilidad / Flujo, kg/cm ( lb/pulg)

Temperatura de la Mezcla, °C

5.0

2.488

2.7

80.4

14.1

1461.4

3.8

Peso Especifico bulk, g/cm3

Vacios, %

Vacios llenos con Cemento Asfaltico, %

V.M.A., %

Estabilidad,kg (KN)

Flujo, mm (10-2 pulg)

CARACTERISTICAS DE LA MEZCLA MEZCLA ASFALTICA CONVENCIONAL MEZCLA ASFALTICA MODIFICADA

75N° de golpes por cara

Contenido Optimo de Cemento Asfaltico, %

73

La mezcla optima con fibra registra 2.9 % de vacíos la cual favorece la

respuesta estructural de la mezcla frente a problemas de hielo y

deshielo.

El contenido óptimo de 5.7% de cemento asfaltico en la mezcla

modificada de fibra al 0.5 % es mayor que el porcentaje de la mezcla

convencional lo cual contrarresta en el deterioro por humedad en zonas

lluviosas como la sierra.

Los contenidos de cemento asfaltico que se registran en los resultados

del mezclas modificadas muestra una mayor absorción respecto a la

mezcla convencional, por lo tanto contrarresta del deterioro por tráfico.

La dosificación optima de 0.6 % de fibra de polipropileno incrementa en

27.3% la relación Estabilidad / Flujo respecto de la mezcla

convencional.

8. RECOMENDACIONES

Las fibras de polipropileno pueden usarse de manera confiable para mejorar

las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica. Por esta razón, se

recomienda puntos importantes que se obtiene de la tesis.

Se recomienda el fomento del uso de las fibras de polipropileno como

modificador en mezclas asfálticas en caliente para zonas geográficas

con bajas temperaturas.

El correcto uso de las fibras de polipropileno debe hacerse por la vía

seca, ya que solo así se obtendrá la adherencia deseable entre los

agregados y el cemento asfaltico.

74

La próxima investigación referente a mezclas asfálticas en caliente tiene

que realizarse el ensayo de Rueda de Hamburgo, ya que determinar la

deformación permanente por humedad que permita mostrar datos de la

respuesta estructural.

En todas la evaluaciones sobre mezclas asfálticas en caliente se tiene

que realizar el ensayo de Tensión Indirecta que verifica la resistencia al

daño inducido por humedad para visualizar si el agregado grueso de

rompió o se separó del asfalto. Este ensayo proporcionara mayor

precisión en la respuesta estructural

Sería necesario desarrollar una evaluación económica de la mezcla

asfáltica en caliente con fibra de polipropileno, comparándolas con las

convencionales, en cuanto a costos iniciales y de mantenimiento.

Se recomienda que antes de ensayar se debe verificar que los equipos

se encuentren en buen estado para no tener interferencias en el registro

de los resultados que proporciona la máquina.

Se recomienda la evaluación y estudio de los ensayos Marshall con

respecto a ensayos de módulo resiliente para establecer tendencias y

recomendaciones para obtener una mejor respuesta estructural.

75

10. BIBLIOGRAFIA

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Vial Nacional”. Lima, Perú, 2015a.

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76

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11. ANEXOS

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN...

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