Caracterización de Mezclas Asfálticas Finas Modificadas ...
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Caracterización de Mezclas Asfálticas Finas Modificadas con Aceite Refinado, Blanqueado y Desodorizado (RBD). Camilo Andrés Perico Martínez Asesora: Silvia Caro Spinel Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil Bogotá, Diciembre 2014
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Caracterización de Mezclas Asfálticas Finas
Modificadas con Aceite Refinado, Blanqueado y
Desodorizado (RBD).
Camilo Andrés Perico Martínez
Asesora: Silvia Caro Spinel
Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil
Bogotá, Diciembre 2014
1
Tabla de Contenido
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................. 6
1) INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 7
2) OBJETIVOS ...................................................................................................................... 10
2,1) OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................... 10
2,2) OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................... 10
3) MATERIALES .................................................................................................................... 11
3,1) CEMENTO ASFÁLTICO ................................................................................................... 12
3,2) MATRIZ ASFÁLTICA FINA (FAM) .................................................................................... 12
3,3) ACEITE DE PALMA Y ACEITE REFINADO, BLANQUEADO Y DESODORIZADO (RBD) .......... 12
4) METODOLOGÍA ............................................................................................................... 14
4,1) PROTOCOLO DE MEZCLADO DE ASFALTO CON BIO-LIGANTE. ....................................... 14
4,1,1 ) Comprobación de la Calidad del Modificador. ....................................................... 14
4,1,2 ) Instrumentos. ....................................................................................................... 14
4,1,3 ) Dosificación. ......................................................................................................... 14
4,1,4 ) Proceso de Mezclado. ........................................................................................... 15
4,1,5 ) Verificación de Condiciones Óptimas del Producto ............................................... 16
4,2) GRAVEDAD ESPECIFICA MÁXIMA TEÓRICA (Gmm) .......................................................... 16
4,3) ESPECÍMENES DE ENSAYO ............................................................................................ 19
4,3,1 ) Construcción de Probetas de Matriz Fina de Mezcla Asfáltica ............................... 19
4,3,2 ) Extracción de los Especímenes a ensayar en el Reómetro. .................................... 22
4,4) GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK........................................................................................ 24
4,5) ENSAYO DMA ............................................................................................................... 26
4,7) PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE CURVAS MAESTRAS. ................................................. 28
4,8) PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE CURVAS MAESTRAS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS
COMPLETAS. ....................................................................................................................... 32
5) RESULTADOS ................................................................................................................... 36
5,1) ÁNGULO DE FASE (δ). ................................................................................................... 36
5,2) MATRIZ FINA DE MEZCLA ASFÁLTICA DE CONTROL. ...................................................... 36
5,3) MATRIZ FINA DE MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA CON 3% DE RBD. ........................... 38
5,4) MATRIZ FINA DE MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA CON 4% DE RBD. ........................... 39
5,5) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA VARIACIÓN EN 1% DE RBD EN LA FAM
........................................................................................................................................... 41
5,6) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA PRESENCIA DE 3% DE RBD EN EL
CEMENTO ASFALTICO.......................................................................................................... 42
2
5,7) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA PRESENCIA DE 3% DE RBD EN MEZCLAS
ASFÁLTICAS CON GRANULOMETRÍA COMPLETA. ................................................................. 43
5,8) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA PRESENCIA DE 3% DE RBD EN MEZCLAS
ASFÁLTICAS CON GRANULOMETRÍA COMPLETA, FAM Y CEMENTO ASFALTICO. ................... 44
6) CONCLUSIONES ............................................................................................................... 46
7) BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................. 47
3
Lista de Ilustraciones
Figura 1: Ubicación de la Matriz Asfáltica Fina en una Mezcla Asfáltica ................................... 11
Figura 2: Montaje Proceso de Mezclado .................................................................................. 15
Figura 3: Vórtice en Asfalto ..................................................................................................... 15
Figura 4: Dosificado de modificador ........................................................................................ 16
Figura 5 Matriz Fina de la Mezcla Asfáltica esparcida sobre un cartón. (Foto tomada por
Vanessa Gonzales Prieto) ........................................................................................................ 17
Figura 6: Montaje del picnómetro usado durante el ensayo. ................................................... 18
Figura 7: Instrumento de Agitación Automática para la extracción de todo el aire que se
encuentre en la mezcla. .......................................................................................................... 18
Figura 8: Extracción de la Probeta por medio de la introducción de un pistón a presión en la
base inferior del molde que lo Contiene. ................................................................................. 22
Figura 9: Extracción de la Probeta por medio de la introducción de un pistón a presión en la
base inferior del molde que lo Contiene. ................................................................................. 23
Figura 10: Especímenes extraídos de Probeta de la FAM de Control. ....................................... 23
Figura 11: Denominación de las Zonas de la Probeta de las cuales se extrajeron los
Especímenes. (Gonzalez, 2014) ............................................................................................... 23
Figura 12: Porcentajes de vacíos Diseñado y Porcentaje de Vacío del Ensayo Bulk. .................. 25
Figura 13: Porcentaje de Vacíos en Especímenes de Control y Modificados. ............................ 26
Figura 14: Montaje de los Especímenes en los soportes de Madera. ....................................... 27
Figura 15: Montaje en el Reómetro de un Espécimen (Gonzalez, 2014). .................................. 28
Figura 16: Módulo Complejo VS. Frecuencia............................................................................ 29
Figura 17: Módulos Complejos trasladados independientemente para cada Temperatura ...... 30
Figura 18: Correlación de William Landel Ferry. ....................................................................... 31
Figura 19: Curva Maestra para una Temperatura de Referencia de 35ºC. ................................ 31
Figura 20: Curva Maestra a 35ºC con su respectiva línea de tendencia. ................................... 32
Figura 21: Curva Maestra del Angulo de Fase para una Temperatura de Referencia de 40ºC ... 34
Figura 22: Curva Maestra del Angulo de Fase para una Temperatura de Referencia de 35ºC ... 35
Figura 23: Resultados Obtenidos del Angulo de Fase para el Espécimen RBD 3% B1. ............... 36
Figura 24: Curvas Maestras de las Matrices Finas de las Mezclas Asfálticas de Control a Tref =
35°C. ...................................................................................................................................... 37
Figura 25: Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras arrojadas por las
Muestra de Control. ................................................................................................................ 37
Figura 26: Curvas Maestras de las Matrices Finas de las Mezclas Asfálticas de Control a Tref =
35°C. ...................................................................................................................................... 38
Figura 27: Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras arrojadas por las
Muestra Modificadas en 3% con RBD. ..................................................................................... 39
Figura 28: Curvas Maestras de las Matrices Finas de las Mezclas Asfálticas Modificada con 4%
de RBD a Tref = 35°C. ............................................................................................................... 40
Figura 29: Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras arrojadas por las
Muestra Modificadas en 4% con RBD. ..................................................................................... 40
Figura 30: Comparación de Curvas Maestras a Tref=35ºC de las FAM de Control y las
Modificadas con 3% y 4% de RBD. ........................................................................................... 41
Figura 31: Comparación de Curvas Maestras de Cemento Asfaltico Modificado con 3% de RBD y
sin Modificar. .......................................................................................................................... 43
Figura 32: Curvas Maestras de Mezclas Completas a 35ºC. ...................................................... 44
4
Figura 33: Curvas Maestras de Asfalto, FAM y Mezcla Completa sin modificar y modificadas en
3% con RBD............................................................................................................................. 45
5
Lista de Tablas
Tabla 1: Valores comunes de Distribución en Porcentaje de una Mezcla Asfáltica Modificada . 11
Tabla 2: Granulometría FAM ................................................................................................... 12
Tabla 3: Resultados de los Ensayos de Gravedad Específica Máxima Teórica. .......................... 18
Tabla 4: Resumen de los contenidos en masa de la FAM modificada con 3% de RBD. .............. 20
Tabla 5: Resumen de los contenidos en masa de la FAM modificada con 4% de RBD ............... 20
Tabla 6: Resumen de los contenidos en masa de la FAM de control. ....................................... 20
Tabla 7: Gravedad Específica Bulk y Porcentaje de Vacíos de las Probetas. .............................. 25
Tabla 8: Gravedad Específica Bulk y Porcentaje de Vacíos para los Especímenes de DMA ........ 26
Tabla 9: Resultados del ensayo DMA para Barrido de Frecuencias y Temperaturas. ................ 28
Tabla 10: Shift Factors para es Espécimen con RBD 3%-B1....................................................... 30
Tabla 11: Ajuste de Parámetros de Entrada a la Ecuación de WLF con relación al EMC. ........... 31
Tabla 12: Valores Escogidas por Martínez-Villalba para la Ecuación de Witczak. (Martínez-
Villalba, 2014) ......................................................................................................................... 33
Tabla 13: Parámetros de Correlación de WLF para la Curva Maestra del Angulo de Fase Tref de
40ºC........................................................................................................................................ 34
Tabla 14: Parámetros de Correlación de WLF para la Curva Maestra del Angulo de Fase Tref de
35ºC........................................................................................................................................ 35
Tabla 15: Parámetros de Correlación William-Landel-Ferrel para las Curvas Maestras de la FAM
de Control ............................................................................................................................... 38
Tabla 16: Parámetros de Correlación William-Landel-Ferrel para las Curvas Maestras de la FAM
Modificada con 3% de RBD ..................................................................................................... 39
Tabla 17: Parámetros de Correlación William-Landel-Ferrel para las Curvas Maestras de la FAM
Modificada con 4% de RBD ..................................................................................................... 40
Tabla 18: Cuantificación de los Módulos Complejos de las tres Curvas Maestras y su Coeficiente
de Variabilidad. ....................................................................................................................... 41
Tabla 19: Caída del Módulo Dinámico Respecto al Espécimen de Control. ............................... 42
Tabla 20: Parámetro de Ajuste de las Curvas Maestras de Cemento Asfaltico, Modificado y Sin
Modificar ................................................................................................................................ 43
6
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar agradezco a la asesora la doctora Silvia Caro Spinel por su importante apoyo a
lo largo de todo el proceso, por su generosidad con el conocimiento, por su dedicación, por la
forma como pudo enseñarme a construir el conocimiento, por su excelente pedagogía y
didáctica y por lo mucho que aprendí durante todo el proceso. En segundo lugar gracias a los
docentes que compartieron muchos aspectos de la ingeniería civil y que serán muy útiles a lo
largo de mi desempeño profesional. A la Universidad, en donde pude estructurarme como
profesional, pude edificar muchos elementos intelectuales y sociales y en donde también
desarrollamos aspectos esenciales para tener muy buenos amigos.
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1) INTRODUCCIÓN
En la actualidad es común que se evalúen múltiples posibilidades para la modificación de las
mezclas asfálticas. Dentro de los argumentos para dicha modificación, se encuentra el hecho de
que su fabricación requiere asfalto, un producto orgánico y no renovable, que resulta del
refinamiento del petróleo (Precio Petroleo, 2014). Se ha visto un incremento cercano al 400%
en el precio del barril del petróleo en los últimos 11 años (2003-2014), pasando de US$25,06 a
US$95,74 (Precio Petroleo, 2014), lo cual ha producido un incremento superior al 115% en el
precio de cada tonelada de asfalto, debido a que en el año 2004 era de COP$474.756,96 y
actualmente dicho precio está en COP$1’040.943,20 (ECOPETROL, 2014). Respecto al impacto
ambiental, se sabe que es necesario innovar en los materiales asfalticos para reducir las
emisiones que se generan al ambiente y el gasto energético que requiere su proceso de
fabricación. A manera de ejemplo, en el caso puntual de las mezclas densas en caliente, las
temperaturas típicas de mezcla oscilan entre los 160ºC y 150ºC respectivamente (ECOPETROL,
2006) (Instituto Nacional de Vías, 2002).
Es importante tener presente que en Colombia el único productor de asfalto es Ecopetrol S.A. y
que en la actualidad se encuentra cubierto por varios decretos que ratifican su posición de
productor y comercializador exclusivo de este producto en el país. Una de dichas resoluciones
es la Número 36858 emitida por el Ministerio de Comercio, Industria y Turismo, en la cual se
ratifica a Ecopetrol como único proveedor de asfalto en Colombia y a su vez como la única
compañía que tiene permitida la importación de dicho material (Superintendencia de Industria
y Comercio, 2012). Otro aspecto significativo es aquel que se encuentra relacionado a la
producción y consumo nacional del crudo y sus derivados, debido a que en los últimos 30 años
se ha incremento en cerca del 30%, originando así una reducción en la reservas del país en 6,6
años para el 2014 (Asociación Colombiana de Petroleo, 2014).
Con base en este contexto, se propone en este trabajo caracterizar una mezcla asfáltica
modificada con un bio-ligante. Estos productos son, como su nombre lo indica, de origen vegetal
y se caracterizan por ser renovables en un periodo corto de tiempo, además de estar
compuestos, al igual que el asfalto, por una estructura molecular de hidrocarburos. El bio-ligante
que se quiere evaluar y cuantificar es producto derivado del procesamiento de la especie de
palma de cera Elaeis Guineensis y toma nombre de aceite refinado blanqueado y desodorizado
(RBD). Una ventaja que este proceso tiene es la potencial implementación de tecnología de
mezclas asfálticas tibias, es decir, de mezclas se fabrican a una temperatura de 130ºC, lo cual
tiene una reducción de temperatura respecto a las mezclas asfálticas en calientes de 20ºC, lo
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cual a su vez se ve reflejado en un ahorro en energía empleada en producción del 55%; y, en una
reducción en las emisiones de CO2 del 45%. (Instituto de Desarrollo Urbano, 2011) (U.S.
Department of TRansportation Federal Highway Administration, 2014).
Dado que se pretende producir una mezcla asfáltica modificada con bio-ligantes a base del
proceso de refinamiento del aceite de palma de cera africana (Elaeis Guineensis) es importante
conocer cómo es dicha industria al interior del país. Colombia fue denominada por la comisión
de Malasia, principal productor de aceite de palma en el mundo, como el territorio con mayor
atracción para cultivo de palma africana, debido a que se calculó un potencial de nueve millones
de hectáreas para sembrar palma (León, 1998). Colombia es un país apto para el cultivo de la
palma de cera, dadas sus condiciones climáticas y el contenido mineral de sus suelos, por lo cual
en el año 2011 la producción de palma abarcaba 427.376 hectáreas del territorio colombiano.
En el año 2010, Colombia fue el primer productor de aceite de palma a nivel de Latinoamérica y
el quinto a nivel mundial. Sin embargo, este quinto lugar es poco significativo, ya que solo
produce 1,6% del aceite de palma que se produce en el mundo, lo cual equivale a 753 mil
toneladas (Superintendencia de Industria y Comercio, 2013).
En la actualidad, la industria de la infraestructura vial sigue con su interés por modificar las
mezclas asfálticas, con la finalidad principal de obtener mejores propiedades mecánicas y
materiales más sostenibles, con lo cual en los últimos dos años se ha comenzado a evaluar la
posibilidad de sustituir parcialmente el asfalto dentro de las mezclas asfálticas por productos de
origen vegetal (Lopera & Córdoba, 2013). Es por ello que en la actualidad dos Universidades
reconocidas a nivel internacional están desarrollando proyectos investigativos acerca de
abundantes aspectos relacionados con la mezcla asfáltica modificada con aceite de palma de
forma independiente. Una de ellas es la Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín y la
otra es la Universidad de Los Andes. Los ingenieros Lopera y Córdoba realizaron ensayos de
viscosidad brookfield de asfalto modificado en ciertos porcentajes de su peso con aceite crudo
de palma, e igualmente aplicaron ensayos de deformación permanente, de fatiga y de modulo
dinámico (Lopera & Córdoba, 2013).
Por otro lado, en la Universidad de Los Andes, dos estudiantes de ingeniería civil han presentado
como proyecto de grado, trabajos que se encuentra relacionados directamente con este tema.
Santiago Cortés hizo una caracterización de un asfalto con penetración 60-70 (1/10 mm) de
Barrancabermeja modificándolo con 5 productos derivados de aceite de palma (aceite crudo de
palma, aceite refinado, blanqueado y desodorizado (RBD), oleínas de segundo paso, estearinas
duras y estearinas blandas), y los caracterizó por medio de penetración y viscosidad Brookfields.
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Así mismo, midió las propiedades reológicas de los ligantes asfalticos por el ensayo de reómetro
de corte dinámico (DSR). Este proceso se repitió para asfaltos modificados en estado original,
asfaltos modificados envejecidos a corto plazo (RTFO) y asfaltos modificados envejecidos a largo
plazo (PAV) (Cortes, 2014). Juan Felipe Martínez-Villalba fue el segundo estudiante en trabajar
en el tema y su proyecto de grado consistió en darle continuidad a la investigación realizada por
Santiago Cortés, pero se enfocó únicamente en caracterizar reológicamente, por medio de un
ensayo cíclico a torsión (DMA), un solo producto de los que se había mencionado, la Estearina
Blanda, debido a que este modificador proporcionó el mejor comportamiento mecánico, según
los ensayos realizados por Cortés (Martínez-Villalba, 2014).
Con base en los resultados obtenidos por el estudiante Cortés, se procede a realizar la selección
de otro de los productos que él ensayó y para poner a prueba el material que se encuentra en
el lado opuesto con respecto a los resultados de comportamiento mecánico, es decir, se
selecciona el producto RBD, el cual presentó el comportamiento mecánico más desfavorable. Su
selección se hizo con el fin de ratificar o refutar los resultados obtenidos por Cortés. Para ello se
hizo la caracterización de una matriz fina de mezcla asfáltica modificada con RBD en dos
porcentajes diferentes (3% y 4%), lo cual requirió el uso de un reómetro para realizar los ensayos
tipo DMA (Dynamic Mechanical Analysis), los cuales permiten conocer las propiedades
reológicas de las mezclas asfálticas, así como el deterioro que éstas sufren tras la aplicación de
cargas cíclicas cortantes. Es importante aclarar, con respecto al porcentaje de modificante
adicionado, que cuando se va a adicionar el 3% de agente modificante, se hace referencia a que
se va a adicionar el 3% del peso total que debe tener el asfalto dentro de la muestra.
Con los resultados de las muestras que se introdujeron en el reómetro para los ensayos tipo
DMA, se hizo una análisis comparativo del impacto de haber modificado la muestra FAM con un
3% de RBD con respecto a la mezcla asfáltica completa, para lo cual se implementaron el modelo
de Witczak en los resultados obtenidos por el estudiante Cortés.
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2) OBJETIVOS
2,1) OBJETIVO GENERAL
Analizar y cuantificar el efecto de agregar un porcentaje de Aceite de Palma Refinado
Blanqueado y Desodorizado como agente modificador al interior de la matriz fina de una
mezcla asfáltica.
2,2) OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar las propiedades reológicas básicas de las mezclas finas modificadas con respecto
a las mezclas que no se encuentran modificadas con (RBD).
Determinar los procesos de deterioro ante carga cíclica de las mezclas finas modificadas con
aceite refinado, blanqueado y desodorizado, para comparar su deterioro con respecto al
que sufren las mezclas de control.
Cuantificar y analizar los resultados obtenidos para cada uno de los porcentajes que se
evaluaron para la mezcla modificada con RBD, con el fin de determinar el impacto que tiene
la cantidad de modificador en el comportamiento y desempeño de la mezcla.
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3) MATERIALES
Las mezclas asfálticas hacen referencia a la combinación entre ligante asfaltico y agregados, pero
esto sólo en lo que corresponde a su análisis en masa, debido a que se conoce que desde el
punto de vista volumétrico se debe tener presente el porcentaje de la muestra que van a estar
ocupados por los vacíos. A continuación se presenta la Tabla 1 con los valores más comunes
respecto a la distribución en masas y volúmenes al interior de una mezcla asfáltica sin modificar.
Tabla 1: Valores comunes de Distribución en Porcentaje de una Mezcla Asfáltica Modificada
Materiales Porcentaje en Masa Porcentaje en Volumetría
Asfalto 5% 10%
Agregados 95% 85%
Vacíos 0% 5%
Ahora, es relevante aclarar el concepto que va a ser el gran diferenciador respecto a la magnitud
de la mezcla asfáltica que se ensayó, ya que este proyecto solo analizó la FAM de la misma.
Como se observa en la Figura 1, la Matriz Fina de Mezclas Asfálticas (por sus siglas en inglés
FAM) es parte de una mezcla asfáltica completa: sólo está compuesta por el ligante asfaltico y
los agregados cuyo máximo tamaño de partícula corresponde a aquellos que son capaces de
pasar por el tamiz número 16.
Figura 1: Ubicación de la Matriz Asfáltica Fina en una Mezcla Asfáltica
El diseño de la FAM se conoce mediante el diseño de la mezcla completa. Para el caso puntual
de este estudio se empleó el diseño de una mezcla asfáltica realizada por el Ingeniero Eduardo
José Rueda, durante el desarrollo de su proyecto de grado titulado “Diseño e Implementación
de un Nuevo Montaje Experimental para la Caracterización de Mezclas Asfáltica”, para la
obtención de su título de maestría en Ingeniería Civil en la Universidad de Los Andes. El ingeniero
Rueda hizo uso de la metodología superpave y usó como insumos asfalto de la refinería de
Barrancabermeja, clasificado por penetración como 60-70 y una granulometría bajo las
especificaciones del INVIAS, para mezclas asfálticas densas en caliente tipo MDC-2 (Rueda,
2013).
Sin embargo, para conocer tanto el porcentaje de asfalto, como la granulometría de la FAM de
forma exacta y precisa, se hizo consulta del trabajo de grado titulado “Influencia de la Humedad
Relativa en el Comportamiento y el Deterioro de las Matrices Asfálticas Finas” realizado por la
Ingeniera Sonia Katherin Hernández Beltrán, para la obtención de su título de maestría en
Ingeniería Civil, en la Universidad de Los Andes. En dicha tesis ella especifica que el contenido
12
de asfalto dentro de la FAM debe ser de 11,53% del peso total de la muestra, el cual fue
encontrado siguiendo la norma INVIAS INV E -732-07 (Hernández, 2013).
En la Tabla 2 se puede observar la granulometría que compone la matriz fina de la mezcla
asfáltica, dentro de la cual se incluyen los porcentajes que la caracterizan para cada uno de los
tamices #16, #40, #80, #200 y fondo, permitiendo confirmar que la FAM no va a contener
partículas con un tamaño superior a 1,18 milímetros, es decir, que la totalidad de los agregados
deben ser capaces de pasar por el tamiz número 16.
Tabla 2: Granulometría FAM
Respecto al porcentaje de vacíos al interior de la matriz fina de la mezcla asfáltica, se tomó la
decisión de evaluar un porcentaje 10%, para lo cual fue fundamental la participación activa de
la asesora del proyecto de grado. A continuación se describen los materiales que se usaron para
la fabricación de los especímenes a ensayar.
3,1) CEMENTO ASFÁLTICO
Como se mencionó previamente, el asfalto que se usó para la elaboración de los especímenes
fue clasificado por penetración en el rango 60-70 décimas de milímetros, y provenía de la
refinería de Barrancabermeja.
3,2) MATRIZ ASFÁLTICA FINA (FAM)
La matriz asfáltica fina que se usó para el desarrollo de esta investigación consistió en la matriz
fina de una mezcla asfáltica, compuesta de un ligante asfaltico modificado al 0%, 3% y 4% de su
porcentaje en peso con aceite refinado blanqueado y desodorizado, y por agregados que
cumplían con la granulometría especificada en la Tabla 2.
3,3) ACEITE DE PALMA Y ACEITE REFINADO, BLANQUEADO Y DESODORIZADO
(RBD)
A pesar que el cultivo de la palma aceitera llegó a Colombia de manera marginal en el año 1932,
sólo hasta la década del 50 se adoptó como política estatal la promoción de su cultivo como
parte de la política de sustitución de importaciones, y se creó la Federación Nacional de
Cultivadores de Palma de Aceite (Fedepalma) (Sánchez, 2006). La industria correspondiente al
sector palmero participa actualmente con el 3.3% del PIB que es aportado por la parte
No. 16 1,18 100,00% 0,00%No. 40 0,43 66,10% 33,90%No. 80 0,18 42,37% 23,73%
No. 200 0,08 20,34% 22,03%Fondo - 0,00% 20,34%
Tamiz Tamiz (mm)Porcentaje Pasa
FAM (%)
Porcentaje Retenido
FAM (%)
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agropecuaria del país para el año 2012, el cual tuvo un aporte total del 9%, (Organización de las
Naciones Unidas para la Alimentación y y la Agricultura, 2012).
La palma de cera africana tiene como nombre Elaeis Guineensis y se encuentra en capacidad de
producir racimos de frutos a partir de los 30 meses en condiciones óptimas, las cuales se
encuentran enmarcadas por temperaturas entre los 21ºC y los 26ºC, precipitaciones entre los
1.800 mm y 2.300 mm al año, y exposición solar de 125 horas mensuales, repartidas
equitativamente (Superintendencia de Industria y Comercio, 2013)
En el año 2010 se encontraban sembradas 404.104 hectáreas con palma de cera africana,
mientras que para el año 2012 se registraron 452.000 hectáreas, mostrando así un aumento de
11,5% en un periodo de tiempo de dos años, lo cual es clara evidencia de que esta industria aún
se encuentra en crecimiento. Es importante resaltar que el 62% de la totalidad de las hectáreas
cultivadas se encontraba en etapa productiva y el 38% restante se encontraban en etapa de
desarrollo, y que gracias al amplio esparcimiento de los cultivos por el país se ha logrado
mantener un flujo continuo de recolección y producción de aceite de palma, ya que los cultivos
se encuentran ubicados en 17 departamentos (Organización de las Naciones Unidas para la
Alimentación y y la Agricultura, 2012) (Superintendencia de Industria y Comercio, 2013). En el
año 2012 se lograron producir 1’040.000 toneladas de aceite de palma a un precio promedio
nacional de COP$ 2.072,00. (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y y la
Agricultura, 2012).
Respecto al proceso productivo para la obtención de aceite de palma refinado, blanqueado y
desodorizado (RBD), es necesario explicar que todo este producto se obtiene por medio de un
proceso de destilación y dicho proceso consta inicialmente de la refinación para eliminar
impurezas y contaminantes que afectan la calidad del producto, por medio del proceso físico o
del proceso químico. Posteriormente comienza el proceso de desgomado y blanqueado, lo cual
consiste en el proceso de remoción de carotenos y productos de oxidación. Finalmente, en el
proceso en que el aceite es desodorizado, es donde se terminan de remover los aceites iniciales
productos como tocoferoles, tocotrienoles, monoglicéridos y más productos de oxidación y de
descomposición de pigmentos (Fedepalma, 1998).
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4) METODOLOGÍA
4,1) PROTOCOLO DE MEZCLADO DE ASFALTO CON BIO-LIGANTE.
Este protocolo para la mezcla del asfalto con el agente modificador fue diseñado por Santiago
Cortés, como parte de su Proyecto de Grado en la Universidad de Los Andes. Cortés, realizó
dicho procedimiento con la finalidad de obtener una mezcla con alto nivel de homogeneidad.
Por esta razón, esta sección es de completa autoría de Cortés.
4,1,1 ) Comprobación de la Calidad del Modificador.
Inicialmente se debe contar con recipientes de mínimo 500 gramos de asfalto nuevos, los cuales
deben encontrarse dentro de su periodo de vigencia, lavados y secados en horno. Durante el
almacenamiento, los productos no deben de ser expuestos al sol y deben ser almacenados en
un lugar seco a temperatura ambiente entre 5°C y 35°C.En segunda instancia, se debe verificar
que el producto no presente olores rancios o ácidos.
4,1,2 ) Instrumentos.
Los siguientes son los instrumentos requeridos por el proceso:
Jeringas desechables de 50 ml.
Agitador mecánico industrial con capacidad de alcanzar las 2000 rpm.
Plancha de calentamiento de materiales.
Termómetro.
Cronometro.
4,1,3 ) Dosificación.
Antes de llegar a este punto, se deben tener claros los valores másicos exactos, tanto del asfalto
como de los modificadores. En este caso la mezcla se debe realizar siguiendo las siguientes
proporciones:
Para la mezcla de 3 % se deber usar una proporción de 3 gramos de modificador por cada
100 gramos de asfalto que se requieren, es decir, se adicionan 3 gramos de agente
modificador a 97 gramos de asfalto y así formar un asfalto modificado de 100 gramos.
Para la mezcla de 4 % se deber usar una proporción de 4 gramos de modificador por cada
100 gramos de asfalto que se requieren, es decir, se adicionan 4 gramos de agente
modificador a 96 gramos de asfalto y así formar un asfalto modificado de 100 gramos.
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4,1,4 ) Proceso de Mezclado.
El proceso de mezclado es fundamental para obtener los beneficios brindados por el
modificador. A continuación se especifica el proceso que se debe ser seguido.
Calentar el asfalto en el horno a 130°C, para así garantizar la fluidez del material en el
proceso.
Calentar el modificador en un baño a 40°C, garantizando que se en encuentre en esta liquido
el material.
Encender la plancha para lograr mantener una temperatura del asfalto de al menos 110°C.
Realizar el montaje especificado en la Figura 2, en el cual el mezclador alcance una
profundidad de un tercio de la altura total del recipiente del asfalto:
Figura 2: Montaje Proceso de Mezclado
1. Encender el agitador mecánico e ir subiendo gradualmente las rpm hasta alcanzar las 2000rpm, punto en que se observa un vórtice similar al apreciado en la Figura 3.
Figura 3: Vórtice en Asfalto
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2. Añadir el modificador, de forma tal que por cada 10 segundos debe ser agregado un ml del modificador.
Figura 4: Dosificado de modificador
3. El modificador debe ser agregado únicamente cuando el agitador se encuentre a 2000 rpm.
4. Culminado el proceso de agregar el modificador, se debe mantener el asfalto a 2000rpm durante 5 minutos.
5. Permitir que el asfalto modificado se enfríe, para así proceder con su almacenamiento.
4,1,5 ) Verificación de Condiciones Óptimas del Producto
El bio-asfalto debe tener una apariencia idéntica a la de un asfalto sin modificar, es decir, que no debe presentar grumos ni capas de aceite en la superficie.
Cuando se recaliente el asfalto modificado, este no debe presentar una capa de aceite en la superficie.
4,2) GRAVEDAD ESPECIFICA MÁXIMA TEÓRICA (Gmm)
Dado que ya se conoce la granulometría y el porcentaje de asfalto que van a ser utilizados en la
matriz fina de la mezcla asfáltica, por medio de los aportes generados por los Ingenieros Rueda
y Hernández, respectivamente, se procedió a generar las probetas que permitirán conocer la
gravedad especifica máxima teórica del material y así determinar cuáles deben ser los pesos en
gramos de cada componente dentro de la mezcla asfáltica. Para ello se hizo uso de la normativa
INVIAS INV E-735-07. Se realiza la aclaración nuevamente que se va a adicionar el 3% y 4% de
modificante en porción correspondiente a la cantidad de peso que debe ocupar el asfalto.
Se elaboraron tres ensayos de gravedad específica máxima teórica (Gmm), uno para la matriz
fina de mezcla asfáltica que no se modificó o muestra de control, la segunda corresponde a la
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FAM modificada en 3% de su peso y la última corresponde a la FAM modificada en 4% de su
peso. Después de realizar los pesos de cada uno de los materiales que componen la
granulometría, el asfalto y el modificante en los casos requeridos, según lo dicho por la norma
INVIAS INV E-735-07, se realizó el siguiente procedimiento.
Primero se tuvo presente que los materiales pesados para cada uno de los ensayos debían
encontrarse al interior del horno, por lo menos durante dos horas, a la temperatura de
mezclado. Es decir, que el asfalto modificado, los agregados con la granulometría requerida y la
bandeja de mezclado se debían encontrar a 130C. Después de este tiempo es permitido
comenzar a realizar la matriz fina de la mezcla asfáltica.
Transcurridas las dos horas, se retiró la bandeja donde se hizo la mezcla y se procedió a tarar
una balanza con su peso, es decir, se colocó la bandeja sobre la balanza y esta se taró para
no tomar en cuenta la masa de la bandeja dentro de las siguientes mediciones.
Se vertió sobre la bandeja la cantidad exacta de asfalto modificado requerido para el ensayo.
Se vertió la totalidad de los agregados que componen la granulometría sobre la bandeja y
se comenzó a mezclar los dos productos, lo cual se realizó hasta que la totalidad de los
agregados fue recubierta por el asfalto modificado.
Se introdujo la bandeja con la mezcla asfáltica durante dos horas en el horno a una
temperatura de 130C, después de las cuales se procedió a retirarla del horno y extenderla
sobre un cartón de forma que permitió estar verificando, constantemente, que no se
formaran grumos, dentro de los cuales se puedan quedar atrapados volúmenes de aire. Esto
puede ser apreciado en la Figura 5.
Se pesó en la balanza la cantidad de material que se usaría en el ensayo y se vertió al interior
de un picnómetro, del cual se conocía su peso. Se le adicionó agua con una temperatura de
25C para que esta quedara a una altura de una pulgada por encima de la totalidad de la
mezcla ensayada. Se engrasó la tapa del picnómetro y se tapó el picnómetro para proceder
a la aplicación de vacío a una presión de 4 kPa. Esto se puede observar en la Figura 6.
A una presión de 4 kPa, se comenzó un proceso de agitación periódica, el cual consiste en
agitar de forma vigorosa durante dos minutos y dejar reposar la mezcla durante un minuto.
Se repitió este ciclo durante un tiempo de 15 minutos. Este procedimiento se puede realizar
de forma automática o de forma manual, pero para el caso puntual se realizó de forma
manual debido a que el instrumento mostrado en la Figura 7 no estaba en la capacidad de
aplicar las vibraciones necesarias para extraer todos los volúmenes de aire al interior de la
mezcla.
Después de finalizar el proceso de agitación se procedió a retirar la manguera que
suministraba el vacío y se terminó de llenar en su plena capacidad el picnómetro con agua
a 25 C. En este punto se pesó por última vez el picnómetro con la mezcla en su interior y se
llenó de agua en el resto de su capacidad.
Figura 5 Matriz Fina de la Mezcla Asfáltica esparcida sobre un cartón. (Foto tomada por Vanessa Gonzales Prieto)
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Figura 6: Montaje del picnómetro usado durante el ensayo.
Figura 7: Instrumento de Agitación Automática para la extracción de todo el aire que se encuentre en la mezcla.
Todo el procedimiento anterior tiene como finalidad conocer la gravedad especifica máxima
teórica que tiene una mezcla asfáltica sin modificar, la de una mezcla asfáltica modificada con
3% de RBD y la de una mezcla asfáltica modificada con 4% de RBD. Para conocer el Gmm de cada
mezcla se hace uso de la Ecuación 1. En la Tabla 3 se pueden observar los resultados obtenidos
para la variable a encontrar.
Ecuación 1: 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐺𝑚𝑚
=𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐴𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑎
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑅𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝐴𝑔𝑢𝑎 − (𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑅𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐴𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑦 𝑒𝑙 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑠𝑢 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐴𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑎)
Tabla 3: Resultados de los Ensayos de Gravedad Específica Máxima Teórica.
11263Peso Mezcla Asfáltica Ensayada (g) 1654,03Peso del Recipiente con la Mezcla Asfáltica y el Agua en su Interior (g) 12157
G mm 2,17626936Peso Mezcla Asfáltica Ensayada (g) 1876,4Peso del Recipiente con la Mezcla Asfáltica y el Agua en su Interior (g) 12275
G mm 2,17075428Peso Mezcla Asfáltica Ensayada (g) 1795,85Peso del Recipiente con la Mezcla Asfáltica y el Agua en su Interior (g) 12234
G mm 2,17718373
Peso del Recipiente lleno con Agua (g)
Sin Modificar
RBD 4%
RBD 3%
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Es complejo realizar un análisis de resultados obtenidos en la Tabla 3, ya que sólo se hizo para
dos contenidos de agente modificador y para la muestra de control, además de que no se realizó
repetitividad del ensayo. Se observa que entre el Gmm de los contenidos de 3% y 4% se
encuentran ubicado el Gmm de la muestra de control, lo cual hace parecer que su
comportamiento sea similar al de una campana y deja a la expectativa la posibilidad de obtener
una mezcla modificada óptima dentro de la misma.
4,3) ESPECÍMENES DE ENSAYO
Para poder construir los especímenes que van a ser ensayados en el reómetro por medio de
los ensayos DMA, se realizaron ciertos pasos a partir de haber conocido las gravedades
especificas máximas teóricas de cada mezcla.
4,3,1 ) Construcción de Probetas de Matriz Fina de Mezcla Asfáltica
Las probetas de la matriz fina de la mezcla asfáltica se construyeron a una altura de 90
milímetros y diámetro de 150 milímetros, con la finalidad de poder extraer de ellas los
especímenes cilíndricos que se ensayaron. Conociendo las dimensiones que tendría la muestra
y la gravedad específica máxima teórica se procedió a conocer el peso de cada uno de los
componentes de la misma, ya que con las dimensiones se puede calcular de forma fácil el
volumen total de la FAM; con lo cual se determinó el valor deseado de Gmb o gravedad especifica
bulk de la muestra (Ecuación 2). Después de obtener el Gmb de cada una de las mezclas, se
multiplicó este valor por el volumen que tiene la probeta, para así conocer cantidad de
agregados, de asfalto y de modificante que se necesitan para la fabricación de la muestra.
Ecuación 2: 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝐵𝑢𝑙𝑘
𝐺𝑚𝑏 =%𝐺𝑚𝑚 × 𝐺𝑚𝑚
100=(100%−%𝑉𝑎𝑐í𝑜𝑠) × 𝐺𝑚𝑚
100
A continuación se presenta la masa total de la matriz fina de la mezcla asfáltica, al igual que las
masas de cada uno de los componentes, los cuales han sido segregados seguidamente en su
volumetría y en la cantidad de RBD que se requiere para modificar el asfalto. Esto se resume en
la Tabla 4 para la mezcla modificada con 3% de RBD, en la Tabla 5 para la mezcla modificada con
4% de RBD y en la Tabla 6 para la mezcla de control.
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Tabla 4: Resumen de los contenidos en masa de la FAM modificada con 3% de RBD.
Tabla 5: Resumen de los contenidos en masa de la FAM modificada con 4% de RBD
Tabla 6: Resumen de los contenidos en masa de la FAM de control.
A continuación, se deben fabricar cada una de las probetas con base a las cantidades observadas
previamente. Para ello se describe a continuación el procedimiento que se debe realizar.
3452,443054,37
398,07
No. 16 1,18 100% - - No. 40 0,43 66,10% 33,90% 1035,3796No. 80 0,18 42,37% 23,73% 724,7657
No. 200 0,08 20,34% 22,03% 672,9967Fondo - 0,00% 20,34% 621,2277
11,53% 398,066
3% 11,94297% 386,124
100% 398,066
Modificante (%, g)Asfalto Puro (%, g)Asfalto Total (%, g)
Masa de la Muestra (g)Masa de Agregados (g)Masa de Asfalto (g)
TamizTamiz
(mm)
Porcentaje
Pasa FAM (%)
Porcentaje
Retenido FAM (%)
Masa
Retenida (g)
Asfalto (%, g)
3462,663063,42
399,24
No. 16 1,18 100% - - No. 40 0,43 66,10% 33,90% 1038,4462No. 80 0,18 42,37% 23,73% 726,9123
No. 200 0,08 20,34% 22,03% 674,9900Fondo - 0,00% 20,34% 623,0677
11,53% 399,245
4% 15,97096% 383,275
100% 399,245
Modificante (%, g)Asfalto Puro (%, g)Asfalto Total (%, g)
TamizTamiz
(mm)
Porcentaje
Pasa FAM (%)
Porcentaje
Retenido FAM (%)
Masa
Retenida (g)
Asfalto (%, g)
Masa de agregadosMasa de Asfalto
Masa de la muestra
3461,213062,13
399,08
No. 16 1,18 100% - - No. 40 0,43 66,10% 33,90% 1038,0101No. 80 0,18 42,37% 23,73% 726,6071
No. 200 0,08 20,34% 22,03% 674,7065Fondo - 0,00% 20,34% 622,8060
11,53% 399,077
0% 0,000100% 399,077100% 399,077
Modificante (%, g)Asfalto Puro (%, g)Asfalto Total (%, g)
Masa de la muestra Masa de agregadosMasa de Asfalto
Asfalto (%, g)
TamizTamiz
(mm)
Porcentaje
Pasa FAM (%)
Porcentaje
Retenido FAM (%)
Masa
Retenida (g)
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Seguir el procedimiento descrito en la sección 4.1. de este documento para realizar la
modificación del asfalto con el aceite refinado blanqueado y desodorizado, esto para la
fabricación de las dos mezclas que se van a modificar.
Introducir en un horno el asfalto (modificado o no), los agregados que cumplan con la
granulometría, la bandeja para realizar el mezclado, el molde de compactación y los discos
de compactación. La temperatura del horno debe ser de 130°C y todos los materiales deben
permanecer al menos 2 horas a esta temperatura.
Retirar la bandeja del horno y tarar la balanza con su peso, para que así sea más fácil pesar
la cantidad de asfalto que debe llevar la mezcla. Verter los agregados en la bandeja y mezcla
con el asfalto, esto se debe realizar hasta que la mezcla quede con aspecto homogéneo y
que las partículas se encuentren completamente recubiertas por asfalto.
Introducir la mezcla al horno a la misma temperatura inicial, 130 °C. Debe permanecer allí
una hora, lo cual maximice la probabilidad de obtener una mezcla más homogénea.
Se retira el molde de compactación y se procede a engrasarlo, para que luego sea más fácil
extraer la probeta. Igualmente se coloca un papel filtro en la parte inferior del mismo.
Se retira casi de forma simultánea la mezcla del horno y se comienza a introducir en el
molde, pero no se vierte de forma completa. La forma de introducir la mezcla es, colocando
una tercera parte de la altura final de la mezcla e introduciendo 10 golpes periféricos con
una espátula y 15 más en el centro. Esto se realiza para la segunda capa, la cual se encuentra
a dos terceras partes de la altura final. Después de verter la totalidad del material, se realiza
el mismo procedimiento de golpeteo, el cual busca evitar la concentración de vacíos en
puntos específicos, para que así la compactación sea lo mayor homogénea posible.
Posterior a ello, se debe colocar una lámina metálica de 1 milímetro de grosor, la cual evitará
que el compactador se ensucie y a la vez se lleve parte de la mezcla en el proceso de
compactación. A continuación se configura el criterio de compactación que se desea
realizar. Para este caso puntual se hizo para una compactación que culmine con una probeta
de altura de 90 milímetros, tal y como se había estipulado para el cálculo de las masas a
mezclar.
Colocar el molde al interior del compactador giratorio y verificar que este tenga en su
interior el plato de compactación adecuado para el diámetro de la probeta. Dar inicio a la
compactación y realizar los procedimientos que indique el software de uso.
Verificar que el compactador haya terminado el proceso y que a su vez haya logrado fabricar
una probeta con la altura deseada. Retirar el molde del compactador y retirarle a su vez la
lámina metálica protectora.
Esperar al menos 4 horas para comenzar el proceso de extracción de la probeta del molde.
Para comenzar el proceso de extracción se debe introducir el molde dentro del horno por
un periodo de 30 minutos a 60 minutos. Después de los cuales se procede a extraer la
probeta del molde, lo cual puede realizarse de forma manual o de forma automática como
se muestra en la Figura 8.
22
Figura 8: Extracción de la Probeta por medio de la introducción de un pistón a presión en la base inferior del molde
que lo Contiene.
4,3,2 ) Extracción de los Especímenes a ensayar en el Reómetro.
Los especímenes cilíndricos tipo DMA que van a ser ensayados deben estar en la capacidad de
poderse ensayar en el reómetro, el cual será el equipo encargado de realizar los ensayos de
caracterización en este trabajo (reómetro TA-AR200ex). Para que los especímenes sean
aceptables, éstos deben tener una longitud de 50 milímetros y un diámetro de 13 milímetros.
Estos especímenes se extraen de las probetas de matriz fina de mezcla asfáltica que fueron
construidas mediante el procedimiento explicado en la sección 4.3.1 La extracción se hizo por
medio de un taladro montado como se muestra en la parte izquierda de la Figura 9. En ella se
puede observar como el taladro se encuentra apuntado de forma perpendicular a la cara
superior de la probeta y en la parte del medio se observa como en el proceso de extracción se
hace uso de agua para facilitar la penetración del taladro y así lograr que el espécimen sea
extraído sin perder agregados durante el proceso. En la Figura 10 se puede observar los
especímenes extraídos de la probeta de FAM de control y a su vez se puede visualizar la
segregación de los especímenes según la procedencia del espécimen al interior de la probeta,
es decir, cada espécimen es separado según la zona de la cual fue extraído de la probeta, lo cual
se realiza con la finalidad de sacar un factor de varianza en los análisis, debido a que cada una
de las zonas señaladas en la Figura 11 muestran diferentes niveles de compactación y por ende
su comportamiento será distinto, razón por la cual se decide clasificar los especímenes extraídos
del anillo exterior con la letra A en su nombre, los extraídos del anillo del medio con la letra B y
los extraídos del centro con la letra C.
23
Figura 9: Extracción de la Probeta por medio de la introducción de un pistón a presión en la base inferior del molde
que lo Contiene.
Figura 10: Especímenes extraídos de Probeta de la FAM de Control.
Figura 11: Denominación de las Zonas de la Probeta de las cuales se extrajeron los Especímenes. (Gonzalez, 2014)
24
Después de realizar este procedimiento, los especímenes extraídos cuentan con el diámetro
requerido de 13 milímetros, más su longitud es bastante superior a la requerida para los
ensayos, ya que en ese instante es de 90 milímetros, por lo cual es necesario eliminar 20
milímetros en cada extremo del espécimen. Para eliminar los excesos a cada extremo del
espécimen se procedió a macar dicha longitud y se realizó el corte de los bordes usando una
sierra mecánica. Después de ello es necesario que la totalidad de los especímenes sea sometida
a la medición de su longitud y posteriormente de su diámetro, ya en que en la mayoría de los
casos la longitud del espécimen excede los 50 milímetros y por ende se requiere que se lijen los
excesos.
4,4) GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK.
La gravedad específica bulk permite realizar una verificación respecto a la compactación que
tienen las muestras que se están fabricando. Para conocer la gravedad específica de una muestra
es necesario aplicar el procedimiento determinado por la norma INVIAS I.N.V E-733-07. Es
importante aclarar que para el caso puntual este procedimiento fue aplicado tanto a las 3
probetas completas como a los especímenes tipo DMA que se van a ensayar en el reómetro.
Este es un ensayo de poca dificultad, pero si es un ensayo que presenta poca precisión con los
resultados de los especímenes, debido a que estos tienen un tamaño inferior y para conocer las
variaciones en su peso se requiere un equipo de mayor exactitud o que en su defecto permita
conocer una mayor cantidad de cifras en las variables medidas.
El procedimiento para conocer la gravedad específica Bulk consiste en registrar tres pesos en un
orden preciso.
Se pesa la muestra seca en una balanza de forma normal.
Se procede a sumergir la muestra en un baño termostatado que se encuentre a una
temperatura de 25°C, por 5 minutos.
Se realiza un montaje que permita tomar el peso de la muestra sumergida en el baño
termostatado, de tal forma que dicho peso tome en cuenta que la totalidad de los vacíos
que tiene la muestra se encuentren llenos de agua.
Por último, se debe secar la muestra de forma superficial con una toalla humedecida, la cual
no vaya a absorber agua del interior de la muestra, sino; que sólo absorba el agua que
simplemente elimine los excesos de agua en las superficies de las mezclas. Posterior a ello
se toma de forma eficiente el peso de la muestra nuevamente.
La Ecuación 3 permite calcular la gravedad específica bulk, la cual entra como parámetro en la
Ecuación 4 para conocer así el porcentaje de vacíos de cada una de las muestras. Es importante
tener presente que Gmb varía para cada muestra, así la mezcla sea la misma, mientras que el Gmm
es propio de cada mezcla, es decir que especímenes de la misma mezcla poseen el mismo Gmm.
Ecuación 3: 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝐵𝑢𝑙𝑘
𝐺𝑚𝑏 =𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑆𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑜
Ecuación 4: Porcentaje de Vacíos
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑐í𝑜𝑠 (%) = (1−𝐺𝑚𝑏
𝐺𝑚𝑚
) × 100
25
Este procedimiento se aplicó tanto a las probetas como a los especímenes. La Tabla 7 Muestra
los resultados obtenidos de realizar el ensayo de Gmb para las tres probetas construidas, además
de incluir cuanto es el porcentaje de vacíos que realmente hay en la probeta y así ver que tanto
fue compactada. Es importante resaltar como la muestra de control sufrió una mayor
compactación y por ende adquirió una mayor densidad, lo cual se ve reflejado en el módulo de
los especímenes que se vayan a extraer del mismo. De igual forma en la Figura 12 se puede
observar la diferencia que existe entre el porcentaje de vacíos que debería tener cada una de
las probetas según su diseño y el porcentaje de vacíos con el que quedaron realmente
compactados. Es importante resaltar cómo ninguna de las probetas quedó compactada bajos
los parámetros de diseño.
Tabla 7: Gravedad Específica Bulk y Porcentaje de Vacíos de las Probetas.
Figura 12: Porcentajes de vacíos Diseñado y Porcentaje de Vacío del Ensayo Bulk.
De igual forma se calculan los Gmb para la totalidad de los especímenes que se van a someter a el ensayo de DMA. Estos resultados pueden ser vistos en Tabla 8, y a su vez, se calculan y grafican el porcentaje de vacíos de cada uno de los especímenes de cada probeta, tal y como se observa en la Figura 13. El cálculo de los porcentajes de vacíos de cada espécimen permite concluir que el ensayo de Gmb arroja resultados con un grado alto de exactitud, más poseen una baja precisión.
Control 10 3,08489 1,5557 3,0886 2,012 7,527
RBD 3% 10 3,42844 1,6817 3,4306 1,960 9,693
RBD 4% 10 3,42680 1,6832 3,4284 1,964 9,812
% VacíosProbeta% Vacíos
Diseño
Peso Seco
(g)
Peso Sumergido
(g)
Peso
Superficialmente
Seco (g)
Gmb
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
Control RBD 3% RBD 4%
Po
rcen
taje
de
Vac
íos
(%)
Porcenajes de Vacios Diseñado y Real.
Diseño
Bulk Probeta
26
Figura 13: Porcentaje de Vacíos en Especímenes de Control y Modificados.
Tabla 8: Gravedad Específica Bulk y Porcentaje de Vacíos para los Especímenes de DMA
4,5) ENSAYO DMA
El ensayo DMA permite caracterizar las propiedades de las matrices finas viscoelásticos con
relación a sus propiedades reológicas. Es importante resaltar que se decidió realizar sólo los
ensayos sobre los especímenes de la zona B, tal y como se observa en la Tabla 8. Durante el
ensayo se pueden manejar dos modalidades, deformación controlada, en la cual va cambiando
el esfuerzo aplicado, o esfuerzos controlados, donde las deformaciones van variando. Para el
caso puntual, se decidió aplicar un barrido de frecuencias y temperaturas ante condiciones de
deformación controlada, lo que permitió construir las curvas maestras del material.
0,000%
2,000%
4,000%
6,000%
8,000%
10,000%
12,000%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Po
rcen
taje
de
Vac
íos
(%)
Especimen
Porcentaje de Vacíos en Especimenes
RBD 3%
RBD 4%
Control
Muestra Sección Especimen
Peso
Seco
(g)
Peso
Sumergido
(g)
Peso
Superficialmente
Seco (g)
Gmb % Vacios
1 B RBD 3% 14,64 7,16 14,66 1,9520 10,077%2 B RBD 3% 14,48 7,12 14,49 1,9647 9,491%3 B RBD 3% 14,62 7,20 14,63 1,9677 9,354%4 B RBD 3% 14,61 7,14 14,66 1,9428 10,500%5 B RBD 3% 14,61 7,12 14,66 1,9377 10,738%6 B RBD 3% 14,77 7,28 14,79 1,9667 9,400%7 B RBD 3% 14,48 7,14 14,53 1,9594 9,736%8 B RBD 3% 14,62 7,24 14,66 1,9704 9,232%9 B RBD 3% 14,62 7,22 14,67 1,9624 9,598%
10 B RBD 3% 14,46 7,18 14,50 1,9754 8,999%11 B RBD 3% 14,65 7,13 14,67 1,9430 10,493%1 B RBD 4% 14,32 7,00 14,34 1,9510 10,391%2 B RBD 4% 14,21 6,98 14,25 1,9546 10,223%3 B RBD 4% 14,46 7,11 14,48 1,9620 9,883%4 B RBD 4% 14,26 7,01 14,31 1,9534 10,277%5 B RBD 4% 14,19 7,03 14,21 1,9763 9,226%6 B RBD 4% 14,16 6,94 14,21 1,9477 10,539%7 B RBD 4% 14,45 7,16 14,48 1,9740 9,330%8 B RBD 4% 14,23 7,06 14,28 1,9709 9,474%9 B RBD 4% 14,22 7,18 14,28 2,0028 8,009%
10 B RBD 4% 14,21 7,14 14,24 2,0014 8,074%11 B RBD 4% 14,17 7,01 14,21 1,9681 9,605%1 B Control 14,85 7,33 14,89 1,9643 9,741%2 B Control 14,49 7,02 14,51 1,9346 11,106%3 B Control 13,97 6,76 13,99 1,9322 11,214%4 B Control 13,66 6,68 13,67 1,9542 10,203%5 B Control 14,41 7,14 14,42 1,9794 9,046%6 B Control 14,65 7,14 14,66 1,9481 10,483%7 B Control 14,52 7,24 14,55 1,9863 8,728%8 B Control 14,20 7,14 14,21 2,0085 7,710%9 B Control 14,09 7,00 14,09 1,9873 8,683%
27
Los especímenes deben ser colocados al interior del reómetro, en el cual se sometió cada
espécimen a una prueba de aplicación de carga cíclica a un nivel de deformación bastante bajo
(y=0,0065%), debido a que no se quiere que los especímenes se fatiguen. Al nivel de
deformación constante se decidió aplicar un barrido de temperaturas que pasa por 25C, 35C,
45C, 55C, 65C y 75C dentro de las cuales se aplicó un barrido completo de frecuencias que
van desde 0,1Hz hasta los 30 Hz.
La forma de introducir los especímenes en el reómetro consistió en el siguiente proceso.
Se preparó la mezcla epóxica, la cual consta de mezclar resina y endurecedor en
proporciones iguales, ya que en caso de existir mayor cantidad de alguno de los dos
productos, se va a afectar el rendimiento del producto y se podrían despegar los holders del
espécimen, dejando inservible el espécimen y los datos del ensayo.
Se adicionó los holders metálicos en cada uno de los extremos del espécimen, los cuales se
deben encontrar completamente limpios y secos. Estos servirán para sujetar el espécimen y
así aplicar los esfuerzos.
Se colocaron los especímenes dentro de dos bases de madera que garantizan que las
pestañas de los holders queden completamente paralelas. Esto se puede observar en la
Figura 14.
Es importante que los especímenes permanezcan por lo menos 8 horas dentro del soporte
de madera en su proceso de adhesión a los holders.
Transcurrido el tiempo mínimo, se procedió a introducir el espécimen con los holders en el
reómetro, tal y como se observa en la Figura 15.
Se cerró la cámara climática del reómetro y se dió comienzo al proceso de barrido de
temperatura y frecuencia.
Figura 14: Montaje de los Especímenes en los soportes de Madera.
28
Figura 15: Montaje en el Reómetro de un Espécimen (Gonzalez, 2014).
4,7) PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE CURVAS MAESTRAS.
Las curvas maestras sintetizan el comportamiento viscoelástico lineal de una material asfaltico
tienen como finalidad permitir predecir las propiedades del material, incluso en rangos de
temperaturas y frecuencias diferentes a las ensayadas. Es por ello que se toma como ejemplo la
fabricación de la curva maestra para el espécimen B-1 modificado con RBD en 3%.
Organizar los datos recolectados por el reómetro, separándolos por frecuencia y
temperatura, tal y como se observa en la Tabla 9.
Tabla 9: Resultados del ensayo DMA para Barrido de Frecuencias y Temperaturas.
Punto Frecuencia
# Hz 25ºC 35ºC 45ºC 55ºC 65ºC 75ºC
1 0,10 2,58E+07 8,44E+06 5,03E+06 4,83E+06 4,65E+06 5,19E+06
2 1,13 9,70E+07 2,10E+07 8,58E+06 6,61E+06 5,88E+06 5,95E+06
3 2,16 1,42E+08 2,83E+07 1,08E+07 7,42E+06 6,33E+06 6,19E+06
4 3,19 1,79E+08 3,41E+07 1,23E+07 8,06E+06 6,71E+06 6,40E+06
5 4,22 2,11E+08 3,95E+07 1,39E+07 8,63E+06 7,01E+06 6,57E+06
6 5,26 2,35E+08 4,49E+07 1,55E+07 9,10E+06 7,27E+06 6,70E+06
7 6,29 2,64E+08 5,00E+07 1,69E+07 9,47E+06 7,52E+06 6,82E+06
8 7,32 2,87E+08 5,63E+07 1,77E+07 1,00E+07 7,73E+06 6,93E+06
9 8,35 3,11E+08 6,23E+07 1,87E+07 1,04E+07 7,94E+06 7,04E+06
10 9,38 3,35E+08 6,86E+07 1,97E+07 1,09E+07 8,11E+06 7,13E+06
11 10,41 3,53E+08 7,15E+07 2,10E+07 1,12E+07 8,29E+06 7,21E+06
12 11,44 3,74E+08 7,74E+07 2,21E+07 1,16E+07 8,46E+06 7,30E+06
13 12,47 3,93E+08 8,25E+07 2,29E+07 1,20E+07 8,68E+06 7,38E+06
14 13,50 4,09E+08 8,23E+07 2,43E+07 1,23E+07 8,82E+06 7,46E+06
15 14,53 4,29E+08 8,91E+07 2,49E+07 1,27E+07 8,95E+06 7,54E+06
16 15,57 4,42E+08 9,65E+07 2,59E+07 1,29E+07 9,10E+06 7,58E+06
17 16,60 4,58E+08 9,71E+07 2,70E+07 1,33E+07 9,22E+06 7,64E+06
18 17,63 4,73E+08 1,04E+08 2,77E+07 1,37E+07 9,35E+06 7,67E+06
19 18,66 4,87E+08 1,08E+08 2,86E+07 1,39E+07 9,47E+06 7,71E+06
20 19,69 5,05E+08 1,11E+08 2,94E+07 1,43E+07 9,52E+06 7,72E+06
21 20,72 5,18E+08 1,16E+08 3,01E+07 1,45E+07 9,67E+06 7,75E+06
22 21,75 5,29E+08 1,19E+08 3,13E+07 1,48E+07 9,81E+06 7,82E+06
23 22,78 5,42E+08 1,21E+08 3,21E+07 1,52E+07 9,97E+06 7,84E+06
24 23,82 5,51E+08 1,26E+08 3,28E+07 1,55E+07 1,01E+07 7,98E+06
25 24,84 5,62E+08 1,29E+08 3,33E+07 1,58E+07 1,03E+07 8,08E+06
26 25,88 5,78E+08 1,33E+08 3,45E+07 1,61E+07 1,03E+07 8,16E+06
27 26,91 5,90E+08 1,35E+08 3,52E+07 1,65E+07 1,06E+07 8,24E+06
28 27,94 5,96E+08 1,34E+08 3,60E+07 1,68E+07 1,08E+07 8,33E+06
29 28,97 6,13E+08 1,43E+08 3,65E+07 1,67E+07 1,09E+07 8,42E+06
30 30,00 6,27E+08 1,42E+08 3,74E+07 1,71E+07 1,11E+07 8,49E+06
MÓDULO |G*| (Pa)
29
Se grafican los resultados de la Tabla 9, y se obtiene la Figura 16 .
Figura 16: Módulo Complejo VS. Frecuencia
Se seleccionó una temperatura de referencia, que en el caso de todas las curvas que se
analizaron fue de 35C, y con base a dicha temperatura se comenzó a desplazar cada una de
las frecuencias correspondientes a las demás temperaturas, con la finalidad de que todas se
ajusten a los datos de la temperatura de referencia. Este procedimiento de desfase se realiza
mediante la multiplicación de un factor que multiplicador por las frecuencias que
corresponden a cada temperatura, logrando así que se trasladen los datos en el dominio de
la temperatura. Dichos factores reciben el nombre de shift factors (at) y son mostrados para
el ejemplo puntual en la Tabla 10. Lo que se logra al realizar el desfase en una gráfica similar
a la Figura 17.
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
0,10 1,00 10,00 100,00
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia (Hz)
Módulo Complejo VS Frecuencia
25ºC
35ºC
45ºC
55ºC
65ºC
75ºC
30
Figura 17: Módulos Complejos trasladados independientemente para cada Temperatura
Tabla 10: Shift Factors para es Espécimen con RBD 3%-B1.
Como los shift factors son seleccionados a criterio visual, se decidió graficarlos para
posteriormente aplicarles un ajuste que permite obtener una ecuación para usarlos como
parte fundamental en las curvas maestras. La Ecuación 5 muestra la ecuación que relaciona
el ajuste creado por William-Landel-Ferrel para estimar los shift factors (at). Dicha ecuación
requiere como parámetros de entrada la temperatura de referencia (parámetro elegido al
inicio) y dos parámetros (C1 y C2) que deben ser estimados bajo algún criterio que permita
obtener el mayor ajuste entre los shift factors y los shift factors ajustados. Para cada una de
las curvas maestras construidas se tomó como criterio la minimización de la suma de los
errores cuadrados. Ecuación 5: 𝐴𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑊𝑖𝑙𝑙𝑖𝑎𝑚 − 𝐿𝑎𝑛𝑑𝑒𝑙 − 𝐹𝑒𝑟𝑟𝑦 (𝑊𝐿𝐹)
log(𝑎𝑇) = −𝐶1(𝑇 − 𝑇𝑅)
𝐶2 + 𝑇 − 𝑇𝑅
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
0,00 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Módulo Complejo VS. Frecuencia.
T1= 25°C
T2= 35°C
T3= 45°C
T4= 55°C
T5= 65°C
T6= 75°C
T at
75 0,0040
65 0,0095
55 0,0250
45 0,1200
35 1,0000
25 15,0000
31
Figura 18: Correlación de William Landel Ferry.
Tabla 11: Ajuste de Parámetros de Entrada a la Ecuación de WLF con relación al EMC.
Con base a los shift factors ajustados se procede a emplear la Ecuación 6 para conocer las
frecuencias reducías y así construir la curva maestra mostrada en la Figura 19.
Ecuación 6: 𝑓𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑓𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 = 𝑎𝑡 𝑊𝐿𝐹 × 𝑓
Figura 19: Curva Maestra para una Temperatura de Referencia de 35ºC.
0,000
0,001
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
0 20 40 60 80
Shif
t Fa
cto
rs (
a t)
Temperatura (°C)
Correlación de WLF
at
at ajustados
C1 C2
12 116,01
T at at Ajuste EMC
75 0,004 0,001 0,00001
65 0,010 0,003 0,00004
55 0,025 0,016 0,00007
45 0,120 0,109 0,00013
35 1,000 1,000 0,00000
25 15,000 14,000 0,99978
CORRELACIÓN WLF
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
0,00 0,00 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curva Maestra (T=35ºC)
T1= 25°C
T2= 35°C
T3= 45°C
T4= 55°C
T5= 65°C
T6= 75°C
32
Con la curva maestra construida, se procede a conocer mediante el software 2R data cuál
es la ecuación que más representa los datos que componen dicha curva (Figura 20). Es
importante aclarar que la ecuación obtenida permite conocer el comportamiento de la
mezcla asfáltica a diferentes temperaturas y a diferentes frecuencias.
Figura 20: Curva Maestra a 35ºC con su respectiva línea de tendencia.
4,8) PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE CURVAS MAESTRAS DE MEZCLAS
ASFÁLTICAS COMPLETAS.
Como se ha mencionado desde un comienzo, los ensayos fueron realizados sobre matrices finas
de mezclas asfálticas, por lo cual surge la necesidad de conocer el comportamiento si se pudiese
ensayar la mezcla asfáltica completa, es decir, una mezcla asfáltica con toda su granulometría.
Es por este motivo que se decidió usar la ecuación Witczak y Bari en el 2006, la cual es una
modificación de la fórmula propuesta por el mismo Witczak, pero esta vez acompañado de
Andrei (Cuello & Gelvez, 2012). La ecuación que se usó para el desarrollo de la mezcla asfáltica
completa en el caso de estudio será la mostrada en la Ecuación 7 (Giuliana, Nicolosi, & Festa,
2011).
Ecuación 7: 𝐴𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑊𝑖𝑙𝑙𝑖𝑎𝑚 − 𝐿𝑎𝑛𝑑𝑒𝑙 − 𝐹𝑒𝑟𝑟𝑦 (𝑊𝐿𝐹) (Giuliana, Nicolosi, & Festa, 2011)
𝐿𝑜𝑔|𝐸∗| = −0.349 + 0.754 ∗ (|𝐺𝑏∗|−0.0052) ∗ (6.65 − 0.032𝜌200 +
0.0027𝜌2002 + 0.011𝜌4 − 0.0001𝜌4
2 + 0.006𝜌38 − 0.00014𝜌382 −
1000000
10000000
100000000
1E+09
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curva Mestra (T=35ºC)
Curva Maestra
33
0.08𝑉𝑎 − 1.06 (𝑉𝑏𝑒𝑓𝑓
𝑉𝑎+𝑉𝑏𝑒𝑓𝑓)) +
2.56+0.03𝑉𝑎+0.71(𝑉𝑏𝑒𝑓𝑓
𝑉𝑎+𝑉𝑏𝑒𝑓𝑓)+0.012𝜌38−0.0001𝜌38
2−0.01𝜌34
1+𝑒(−0.7814−0.5785∗𝐿𝑜𝑔(|𝐺𝑏
∗ |)+0.8834∗𝐿𝑜𝑔(𝛿𝑏))
En donde:
|𝐸∗| 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑎𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑎 (𝑝𝑠𝑖)
𝜌200 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 𝑁𝑜. 200
𝜌4 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 𝑁𝑜. 4
𝜌3/8 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 𝑁𝑜. 3/8
𝜌3/4 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 𝑁𝑜. 3/4
𝑉𝑎 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑐í𝑜𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑉𝑏𝑒𝑓 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑔𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑜
|𝐺𝑏∗| 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑔𝑎𝑛𝑡𝑒 (𝑝𝑠𝑖)
𝛿𝑏 𝑒𝑠 𝑒𝑙 á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑔𝑎𝑛𝑡𝑒 (°)
Sim embargo, es importante resaltar que fueron escogidos ciertos valores debido a que fueron
los mismos que escogió el estudiante Martinez-Villalba. Para esta ecuación se requieren
introducir la siguiente información de la mezcla, la cual es relacionada por el estudiante en la
Tabla 12.
Tabla 12: Valores Escogidas por Martínez-Villalba para la Ecuación de Witczak. (Martínez-Villalba, 2014)
Respecto a los valores de módulo dinámico, se eligieron valores usados previamente en la
construcción de curvas maestras de las muestras FAM. Para conocer los valores del ángulo de
fase, se usaron los datos de Cortés (Cortes, 2014) para crear las curvas maestras y los valores de
los parámetros asociados a la fórmula de Willial-Landel-Ferrel serán usados para convertir los
datos, ya que las temperaturas trabajadas por el estudiante Cortés fueron 30℃, 40℃, 50℃, 60℃
6
25
10,5
0
4
16
Variables Witczak
𝜌4
𝜌38
𝜌34
𝜌200
𝑉𝑎
𝑉𝑏𝑒𝑓𝑓
34
y 70℃ para las muestras de control y 10℃, 20℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃ y 70℃ y la curva
maestra que se desea realizar es de 35℃.
El procedimiento consiste en:
Elaborar la curva maestra para una temperatura de referencia; para los especímenes de
Cortés siempre se eligió 40℃. Durante este proceso se conocen los C1 y C2 y a su vez la
ecuación que describe el comportamiento como tal de la curva maestra.
Con los C1 y C2 se procede a calcular el valor de aT correspondiente a una temperatura de
35℃, lo que a su vez permite conocer las frecuencias reducidas de la temperatura elegida.
Con las frecuencias reducidas, se procede a conocer los ángulos de fase estimados mediante
el uso de la ecuación que describe la curva maestra, para así conocer los valores
relacionados a 35℃.
Se vuelve a construir la curva maestra, pero con temperatura de referencia de 35℃.
A continuación se presenta la curva maestra de Tref = 40ºC para el asfalto modificado en 3%
con RBD y los parámetros de WLF correspondientes.
Figura 21: Curva Maestra del Angulo de Fase para una Temperatura de Referencia de 40ºC
Tabla 13: Parámetros de Correlación de WLF para la Curva Maestra del Angulo de Fase Tref de 40ºC
70,00
75,00
80,00
85,00
90,00
95,00
0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curva Maestra del Ángulo de Fase con Tref =40ºC
T ref = 40ºC
C1 C2
7 65,75
T at at Ajuste EMC
24 160,000 215,123 3038,52163
30 20,000 20,000 0,00000
40 1,000 1,000 0,00000
50 0,110 0,110 0,00000
60 0,019 0,020 0,00000
70 0,005 0,005 0,00000
35 3,953
CORRELACIÓN WLF
35
Con el procedimiento especificado se pudo llegar a construir la curva maestra de Tref = 35ºC que
se presenta a continuación, al igual que los parámetros de WLF correspondientes.
Figura 22: Curva Maestra del Angulo de Fase para una Temperatura de Referencia de 35ºC
Tabla 14: Parámetros de Correlación de WLF para la Curva Maestra del Angulo de Fase Tref de 35ºC
Este mismo proceso se debe realizar con los parámetros relacionados al asfalto que no se
encuentra modificado.
70,00
75,00
80,00
85,00
90,00
95,00
0,00 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curva Maestra del Ángulo de Fase con Tref =35ºC
T4=40 °C
C1 C2
12 100,00
T at at Ajuste EMC
24 39,000 30,419 73,63220
30 4,400 4,281 0,01408
35 1,000 1,000 0,00000
40 0,190 0,268 0,00613
50 0,020 0,027 0,00005
60 0,004 0,004 0,00000
70 0,001 0,001 0,00000
CORRELACIÓN WLF
36
5) RESULTADOS
Es importante realizar la aclaración de que para las matrices finas de mezclas asfálticas
modificadas o no, se decidió ensaya un total de 7 espécimen paca cada una, debido a que en
promedio se extraen 10 especímenes de la zona B (zona de interés), de los cuales uno o dos
especímenes se fracturan durante el proceso de extracción.
5,1) ÁNGULO DE FASE (δ).
Durante el análisis de los resultados, se observó que las mediciones del ángulo de fase
presentaban altas inconsistencias en los valores que tomaba, ya que se podía ver cómo a medida
que la temperatura a la que era expuesto el espécimen aumentaba, el ángulo de fase disminuía,
lo cual resulta completamente contradictorio a lo esperado de un material viscoelástico. Este
comportamiento que no coincide con la teoría, hizo que no se tuvieran en cuentan los resultados
asociados a esta variable, ya que se consideran que no son significativos del ensayo o que se
encuentran alterados por algún error en el equipo de medición. En la Figura 23 se puede
observar el comportamiento que poseen los ángulos de fase a diferentes temperaturas durante
un barrido de frecuencias del espécimen modificado con RBD al 3%- B1.
Figura 23: Resultados Obtenidos del Angulo de Fase para el Espécimen RBD 3% B1.
5,2) MATRIZ FINA DE MEZCLA ASFÁLTICA DE CONTROL.
A continuación se puede observar la totalidad de las curvas maestras construidas a una
temperatura de referencia de 35°C de las muestras de control, es decir, son las curvas maestras
de las matrices finas de mezcla asfáltica en las cuales no se hizo uso de agentes modificantes.
Analizando la Figura 24, se puede concluir que el comportamiento es representativo de un
material viscoelástico, sin embargo, para analizar qué tanta varianza existe entre cada una de
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,10 1,00 10,00 100,00
Án
gulo
de
Fase
δ (
º)
Log Frecuencia (Hz)
Álgulo de Fase Delta VS. Frecuencia
25º
35º
45º
55º
65º
75º
37
las curvas maestras, se procede a calcular el coeficiente de variabilidad, tal y como se muestra
en la Figura 25.
Figura 24: Curvas Maestras de las Matrices Finas de las Mezclas Asfálticas de Control a Tref = 35°C.
Figura 25: Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras arrojadas por las Muestra de Control.
Respecto a la Figura 25 se puede concluir que existe una amplia variabilidad en general, ya que
el mínimo valor que se obtuvo para el coeficiente variabilidad fue de 11% y se presenta cuando
las frecuencias comienzan a ser mayores a 1 Hz. El mayor coeficiente de variabilidad es de 32%
y se presenta a frecuencias muy pequeñas, por lo tanto se observa que entre más grande sea la
frecuencia, menos va a ser el coeficiente de variabilidad entre las curvas maestras de los
especímenes. A continuación se muestran en la Tabla 15 los parámetros que se usaron para
realizar la correlación de William-Lande-Ferry.
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
0,0000 0,0001 0,0010 0,0100 0,1000 1,0000 10,0000100,00001.000,0000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras de FAM de Control con Tref=35°C
B1-0%-EB
A1-0%-EB
B3-0%-EB
B4-0%-EB
B5-0%-EB
B6-0%-EB
B7-0%-EB
27% 27%
31% 32%
20%
11%
11%
11%
12% 12%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000Co
efic
ien
te d
e V
aria
bili
dad
(%)
Frecuencia (Hz)
Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras de la Muestra de Control
CAMBIO DEL COEFICIENTEDE VARIABILIDAD
Logarítmica (CAMBIO DELCOEFICIENTE DEVARIABILIDAD)
38
Tabla 15: Parámetros de Correlación William-Landel-Ferrel para las Curvas Maestras de la FAM de Control
5,3) MATRIZ FINA DE MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA CON 3% DE RBD.
En la Figura 26 se puede observar la totalidad de las curvas maestras con una temperatura de
referencia de 35°C de los especímenes que fueron modificados con RBD en un 3%, igualmente
se puede observar de forma clara el comportamiento viscoelástico presentado por los
especímenes. La Figura 27 presenta el cambio en los coeficientes de variabilidad relacionados a
las curvas maestras de los especímenes modificados con 3% de RBD, y permite observar existe
una variabilidad con tendencia similar a la presenta por los especímenes de control, pero la
magnitud es inferior, ya que el mínimo coeficiente de variabilidad es de solo 3,7% y el máximo
es de 18,25%. En la Tabla 16 se muestran los parámetros que se usaron para realizar la
correlación de William-Lande-Ferry.
Figura 26: Curvas Maestras de las Matrices Finas de las Mezclas Asfálticas de Control a Tref = 35°C.
Espécimen C1 C2
B1-Control 10.967 90.492
A1-Control 11.281 100.951
B3-Control 10.855 97.467
B4-Control 17.337 138.409
B5-Control 12.257 106.800
B6-Control 15.256 129.421
B7-Control 13.484 121.495
Parámetros Correlación WLF
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
0,00001 0,00100 0,10000 10,00000 1000,00000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras de FAM con 3% de RBD (Tref=35°C)
RBD 3% B1
RBD 3% B2
RBD 3% B3
RBD 3% B5
RBD 3% B7
RBD 3% B9
RBD 3% B10
39
Figura 27: Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras arrojadas por las Muestra Modificadas en
3% con RBD.
Tabla 16: Parámetros de Correlación William-Landel-Ferrel para las Curvas Maestras de la FAM Modificada con 3% de RBD
5,4) MATRIZ FINA DE MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA CON 4% DE RBD.
Al igual que en los dos casos anteriores, se observa de amplia forma el comportamiento de los
especímenes como materiales viscoelásticos, pero aun así se manifiesta peores resultados
relacionados al coeficiente de variabilidad, ya que se presentan valores similares a los
encontrados en los especímenes de control, es decir, que la variabilidad entre las diferentes
curvas maestras vuelve a aumentar con relación a los obtenidos para las curvas maestras de las
FAM modificadas con 3% de RBD. La Figura 28 muestra la totalidad de las curvas maestras de las
muestras FAM modificadas con 4% de RBD, mientras que en la Tabla 17 se observan los factores
relacionados a las construcciones de las mismas y a la correlación de William-Landel-Ferrel. La
Figura 29 permite observar lo inicialmente mencionado, es decir, lo relacionado a los altos
coeficientes de variabilidad que existen entre las curvas construidas, sobre todo cuando se
trabaja con 1 Hz de frecuencia y se presenta un 22,11% de coeficiente de variabilidad.
15,17%
18,23%
14,72%
12,49%10,61%
7,23%
4,78%3,69%
0,00%
5,00%
10,00%
15,00%
20,00%
0,01 0,1 1 10 100
Co
efic
ien
te d
e V
aria
bili
dad
(%)
Frecuencia (Hz)
Variación del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras de RBD 3%
Cambio en Coeficiente deVariabilidad
Logarítmica (Cambio enCoeficiente de Variabilidad)
Espécimen C1 C2
RBD 3% B1 12,150 116,008
RBD 3% B2 11,677 106,976
RBD 3% B3 7,601 76,322
RBD 3% B5 8,964 90,470
RBD 3% B7 7,605 75,485
RBD 3% B9 15,143 138,755
RBD 3% B10 8,407 79,819
Parámetros Correlación WLF
40
Figura 28: Curvas Maestras de las Matrices Finas de las Mezclas Asfálticas Modificada con 4% de RBD a Tref = 35°C.
Figura 29: Cambio del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras arrojadas por las Muestra Modificadas en
4% con RBD.
Tabla 17: Parámetros de Correlación William-Landel-Ferrel para las Curvas Maestras de la FAM Modificada con 4% de RBD
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
0,00001 0,00100 0,10000 10,00000 1000,00000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras de FAM con 4% de RBD (Tref=35°C)
RBD 4% B1
RBD 4% B2
RBD 4% B3
RBD 4% B4
RBD 4% B8
RBD 4% B9
RBD 4% B10
17,34%19,17%
17,48%18,34%
22,11%
12,24%11,11%
9,41%
0,00%
5,00%
10,00%
15,00%
20,00%
25,00%
0,01 0,1 1 10 100Co
efic
ien
te d
e V
aria
bili
dad
(%)
Frecuencia (Hz)
Variación del Coeficiente de Variabilidad de las Curvas Maestras de RBD 4%
Cambio en Coeficiente deVariabilidad
Logarítmica (Cambio enCoeficiente de Variabilidad)
Espécimen C1 C2
RBD 4% B1 7,856 78,521
RBD 4% B2 9,533 95,577
RBD 4% B3 5,951 61,925
RBD 4% B4 14,326 147,569
RBD 4% B8 10,537 107,638
RBD 4% B9 9,561 91,299
RBD 4% B10 9,868 93,909
Parámetros Correlación WLF
41
5,5) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA VARIACIÓN EN 1% DE RBD
EN LA FAM
Con la finalidad de observar y cuantificar el efecto de la variación en 1% en la cantidad de agente
modificar RBD en la matriz fina de mezcla asfáltica, se decide comparar las curvas maestras de
aquellos especímenes que se comportan como curva maestra representativa de las demás
curvas maestras observadas en la Figura 26 para los especímenes modificados con 3% de RBD y
en la Figura 28 para aquellos modificados con 4% de RBD.
Figura 30: Comparación de Curvas Maestras a Tref=35ºC de las FAM de Control y las Modificadas con 3% y 4% de RBD.
A continuación en la Tabla 18 se pueden observar unos módulos escogidos para realizar la
comparación ente las tres curvas maestras presentadas, y a su vez, se calcula la variación
porcentual existente entre cada una de las mezclas finas modificadas con relación a la mezcla
de control.
Tabla 18: Cuantificación de los Módulos Complejos de las tres Curvas Maestras y su Coeficiente de Variabilidad.
Frecuencia Módulo G* Variación Porcentual
(Control-RBD 3%) Variación Porcentual
(Control-RBD 4%) Control RBD 3% B10 RBD 4% B8 Hz MPa MPa MPa % %
0,010 8588000,00 5754000,00 5720000,00 33,00% 33,40%
0,050 14480000,00 7343000,00 6798000,00 49,29% 53,05%
0,100 19610000,00 8804000,00 8415000,00 55,10% 57,09%
0,500 35540000,00 14410000,00 13510000,00 59,45% 61,99%
1,000 54360000,00 19390000,00 16890000,00 64,33% 68,93%
5,000 114400000,00 45100000,00 38080000,00 60,58% 66,71%
10,000 163700000,00 72060000,00 54180000,00 55,98% 66,90% 15,000 205500000,00 94140000,00 71710000,00 54,19% 65,10%
20,000 238600000,00 110900000,00 86770000,00 53,52% 63,63%
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
0,00010 0,00100 0,01000 0,10000 1,00000 10,00000 100,00000 1000,00000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras FAM a Tref =35°C
Control
RBD 3% B10
RBD 4% B8
42
Para el análisis del impacto de los modificadores, es relevante determinar la relación de caída
porcentual entre el módulo dinámico obtenido por una muestra de control y alguna de las
modificadas, por lo cual se decide construir la Tabla 19 que se encuentra a continuación.
Tabla 19: Caída del Módulo Dinámico Respecto al Espécimen de Control.
Frecuencia Caída del Módulo Dinámico Respecto al Espécimen de Control
Hz 1-(RBD 3% B10/Control) 1-(RBD 4% B8/Control)
0,010 33,00% 33,40% 0,050 49,29% 53,05%
0,100 55,10% 57,09%
0,500 59,45% 61,99%
1,000 64,33% 68,93%
5,000 60,58% 66,71%
10,000 55,98% 66,90%
15,000 54,19% 65,10% 20,000 53,52% 63,63%
Promedio 53,94% 59,65%
En la Tabla 19 se puede observar como la presencia del modificador produce en promedio un
impacto negativo representado en una caída del 59,65% respecto al valor del módulo dinámico
en el caso de que se encuentre modificado con 4% de RBD. Lo interesante resulta al evaluar la
caída del módulo al aplicar un 3% de RBD, la cual es de 53,94% en promedio.
5,6) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA PRESENCIA DE 3% DE RBD
EN EL CEMENTO ASFALTICO
En primera instancia es relevante mencionar que sólo se realiza el análisis ante la presencia de
3% del agente modificador en el cemento asfaltico, debido a que este fue el único porcentaje
que trabajo el estudiante Santiago Cortés y por ende son los únicos datos disponibles para
realizar el análisis comparativo.
La Figura 31 muestra las curvas maestras sin ajustar para el cemento asfaltico no modificado y
modificado al 3% de RBD, en la cual se puede observar como el módulo dinámico del cemento
asfaltico modificado es realmente inferior al que no se encuentra modificado. Para este caso, la
caída que existe en el módulo dinámico para las diferentes frecuencias parece comportarse de
una forma más constante, debido a que únicamente manifiesta el comportamiento e interacción
entre el agente modificador y el asfalto.
43
Figura 31: Comparación de Curvas Maestras de Cemento Asfaltico Modificado con 3% de RBD y sin Modificar.
Tabla 20: Parámetro de Ajuste de las Curvas Maestras de Cemento Asfaltico, Modificado y Sin Modificar
5,7) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA PRESENCIA DE 3% DE RBD
EN MEZCLAS ASFÁLTICAS CON GRANULOMETRÍA COMPLETA.
La mezcla asfáltica completa fue elaborada mediante el uso de un modelo, lo cual implica que
no se conocen los coeficientes de ajuste para sus curvas maestras. El comportamiento
evidenciado por las dos mezclas, es el mismo que en los anteriores casos. Es decir, se presentan
módulos dinámicos inferiores para la mezcla completa que se encuentra modificada con RBD al
3%, además que la diferencia entre los módulos se expande a medida que el barrido de
frecuencias se ubica en valores más grandes, lo cual implicaría que la mezcla su adaptación a
altas frecuencias es inferior.
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
0,00100 0,10000 10,00000 1000,00000 100000,00000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras Asfalto a Tref =35°C
Asfalto Modificado 3% RBD
Asfalto Sin Modificar
Espécimen C1 C2
3% RBD 6 81,74
Sin Modificar 11 118,20
44
Figura 32: Curvas Maestras de Mezclas Completas a 35ºC.
5,8) ANÁLISIS COMPARATIVO DEL IMPACTO ANTE LA PRESENCIA DE 3% DE RBD
EN MEZCLAS ASFÁLTICAS CON GRANULOMETRÍA COMPLETA, FAM Y CEMENTO
ASFALTICO.
La
Figura 33 permite realizar una comparación visual entre los distintos módulos dinámicos a
determinadas frecuencias, analizando el cemento asfaltico puro, el cemento asfalto modificado
con 3% de RBD, matrices finas de mezclas asfálticas de control, matrices finas de mezclas
asfálticas modificadas con 3% de RBD, mezcla asfáltica completa sin modificar y mezcla asfáltica
completa modificada con 3% de RBD.
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras de Mezcla Completa a Tref=35°C
Mezcla Completa 3% RBD
Mezcla Completa SinModificar
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
0,0001 0,0100 1,0000 100,0000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras a Tref=35°C
FAM Control
FAM RBD 3% B10
Asfalto Modificado 3% RBD
Asfalto Sin Modificar
Mezcla Completa SinModificar
45
Figura 33: Curvas Maestras de Asfalto, FAM y Mezcla Completa sin modificar y modificadas en 3% con RBD
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
0,0001 0,0100 1,0000 100,0000
Log
G*
(Pa)
Log Frecuencia Reducida (Hz)
Curvas Maestras a Tref=35°C
FAM Control
FAM RBD 3% B10
Asfalto Modificado 3% RBD
Asfalto Sin Modificar
Mezcla Completa SinModificar
46
6) CONCLUSIONES
Las principales conclusiones obtenidas en la elaboración de este proyecto son:
Se encontró que una adición del agente modificador en una proporción por peso total
de 3% se ocasiona una reducción en el módulo dinámico del asfalto de 53,94%, mientras
que ante la aplicación de un 4% de agente modificador se tiene una reducción en el
módulo en 59,65%
Un aspecto influyente dentro de los resultados obtenidos, es la compactación que se
obtuvo en los especímenes de control, los cuales al tener una menor relación de vacíos
poseen una mayor densidad y así un mayor modulo, generando así que las
comparaciones respecto a los especímenes modificados tenga una mayor magnitud.
Aunque existe una duda respecto a la posibilidad de aplicar un porcentaje de agente
modificador, es claro que el impacto de este tipo de modificantes sobre el módulo
dinámico es severo, por lo cual se debe evaluar la posibilidad de realizar los mismos
ensayos con otros agentes modificadores que tengan una procedencia diferente.
Con los resultados obtenidos se puede concluir que no es conveniente, ni rentable,
realizar modificaciones del asfalto convencional con RBD para el uso de los materiales
en estructuras de pavimento.
Se observa que existe un gran coeficiente de variabilidad a la hora de crear las curvas
maestras, lo cual lequita cierto nivel de precisión a las mismas.
En todos los casos, los materiales modificados con el agente modificador RBD
produjeron disminución en el módulo dinámico de los distintos productos asfalticos. No
obstante, existe la necesidad de encontrar bio-ligantes que actúen como productos
sustitutos eficientes del asfalto, por lo cual es relevante e importante continuar con la
ejecución de investigaciones como la realizada en este trabajo.
47
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