IMPLEMENTACIÓN DE BENTONITA TRATADA TÉRMICAMENTE …
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IMPLEMENTACIÓN DE BENTONITA TRATADA TÉRMICAMENTE COMO LLENANTE MINERAL EN UNA MEZCLA ASFÁLTICA MDC-19 Autor MICHAEL YESID VELANDIA CASTELBLANCO Tutor HUGO ALEXANDER RONDÓN QUINTANA Ingeniero Civil, Magister en Ingeniería Civil, Doctor en Ingeniería UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C., COLOMBIA ENERO DE 2020
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IMPLEMENTACIÓN DE BENTONITA TRATADA TÉRMICAMENTE COMO
LLENANTE MINERAL EN UNA MEZCLA ASFÁLTICA MDC-19
Autor
MICHAEL YESID VELANDIA CASTELBLANCO
Tutor
HUGO ALEXANDER RONDÓN QUINTANA
Ingeniero Civil, Magister en Ingeniería Civil, Doctor en Ingeniería
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
ENERO DE 2020
2
RESUMEN
La producción de llenante mineral (Filler) afecta el medio ambiente a causa del
elevado consumo energético requerido para su obtención, reflejado en la trituración
de las rocas y agregados pétreos provenientes de canteras o ríos, ocasionando
deforestación, contaminación de fuentes hídricas, entre otros impactos antrópicos.
Lo anterior fundamenta la importancia de este estudio, en el cual se pretende a
futuro emplear arcilla de alta plasticidad (considerada un desecho en las
excavaciones) tratada térmicamente como sustituto de llenante mineral o filler de
mezclas asfálticas. En la investigación se empleó una arcilla industrial tipo bentonita,
caracterizada mediante ensayos de difracción de rayos X y fluorescencia. Dicho
material fue sometido a tratamientos térmicos, proceso en el cual se buscó eliminar
propiedades ingenieriles indeseables como la plasticidad y el potencial de
expansión, para posteriormente emplearse como llenante mineral en una mezcla de
concreto asfáltico tipo MDC-19. Se realizaron ensayos Marshall, tracción indirecta,
módulo resiliente, deformación permanente, fatiga y evaluación de la resistencia a
la abrasión (Cantabro) a una mezcla densa en caliente tipo MDC-19, la cual usó
como llenantes minerales, uno de origen natural y la bentonita (con y sin tratamiento
térmico). La estimación de la significancia en los resultados, se obtuvo mediante un
análisis de varianza ANOVA con un nivel de confianza del 95%. Los resultados del
presente estudio fueron publicados en una revista tipo Q1 y pueden ser consultados
en Rondón et al1.
PALABRAS CLAVE
Bentonita; Filler; Tratamiento térmico; Mezcla asfáltica.
1 RONDÓN, et al. Use of Thermally Treated Bentonite as Filler in Hot Mix Asphalt. In: Journal of Materials in Civil Engineering. 2020. vol. 32, Issue 5.
3
ABSTRACT
The production of mineral filler affects the environment because of the high energy
consumption required to obtain it, reflected in the crushing of rocks and stone
aggregates from quarries or rivers, causing deforestation, contamination of water
sources, among other human impacts.The above supports the importance of this
study, in which the future use of highly plasticized clay (considered a waste product
in the excavations), thermal treatment as a substitute for mineral filler or hot mix
asphalt, is intended. In the research, an industrial bentonite-type clay was used,
characterized by X-ray diffractometry and X-ray fluorescence. This material was
subjected to thermal treatments, process in which it was sought to eliminate
undesirable engineering properties such as plasticity and the potential for swelling,
to be subsequently used as a mineral filler in an hot mix asphalt (HMA). Marshall
tests, indirect tensile strength test, resilient modulus, permanent deformation, fatigue
test and evaluation of abrasion resistance (Cantabro test) were carried out on a
dense hot mix asphalt (HMA-19), which used as mineral fillers, one of natural origin
and bentonite (with and without heat treatment). The estimation of the significance
in the results was obtained through an analysis of variance ANOVA with a 95%
confidence level. The results of the present study were published in a Q1 journal and
can be consulted at Rondón et al2
KEYWORDS
Bentonite; Filler; Thermal Treatment; Hot mix asphalt.
2 Ibíd.
4
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………...10
MOTIVACIÓN Y SÍNTESIS ................................................................................. 10
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN……………………….....11
1. OBJETIVOS………………………………………………….............................…15
1.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 15
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 15
2. ANTECEDENTES…………………………………………………………………..16
3. MARCO TEÓRICO………………………………………………………………….32
3.1. PAVIMENTOS ......................................................................................... 32
3.2. DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS – MÉTODO MARSHALL ................... 37
3.3. FATIGA Y DEFORMACIÓN PERMANENTE ........................................... 38
3.4. MÓDULO RESILIENTE Y DAÑO POR HUMEDAD ................................. 40
3.5. LLENANTE MINERAL ............................................................................. 44
3.6. ARCILLA Y BENTONITA ......................................................................... 45
3.7. DIFRACCIÓN DE RAYOS X .................................................................... 55
4. METODOLOGÍA…………………………………………………………………….59
4.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Y ESTADO DEL CONOCIMIENTO ............ 60
4.2. REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO ...................................................... 60
4.2.1. Caracterización de materiales ........................................................... 60
4.2.2. Estabilización térmica de la arcilla ..................................................... 63
4.2.4. Ensayos de difracción de rayos X (XRD) y fluorescencia de rayos X
(XRF) ………………………………………………………………………………69
4.2.5. Ensayos bajo carga monotónica de la mezcla de control .................. 70
4.2.6. Evaluación de la mezcla con reemplazo del Filler natural por Bentonita
estabilizada térmicamente .............................................................................. 72
4.2.7. Módulo resiliente ............................................................................... 73
4.2.8. Deformación permanente .................................................................. 74
4.2.9. Resistencia a la fatiga ....................................................................... 75
4.2.10. Evaluación de la resistencia a la abrasión en ensayo Cántabro ..... 75
4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS.................................................................. 76
5. RESULTADOS Y ANÁLISIS……………………………………………………....78
5.1. ESTABILIZACIÓN TÉRMICA................................................................... 78
5.2. EVALUACIÓN DEL CA ............................................................................ 93
5.3. EVALUACIÓN DEL AGREGADO PÉTREO ............................................. 95
5
5.4. RESULTADOS ENSAYOS BAJO CARGA MONOTÓNICA DE LA
MEZCLA DE CONTROL.................................................................................... 96
5.5. RESULTADOS MARSHALL MDC-19 CON SUSTITUCIÓN DEL
LLENANTE MINERAL ....................................................................................... 98
5.6. RESULTADOS TRACCIÓN INDIRECTA (TI) ........................................ 100
5.7. MÓDULO RESILIENTE ......................................................................... 102
5.8. DEFORMACIÓN PERMANENTE .......................................................... 104
5.9. RESISTENCIA A LA FATIGA ................................................................ 105
5.10. ENSAYO CÁNTABRO ........................................................................ 106
6 CONCLUSIONES………………………………………………………………….108
7 RECOMENDACIONES…………………………………………………………...111
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………………….112
ANEXOS…………………………………………………………………………….......120
6
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Propiedades físicas y químicas del cemento (OPC) y de las bentonitas
calcinadas (CgB, CsB) ................................................................................... 23
Tabla 2 Granulometría franja central, mezcla MDC-19. ....................................... 35
Tabla 3 Ensayos de caracterización del CA 60-70. ............................................... 61
Tabla 4 Ensayos de caracterización sobre el agregado pétreo. ............................ 62
Tabla 5 Modelo factorial de efectos fijos ............................................................... 65
Tabla 6 Análisis de varianza para el modelo factorial de dos factores, modelo con
efectos fijos .................................................................................................... 68
Tabla 7 Composición química del Filler, Bentonita, BT (800 °C, 2 horas) ............. 84
Tabla 8 Caracterización cemento asfáltico ........................................................... 94
Tabla 9 Viscosidad CA 60-70 ............................................................................... 94
Tabla 10 Temperatura de Mezcla y Compactación ............................................... 95
Tabla 11 Resultados caracterización agregado pétreo ......................................... 96
Tabla 12. Resultados ensayo Marshall MDC-19 control ...................................... 97
Tabla 13. Resultados Marshall con sustitución del llenante mineral ...................... 99
Tabla 14. Resultados tracción indirecta .............................................................. 100
Tabla 15. Resultados ensayo cántabro ............................................................... 107
7
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 Difractogramas de muestras de Arcilla Blanca y Arcilla Roja después de
sometidas a tratamiento térmico .................................................................... 17
Gráfico 2 XRD de arcillas excavadas crudas (a) y (b) calcinadas. K-caolinita, I-ilita;
Q-cuarzo ........................................................................................................ 21
Gráfico 3 Análisis XRD de bentonitas calcinadas (Q: cuarzo; Alb: Albite; Mc:
Microclina; Mu: Mullita; I: Ilita; H: Hematita; A: Anatasa). ............................... 24
Gráfico 4 Patrones de reflexión XRD de primer orden de a) PBent y b) Obent
después de los tratamientos con radiación de Cu Kα ..................................... 28
Gráfico 5 IP de la bentonita con relación a la temperatura y el tiempo de
exposición ...................................................................................................... 78
Gráfico 6 Relación del IP con el tiempo de exposición .......................................... 79
Gráfico 7 Normalidad del experimento…………………………………………… ...... 81
Gráfico 8 Independencia del experimento…………………………………………….81
Gráfico 9 Índice de hinchazón BT con relaciona la temperatura y el tiempo de
exposición ...................................................................................................... 82
Gráfico 10. Índice de hinchazón de BT en función del tiempo de exposición ........ 83
Gráfico 11 Resultados ensayo difracción de rayos X (XRD) ................................. 89
Gráfico 12 Difractograma comparativo de B y BT ................................................. 91
Gráfico 13 Difractograma B orientado ................................................................... 92
Gráfico 14 Temperatura de mezcla y compactación ............................................. 95
Gráfico 15 Resultados módulo resiliente a 5 °C, 20 °C, 40°C ............................. 103
Gráfico 16 Medias del módulo resiliente con relación a la frecuencia y la
temperatura .................................................................................................. 104
Gráfico 17 Resultados ensayo de formación permanente ................................... 105
Gráfico 18 Resultados ensayo de fatiga ............................................................. 106
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Perfil típico estructura pavimento asfáltico .............................................. 32
Figura 2 (a) sílice tetraédrico, (b) lámina de sílice, (c) lámina de aluminio
octaédrico, (d) lámina octaédrica (gibbsita), (e) lámina de sílice gibsita
elemental ....................................................................................................... 49
Figura 3 Diafragma de estructuras de (a) caolinita, (b) ilita y (c) montmorillonita .. 51
Figura 4 Estructura bilaminar caolinitica ............................................................... 52
Figura 5 Estructura trilaminar esmectita ................................................................ 53
Figura 6 Difracción de los rayos X por planos de cristal permite derivar los
espaciamientos de la red utilizando la ley de Bragg. ...................................... 58
Figura 7 Interacción eléctrica de las partículas de arcilla ...................................... 80
Figura 8 Doble capa difusa ................................................................................... 86
Figura 9 Diseño proceso de hidratación e hinchamiento en montmorillonita ......... 87
Figura 10 Secuencia microfotográfica de la deshidratación de arcilla, secuencia . 88
Figura 11 Verificación de los criterios MDC-19 para la determinación del
porcentaje óptimo de asfalto .......................................................................... 97
9
LISTA DE IMÁGENES
Imagen 1 Excavación compensada ...................................................................... 12
Imagen 2 Pilotaje pre-excavado............................................................................ 12
Imagen 3 Ensayos caracterización cemento asfáltico ........................................... 61
Imagen 4 Caracterización agregado pétreo .......................................................... 62
Imagen 5 Mufla de tratamientos térmicos ............................................................. 63
Imagen 6 Límite Liquido........................................................................................ 64
Imagen 7 Límite plástico ....................................................................................... 64
Imagen 8 Difractómetro ........................................................................................ 69
Imagen 9 Briquetas diseño Marshall ..................................................................... 71
Imagen 10 Densidad mezcla asfáltica................................................................... 71
Imagen 11 Fabricación de briquetas empleando llenante mineral tratado
térmicamente ................................................................................................. 72
Imagen 12 Ensayo tracción indirecta MDC-19-B .................................................. 73
Imagen 13 Ensayo módulo resiliente equipo UTM-30 ........................................... 74
Imagen 14 Bentonita expuesta 2 horas a) 1000°C, b) 800°C, c) 600°C y Bentonita
en estado natural ........................................................................................... 93
10
INTRODUCCIÓN
MOTIVACIÓN Y SÍNTESIS
El mundo actual reclama de manera inmediata el cuidado y uso racional de los
recursos naturales para asegurar condiciones aptas de vida en el planeta. El sector
de la construcción en este sentido tiene gran responsabilidad y un caso en particular
es la alteración del equilibrio ecológico a causa de la extracción de materiales
provenientes de la naturaleza, es por ello que ha venido implementando tecnologías
para la reducción del impacto ambiental, la optimización de recursos y la innovación
con materiales alternativos que mitiguen los daños ambientales, logrando así la
recuperación de los recursos naturales que permitan la conservación de los
ecosistemas.
Todo lo anterior lleva a pensar a la industria de la construcción, no solo en mejorar
las necesidades particulares en un contexto determinado, sino también a formular
nuevas apuestas que aporten al mejoramiento del ejercicio ambiental de las
empresas, contribuyendo en la calidad de vida de las comunidades.
En el ámbito de las mezclas asfálticas, se han realizado sustituciones de agregados
pétreos de origen natural con diferentes residuos (escorias de alto horno, acero,
cobre, reciclados de concreto, entre otros), cuyos resultados son favorables frente
al comportamiento físico-mecánico de dichas mezclas. El presente estudio aporta
en esta perspectiva, a través de la reutilización de residuos de excavación de alta
plasticidad, sustituyendo el llenante mineral de una mezcla asfáltica MDC-19.
El estudio se desarrolla en los siguientes capítulos: en el capítulo 1 se enuncian los
objetivos que fundamentan los pilares de la investigación, en el capítulo 2 se
relacionan y describen investigaciones semejantes al presente estudio como
11
antecedentes, los cuales fueron consultados en revistas indexadas a nivel nacional
e internacional. El capítulo 3 presenta el marco conceptual y teórico, en este se
relacionan conceptos tales como: tipos de mezclas asfálticas, agregados,
composiciones mineralógicas, metodologías y/o ensayos empleados en el análisis,
entre otros conceptos que aborda el documento. El capítulo 4 muestra la
metodología ejecutada, esta expone la perspectiva y los procedimientos ejecutados
en el estudio, haciendo énfasis en la etapa experimental en la cual se mide la
resistencia bajo carga monotónica (ensayos Marshall y tracción indirecta) y cíclica
(módulo resiliente, deformación permanente y fatiga), la resistencia al daño por
humedad (empleando la relación tracción indirecta húmeda y seca) y la resistencia
a la abrasión (ensayo Cántabro). Los capítulos 5 y 6 muestran los resultados y las
conclusiones obtenidas en el desarrollo de la investigación, soportadas con los
respectivos análisis estadísticos con un nivel de confianza del 95%, posterior a este
capítulo, se relacionan las recomendaciones y, por último, se mencionan las
referencias bibliográficas consultadas.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN
Los procesos de excavación realizados en los diversos proyectos de ingeniería (ver
Imágenes 1 y 2), generan residuos compuestos en muchos casos por suelos
arcillosos alta plasticidad, los cuales se consideran desechos inservibles. Esta
característica predomina en los depósitos de suelo en la ciudad de Bogotá D.C.
(Colombia). “Bogotá está constituido geológicamente por depósitos de arcilla
formados por la desecación de un antiguo lago, con estratos intermedios y
discontinuos de suelos orgánicos” 3.
3 ÁVILA ÁLVAREZ, Guillermo. Suelos arcillosos de Bogotá, proclives al hundimiento [En línea]. 2012. [Consultado el 15 de marzo de 2019]. Disponible en https://noticias.universia.net.co/en-portada/noticia/2012/09/10/965109/suelos-arcillosos-bogota-proclives-hundimiento.html
12
Imagen 1. Excavación compensada Imagen 2. Pilotaje pre-excavado
Fuente: Propia, Bogotá, 2019. Fuente: Propia, Bogotá, 2019.
En la ciudad de Bogotá, conforme a lo reportado por la Secretaria Distrital de
Ambiente4 para el año 2012 se generaron aproximadamente 5’359.634 m3 de
residuos de construcción de tipo arcilloso, que se disponen en escombreras y sitios
de relleno autorizados, convirtiéndolos en desechos que afectan el medio ambiente.
Uno de los entes autorizados para almacenar y procesar estos materiales es la
empresa CEMEX5, quien los emplea para la reconformación morfológica de terrenos
mineros y según expone la misma empresa, hasta el momento no existe viabilidad
en la utilización del material arcilloso. Por otra parte “al no existir nadie formalmente
encargado de la recolección, algunos barrios de las localidades de Usaquén y San
Cristóbal se están convirtiendo en los nuevos botaderos.[…] evidenciándose fallas
4 SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Guía para la elaboración del Plan de Gestión de
Residuos de Construcción y Demolición (RCD) en obra. [En línea]. 2015. [Consultado el 18 de marzo
de 2019]. Disponible en http://www.ambientebogota.gov.co/web/publicaciones-sda/cartilla-rcd 5 CEMEX COLOMBIA S.A. Foro internacional para la Gestión y Control de Residuos de la
Construcción y Demolición –RCD-: Aprovechamiento y Disposición de RCD (Residuos de
Construcción y Demolición) [En línea]. 2012. [Consultado el 18 de marzo de 2019]. Disponible en
http://ambientebogota.gov.co/documents/664482/0/Johao-Ariel-Cemex.pdf
13
para darles un destino adecuado a los escombros que se generan en la ciudad, lo
que afecta zonas ambientales de los Cerros, así como quebradas aledañas”6.
Soportado en lo anterior, se genera la necesidad de investigar alternativas que
generen el aprovechamiento de dicho material.
Otro aspecto que afecta el medio ambiente es la producción de llenante mineral
(filler) para mezclas asfálticas, siendo este “material con un tamaño de partícula
entre 45 y 300 micras (1 mm= 1000 micras)”7. Los agregados empleados en la
producción de filler en Colombia son producto de la extracción minera y trituración
de materiales. “La producción para el año 2015 de materiales pétreos fue de
aproximadamente 160 millones de toneladas y se estima que a partir de esa fecha
a diez años la cifra se duplicaría”8. La extracción de estos materiales en canteras y
ríos generan un impacto ambiental de gran magnitud como lo son: la deforestación,
la contaminación de fuentes hídricas, la alteración del suelo y la vegetación, la
contaminación atmosférica a causa del material volátil y un elevado consumo
energético en la trituración de las rocas para la producción del llenante mineral.
Dado lo anterior emerge la necesidad de nuevas alternativas en materiales que
sustituyan el llenante mineral convencional.
Con base en estas dos situaciones se planteó como pregunta orientadora si ¿Es
factible desde una perspectiva técnica, emplear arcilla de alta plasticidad tratada
térmicamente como llenante mineral en mezclas asfálticas?
6 EL ESPECTADOR. Cerros Orientales en Bogotá: ¿Botadero de escombros? En: El Espectador [En línea]. 2018. [Consultado el 05 de abril de 2019]. Disponible en https://www.elespectador.com/noticias/bogota/cerros-orientales-botadero-de-escombros-articulo-744916 7 HORMIGONES DEL VINALOPÓ S.A. Filler Calizo [En línea]. 2011. [Consultado el 06 de abril de 2019]. Disponible en https://www.hormigonesvinalopo.com/es/ficha-productos/33/filler-calizo 8 EL COLOMBIANO. Polémica por normativa para explotación de canteras [En línea]. 2016. [Consultado el 06 de abril de 2019]. Disponible en https://www.elcolombiano.com/negocios/canteras-normas-para-explotacion-MD4151860
https://www.elespectador.com/noticias/bogota/cerros-orientales-botadero-de-escombros-articulo-744916
14
La respuesta a la pregunta de investigación es de fundamental importancia, en el
sentido que podría contribuir en la mitigación de dos impactos que afectan el medio
ambiente, mejorando a su vez el comportamiento físico-mecánico de las mezclas
asfálticas.
15
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Evaluar el comportamiento mecánico de una mezcla asfáltica densa en caliente
MDC-19 empleando bentonita tratada térmicamente como llenante mineral.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar los límites de consistencia y la capacidad de expansión del suelo
cohesivo ante incrementos de temperatura.
Analizar la composición química de la bentonita con y sin tratamiento térmico.
Sustituir la arcilla tratada térmicamente como llenante mineral en una mezcla
asfáltica MDC-19.
Realizar ensayos Marshall, tracción indirecta, cántabro y módulo resiliente a
la mezcla asfáltica densa en caliente MDC-19 empleando llenante mineral
(convencional, bentonita sin tratamiento térmico, bentonita con tratamiento
térmico).
Analizar de manera comparativa el comportamiento mecánico de la mezcla
asfáltica convencional y la mezcla asfáltica con sustitución del llenante
mineral por bentonita tratada térmicamente.
16
2. ANTECEDENTES
La búsqueda de tecnologías innovadoras en el uso de materiales que reemplacen
los componentes convencionales de las mezclas asfálticas tradicionales, ha tomado
cada vez más fuerza. A continuación, se exponen algunas investigaciones en las
que se identifica el aprovechamiento de estos materiales y las características
positivas que proveen al sector constructivo. Asimismo, se presentan los resultados
de estudios en los cuales se evaluó el efecto de la temperatura sobre las
propiedades físico-químicas de materiales arcillosos.
Jefferson y Rogers9, analizaron arcillas compuestas mayormente de caolinita y
arcillas compuestas de esmectita. Mediante los estudios de laboratorio realizados
se identificó que las arcillas del primer tipo son relativamente susceptibles a cambios
de temperatura, mientras que las del segundo tipo son altamente susceptibles a
tales cambios. Este estudio permitió observar el efecto de la temperatura en
materiales arcillosos de una composición mineralógica variada, además mostró
cómo las propiedades de los suelos arcillosos pueden verse afectadas por la
temperatura, mejorando la resistencia y permeabilidad de los mismos.
En estudios realizados con arcillas tratadas térmicamente, se han realizado análisis
mineralógicos para obtener información sobre los cambios estructurales de estos
materiales que pueden ser útiles para la fabricación de elementos de construcción
como la cerámica. Tal es el caso de la investigación realizada por Panduro y
Cabrejos10 de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Perú) en la que
usaron dos tipos de arcilla: roja y blanca. Estas arcillas fueron tratadas térmicamente
9 JEFFERSON, Ian and ROGERS, Christopher David Foss. Liquid limit and the temperature sensitivity of clays. In: Engineering Geology. 1998. vol. 49, p. 95–109. 10 PANDURO, E. and CABREJOS, J. Mineralogical characterization of Greda clays and monitoring of their phase transformations on thermal treatment. In: Hyperfine Interactions. 2009. vol. 195, p. 55–62.
17
desde 400°C hasta una temperatura de 1100°C. Adicionalmente utilizaron rayos X
para realizar la caracterización de las muestras, conocer el colapso y formación de
las fases minerales presentes en las muestras causadas por el tratamiento térmico,
lo cual se evidencia en el Gráfico 1.
Gráfico 1 Difractogramas de muestras de Arcilla Blanca y Arcilla Roja después de sometidas a tratamiento térmico
Fuente: PANDURO, E. and CABREJOS, J. Mineralogical characterization of
Greda clays and monitoring of their phase transformations on thermal treatment. In: Hyperfine Interactions. 2009. vol. 195, p. 57.
Mediante diversas técnicas, como la del uso del espectroscopio Mössbauer, se
obtuvo información sobre el contenido y las transformaciones mineralógicas que
experimentaban las arcillas en el tratamiento térmico, evidenciando la formación de
nuevas cadenas estructurales, mejorando las propiedades y características de las
arcillas, como lo son la resistencia mecánica y la durabilidad.
Investigadores como Tan, Yilmaz y Sahin Zaimog’lu11 de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Ataturk (Turquía) realizaron un estudio en laboratorio sobre
11 TAN, Özcan; YILMAZ, Lale and SAHIN ZAIMOǦLU, A. Variation of some engineering properties of clays with heat treatment. In: Materials Letters. 2004. vol. 58, p. 1176–1179.
18
dos tipos de arcillas (Oltu y Erzurum). Se analizaron los límites de consistencia de
los materiales, la densidad seca máxima, la gravedad específica y los cambios que
experimenta el material al exponerlo a incrementos de temperatura desde los 100°C
hasta los 1000°C. Las muestras de arcilla que se usaron fueron calcinadas a nueve
temperaturas diferentes (100°, 200°, 300°, 400°, 500°, 600°, 700°, 800° y 1000°C).
Consecuentemente se enfriaron y se almacenaron al vacío. Se reportó un aumento
de la densidad seca máxima de las dos arcillas a una temperatura de 400°C, y en
el rango de 400-1000°C, no se evidenció aumento de dicho parámetro físico. Entre
los 100 y 300°C hubo una disminución rápida del límite líquido, y entre los 400 y
1000°C no se encontró una variación significativa del límite líquido. El límite plástico
disminuyó rápidamente hasta los 300°C y a una temperatura de 400°C las muestras
alcanzaron el estado de no plástico. Los incrementos de temperatura en la gravedad
específica de las dos muestras indicaron que hay una disminución rápida de la
misma hasta los 600°C. Por arriba de esta temperatura no se evidenció disminución
significativa de la gravedad específica.
Sun, Qiang et al 12 evaluaron los efectos que puede tener la temperatura en las
variaciones de resistencia y resistividad. Las evaluaciones se hicieron sometiendo
a los materiales arcillosos a temperaturas de aproximadamente 800°C. En aquellos
análisis se determinó que ante temperaturas menores a los 400°C, la resistencia a
la compresión uniaxial y la resistividad de las arcillas varía muy poco. Sin embargo,
al estar expuestas ante temperaturas mayores a los 400°C estas dos características
aumentan rápidamente. De acuerdo con los investigadores, este efecto es causado
por la alteración del contenido mineral de las arcillas a dichas temperaturas,
mejorando la adherencia de las partículas y provocando el aumento de la resistencia
a la compresión uniaxial. Como conclusión se determinó que la temperatura tiene
12 SUN, Qiang, et al. Variations of Strength, Resistivity and Thermal Parameters of Clay after High Temperature Treatment. In: Acta Geophysica. 2016. vol. 64, p. 2077–2091.
19
un efecto significativo en el aspecto físico y mecánico de las propiedades de la
arcilla, además que la resistencia y la resistividad aumentan rápidamente.
Por otra parte, en el instituto de la construcción y el cemento de España, Sutton y
Matson13, estudiaron arcillas para determinar los factores que afectan la resistencia
mecánica de las mismas a temperaturas entre los 110 y 800°C. Los especímenes
evaluados fueron: caolín lavado, una arcilla refractaria, y una arcilla de textura fina
y de alta plasticidad. Estos materiales se dispusieron en probetas, las cuales fueron
sometidas a flexión, identificando que después de un tiempo de tres días, el
aumento de la resistencia en húmedo y en seco en los materiales fue de un 54%
para el caolín, 42% para la arcilla de textura fina y de 0% sobre la arcilla refractaria.
Este incremento estuvo asociado al desprendimiento de agua por la aparición de
nuevos enlaces. Adicionalmente, se hizo un tratamiento químico usando NaCl,
CaCl2 y HCl, combinado con el aumento de la temperatura, y de esta forma se
determinó que a temperaturas inferiores a los 650°C las arcillas tratadas
químicamente presentan una resistencia mecánica menor a las no tratadas, caso
contrario sucede a temperaturas más altas. Esto indica que después del secado, la
resistencia disminuye según el orden iónico que adoptan las moléculas de la arcilla.
Como conclusión general se reportó que la resistencia mecánica de las arcillas es
una variable que está en función de los tratamientos térmicos que experimenta y de
los cambios y/o adiciones químicas al que se expone el material.
Otro estudio en el cual se analizó el tratamiento térmico para las arcillas, fue el
realizado por Yanguatin et al14, estudio que presentó la evaluación de la reactividad
puzolánica de arcillas en función de su activación térmica mediante la calcinación a
temperaturas de 550 °C y 650 °C; evaluación para la cual se realizó la selección de
13 SUTTON, Willard and MATSON, Frederick. Factors affecting strength of clays in the Temperature range 110° to 800°C. In: The Journal of the American Ceramic Society. 1956. vol. 39, p. 25-27. 14 YANGUATIN, Hernan, et al. Effect of thermal treatment on pozzolanic activity of excavated waste
clays. In: Construction and Building Materials. 2019. vol. 211, p. 814-823.
20
5 muestras de arcillas excavadas provenientes de diferentes puntos de Bogotá
(conforme a información geológica de zonificación sísmica), seleccionados por
compartir la característica de ser mayores generadores de RCD. Se realizó su
caracterización determinando la distribución granulométrica, área específica de la
superficie (método de Blaine – Norma ASTM C204), composición química
(fluorescencia de rayos X), composición mineralógica (difracción de rayos X,
verificados con estequiometría y termogravimetría) y contenido de caolinita
(cuantificado por el método de Rietveld). Seguido, se procedió a secar el material a
una temperatura de 100 °C, por un periodo de 24 horas, para posteriormente
calcinar las muestras de arcillas a temperaturas de 550 °C y 650 °C, por periodos
entre 1 y 3 horas (temperaturas de calcinación planteadas conforme a las
establecidas para la deshidroxilación completa de la caolinita). Se analizó la
composición mineralógica de las 5 muestras (A1, A2, A3, A4 y A5) crudas y
calcinadas conforme a los patrones de XRD relacionados en el Gráfico 2, los cuales
indicaron que los minerales de arcilla presentes fueron la caolinita (K) y la ilita (I).
Adicionalmente, las arcillas excavadas presentan picos muy fuertes de cuarzo, un
pico principal bien definido de caolinita y un débil pico principal de ilita. Los picos
relativos a la caolinita desaparecen cuando las arcillas excavadas se calcinan tanto
a 550 °C como a 650 °C.
21
Gráfico 2 XRD de arcillas excavadas crudas (a) y (b) calcinadas. K-caolinita, I-ilita; Q-cuarzo
Fuente: YANGUATIN, Hernan, et al. Effect of thermal treatment on pozzolanic activity of excavated waste clays. In: Construction and Building Materials. 2019.
vol. 211, p. 819.
Finalmente, la actividad puzolánica de cada arcilla calcinada se evaluó en pastas
de cemento y morteros mezclados con un 20% de sustitución en masa mediante los
métodos de fijación de hidróxido de calcio, ensayo de Frattini y resistencia a la
compresión (7 y 28 días), determinando el efecto de la activación térmica en función
de temperatura de calcinación y la edad de hidratación, empleando cemento
Portland de dos tipos (variaciones en su composición química). Se concluyó que, la
reactividad puzolánica mejoró al aumentar la temperatura de calcinación, teniendo
en cuenta que incrementa el porcentaje de fijación de hidróxido de calcio a los 7
días, porcentaje que en algunos casos no superó el 30% por lo cual el ensayo
Frattini (empleado sólo cuando el porcentaje supera el 30%) no fue aplicable en
todas las muestras con la respectiva variación de temperatura. Por lo tanto, la
influencia en la reactividad puzolánica se evidenció de forma más clara en el
aumento del porcentaje de resistencia la compresión, toda vez que, a los 7 días de
curado, los morteros que fueron fabricados con las arcillas calcinadas a una
temperatura de 650 °C presentaron un incremento promedio del 13%, respecto a un
9% de los morteros cuya sustitución se realizó con arcillas calcinadas a 550 °C.
22
Con el objetivo de limitar el impacto ambiental al emplear materiales de concreto,
se ha incrementado el interés en el estudio de alternativas para materiales
cementantes, por lo anterior, se han realizado estudios en los cuales se
implementan las arcillas calcinadas como dicha alternativa, caso tal es el realizado
por El-Abidine Laidani et al15, cuya investigación estudia el efecto del uso de
bentonita calcinada (CB) como reemplazo parcial del cemento portland ordinario
(OPC) en la sostenibilidad de concreto autocompactante (SCC). El cemento de las
mezclas de SCC fue reemplazado por dos tipos de CB, bentonita de Maghnia (CgB)
y de Mostaganem (CsB), sometidas a tratamiento térmico de calcinación a 800 °C
durante 3 horas y a 800 °C durante 4 horas respectivamente, realizando
sustituciones de 0, 5, 10, 15, 20, 25 y 30% en peso. Posteriormente, se realizó la
evaluación de las propiedades en fresco de las mezclas de SCC mediante pruebas
de asentamiento, tiempo de flujo del túnel en V, prueba de caja en L y pruebas de
estabilidad del tamiz y pruebas en estado endurecido como resistencia a la
compresión, porosidad o permeabilidad al agua, penetración de iones de cloruro y
permeabilidad al gas. Se empleó la bentonita teniendo en cuenta que “es una arcilla
natural disponible en muchos países; consiste principalmente en montmorillonita y
otros minerales tales como los fieltros, la cristobalita, el vidrio volcánico y el cuarzo
cristalino [27,28]. Estructuralmente, la montmorillonita está clasificada como 2:1
capas de aluminosilicatos, y consiste idealmente en una lámina octaédrica de
alúmina entre dos láminas tetraédricas de sílice [27–29].”16 y su influencia en las
propiedades del concreto en estado fresco y endurecido ha sido ampliamente
estudiadas, dentro de los cuales se señala que se han realizado pocas
investigaciones sobre la producción de SCC incluyendo las arcillas calcinadas no
caolínicas. Se realizó la caracterización física y química de los materiales a emplear,
15 EL-ABIDINE LAIDANI, Zine, et al. Experimental investigation on effects of calcined bentonite on fresh, strength and durability properties of sustainable self-compacting concrete. In: Construction and Building Materials. 2020. vol. 230, p. 117062. 16 Ibid., p. 117063.
23
lo cual se ilustra en la Tabla 1 y se utilizó el análisis de difracción de rayos X para
las bentonitas calcinadas, presentadas en el Gráfico 3, los cuales evidenciaron que
la cantidad total de Al2O3, SiO2 y Fe2O3 en ambos CB es más del 70%, lo cual
cumple el requerimiento establecido en ASTM C 618 y que ambos CB están
compuestos principalmente por ilita y cuarzo, así como de albita y microlina y fases
cristalinas de alta temperatura como la mullita.
Tabla 1 Propiedades físicas y químicas del cemento (OPC) y de las bentonitas calcinadas (CgB, CsB)
Fuente: ELABIDINE LAIDANI, Zine, et al. Experimental investigation on effects of
calcined bentonite on fresh, strength and durability properties of sustainable self-
compacting concrete. In: Construction and Building Materials. 2020. vol. 230, p.
117063.
24
Gráfico 3 Análisis XRD de bentonitas calcinadas (Q: cuarzo; Alb: Albite; Mc: Microclina; Mu: Mullita; I: Ilita; H: Hematita; A: Anatasa).
Fuente: EL-ABIDINE LAIDANI, Zine, et al. Experimental investigation on effects of
calcined bentonite on fresh, strength and durability properties of sustainable self-
compacting concrete. In: Construction and Building Materials. 2020. vol. 230, p.
117064.
Al realizar la incorporación de este material y el respectivo análisis de los resultados
de las propiedades ya mencionadas, se concluyó que el uso de CB en las mezclas
de SCC redujo las propiedades de frescura del SCC y que los flujos de caída, los
tiempos de flujo y las pruebas de segregación son lo suficientemente buenos para
la producción de SCC. En un estado endurecido, el SCC con 10-15% de CB tenía
una mayor resistencia a la compresión hasta 90 días, así como una mejor porosidad,
penetración de iones de cloruro y propiedades de permeabilidad al gas. Lo anterior
25
indica que una solución de CB reduciría las emisiones de CO2 y haría que el SCC
fuese duradero y ecológico a un bajo costo.
Adicionalmente, Trümer et al17 realizaron un estudio en el cual se empleó una arcilla
de tipo bentonita en crudo, proveniente de la región alemana de Westerwald (de
gran capacidad de volumen), con el objetivo de comprobar su actividad puzolánica
después de su tratamiento térmico, para posteriormente ser empleada como
material cementante suplementario (SCM - siglas en inglés) en el cemento (con el
objetivo de reducir los costos y la salida o generación de CO2 de la producción de
cemento) y finalmente evaluar los efectos sobre el comportamiento del concreto. Se
empleó este material teniendo en cuenta que, poseen buena disponibilidad y
componentes activos resultantes de la descomposición de los minerales arcillosos
tras llevar a cabo un tratamiento térmico. “Debido a su composición química, las
fases amorfas, que se forman a temperaturas entre 500 y 900 °C, dependiendo de
la base mineral de la arcilla, reaccionan de forma puzolánica similar a otros SCM
(He et al., 1995; Fernandez et al., 2011).”18 Esta temperatura se empleó basados
en la actividad puzolánica y dos criterios importantes para el concreto: trabajabilidad
y actividad. Conforme a esto, se realizó la caracterización de la bentonita en crudo
mediante la técnica de difracción de rayos X, en la cual se determinó una
composición de un 90% de esmectita (montmorillonita), un 9% de cuarzo, un 1% de
anatasa y una superficie específica de 107.2 𝑚2
𝑔⁄ , para luego llevar a cabo un
tratamiento térmico a 900 °C, el cual generó una disminución en la superficie
específica llegando al valor de 5.5 𝑚2
𝑔⁄ , lo cual indicó colapso de la estructura de
la capa y por tanto comienzo de sinterización, acompañada a su vez por una
transformación de los minerales de arcilla en fase amorfa de rayos X. La
17 TRÜMER, A., et al. Effect of a calcined Westerwald bentonite as supplementary cementitious material on the long-term performance of concrete. In: Applied Clay Science. 2019. vol. 168, p. 36-42. 18 Ibid., p. 35
26
descomposición del contenido de minerales de arcilla para esta bentonita, fue del
80% de amorfos, es decir, casi completa, mientras que los componentes menores
no se vieron afectados. “En las zonas sinterizadas, la parte amorfa de la
montmorillonita calcinada consistía en un vidrio denso de aluminosilicato, en las no
sinterizadas, de cristales criptográficos poros y altamente desordenados como los
descritos por Garg and Skibsted (2014) para la montmorillonita estándar tratada
térmicamente. De acuerdo con sus mediciones usando Sílice (Si) y Aluminio (Al)
MAS NMR, este último mostró la estructura parecido a la metacaolinita (Rocha y
Klinowski, 1990).”19 Al ser empleada dentro del concreto, se evidenció que, en
comparación con las arcillas ilíticas y caoliníticas activadas, el material estudiado
tomó una posición intermedia. Como se basaba en montmorillonita, la actividad
puzolánica medida podría ser atribuida a una combinación de un alto contenido de
fase amorfa que es el metaestable producto de la descomposición de los minerales
de la arcilla y una alta superficie específica en comparación con los SCM comunes.
También se presentó un desarrollo óptimo de la resistencia, contribución a la
hidratación del cemento (observada en los cambios de porosidad del mortero
endurecido), no se vio afectado el rendimiento a la durabilidad del concreto en
comparación con el cemento sin incluir esta arcilla calcinada. El principal
inconveniente presentado fue el aumento en la velocidad de carbonatación, por lo
cual, pudo afirmarse que las arcillas de caracterización similar a las estudiadas
pueden ser activadas y/o tratadas de tal forma que son capaces de sustituir en gran
medida el cemento Portland dentro del concreto hidráulico.
Otro estudio en el cual se analiza el comportamiento de una arcilla de tipo bentonita
previamente tratada y/o modificada es el realizado por Orucoglu y Schroeder20 en
el cual, inicialmente connotan que la bentonita es un material el cual se ha utilizado
19 Ibid., p. 36 20 ORUCOGLU, E. and SCHROEDER, P.A. Investigating the expanding behavior and thermal stability of HDPy modified organo-bentonite by X-ray diffraction technique. In: Applied Clay Science. 2016. vol. 132-133, p. 90-95.
27
comúnmente en investigaciones y aplicaciones industriales en consecuencia de su
superioridad de propiedades, por ejemplo, una alta capacidad de intercambio
catiónico (CEC), lo cual permite emplearla como adsorbente en el control de la
contaminación. Aunque su capacidad de adsorción de cationes es mayor, su
capacidad de adsorción de material orgánico y catiónico es nula o inexistente. Lo
que ha generado que, con el objetivo de mejorar estas propiedades de adsorción,
se han venido sustituyendo los cationes de amonio cuaternario por cationes entre
capas, lo que ha permitido emplearla de forma eficaz en estudios de rehabilitación
ambiental para la eliminación de contaminantes orgánicos y aniónicos y en la
fabricación de nanocompuestos de arcilla y polímero. Se emplea entonces la
técnica de difracción de rayos X (XRD) con el fin de examinar el comportamiento
expansivo y la estabilidad de la HDP y órgano-bentonita intercalada y la teoría de la
arcilla de capas mixtas, utilizando el software NEWMOD, para validar
interpretaciones de las estructuras de las capas mixtas resultantes de los
tratamientos propuestos. Para lo anterior se empleó bentonita obtenida mediante la
separación por tamaño utilizando tiempos de asentamiento en suspensión, a la cual
se eliminaron los minerales no arcillosos (a fin de aumentar la eficiencia de
intercalación) mediante un hidrocilón o centrífuga, material al cual se denominó
bentonita purificada PBent. Posteriormente, se realizó la preparación de la órgano-
bentonita, empleando 3 gramos de PBent en agua bidestilada a una proporción de
1% sólido/líquido, dispersados por agitación magnética para fabricar una solución
de surfactante (cloruro de hexadecilpiridino monohidratado HDPyClH2O – 100% de
pureza disueltos en 50mL de agua bidestilada). El PBent fue utilizado como material
de control para así analizar el comportamiento de la bentonita modificada con los
diferentes tratamientos mediante la técnica de difracción. Los tratamientos y/o
condiciones empleados fueron: disolución con agua y etileno glicol (EG) y
tratamientos térmicos a 100°C, 350 °C y 550°C. Los resultados de la difracción de
polvos de rayos X, adjuntos en el Gráfico 4, muestran la intercalación del HDPy
28
dentro de la capa intermedia con creciente y/o aumento de espaciamiento basal; a
altas temperaturas, se observó degradación del catión orgánico que aun así parecen
permanecer dentro de la estructura al llegar a los 550 °C y finalmente, la simulación
en el software NEWMOD indicó la existencia de una formación de capas mixtas de
ilita/esmectita ordenadas al azar en la bentonita de control PBent y de capas
intercaladas ordenadas al azar con estratificación de cationes orgánicos dentro de
la capa intercalada de la bentonita modificada OBent, lo cual permitió concluir que
la bentonita expandida térmicamente estable puede ser producida por el intercalado
de cationes de HDPy.
Gráfico 4 Patrones de reflexión XRD de primer orden de a) PBent y b) Obent después de los tratamientos con radiación de Cu Kα
Fuente: ORUCOGLU, E. and SCHROEDER, P.A. Investigating the expanding
behavior and thermal stability of HDPy modified organo-bentonite by X-ray diffraction technique. In: Applied Clay Science. 2016. vol. 132-133, p. 93.
29
Además de los ensayos de variación de temperatura a las arcillas para analizar sus
propiedades y determinar su posible reutilización, también se ha estudiado el uso
de arcillas residuales derivados de la industria alimenticia. Un estudio al respecto
fue el realizado y reportado por Sangiori et al21 del departamento de Ingeniería Civil,
Ambiental y de Materiales de la Universidad de Bolonia (Italia). En este caso las
arcillas utilizadas provienen de dos procesos en la industria alimentaria que son la
decoloración de los aceites vegetales y la producción de biogás de arcilla residual,
las cuales se componen en su mayoría por bentonita. Estas arcillas se usaron como
sustituto del relleno tradicional de la piedra caliza en la producción de mezclas
asfálticas porosas. En los ensayos efectuados, se obtuvo que la resistencia a la
tracción de las mezclas asfálticas empleando como agregado esta arcilla residual
son más altos en comparación con otras dos mezclas asfálticas. En el caso de la
mezcla asfáltica que emplea como agregado arcilla proveniente de la decoloración
de aceites vegetales, la resistencia a la tracción del material se reduce
significativamente, determinando una resistencia de 77% menor en comparación
con la muestra de arcillas residuales en la producción de biogás y de 71% en
comparación con las mezclas preparadas con relleno de piedra caliza.
Adicionalmente, se evaluaron los módulos de rigidez a 20° determinando que, las
mezclas con arcilla residual tienen mayor rigidez en comparación con las mezclas
de relleno tradicional en un 17,8%, mientras que los rellenos con arcilla de
decoloración de aceite vegetal tienen una reducción drástica de rigidez en un 79.1%.
En cuanto a la deformación permanente se evidenció, que los valores de velocidad
de deformación son tres veces más altos para la mezcla con relleno de arcilla de
decoloración de aceites vegetales que para las otras dos. En el caso de la mezcla
de arcilla residual se encontró que no hay variaciones significativas en las
21 SANGIORGI, Cesare, et al. Waste bleaching clays as fillers in hot bituminous mixtures. In: Construction and Building Materials. 2014. vol. 73, p. 320–325.
30
propiedades de resistencia de la mezcla en comparación con una mezcla
tradicional. En este caso la tasa acumulada de deformación fue similar e incluso
inferior a la mezcla de referencia. Soportado en lo anterior en este estudio se
concluyó que es posible sustituir el relleno tradicional de piedra caliza en las
mezclas de asfalto para capas de aglutinante con relleno de arcillas residuales por
producción de biogás, además que en el caso de las arcillas de decoloración de
aceites vegetales es evidente el empeoramiento de las características mecánicas
de las mezclas, por lo tanto no se recomendó su uso.
Otro planteamiento que se realizó respecto al uso de arcillas fue en la fabricación
de cementos geopolímeros. Esta propuesta fue dada por Elimbi, Tchakoute y
Njopwouo22, del Laboratorio de Química Física de Materiales Minerales, Facultad
de Ciencias, Yaundé (Camerún), quienes tenían como objetivo de estudio
determinar la temperatura de calcinación más conveniente para tratar las arcillas de
caolinita y ser empleadas en la producción de este tipo de cemento. Los niveles de
temperatura para el estudio fueron desde los 450 a los 800°C. A una temperatura
de 450°C se encontró que el tiempo de fraguado era muy largo, entre los 500 y
700°C el tiempo de fraguado de las pastas se reduce entre unos 40 y 130 minutos
y al aumentar las temperaturas por encima de los 700°C, el tiempo de ajuste del
fraguado nuevamente se incrementa. En cuanto a la resistencia a la compresión de
las muestras se identificó que entre los 500 y 700°C ésta aumentó y sobre los 700°C
descendió. Teniendo en cuenta estos resultados de las evaluaciones y ensayos se
concluyó, que para la producción de cementos geopolímeros, la temperatura más
conveniente para la calcinación de las arcillas es de 700°C, debido a que las
propiedades físico-mecánicas del material se mantienen óptimas para su
tratamiento.
22 ELIMBI, A., TCHAKOUTE, H. K. and NJOPWOUO, D. Effects of calcination temperature of kaolinite clays on the properties of geopolymer cements. In: Construction and Building Materials. 2011. vol. 25, p. 2805–2812.
31
Los investigadores Antuines et al23, de la Universidad de Lisboa (Portugal),
estudiaron polvo de ladrillo y cenizas volantes obtenidas de la central eléctrica de
Portugal, siendo residuos de construcción y demolición; los cuales fueron
caracterizados en términos de propiedades físicas, químicas y geométricas. Los
residuos fueron comparados con material fino obtenido de la piedra caliza puesto
que este material es el más empleando como llenante en mezclas asfálticas. Se
evaluó el contenido de partículas nocivas (arcilla activa y materiales orgánicos) de
los residuos, siendo este bajo de acuerdo a los resultados obtenidos en el ensayo
de azul de metileno. Por otra parte, se determinó que el material menos denso de
la investigación era la ceniza volante. Con relación a la superficie específica de los
materiales, se obtuvo la menor magnitud para la ceniza volante, la mayor para el
polvo de ladrillo y una intermedia para piedra caliza. En las pruebas de daño por
humedad se demostró que al emplear los materiales de residuo como llenante
mineral estos no son susceptibles a daños por el agua. Con relación a la rigidez se
determinó que ésta es menor en las mezclas asfálticas que emplean como llenante
mineral ceniza volante, mientras que las mezclas asfálticas que emplean polvo de
ladrillo arrojaron mayores resultados de rigidez. En esta investigación se concluyó,
que los residuos de polvo de ladrillo se pueden emplear como llenante mineral en
mezclas asfálticas. Adicionalmente, se comprobó un aumento en la adherencia al
emplear este residuo gracias al contenido de óxido de calcio.
Con base en la revisión bibliográfica consultada se evidenció, que pese a las buenas
características y respuestas obtenidas por parte de las arcillas en las cuales se
realizó un tratamiento térmico y su empleo en diferentes ámbitos de la construcción,
no se ha estudiado su viabilidad de empleo dentro de una mezcla asfáltica.
23 ANTUNES, V., et al. Evaluation of waste materials as alternative sources of filler in asphalt
mixtures. In: Materials and Structures. 2017. vol. 254, p. 13.
32
3. MARCO TEÓRICO
3.1. PAVIMENTOS
Las vías están compuestas por diversas estructuras de pavimento las cuales
constan de una capa superficial de rodadura soportada en capas de agregados
denominadas base y subbase granular, que a su vez están soportadas por la
subrasante.
Según Rondón y Reyes24 el perfil típico de una estructura de pavimento asfáltico es
el mostrado en la figura 1.
Figura 1 Perfil típico estructura pavimento asfáltico
Fuente: RONDON QUINTANA, Hugo Alexander y REYES LIZCANO, Fredy Alberto. Pavimentos: Materiales, Construcción y Diseño. Bogotá D.C.: Ecoe
Ediciones, 2015. p. XXX.
Dentro del pavimento, las capas granulares tienen como función principal, ayudar a
soportar los esfuerzos que transmiten las cargas vehiculares y distribuirlos a la
subrasante en magnitudes que sean tolerables por esta; a su vez, estas capas
24 RONDON QUINTANA, Hugo Alexander y REYES LIZCANO, Fredy Alberto. Pavimentos: Materiales, Construcción y Diseño. Bogotá D.C.: Ecoe Ediciones, 2015. p. XXX.
33
controlan en gran parte las deformaciones elasto-plásticas asociadas con los
fenómenos de fatiga y ahuellamiento en las mezclas asfálticas (Dawson y Plaisow,
1993; Li y selig, 1994; Frost et al., 2004),..[] Ayudan a controlar el flujo de agua hacia
la subrasante y facilitan los procesos constructivos25.
Ahora bien, las capas de la carpeta asfáltica (capa de rodadura, base intermedia y
base asfáltica), “están compuestas por mezclas asfálticas, las cuales a su vez se
componen de materiales granulares (agregado pétreo) seleccionados, ligados con
un material asfáltico o asfalto”26; dicho ligante es el cemento asfáltico (CA), definido
como “un producto bituminoso semi-sólido a temperatura ambiente, preparado a
partir de hidrocarburos naturales mediante un proceso de destilación, el cual
contiene una proporción muy baja de productos volátiles, posee propiedades
aglomerantes y es esencialmente soluble en tricloroetileno”27, este se clasifica “de
acuerdo al grado de penetración (INV. E-706-13, ASTM D-5). Físicamente, los
resultados de este ensayo pueden ser entendidos como la resistencia que
experimenta el cemento asfáltico cuando se permite penetrar en él una aguja
normalizada de 100 g de masa durante cinco segundos a una temperatura estándar
(25 °C).”28.
En el presente estudio, se empleó el CA 60-70 (indicando una penetración entre el
rango de 60-70 décimas de milímetro), teniendo en cuenta que “por lo general se
recomienda, para el caso de altos volúmenes de tránsito, utilizar CA 60-70 o CA 40-
50 para fabricar mezclas en caliente, independientemente de la temperatura de la
zona.”29.
25 Ibid., p. XXVI. 26 Ibid., p. XXX. 27 INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS – INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras: Artículo 410 – 13. Bogotá D.C. 2013 28 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 2. 29 Ibid., p. 3.
34
Los materiales granulares y/o agregados pétreos, hacen referencia a “un
conglomerado de partículas inertes de gravas, arenas, finos y/o fillers (llenantes)”30,
los cuales deben cumplir con lo establecido en el artículo 450.2.1, capítulo 4
Pavimentos Asfálticos, de las Especificaciones generales de construcción de
carreteras y del Instituto Nacional de Vías – INVIAS, de acuerdo al requisito de nivel
de tránsito de la vía a construir y el tipo de capa.
Tenemos entonces, que las mezclas asfálticas “son la combinación de agregados
pétreos y un ligante asfáltico”31, dentro las cuales, según Padilla Rodriguez32,
existen varios parámetros de clasificación estableciendo las diferencias entre las
mezclas, por lo cual pueden clasificarse de la siguiente forma:
Por fracciones de agregado pétreo empleado: masilla asfáltica (polvo mineral
y ligante), mortero asfáltico (agregado fino y masilla), concreto asfáltico
(agregado grueso y mortero) y macadam asfáltico (agregado grueso y
ligante).
Por la temperatura puesta en obra: mezclas asfálticas en caliente (fabricación
a temperaturas de rangos aproximados a 150 ºC en función de la viscosidad
del ligante asfáltico, realizando calentamiento de los agregados pétreos a
emplear y manteniendo una temperatura mayor a la de ambiente en su
colocación) y mezclas asfálticas en frío (cuyo ligante asfáltico es
generalmente emulsión asfáltica y una temperatura ambiente para
colocación en obra).
30 Ibid., p. 38. 31 Ibid., p. 37. 32 PADILLA RODRÍGUEZ, Alejandro. Análisis de la resistencia a las deformaciones plásticas de mezclas bituminosas densas de la normativa mexicana mediante el ensayo de pista. Catalunya: Universitat Politècnica de Catalunya. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona. 2004, p. 45-46.
35
Por la proporción de vacíos en la mezcla: Cerradas o densas (no mayor a
6%), semi-densas o semi-cerradas (entre el 6% y 10%), abiertas (superior al
12%) y porosas o drenantes (superior al 20%).
Por el tamaño máximo del agregado pétreo: mezclas gruesas (tamaño
máximo del agregado no excede 10 mm) y mezclas finas (conformadas por
árido fino incluyendo el polvo mineral y un ligante asfáltico).
Por la granulometría: mezclas continuas (cantidad distribuida de los tamaños
de agregado pétreo en su conformación granulométrica y/o franja) y mezclas
discontinuas (cantidad muy limitada de tamaños de agregado pétreo).
En el presente estudio se analizó el comportamiento de una mezcla asfáltica en
caliente de gradación continua (MDC) cuyo tamaño máximo en la franja
granulométrica (ver tabla 2) del agregado pétreo conformante es de ¾” (19 mm),
por cual tiene la denominación de MDC-19.
Tabla 2 Granulometría franja central, mezcla MDC-19. Tamiz
% pasa Normal Alterno
19.0 mm 3/4” 100.0
12.5 mm 1/2” 87.5
9.5 mm 3/8” 79.0
4.75 mm No. 4 57.0
2.00 mm No. 10 37.0
0.425 mm No. 40 19.5
0.180 mm No. 80 12.5
0.075 mm No. 200 6.0
Fuente: INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS – INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras: Artículo 410 – 13. Bogotá D.C. 2013
36
Se eligió esta debido a que es el tipo de mezcla más empleado en la capa de
rodadura de la carpeta asfáltica. Lo anterior conforme a la tabla 450-7 del artículo
450-13 del INVIAS.
De acuerdo a Garnica, Gómez y Sesma33, la función de las mezclas asfálticas es
proporcionar una superficie de rodamiento segura, cómoda y de características
permanentes bajo las cargas repetidas del tránsito, por lo tanto, las deformaciones
permanentes excesivas generadas por el tránsito vehicular se deben controlar en
los diseños de pavimentos, para lo cual existen diversas metodologías como lo son:
métodos de diseño empíricos, métodos de diseños analíticos, mecanicistas o
racionales, métodos que emplean modelaciones por elementos finitos. Los métodos
de diseño empíricos contemplan como principales mecanismos de degradación: la
fatiga y el exceso de deformación permanente.
Existen diversos métodos de diseño de pavimentos como los son “Shell (1978) AI
(The Asphalt Institute, 1982), AASHTO (American Association of State Highway
Official;1986,1993), DMRB (Design Manualfor Roads and Bridges, 1994), TRL
(Transportation Research Laboratory,1993), AUSTROADS (1992), INVIAS (Instituto
Nacional de Vías, 1998), IDU y UA (Instituto de Desarrollo Urbano & Universidad de
los Andes, 2002) y el método mecánico-empírico MEPDG(2004)”34, los cuales
“suponen que las deformaciones permanente ocurren principalmente en la
subrasante. Sin embargo, en vías en las que se construyen capas asfálticas
delgadas o de baja rigidez (p.e., vías de bajo tráfico), las capas granulares soportan
33 GARNICA ANGUAS, Paul; GÓMEZ LÓPEZ, José Antonio y SESMA MARTÍNEZ, Jesús Armando. Mecánica de Materiales para Pavimentos. En: Secretaría de Comunicaciones y Transportes, Instituto Mexicano del Transporte. 2001. vol. 197, p. 173. 34 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 365.
37
el esfuerzo aplicado casi en su totalidad, y la magnitud de dichos esfuerzos puede
llegar a generar valores elevados de deformación permanente.”35
3.2. DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS – MÉTODO MARSHALL
El método Marshall en nombre al ingeniero Bruce Marshall, está definido para
trabajarse solamente en mezclas asfálticas en caliente que contengan agregados
de un diámetro máximo de 25 mm o menor al mismo. Este método permite estimar
el porcentaje óptimo de cemento asfáltico para una gradación particular, midiéndose
“la composición volumétrica y la resistencia de la mezcla asfáltica bajo carga
monotónica a través de la relación entre estabilidad (E) y flujo (F)” 36 donde la
estabilidad es la máxima carga monotónica que es capaz de resistir una briqueta de
1200g de masa a una temperatura de 60°C y el flujo es, conforme al Instituto
Nacional de Vías37, la lectura de desplazamiento al alcanzar la carga máxima
expresado en milímetros, e indica la disminución del diámetro que experimenta la
briqueta entre el punto cero de la carga y el punto de rotura.
El Método Marshall consiste en la fabricación de probetas cilíndricas de 101.6mm
(4") de diámetro y 63.5 mm (2½") de altura, preparadas como se describe en el
numeral 5 de la norma INV.-E-748-13 (AASHTO T 245-97, 04). Se deben fabricar 3
probetas para cada porcentaje de asfalto, las cuales posteriormente serán
sometidos a la falla en la prensa Marshall. Adicionalmente, “si se desean conocer
los porcentajes de vacíos de la mezcla asfáltica, se determinarán previamente las
gravedades específicas de los materiales empleados y de las probetas
compactadas, antes del ensayo de rotura” (1”)38; verificación requerida para
35 Ibíd., p. 365. 36 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 59. 37 INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS – INVIAS. Estabilidad y flujo de mezclas asfálticas en caliente empleando el equipo Marshall. INV-E 748-13. Bogotá D.C. 2013 38 Ibíd.
38
determinar el porcentaje óptimo de contenido de asfalto, teniendo en cuenta que,
este es escogido dependiendo del mejor comportamiento y/o respuesta de la
mezcla. En primer lugar, cumplimiento de las Especificaciones generales de
construcción de carreteras y normas de ensayo para materiales de carreteras –
INVIAS (2013). Tabla 450-10, para el nivel de tránsito de estudio:
Vacíos de aire - Va (%)
Vacíos llenos de asfalto- VFA (%)
Vacíos en los agregados minerales - VMA (% mínimo – Tamaño máximo
19mm): Garantizando un espesor durable de película de asfalto, mejor
manejabilidad y facilidad en la compactación de la mezcla.
En segundo lugar, las briquetas fabricadas con el porcentaje que presente mayor
estabilidad, menor flujo (deformación) y por lo tanto una mayor relación
estabilidad/flujo, frente a los otros porcentajes de contenido de cemento asfáltico.
3.3. FATIGA Y DEFORMACIÓN PERMANENTE
Se tiene entonces que el objetivo principal del diseño de las mezclas asfálticas es
evitar que el pavimento pierda su funcionalidad bajo la pérdida de resistencia a la
fatiga y deformación permanente. “El fenómeno de fatiga es uno de los principales
mecanismos de daño de mezclas asfálticas en servicio (Hsu & Tseng, 1996; Abo-
Qudais & Shatnawi, 2007; Martono et al., 2007; Masad et al., 2008; Tarefder et al.
2008; Xiao et al., 2009, 2009a; Nejad et al., 2010)”39 fenómeno que ocurre en
estructuras flexibles cuando “se acumulan y generan valores elevados de
deformación a tracción en la zona inferior de la capa asfáltica. Ese tipo de
deformación está asociado a la respuesta resiliente (elástica) que presenta la
estructura cuando se mueven las cargas vehiculares.” 40
39 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 165. 40 Ibíd., p. 366.
39
Según Rondón y Reyes41 los principales factores que afectan la resistencia a la
fatiga, son:
Métodos de compactación de la mezcla: Compactación estática, por impacto,
por amasado, giratoria, con ruedas y rodillos. Dependiendo del método
empleado se produce variación de características (variación en la
orientación, distribución de agregados y formas de los vacíos) y por lo tanto
respuestas diferentes ante ensayos de fatiga.
Variables de carga: Ensayos bajo esfuerzo controlado (esfuerzo constante,
deformación aumenta) o ensayos bajo deformación controlada (deformación
constante, esfuerzo disminuye).
Parámetros de diseño: Rigidez de la mezcla, consistencia del asfalto,
características de los agregados, contenido de asfalto y vacíos de aire
(siendo las dos últimas las que más afectan el desempeño del pavimento).
Variables de medio ambiente: Temperatura, envejecimiento (aumento de
rigidez) y condiciones ambientales.
Tipo de ensayo aplicado.
Con referencia a la deformación permanente de una mezcla asfáltica, esta es
“generada por la deformación plástica del concreto asfáltico y/o deformación de la
subrasante. Cuando a un material granular se le inducen ciclos de carga y descarga,
parte de la deformación total que se genera es recuperada y se le conoce como la
deformación resiliente. Aquella deformación que no se recupera se acumula con
cada repetición del ciclo y se le denomina deformación permanente.”42
41 Ibíd., p. 179-212. 42 HUAMAN GUERRERO, Nestor y CHANG ALBITRES, Carlos. La deformación permanente en las mezclas Asfálticas y el consecuente deterioro de los Pavimentos asfálticos en el Perú. En: Perfiles de Ingeniería. 2015. vol. 2, p. 23-31.
40
Adicionalmente, tal como lo establecen Huaman y Chang43 la deformación
“permanente” también se genera por la acumulación de pequeñas deformaciones
que ocurren en cada capa, debido a la aplicación de carga, lo cual convierte esta
deformación en irrecuperable.
Ahora bien, nuevamente Rondón y Reyes44, nos presentan los factores que afectan
la resistencia a la deformación permanente:
Carga: Acumulación de deformación permanente es directamente
proporcional con la magnitud de carga.
Temperatura, velocidad de carga y humedad: Variación de la rigidez en
función de estos tres factores.
Densidad y compactación: Incremento en la densidad genera disminución en
la susceptibilidad al fenómeno de ahuellamiento de mezclas asfálticas.
Tamaño, tipo, forma y granulometría del agregado pétreo: Una buena
gradación tiene mayor impacto en el comportamiento de la mezcla asfáltica
ante el ahuellamiento que la modificación o mejora del ligante asfáltico.
Tipo de ligante asfáltico: La viscosidad del asfalto afecta directamente la
deformación bajo carga cíclica.
3.4. MÓDULO RESILIENTE Y DAÑO POR HUMEDAD
El comportamiento de las capas que componen la estructura de pavimento flexible
no es completamente elástico puesto que de esta forma se considera un módulo de
rigidez constante sin tener en cuenta el nivel de esfuerzo aplicado, es por esto que
se debe analizar el comportamiento de estos materiales bajo carga cíclica, en la
43 Ibíd., p. 26 44 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 138-158.
41
cuales se contemplan las deformaciones resilientes (recuperables) y permanentes
(plásticas), e indica que tan rígido es un material bajo carga cíclica del tipo resiliente.
Las deformaciones resilientes o elásticas son de recuperación instantánea y suele
denominarse plásticas a aquéllas que permanecen en el pavimento después de
cesar la carga
Bajo carga móvil la deformación permanente se va acumulando y para ciclos
intermedios la deformación permanente para cada ciclo disminuye, hasta que
prácticamente desaparece en los ciclos finales. La muestra llega así a un estado tal
en que toda la deformación es recuperable, en ese momento se tiene un
comportamiento resiliente.45
El módulo resiliente no es una propiedad constante del material, este depende de
múltiples factores. Según Moreno46 los principales factores son:
Nivel de esfuerzos
Frecuencia de carga
Contenido de betún (asfalto)
Tipo de agregado
Contenido de vacíos
Tipo y contenido de modificadores
Tipos de prueba
Temperatura
El valor de este módulo, es obtenido con el procedimiento descrito en la Norma de
Ensayo de materiales para carreteras del Instituto Nacional de Vías – INVIAS, INV
45 MORENO RUBIO, Javier. Efecto de equipo y procedimiento de medida en la determinación del módulo resiliente y resistencia a tracción indirecta de las mezclas bituminosas. Catalunya: Universitat Politècnica de Catalunya. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona. 2005, p. 28-29. 46 Ibíd., p. 35.
42
E-749-13; valores que “se pueden emplear para evaluar la calidad relativa de los
materiales, así como para generar datos de entrada para el diseño, la evaluación y
el análisis de pavimentos. El ensayo se puede emplear para estudiar los efectos de
la temperatura y la carga sobre el módulo resiliente.”47
Otro factor relevante en el estudio de desempeño de las mezclas asfálticas es el
daño por humedad, el cual se mide, tal como lo establece la norma INVIAS48,
empleando especímenes compactados en laboratorio “a niveles de vacíos que
oscilan entre 6 y 8%”, sin ningún tipo de aditivo, evaluando muestras en condición
saturada y condición húmeda. El daño presentado por humedad se determina según
la relación entre la resistencia a la tensión de las muestras húmedas evaluadas con
respecto a las secas. La relevancia de este factor se atribuye, principalmente a que,
“De acuerdo con Tarefder et al. (2003), el agua genera pérdida de resistencia en la
interfase entre el ligante asfáltico y el agregado pétreo. Esto hace que la tasa de
acumulación de la deformación permanente aumente debido a la pérdida de
cohesión de la mezcla por humedad.”49
De acuerdo a López-Montero y Miró50, los factores que influyen en el daño por
humedad son:
Árido: Composición, recubrimiento de polvo y barro, contenido de humedad,
resistencia a la degradación y características físicas (angularidad, rugosidad
de la superficie, superficie específica, granulometría, porosidad y
permeabilidad)
47 INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS – INVIAS. Ensayo de tensión indirecta para determinar el módulo resiliente de mezclas asfálticas. INV-E 749-13. Bogotá D.C. 2013 48 INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS – INVIAS. Evaluación de susceptibilidad al agua de las mezclas asfálticas compactadas utilizando la prueba de tracción indirecta. INV-E 725-13. Bogotá D.C. 2013 49 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 222. 50 LÓPEZ MONTERO, Teresa y MIRÓ, Rodrigo. El daño por humedad en las mezclas asfálticas. En: CUADERNOS TECNOLÓGICOS DE LA PTC. 2017. vol. 5, p. 38-48.
43
Ligante: Grado o dureza, composición química, fuente del crudo y proceso
de refinado.
Diseño de la mezcla: Porcentaje de huecos (vacíos), contenido de ligante,
espesor de la película de ligante, propiedades de aditivos para evitar este
daño.
Producción de la mezcla: Porcentaje de recubrimiento del árido y calidad del
árido que pasa el tamiz No. 200 (material fino), temperatura en planta, exceso
de contenido de humedad en el árido y presencia de arcilla.
Construcción de la mezcla: Alto contenido de vacíos en la construcción
(compactación, permeabilidad y drenaje, segregación de la mezcla, cambio
del diseño de mezcla.
Condiciones ambientales: Temperatura, zonas de alta precipitación o
periodos intensos, ciclos de hielo y des-hielo, vapor de humedad, humedad,
edad del pavimento, presencia de iones en el agua y zonas desérticas.
Tráfico: Intensidad media diaria de vehículos pesados
Otros factores: Drenaje superficial, sub-superficial y estrategias empleadas
para la rehabilitación del asfalto.
Los cuales a su vez pueden clasificarse en factores internos y externos. Dentro de
los factores internos se encuentran los áridos, ligante y propiedades de la mezcla y
dentro de los externos la fabricación de la mezcla, su construcción y/o puesta en
obra, las condiciones ambientales y otros factores como drenaje sub-superficial y
superficial, entre otros.
Factores que, al presentarse, conforme a “Una revisión bibliográfica por Tarrer y
Wagh (1991) indicó que al menos 6 mecanismos de falla diferentes pueden ser
asociados con el daño por humedad y los desprendimientos de agregado, los cuales
pueden ocurrir individual o simultáneamente. Estos mecanismos son: Separación,
44
desplazamiento, emulsificación espontánea, presión de poro, socavación hidráulica
y efectos ambientales.”51
3.5. LLENANTE MINERAL
En la fabricación de las mezclas asfálticas se hace uso de llenante que
tradicionalmente está compuesto por un mineral natural. Los materiales
denominados llenantes minerales pueden ser definidos como “aquellos que
presentan partículas finamente divididas, provenientes de la trituración de rocas
minerales, molienda de los agregados pequeños a través de procesos
industrializados, dando como resultado el desarrollo de productos sintéticos, que se
incorporan a los morteros y a las mezclas asfálticas a fin de mejorar su desempeño
reológico, mecánico, térmico y de sensibilidad al agua”52; El llenante mineral “se
incluye en las mezclas asfálticas, principalmente con la finalidad de generar mayor
estabilidad y resistencia después de la compactación”53.
Por lo anterior, se ha venido estudiando el emplear otros materiales como llenante
mineral dentro de las mezclas asfálticas, por ejemplo, “Chen et al. (2011) sugieren
que utilizar polvo de ladrillo reciclado como llenante mineral en mezclas asfálticas
podría ayudar a mejorar la resistencia al ahuellamiento y al daño por humedad. Mora
et al. (2012), realizando un estudio similar, determinaron que mezclas asfálticas tipo
MDC-2 (Invías, 2013), elaboradas con polvo de ladrillo como llenante mineral,
presentan un leve incremento en los módulos resilientes en comparación con las
mezclas compuestas por llenante natural.”54; por totra parte, “Arabani y Azarhoosh
51 AGUIAR MOYA, José Pablo. Caracterización del daño por humedad en las mezclas asfálticas. En: Construyendo Caminos / Revista Especializada en Ingeniería de Pavimentos: Boletín Técnico. 2014. vol. 5, p. 54. 52 SALGADO BARRA, Breno y MOMM, Leto. Evaluación de características físicas y químicas de los rellenos minerales de piedra caliza y polvo de piedra en la formulación de los morteros asfálticos. En: Infraestructura vial digital. 2012. vol. 11, p. 1. 53 Ibíd., p. 44. 54 RONDON y REYES. Op. Cit. p. 153.
45
(2012) afirman que agregados pétreos gruesos dentro de la mezcla asfáltica pueden
ser sustituidos por escorias de alto horno y los finos por concreto reciclado producto
de demolición. Pereira et al. (2013) reemplazaron 5% del volumen de agregados
por desechos de corcho y concluyeron que este material puede ser una alternativa
viable para fabricar mezclas asfálticas más amigables con el medio ambiente.”55
3.6. ARCILLA Y BENTONITA
El objetivo principal de este estudio es utilizar suelo fino producto de las
excavaciones como llenante mineral. “Independientemente del origen del suelo, los
tamaños de las partículas, en general, que conforman un suelo, varían en un amplio
rango. Los suelos en general son llamados grava, arena, limo o arcilla, dependiendo
del tamaño predominante de las partículas.”56
Conforme a Braja M. Das57, existen dos metodologías para la clasificación de los
suelos empleando la distribución por tamaño de grano o partícula y la plasticidad de
los suelos. Éstos dos métodos son Sistema de Clasificación AASHTO y la
clasificación unificada de suelos USCS, el primero fundamentado en un criterio de
eliminación de acuerdo a límites máximos establecidos de porcentajes pasa por las
mallas (análisis de cribado) y características de la fracción del material que pasa la
malla No. 40, clasificándolos por grupos. El método USCS, el cual establece limos
y arcillas como suelos finos (tamaños de partícula inferiores a 0.075 mm), emplea
los estados de consistencia del suelo de acuerdo a los contenidos de humedad
definidos por Atterberg: sólido, semi-sólido, plástico y líquido para realizar la
55 Ibíd., p. 154 56 DAS, Braja M. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. 4 ed. México D.F.: Editorial Cengage Learning Latin Am, 2001. p. 2. 57 Ibíd., p. 35
46
clasificación de estos suelos. La intersección de los estados se define como límite
de contracción (LC), limite plástico (LP) y limite líquido (LL).
Para la determinación del límite líquido (INV.E-125-13) se emplea la cazuela de
Casagrande (1932). En esta se coloca una muestra del suelo como una pasta, se
realiza una ranura en el centro de la pasta del material por medio de una herramienta
estándar. La copa está sujeta a una manivela que permite que se levante y caiga a
una altura de 10 mm, generando que la ranura se vaya cerrando paulatinamente
una distancia de 12.7 mm con 25 golpes dados a la copa. En este ensayo
Casagrande concluyó, que cada golpe suministrado a la copa con material para
definir el límite líquido corresponde a una resistencia cortante del suelo de
aproximadamente 1 g/cm2. El límite plástico (INV.E-126-13) se ha definido como el
contenido de humedad del suelo al cual un cilindro de éste, se rompe o resquebraja
al amasado presentando un diámetro de aproximadamente 3mm. Esta prueba es
bastante subjetiva, es decir, depende del operador, el cual debe ayudarse con un
alambre u otro material de 3mm de diámetro para hacer la comparación y establecer
el momento en que el suelo se resquebraja y presenta el diámetro especificado. El
límite de contracción (INV.E-126-13) se define como la humedad máxima de un
suelo para la cual una reducción de la humedad no produce disminución de volumen
del suelo.
El límite líquido y el límite plástico permiten estimar el potencial de cambios de
volumen en el suelo. Sin embargo, “para obtener una indicación cuantitativa, de
cuanto cambio de humedad puede presentarse (antes de tener un cambio de
volumen significativo y para obtener una indicación de la cantidad de éste), es
necesario hacer el ensayo del límite de contracción”58. Por otra parte, existe un
58 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO. Escuela de Ingeniería en Construcción. Determinación de los límites de Atterberg [En línea]. 2015. [Consultado el 24 de abril de 2019]. Disponible en http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/limites.pdf
47
método que permite medir el potencial de asentamiento o expansión unidimensional
de suelos cohesivos (INV.E-173-13) o empleando el método del aparato de lambe
(INV.E-132-07).
En el caso de ciudad de Bogotá D.C., la mayoría de los suelos producto de
excavación presentan alta plasticidad, clasificándose como limos o arcillas. Braja M.
Das59 define las arcillas como partículas submicroscópicas en forma de escamas de
mica, minerales arcillosos y otros minerales. Adicionalmente, éstas presentan
diferentes características, en las que principalmente se destacan las cargas
eléctricas presentes en sus partículas. Sus partículas tienen diámetros entre 0.002
y 0.005 mm, que al tener contacto con el agua desarrollan como característica la
plasticidad, es decir, capacidad de absorber agua por medio de sus poros, por lo
tanto, se deja moldear o adquiere una forma de consistencia característica.
Las arcillas son un suelo fino y tienen un comportamiento cohesivo, el cual permite
enlaces interparticulares. Con respecto a la cohesión como parámetro principal de
resistencia al corte empleado en los diseños geotécnicos de suelos cohesivos, este
se define como “la propiedad que permite, en el caso de una arcilla o de una mezcla
moldeable, dar forma a una muestra que permanece unida”60.
En lo que respecta a la estructura de las arcillas y/o minerales arcillosos, “la
investigación de la arcilla por medio de los Rayos “X” ha demostrado que las
partículas de arcilla son cristales de especies mineralógicas bien identificadas. La
variabilidad de la composición de las arcillas proviene, en primer lugar, de la mezcla
de estas y, en segundo lugar, de los fenómenos de absorción que se desarrollan en
las partículas.”61 Ahora bien, analizando la estructura de las partículas de dichos
59 DAS. Op. Cit. p. 28. 60 GRAUX, Daniel. Fundamentos de Mecánica del Suelo: Proyectos de muros y cimentaciones. 2 ed. Barcelona (España): Editores Técnicos Asociados S.A., 1975. 61 GARAY DÍAZ, René Arturo y MENA GÓMEZ, Manuel Enrique. Clasificación de Arcillas presentes en los bancos de Guatajiagua, departamento de Morazán, y Facultad Multidisciplinaria Oriental. San
48
minerales, desde el punto de vista químico, tal como lo mencionan Braja M. Das62,
son silicatos de aluminio complejos, compuesto por una de las dos unidades
básicas:
Sílice tetraédrico: Consiste en cuatro átomos de oxígeno que rodean un
átomo de silicio (figura 2a) y la combinación de estas unidades da una lámina
de sílice (figura 2b).
Aluminio octaédrico: Consiste en seis hidroxilos rodeando un átomo de
aluminio (figura 2c) y la combinación de estas unidades da una capa
octaédrica o también llamada lámina de gibsita (figura 2d).
En el caso en el cual la lámina de sílice se apila sobre la lámina octaédrica, los
átomos de oxígeno remplazan los hidroxilos para satisfacer sus enlaces de valencia,
como lo evidencia la figura 2e.
Salvador: Universidad del Salvador. Facultad de Ingeniería y Arquitectura: Escuela de Ingeniería Civil. 2007, p. 9. 62 DAS. Op. Cit. p. 29
49
Figura 2 (a) sílice tetraédrico, (b) lámina de sílice, (c) lámina de aluminio octaédrico, (d) lámina octaédrica (gibbsita), (e) lámina de sílice gibsita elemental
Fuente: DAS, Braja M. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. 4 ed. México D.F.: Editorial Cengage Learning Latin Am, 2001. p. 30
50
Lo cual permite establecer una base para entender la estructura de las arcillas, de
la cuales se conocen principalmente los siguientes tipos:
Caolinita: Conformada por capas repetidas de láminas elementales de sílice-
gibbsita unidos entre sí por enlaces hidrogénicos, con un espesor
aproximado de cada capa 7,2 Å (figura 3a). Se produce como plaquetas,
cada una con una dimensión lateral de 1000 a 20000 Å y un espesor de 100
a 1000 Å. El área de la superficie de las partículas de caolinita por unidad de
masa es aproximadamente de 15 𝑚2
𝑔⁄ , es decir su superficie específica.
Ilita: Conformada por una lámina de gibbsita enlazada a dos láminas de sílice
(arriba y abajo), cuyos enlaces son dados por iones de potasio (figura 3b).
Generalmente, con una dimensión lateral de 1000 a 5000 Å y un espesor de
50 a 500 Å. Su superficie específica es aproximadamente de 80 𝑚2
𝑔⁄ .
Montmorillonita (esmectita): Con una estructura similar a las ilitas, es decir,
una lámina de gibsita intercalada entre dos láminas de sílice (figura 3c), sin
embargo, existe una sustitución isomorfa de magnesio y hierro para el
aluminio en las láminas octaédricas y no se encuentran los iones de potasio,
por lo que una gran cantidad de agua es atraída entre las capas. Estas
partículas, tienen una dimensión lateral de 1000 a 5000 Å y un espesor de
10 a 50 Å. Su superficie específica es aproximadamente de 800 𝑚2
𝑔⁄ .
51
Figura 3 Diafragma de estructuras de (a) caolinita, (b) ilita y (c) montmorillonita
Fuente: DAS, Braja M. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. 4 ed. México D.F.: Editorial Cengage Learning Latin Am, 2001. p. 31
Tenemos entonces, que “los minerales que integran la familia de las arcillas son
muy numerosos y han sido el motivo de muchísimos estudios científicos, pero hay
dos grupos que monopolizaron la mayoría de los trabajos. Se trata del grupo de las
caolinitas o kanditas (minerales de caolín) y de las esmectitas (montmorillonita).”63
Tal como lo establece Hevia64 el grupo de las caolinitas se caracteriza
principalmente por una estructura de capas bilaminares, de óxidos de sílice
coordinados tetraédricamente y óxidos de aluminio coordinados octaédricamente,
como lo evidencia la figura 4. Debido a su menor intercambio atómico dentro de la
estructura, poseen una elevada estabilidad química y que no cuentan con la
posibilidad de intercalación de moléculas de agua u orgánicas o minerales.
En cuanto a grupo de las esmectitas, estas se caracterizan por su composición en
capas trilaminares, conformadas por dos láminas de tetraedros de sílice unidas
63 HEVIA, Roberto. BENTONITAS Propiedades y usos industriales. En: CUADERNO TECNOLÓGICO DE SERVICIO GEOLÓGICO MINERO ARGENTINO. 2007. vol. 3, p. 6-32. 64 Ibid., p. 8
52
entre ambas por una capa de octaedros de aluminio, como lo muestra la figura 5.
Ahora bien, “Los enlaces dentro de cada capa son mucho más estables que los
existentes entre capas vecinas, es decir las capas trilaminares se unen entre sí por
débiles ligaduras que son liberadas por simple hidratación, dejando más superficie
reactiva libre y produciendo un aumento del espaciado reticular y por lo tanto un
hinchamiento del mineral. A este hecho se debe la exfoliabilidad de estos minerales,
que consiste sencillamente en separar entre si las láminas contiguas.”65 lo cual
genera que los materiales arcillosos con dicha estructura sean más expansivos.
Figura 4 Estructura bilaminar caolinitica
Fuente: HEVIA, Roberto. BENTONITAS Propiedades y usos industriales. En:
CUADERNO TECNOLÓGICO DE SERVICIO GEOLÓGICO MINERO ARGENTINO. 2007. vol. 3, p. 8.
65 Ibid., p. 9.
53
Figura 5 Estructura trilaminar esmectita
Fuente: HEVIA, Roberto. BENTONITAS Propiedades y usos industriales. En:
CUADERNO TECNOLÓGICO DE SERVICIO GEOLÓGICO MINERO ARGENTINO. 2007. vol. 3, p. 9.
Adicionalmente, las esmectitas se consideran como un grupo de minerales de tipo
laminar, estas “aparecen en cristales de tamaño variable entre 2 y 0.2 µ, con una
media de 0.5 µ y morfologías de hábito rómbico o hexagonal, tabular o lamelar e
incluso fibroso. También son frecuentes los agregados globulares foliados,
compactos o reticulados, en función de la morfología cristalina y la forma de la
agregación. La textura ejerce una gran influencia en las propiedades reológicas de
la bentonita”66.
De acuerdo a lo expuesto por Grim67, la bentonita es una arcilla de tipo industrial
compuesta esencialmente por minerales del grupo de las esmécticas y conforme a
Baltuille et al 68 el amplio uso industrial de este tipo de arcillas es debido a sus
propiedades físico-químicas, derivadas de:
66 BALTUILLE, Martín, et al. Inventario Nacional de Arcillas Especiales. Madrid: Instituto Geológico y Minero de España, 2002. p. 19 67 GRIM, R. E. Applied Clay Mineralogy. New York: Mc Graw Hill, 1962. 422 p. 68 Ibíd., p. 28
54
Pequeño tamaño del cristal de las esmectitas
Variaciones composicionales
Presencia de cationes ligados débilmente en el espacio interlaminar
Por lo cual, las bentonitas son consideradas “materiales con capacidad de cambio
catiónico elevada, alta área superficial y propiedades coloidales características
(capacidad de hinchamiento e interacción con compuestos orgánicos).”69
Este material se encuentra clasificado basado en su comportamiento y propiedades
físico-químicas, siendo la siguiente la clasificación más utilizada:
a) BENTONITAS NATURALES ALTAMENTE HINCHABLES (SÓDICAS)
Están constituidas por montmorillonita que contiene naturalmente iones
intercambiables de sodio. Estas bentonitas son usadas en lodos de perforación y
como ligante en la peletización de mineral de hierro.
b) BENTONITAS NATURALES POCO HINCHABLES (CÁLCICAS)
Están constituidas por montmorillonita que contiene principalmente iones
intercambiables de calcio. Este tipo tiene menor capacidad de hinchamiento que
las variedades sódicas. Esta cualidad es particularmente importante para el uso en
pastas cerámicas.70
69 Ibíd., p. 29 70 HEVIA. Op. Cit. p. 14.
55
3.7. DIFRACCIÓN DE RAYOS X
En el presente estudio se empleó la metodología de difracción con rayos X teniendo
en cuenta que:
Se trata de una técnica que permite identificar los minerales cristalinos formadores
del medio, siempre y cuando se encuentren en un porcentaje superior al 1%.Para
aplicar esta técnica se utiliza radiación X, definida por su banda de frecuencias, que
está comprendida entre la de la radiación ultravioleta y la de los rayos ɣ. Este tipo
de radiación se produce cuando una partícula de masa pequeña pero altamente
energética (con una elevada energía cinética) incide en un elemento material. La
colisión produce una perturbación en la materia y parte de la energía se dedica a
producir radiación X.
Para generar radiación X se suelen utilizar electrones como partículas para producir
el impacto en la materia, ya que son muy eficaces y, al mismo tiempo, resultan
sencillos de controlar y de generar.71
Adicionalmente, conforme a Abad y Velilla72 cuando se tiene un material formado
por partículas de tamaño micrométrico o inferior, como el caso de las arcillas, la
técnica más común, en alternativa a la microscopía óptica, es la técnica de
difracción de rayos X. Sin embargo, esta requiere que el material sea
necesariamente cristalino, toda vez que es un fenómeno producido en
consecuencia del ordenamiento periódico de las partículas que conforman y/o
constituyen los cristales (átomos, iones o sus agrupaciones).
71 PÉREZ GARCIA, María de la Vega. Radar del subsuelo. Evaluación para aplicaciones de arqueología y en patrimonio histórico-artístico. Catalunya: Universitat Politècnica de Catalunya. Tesi doctoral, UPC, Departament d'Enginyeria del Terreny, Cartogràfica i Geofísica. 2001, Anexo 1, p. 783. 72 ABAD, Isabel y VELILLA, Nicolás. ¿De qué está hecho este material? Una introducción al uso e interpretación de las técnicas básicas de caracterización de los minerales. En: Enseñanzas de las Ciencias de la Tierra. 2018. vol. 26.3, p. 269.
56
Esta técnica se basa en la interacción entre un haz de rayos X y la muestra cristalina.
Si esta es monominerálica, como los cristales del mineral que se desea identificar se
caracterizan por una estructura con una serie de espaciados característicos, ese orden
cristalino es el que favorece la generación de haces difractados (desviados) de rayos X
en ciertas direcciones, diferentes en función de la estructura del mineral. Si estos haces
se recogen (el difractograma) y se analizan, será posible conocer de qué mineral se
trata con ayuda de alguna base de datos. Sin embargo, si se trata de una muestra
poliminerálica, por ejemplo, unos sedimentos arcillosos, la identificación puede ser algo
más compleja, ya que el difractograma va a presentar “picos” correspondientes a dos o
más minerales.73
¿Cómo funciona la interacción entre los rayos X y la materia?
Cuando un haz de rayos X primario alcanza un objeto, parte del haz es absorbido por
este, otra parte se disipa en forma de calor o se emplea en reacciones fotoquímicas y
cierta porción se transmite por la muestra experimentando fenómenos de dispersión o
difusión. Incluso, puede generar en el material fluorescencia de rayos X (emisión de
rayos X secundarios), emisión de electrones y Roentgen luminiscencia (emisión de luz
visible debido a la irradiación con rayos X).
Los fenómenos de dispersión o desviación de los rayos X son una consecuencia del
ordenamiento interno de la materia cristalina, que da lugar a interferencias constructivas
y destructivas. Las primeras se originan cuando el desfase entre los rayos es
exactamente igual a un número entero de longitudes de onda de la radiación incidente
y las segundas, cuando el desfase tiene cualquier otro valor. Normalmente, las
interferencias entre rayos X desviados son destructivas, anulándose unos a otros. Pero
en determinadas direcciones, las interferencias pueden ser constructivas, reforzándose
y dando lugar a lo que se conoce como difracción. Es decir, una difracción de rayos X
73 Ibíd., p. 270.
57
es el resultado de un proceso de interferencia constructiva, en determinadas
direcciones, de rayos X que poseen la misma longitud de onda.74
Tenemos entonces que la difracción de rayos X permite identificar la estructura del
cristal que forma el mineral. La ecuación y/o planteamiento que permite establecer
esta relación, se encuentra dada por la Ley de Bragg, la cual es empleada para la
interpretación de difractogramas de rayos X (resultados obtenidos del estudio
mediante difracción de rayos X de los minerales). Ley, que conforme a Abad y
Velilla75, está dada por:
𝑛 𝜆 = 2 𝑑 𝑠𝑒𝑛 𝜃
Donde, n: número entero (orden de reflexión, se suele utilizar con valor 1)
𝜆: longitud de onda de los rayos X primarios
d: espaciado entre planos reticulares paralelos
𝜃: ángulo de incidencia del haz de rayos X primario sobre los planos
reticulares, que es exactamente igual al ángulo de reflexión de los
rayos X dispersados por ellos. Donde, 𝑠𝑒𝑛 𝜃 nunca podrá ser >1,
limitando las direcciones de difracción a la condición de 𝑛 𝜆 ≤ 2 𝑑.
En la figura 6 se muestra como la difracción de rayos X permite establecer los
espaciamientos utilizando la ley de Bragg.
74 Ibíd., p. 270. 75 Ibíd., p. 270.
58
Figura 6 Difracción de los rayos X por planos de cristal permite derivar los espaciamientos de la red utilizando la ley de Bragg.
Fuente: RAMACHANDRAN, V.S. and BEAUDOIN, J.J. Handbook of Analytical
Techniques in Concrete Science and Technology. ScienceDirect, 2001.
Por lo cual, y teniendo en cuenta que “un cristal es una construcción ordenada y
periódica de átomos, cuando sobre los átomos incide un haz de rayos X a
determinado ángulo, estos se convierten en difusores de rayos X en determinadas
direcciones del espacio. Si estos rayos difundidos interfieren constructivamente, se
refuerzan y originan haces de rayos X secundarios intensificados que podrían
entenderse como una reflexión de los rayos X provocada por los planos de átomos,
pero que no se limita a la superficie, sino que implica a los planos internos del cristal.
Esos planos son identificables a partir del valor “d” obtenido mediante la ecuación
de Bragg y son característicos para cada sustancia cristalina, lo que constituye la
base para la identificación de minerales a partir de la técnica de difracción de rayos
X.”76
76 Ibíd., p. 271.
59
4. METODOLOGÍA
El diseño metodológico del presente trabajo de maestría se basó en un estudio de
tipo cuantitativo, ya que presenta proposiciones matemáticas, abordadas desde la
investigación experimental. Dicha información se analizó empleando técnicas
estadísticas estructuradas del software SPSS.
La muestra utilizada en la investigación fue una arcilla industrial de alta plasticidad
con un elevado índice expansión de tipo montmorillonita y alta capacidad de
intercambio catiónico, denominada bentonita (B).
Como variables de tipo respuesta, se tienen la plasticidad y el índice de expansión
de B al ser sometida a incrementos de temperatura. Las variables independientes
fueron la temperatura y el tiempo de exposición de B al tratamiento térmico. El
objetivo de los tratamientos fue seleccionar la condición en la cual B no presenta
expansión ni plasticidad. Una vez identificada esta condición se eligió la bentonita
tratada térmicamente (BT) para emplearse como llenante mineral en la fabricación
de una mezcla asfáltica MDC-19.
La investigación contó con un enfoque evaluativo, en tanto se analizó de forma
comparativa, el comportamiento mecánico de una mezcla asfáltica de control
(empleando llenante mineral convencional para la MDC-19), el comportamiento de
una mezcla con sustitución de B como llenante mineral (MDC-19-B) y el
comportamiento de una mezcla asfáltica en la cual el llenante es bentonita tratada
térmicamente (MDC-19-BT).
60
4.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Y ESTADO DEL CONOCIMIENTO
En el desarrollo del proyecto se efectuó una constante revisión bibliográfica para
profundizar en el estado del conocimiento sobre el tema de investigación. Las
principales fuentes de consulta fueron artículos publicados en revistas indexadas
nacionales e internacionales, textos especializados y de investigación, reportes
finales de proyectos de investigación y ponencias documentadas en congresos y
eventos académicos de alto impacto. Con base en la revisión realizada se describió
el estado del conocimiento sobre la temática de estudio.
4.2. REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO
Establecidos los factores potenciales de diseño y una vez definido el material objeto
de estudio se establecieron las siguientes etapas experimentales:
4.2.1. Caracterización de materiales
Como ligante asfáltico para la fabricación de las mezclas se analizó un cemento
asfáltico (CA) 60-70 producido en Barrancabermeja por ECOPETROL. Este CA fue
seleccionado debido a que es el más utilizado y producido en Colombia. A este
ligante se realizaron ensayos de caracterización cómo se evidencia en la Imagen 3.
Los ensayos y la norma de referencia se encuentran relacionados en Tabla 3. Estos
ensayos fueron ejecutados con el objeto de verificar el cumplimiento de los
parámetros estipulados en la normatividad INVIAS (2013).
61
Imagen 3 Ensayos caracterización cemento asfáltico
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
Tabla 3 Ensayos de caracterización del CA 60-70.
Ensayo Método
Penetración (25°C, 100 g, 5 s) INV. E-706
Índice de penetración INV. E-724 Viscosidad 60°c INV. E-717 Ductilidad (25°C, 5cm/min) INV. E-702 Peso específico de asfaltos INV E-707
Punto de ablandamiento INV E-712
RTFOT (ensayo de película delgada, INV. E-721)
Pérdida de masa INV. E-721 Penetración (25°C, 100 g, 5 s) INV. E-706
Fuente: Elaboración propia.
El agregado pétreo para la fabricación de las mezclas fue suministrado por la planta
de asfaltos CONCRESCOL S.A. A, este material se efectuaron los ensayos de
caracterización (ver Imagen 4), que exigen las especificaciones INVIAS (2013) para
mezclas asfálticas, los cuales se relacionan en la Tabla 4.
62
Imagen 4. Caracterización agregado pétreo
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
Tabla 4 Ensayos de caracterización sobre el agregado pétreo.
Ensayo Método
Resistencia al desgaste en la máquina de los Ángeles INV. E-218, 219
Micro-Deval INV. E-238
10% de finos en seco INV. E-224
Caras fracturadas INV. E-227
Partículas planas y alargadas INV. E-240
Porcentaje de caras fracturadas (1 cara) INV. E-227
Índice de plasticidad INV. E-125, 126
Equivalente de arena INV. E-133
Gravedad específica y absorción del agregado grueso INV. E-223
Gravedad específica y absorción del agregado fino INV. E-222
Perdida en ensayo de solidez en sulfato de magnesio INV. E-220
Fuente: Elaboración propia.
El material de alta plasticidad seleccionado en la investigación fue Bentonita
industrial, de tipo montmorillonita, siendo esta una arcilla homogénea con alto
potencial de expansión que se caracteriza por tener un índice de plasticidad
elevado. En la caracterización de este material se realizaron ensayos de límite
líquido (INV. E-125), límite plástico (INV. E-126), gravedad especifica del llenante
mineral (INV. E-128), e índice de expansión unidimensional de suelos cohesivos
(INV. E-173).
63
4.2.2. Estabilización térmica de la arcilla
La bentonita fue sometida a incrementos de temperatura de 100°C desde los 400°C
durante periodos de tiempo de 1 y 2 horas, en una mufla de control electrónico con
precisión de 1°C como evidencia en la imagen 5.
Imagen 5 Mufla de tratamientos térmicos
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
Una vez finalizado el tratamiento térmico de la bentonita, se estabilizó el material a
una temperatura ambiente para posteriormente efectuar ensayos de límites de
consistencia [límite líquido (INV. E-125), límite plástico (INV. E-126)] los cuales se
pueden observar en la imagen 6 y 7 respectivamente, índice de expansión libre
(INV. E-132), siguiendo los lineamientos de las normas de referencia. Lo anterior
con el objeto de evidenciar los cambios en las propiedades de la bentonita ante los
tratamientos térmicos del diseño experimental, identificando así la temperatura y el
tiempo de exposición en el cual el material no presente plasticidad ni expansión.
64
Imagen 6. Límite Liquido Imagen 7. Límite plástico
Fuente: Propia, Bogotá, 2019 Fuente: Propia, Bogotá, 2019
4.2.3. Diseño Experimental
El diseño experimental de los tratamientos se compone de las siguientes etapas:
DEFINICIÓN DEL OBJETIVO DEL EXPERIMENTO
Determinar el tratamiento en el cual el material no presenta plasticidad.
IDENTIFICACIÓN DE LAS POSIBLES FUENTES DE VARIACIÓN
El diseño experimental fue planeado de tal forma que los tratamientos se
desarrollaron de forma aleatoria, en el cual los factores que intervienen en el modelo
presentan una variabilidad sistemática y planificada, calcificándose como:
Factores del tratamiento: estos factores son de principal interés dentro del
experimento e inciden de forma directa en la variable de respuesta, siendo
esta pieza fundamental en el desarrollo del objetivo experimental, cada uno
de estos factores está constituido por diversos niveles como se evidencia en
la tabla 5.
65
Tabla 5 Modelo factorial de efectos fijos
Fuente: Elaboración propia.
La elección de 400 °C como primer nivel en el factor temperatura está
soportada en la presencia de plasticidad de la bentonita posterior a la
realización del ensayo “determinación del contenido orgánico en suelos
mediante pérdida por ignición (INV-E-121)”, ensayo en el cual el material
estuvo expuesto durante 6 horas a una temperatura de 445°C.
FACTORES NUISANCE
Con el propósito de reducir la variabilidad no planificada, se analizan los
factores que no son de interés en la investigación pero son posibles factores
perturbadores en la variable respuesta. Una vez identificados se implementa
la técnica de factores de bloqueo (factores de bloque) de la siguiente forma:
se garantiza la homogeneidad en el tamaño de partícula, se estandariza la
cantidad de material a emplear en los tratamientos, se emplea una mufla de
control electrónico con precisión de 1°C y 1 segundo con el fin de garantizar
de manera constante la temperatura durante el tiempo propuesto en cada
uno de los tratamientos.
A Temperatura (°C)
B Tiempo de exposición (h)
a1 400 °C
a2 500 °C
a3 600 °C
a4 700 °C
a5 800 °C
b1 1h
b2 2h
Niveles
Factores:
66
DEFINICIÓN DE LA UNIDAD EXPERIMENTAL
La unidad experimental es la bentonita, siendo este el material al cual se evalúa la
variable de interés también denominada variable de respuesta. El índice de
plasticidad es la variable de respuesta y su unidad de medición es el porcentaje (%);
es de aclarar que la asignación de cada corrida se realiza de forma aleatoria de
acuerdo al modelo factorial planteado.
EJECUCIÓN DEL EXPERIMENTO PILOTO
Se realizó una corrida de prueba implementado el modelo experimental propuesto,
este experimento permitió identificar los factores Nuisance y fue fundamental en la
definición de las acciones de bloqueo.
DEFINICIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO
El modelo matemático empleado en este diseño experimental es una factorial con
dos factores de efectos fijos, esto dado que, los niveles fueron seleccionados por el
experimentador. Su elección se fundamenta en el interés de analizar la incidencia
de los factores, contemplando todas las posibles combinaciones de las diferentes
replicas, identificando así, el nivel de significancia de los factores en la variable de
interés, mediante el análisis de varianza para el modelo factorial de dos factores con
efectos fijos como se evidencia en la tabla 6 “proporcionando mejores resultados en
la investigación a menor costo”.
67
Modelo estadístico
𝑌𝑖𝑗 = 𝜇 + 𝛼𝑖 + 𝛽𝑗 + (𝛼𝛽)𝑖𝑗 + 𝑒𝑖𝑗
PROBAR HIPÓTESIS
En la investigación planteada es de vital importancia conocer el efecto de los
factores, específicamente, el interés radica en probar la hipótesis de la igualdad de
los efectos en los tratamientos de cada uno de los niveles.
HO = Hipótesis nula
H1 = Hipótesis alterna
Para el factor A
HO : 𝛼1 = 𝛼2 = ⋯ = 𝛼𝑛 = 0
H1 : almenos 𝛼𝑖 ≠ 0
Para el factor B
HO : 𝛽1 = 𝛽2 = ⋯ = 𝛽𝑛 = 0
H1 : almenos 𝛽𝑗 ≠ 0
Para la interacción AB
HO : (𝛼𝛽)𝑖𝑗 = 0 para todas las i, j
H1 : almenos (𝛼𝛽)𝑖𝑗 ≠ 0
Efecto promedio Global Respuesta
Factor A
Factor B
Interacción A y B
Error Aleatorio
68
Tabla 6 Análisis de varianza para el modelo factorial de dos factores, modelo con efectos fijos
Fuente de
Variación
Grados
de
Libertad
(GL)
Suma de Cuadrados (SC)
Cuadrado medio
(CM)
𝐅𝐨
Factor A a-1 SCA =∑ Ti
2ai=1
nb−
T2
nab CMA =
SCA
a − 1 𝐹 =
CMA
CME
Factor B b-1 SCB =∑ Tj
2bj=1
nb−
T2
nab CMB =
SCB
b − 1 𝐹 =
CMB
CME
Interacción
AB
(a-1)(b-
1) SCAB =
∑ ∑ Tij2b
j=1ai=1
n−
T2
nab− 𝑆𝐶𝐴
− 𝑆𝐶𝐵
CMAB
=SCAB
(a − 1)(b − 1)
𝐹 =CMAB
CME
Error ab(n-1) SCE = SCT − SCA − SCB − SCAB CME =SCE
ab(n − 1)
Total abn-1 SCT = ∑ ∑ yij2
b
j=1
a
i=1
− T2
nab
Fuente: MONTGOMERY, Douglas C. Diseño y análisis de experimentos. 2da ed.
México: Limusa Wiley, 2005. p. 180. Modificado
El experimento contemplo inicialmente la bentonita en estado natural como
referente de comparación de los tratamientos propuestos, denotando este como la
muestra testigo del experimento. Asimismo, es importante resaltar que en el diseño
experimental cada tratamiento se realizó dos veces (2 réplicas) proporcionado así
una estimación del error experimental incrementando la confiabilidad de la
investigación.
La elección del tamaño de muestra es soportada con las curvas de apoyo, en las
cuales se muestra el valor apropiado del parámetro ∅2, en función de los grados de
libertad del numerador y del dominador, entre las medias de los dos efectos del
factor tiempo, estos cálculos se presentan en el anexo 4.
69
4.2.4. Ensayos de difracción de rayos X (XRD) y fluorescencia de
rayos X (XRF)
Las muestras de B y BT fueron homogenizadas en un mortero de ágata y llevadas
a un tamaño de partícula inferior a 38 micras, posteriormente cada una de las
muestras fue montada en un portamuestras de polimetilmetacrilato (PMMA)
mediante el llenado frontal, el registro de los datos se realizó en un difractómetro de
polvo (ver imagen 8) con radiación de cobre (Cu), filtro de Níquel, con un rango de
registro de 2° a 40° 2 Theta, con un tiempo por paso de 0.6 segundos y un tamaño
de paso (°2 Theta) de 0.020355.
Imagen 8 Difractómetro
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
Con el objeto de identificar con exactitud las estructuras cristalinas presentes en la
muestra de B, se realizó una medición de XRD orientada favoreciendo ángulos de
2ϴ bajos, siguiendo el procedimiento ilustrado en el diagrama 1.
70
Diagrama 1 Procedimiento ensayo XRD Orientado
Fuente: Elaboración propia
4.2.5. Ensayos bajo carga monotónica de la mezcla de control
La granulometría de las mezclas es la establecida por INVIAS (2013) para mezclas
tipo MDC-19 (ver Tabla 2). Esta granulometría fue escogida debido a que es la más
utilizada para construir capas de rodadura en pavimentos asfálticos. Las
71
temperaturas de fabricación y compactación de las briquetas Marshall se
seleccionaron con base en el ensayo de viscosidad realizado al CA 60-70,
cumpliendo con el rango especificado para mezclas del tipo denso (viscosidad de
mezcla de 170 cp y de compactación de 280 cp).
Inicialmente, con el fin de obtener el porcentaje óptimo de asfalto de la mezcla de
control (agregado pétreo natural y asfalto CA 60-70) se fabricaron tres briquetas
compactadas a 75 golpes por cara para porcentajes de asfalto de 4.5%, 5.0%, 5.5%
y 6.0%, siguiendo los lineamientos establecidos en la especificación INV. E-748 (ver
Imagen 9). Sobre estas muestras se realizó el ensayo Marshall (INV. E-748) y se
determinó la resistencia bajo caga monotónica (estabilidad – E, flujo – F y relación
E/F) y su composición volumétrica (vacíos con aire, vacíos en agregados minerales
– VMA y vacíos llenos de asfalto – VFA) para lo cual se determinó la densidad de la
MDC como se evidencia en la imagen 10.
Imagen 9 Briquetas diseño Marshall Imagen 10 Densidad mezcla asfáltica
Fuente: Propia, Bogotá, 2019 Fuente: Propia, Bogotá, 2019
72
Una vez identificado el contenido óptimo de asfalto, se fabricaron nueve briquetas
Marshall con dicho contenido; tres para realizar el ensayo de módulo resiliente,
siendo este un ensayo no destructivo, lo cual permitió emplear dichas muestras en
el ensayo de deformación permanente; y seis muestras para realizar el ensayo de
tracción indirecta (INV. E-725) sobre muestras secas (3 briquetas) y sumergidas en
agua (3 briquetas), con el fin de evaluar el daño por humedad, calculando la relación
entre la condición saturada y seca (TIW/TID).
4.2.6. Evaluación de la mezcla con reemplazo del Filler natural por
Bentonita estabilizada térmicamente
Se reemplazó la totalidad del llenante mineral o filler del agregado pétreo de origen
natural por la bentonita estabilizada térmicamente como se evidencia en la Imagen
11. Se fabricaron nuevas briquetas Marshall empleando el contenido óptimo de
asfalto determinado en la fase anterior. El reemplazo fue realizado por masa y
adicionalmente, se evaluó el efecto de emplear la bentonita sin tratar térmicamente
con el fin de apoyar y profundizar en el análisis de los resultados.
Imagen 11. Fabricación de briquetas empleando llenante mineral tratado térmicamente
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
73
Se fabricaron por cada mezcla a evaluar, tres (3) briquetas compactadas a 75
golpes por cara para la ejecución del ensayo Marshall (INV. E-748) y seis (6) para
tracción indirecta (3 muestras secas y 3 sumergidas en agua, INV. E-725) como se
evidencia en la Imagen 12. En total en esta fase se fabricaron 18 briquetas Marshall:
9 para las mezclas que sustituyeron el Filler por la B y otras 9 para aquellas que
usaron BT.
Imagen 12 Ensayo tracción indirecta MDC-19-B
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
4.2.7. Módulo resiliente
Sobre las mezclas de control y aquellas que emplean BT como filler, se realizaron
ensayos de módulo resiliente por tensión indirecta (INV. E-749-13), bajo
temperaturas de 5°C, 20°C y 40°C y tres frecuencias de carga (2.5, 5.0 y 10.0 Hz),
utilizando un equipo Universal Testing Machine - UTM-30 (ver Imagen 13). Cada
ensayo de módulo resiliente se realizó a tres muestras por cada tipo de mezcla. En
total en esta fase se fabricaron para someter a ensayo nueve (9) muestras (3
muestras por cada mezcla).
74
Imagen 13. Ensayo módulo resiliente equipo UTM-30
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
4.2.8. Deformación permanente
Los ensayos de deformación permanente se realizaron siguiendo los
procedimientos de la British Standards Institution (BSI) empleando el equipo UTM-
30. Previo a la realización del ensayo, las muestras estuvieron en el baño termo
regulado a una temperatura de 40°C durante 4 horas. Posterior a esto, se
sometieron a una precarga de bajo 10 kPa durante 10 minutos, después de la
precarga, se aplicó una tensión de 100 kPa con 3600 pulsos en 1seg, seguido de
un período de descanso de 1 segundo, a una frecuencia de 0.5 Hz.
75
4.2.9. Resistencia a la fatiga
Los ensayos de resistencia a la fatiga por tracción indirecta se realizaron a las
muestras MDC-19 de control y MDC-19-BT, de acuerdo a los procedimientos de la
Institución de estándares británicos, siglas en inglés (BSI). Previo a la ejecución del
ensayo, las muestras estuvieron en el baño termo regulado durante 4 horas a una
temperatura de 20°C. Posteriormente, se sometieron a niveles de tensión de 100,
250 y 400 kPa, respectivamente cada muestra de las mezclas en el equipo UTM-
30. Las cargas de compresión fueron aplicadas de forma controlada y repetitiva con
un tiempo de carga de 0.1 segundos y un tiempo de reposo de 0.4 segundos. La
resistencia a la fatiga se determinó como el número total de aplicaciones de carga
que causaron la fractura completa de la muestra (Nf).
4.2.10. Evaluación de la resistencia a la abrasión en ensayo Cántabro
Sobre la mezcla de control y aquellas donde se reemplazó la totalidad del filler
natural por bentonita, sin y con tratamiento térmico, se ejecutaron ensayos Cántabro
siguiendo los lineamientos establecidos en la especificación NLT-352. Tres
briquetas Marshall por cada tipo de mezcla se fabricaron para la ejecución del
ensayo. La resistencia a la abrasión se determinó empleando 500 vueltas en la
máquina de Los Ángeles. En total en esta fase se hicieron nueve (9) briquetas
Marshall (3 para la mezcla de control, 3 para las mezclas que sustituyeron el filler
por B y 3 para aquellas que usaron la BT).
76
4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
La prueba de hipótesis de medias iguales también conocida como análisis de
varianza (ANOVA) fue la técnica empleada en el análisis de los resultados,
evaluando la importancia de los factores al comparar las medias obtenidas de la
variable de tipo respuesta en los diferentes niveles de los factores que intervienen
en el experimento. La aplicación de ANOVA en el diseño experimental contempló
los supuestos de: normalidad, independencia y homogeneidad de varianza;
normalidad puesto que los errores deben estar normalmente distribuidos de tal
forma que no existan errores de gran magnitud, la independencia de los resultados
obtenidos se garantiza con la aleatoriedad y es necesaria para evitar efectos que
perturben los resultados, la homogeneidad de varianza también conocida como
hipótesis nula de igualdad de varianzas es indispensable en la confiabilidad de los
resultados, para lo cual se hizo uso del cuadrado medio del error obtenido mediante
la varianza de cada tratamiento de la investigación.
La metodología empleada en la investigación se presenta de forma detallada y
resumida en el diagrama de flujo exhibido en el diagrama 2.
77
Diagrama 2 Metodología empleada
Fuente: Elaboración propia
78
5. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Los resultados obtenidos en la etapa experimental del estudio, se presentan de
forma detallada a continuación.
5.1. ESTABILIZACIÓN TÉRMICA
La diferencia numérica que existe entre el límite líquido y el límite plástico se conoce
como índice de plasticidad (IP), en este intervalo el suelo presenta un
comportamiento plástico. El Gráfico 5 presenta el IP de B y de BT a temperaturas
entre los 400°C y 800°C, expuesta a periodos de una y dos horas.
Gráfico 5 IP de la bentonita con relación a la temperatura y el tiempo de exposición
Fuente: Elaboración propia
79
Como lo establecen Vega et al77, la bentonita es un material arcilloso, de gran
plasticidad y altamente coloidal, con la capacidad de incrementar su volumen al
estar en contacto con el agua. En esta investigación el IP de dicho material en
estado natural fue de 343%. Al someter B a tratamientos térmicos, el IP desciende
significativamente como se evidencia en el Gráfico 5. A una temperatura de 800 °C
con un tiempo de exposición de 2 horas, el IP de la BT es nulo, los resultados
obtenidos en los diversos tratamientos se evidencian en el anexo 1.
El Gráfico 6 muestra la relación entre las medias marginales del IP y el tiempo de
exposición de B al tratamiento térmico. Las múltiples combinaciones realizadas
permitieron comparar los factores empleando el análisis de varianza (de acuerdo a
los Gráficos 5 y 6).
Gráfico 6 Relación del IP con el tiempo de exposición
Fuente: Elaboración propia
La reducción del IP presentada en los gráficos 5 y 6 está asociada a la
deshidratación que presenta la estructura mineralógica a causa de los tratamientos
77 VEGA FARFAN, J. L., et al. Caracterización y propiedades de las bentonitas de Amotape (Región
Grau-Perú). En: Boletín de la sociedad española de cerámica y vidrio. 1993. vol. 6, p. 377-383.
80
térmicos, lo cual coincide con lo presentado por Muhunthan78; de igual forma, en
concordancia con Santamarina79 el límite líquido y el índice de plasticidad son
proporcionales al espesor de la capa doble difusa (h) y a la relación inversa del
tamaño de partícula. Asimismo se constata que la interacción eléctrica de las
partículas está ligada a h, como lo muestra la figura 7. Por otra parte, Vucetic y
Dobry80 analizaron la relación que existe entre h y el tamaño de partícula
denominándolo umbral de degradación, parámetro asociado a la pérdida de
plasticidad de B. Del mismo modo Budhu81 puntualiza que, el principal factor que
incide en el comportamiento plástico del suelo es el agua.
Figura 7 Interacción eléctrica de las partículas de arcilla
Fuente: SANTAMARINA, J. Carlos. Soil Behavior at the Microscale: Particle Forces. In: Proceedings of a symposium on Soil Behavior and Soft Ground
Construction, in honor of Charles C. Ladd. Boston, Massachusetts: 2001. p. 19.
78 MUHUNTHAN, B. Liquid Limit and Surface Area of Clays. In: Géotechnique. 1991. vol. 41, p. 135-138. 79 SANTAMARINA, J. Carlos. Soil Behavior at the Microscale: Particle Forces. In: Proceedings of a symposium on Soil Behavior and Soft Ground Construction, in honor of Charles C. Ladd. Boston, Massachusetts: 2001. p. 1-32.
80 VUCETIC, M. and DOBRY, R. Effect of soil plasticity on cyclic response. In: Journal of Geotechnical Engineering, ASCE. 1991. vol. 117, p. 89-107 81 BUDHU, Muni. Soil Mechanics and Foundations. 3 ed. United States of America: Editorial John Wiley & Sons, Inc. 2010, p. 13.
81
Los resultados de IP obtenidos en cada uno de los tratamientos térmicos presentan
una tendencia lineal (ver gráfico 7) cumpliendo con el supuesto de normalidad. Por
otra parte, la distribución mostrada en el gráfico 8, resalta la independencia de los
resultados, de lo cual se puede afirmar, que no existen factores que afecten el
diseño experimental, dado que los ensayos se realizaron de forma aleatoria;
sumado a esto, la igualdad de varianzas del IP con relación a los tratamientos
térmicos se comprobó realizando la prueba estadística de Levene. Soportado en lo
anterior, es confiable aplicar ANOVA a los resultados obtenidos de IP, ver anexo 3.
Gráfico 7 Normalidad del experimento Gráfico 8 Independencia del experimento
Fuente, propia Fuente, propia
Por otra parte, el Gráfico 9 expone el comportamiento del índice de expansión o
hinchamiento libre (IHL) de la Bentonita, siendo este en condición natural de
615.4%. Al someter el material a una temperatura de 400 °C con una intensidad de
2 horas este parámetro se reduce al 85.4% de la magnitud sin tratamiento, y a una
temperatura de 800 °C y con una intensidad de 2 horas, BT no presenta expansión.
82
El cálculo de este parámetro se presenta en el anexo 2. Por otra parte, la gravedad
especifica (INV.E-222) de la B se redujo al exponer el material a tratamientos
térmicos (inicialmente era de 2.69 y disminuyó a 2.62). Esta disminución es
consistente con las investigaciones realizadas por Tan, Yılmaz y Zaimoğlu82 en el
año 2004 y Zuzana et al83 en el año 2012. Los cambios físico-químicos asociados a
los tratamientos térmicos descritos con anterioridad son ocasionados por la
deshidratación, deshidroxilación, recristalización, contracción, fractura y la pérdida
de estructura cristalina, tal como lo reportan Sarikaya et al84. Fundamentado en el
menor valor obtenido en el test de Duncan se elige BT a una temperatura de 800°C,
con un tiempo de exposición de 2 horas, para emplearse como llenante mineral de
una mezcla asfáltica MDC-19.
Gráfico 9 Índice de hinchazón BT con relaciona la temperatura y el tiempo de exposición
Fuente: Elaboración propia
82 TAN; YILMAZ and SAHIN ZAIMOǦLU. Op. Cit. p. 1176–1179. 83 ZUZANA, Orolínová, et al. Effect of thermal treatment on the bentonite properties. In: Arhiv za tehničke nauke. 2012. vol. 7, p. 49-56. 84 SARIKAYA, Yüksel, et al. The effect of thermal treatment on some of the physicochemical properties of a bentonite. In: Clays and Clay Minerals. 2000. vol. 48, p. 557-562.
83
La reducción IHL ilustrada en el gráfico 10 está asociada al tiempo de exposición,
predominando una diferencia promedio de 90.26% para cada uno de los niveles de
temperatura. La disminución obtenida en el IP y IHL de esta investigación, es
congruente con lo expuesto por Holtz y Kovacs85 con relación al planteamiento de
Skempton en 1953, denominado actividad de las arcillas. Este parámetro permite
deducir el potencial de expansión del suelo y hace relación al cociente entre el índice
de plasticidad y el porcentaje de arcilla.
Gráfico 10. Índice de hinchazón de BT en función del tiempo de exposición
Fuente: Elaboración propia
Una vez determinada la temperatura y el tiempo de exposición de BT, mediante el
ensayo de fluorescencia de rayos X (XRF), se determinó la composición química
del Filler, la Bentonita B y BT. Los porcentajes en peso de los óxidos se evidencian
en la tabla 7.
85 HOLTZ, Robert D. and KOVACS, William D. An introduction geotechnical engineering. New Jersey: Prentice Hall Inc., 1981. p. 41.
84
Tabla 7 Composición química del Filler, Bentonita, BT (800 °C, 2 horas)
Fuente: Elaboración propia.
La composición química cuantitativa presentada en la tabla 7 permitió determinar la
fórmula estructural del Filler, la Bentonita y BT, cuyos cálculos pueden consultarse
en el anexo 8. Las fórmulas obtenidas para estos materiales se presentan
continuación:
Filler
(Na0.30 K0.11)(Al0.89Mg0.31Fe0.29Ca0.12)So4O10(OH)2
Bentonita
(Na0.38 K0.073Ca0.10)(Al1.31Mg0.34Fe0.36)Si3.62Al0.38O10(OH)2
BT
(Na0.32 K0.05Ca0.08)(Al1.37Mg0.28Fe0.43)Si3.50Al0.50O10(OH)2
El porcentaje en peso de la composición química de la bentonita presentada en la
tabla 7 es semejante a la composición presentada por Betejtin86 para la
montmorillonita. Asimismo, la fórmula general de la bentonita, corresponde a una
86 BETEJTIN, A. Curso de Mineralogía. 3 ed. Moscú: Editorial MIR, 1977. 734 p.
Material SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O MgO Na2O TiO2 P2O5
Filler 61.90 10.82 5.58 1.55 1.23 3.02 2.22 1.00 0.10
Bentonita 48.08 19.08 6.37 1.26 0.76 3.04 2.62 0.88 0.09
BT 55.44 25.13 9.11 1.19 0.65 2.98 2.58 0.79 0.08
85
montmorillonita como lo presentan Rozalen et al87, al igual que la fórmula general
de la esmectita presente en la bentonita determinada por Montes et al88. De igual
forma, el elevado contenido de sílice y alúmina concuerda con la presencia de una
fase mineral de esmectita. Ahora, teniendo que “la montmorillonita es una arcilla del
grupo de las esmectitas, componente principal de las bentonitas, conformada
estructuralmente por aluminosilicatos laminares bidimensionales”89, cuenta con una
estructura conformada por dos capas externas de tetraedro de sílice Si4+ (con
sustituyente un isomórfico Al3+) y una capa intermedia octaédrica de Al3+(con un
sustituyente isomórfico Mg2+) en adelante (T-O-T). Estos sustituyentes ocasionan
una desigualdad de carga eléctrica, originando, la unión entre las capas
estructurales, mediante los intercambios de Na0+, ca2+ y agua. El cálculo de cargas
de la capa T-O-T realizado con los componentes químicos de la tabla 7, permitieron
identificar como catión intercambiable predominante al sodio (Na) con 0.383 en
comparación con el calcio (Ca) con 0.102, de lo cual es preciso afirmar que la
bentonita empleada en la presente investigación es de tipo sódica. Este tipo de B
tiene un alto nivel de absorción a causa de la finura del material. Tal como lo
establece Budhu90, cuando la bentonita absorbe agua, las estructuras laminares se
desplazan hasta llegar al punto de separarse, lo cual produce un aumento
volumétrico (hinchazón o expansión), como se evidencia en la figura 9.
87 ROZALÉN, M.; BRADY, P.V. y HUERTAS, F.J. Influencia de la fuerza iónica y la temperatura en la química superficial de la esmectita. En: MACLA. 2006. vol. 6, p. 427-429. 88 MONTES‐H, G., et al. Swelling–shrinkage kinetics of MX80 bentonite. In: Applied Clay Science 2003. vol. 22(6), 279–293. 89TICONA, Wilma; BLANCO, Mario y CABRERA, Saúl. Caracterización química mineralógica estructural de dos arcillas bolivianas. En: Revista Boliviana de Química. 2006. vol. 23, p. 71-76. 90 BUDHU, Muni, Op. Cit., p. 5.
86
Figura 8 Doble capa difusa
Fuente: BUDHU, Muni. Soil Mechanics and Foundations. 3 ed. United States of
America: Editorial John Wiley & Sons, Inc., 2010. p. 14. Modificado
Las capas estructurales de esmectita se encuentran unidas por las fuerzas de van
der Waals y por las cargas superficiales en las partículas que son de tipo negativo
(aniones), atraen cationes y moléculas de agua, las cuales se adhieren a la
superficie de los minerales. Esta lámina de agua se denomina doble capa difusa
(ver figura 8). Este comportamiento fue analizado por Ticona, Blanco y Cabrera91
resaltando que el grado de hidratación de la bentonita está asociado a la carga
laminar y a la naturaleza del catión interlaminar como se evidencia en la figura 9.
91 TICONA; BLANCO y CABRERA, Op. Cit., p. 71-76.
87
Figura 9 Diseño proceso de hidratación e hinchamiento en montmorillonita
Fuente: TICONA, Wilma; BLANCO, Mario y CABRERA, Saúl. Caracterización
química mineralógica estructural de dos arcillas bolivianas. En: Revista Boliviana de Química. 2006. vol. 23, p. 71-76. Modificado
El tratamiento térmico realizado en la presente investigación generó la
deshidratación de la bentonita, ocasionando el desprendimiento de agua y la
precipitación de la sal, ocasionando unión interparticular a través de cristales como
se evidencia en la figura 10. Sumado a esto la evaporación de agua de la estructura
mineral hace que las capas de tetraedro de sílice se unan y “el potencial superficial
disminuyen gradualmente a medida que las partículas se acercan debido a la unión
de iones”92; la unión de las partículas contrarrestan la atracción de los cationes,
eliminado la concentraciones presentes en la superficie, sumado a esto, el
incremento de sílice a causa del tratamiento térmico (ver anexo 8) contribuye en la
protección del campo eléctrico de la superficie, lo cual de acuerdo a Mitchell93,
ocasiona que las fuerzas de atracción electrostáticas excedan a las fuerzas de
92 DELVILLE, A. The Influence of Electrostatic Forces on the Stability and the Mechanical Properties of Clay Suspensions, Proc. Workshop on Clay Behaviour: Chemo-Mechanical Coupling. Italia: C. Di Maio, T. Hueckel, and B. Loret, Maratea eds., 2001. p. 1-20. 93 MITCHELL, J.K. Fundamentals of Soil Behavior. 2 ed. New York: J.Wiley, 1993. 437 pages.
88
atracción molecular de Van Der Waals, generando un cambio físico-químico de la
estructura y de forma directa en el comportamiento de la bentonita.
Figura 10 Secuencia microfotográfica de la deshidratación de arcilla, secuencia
superior agua desionizada, secuencia inferior solución de agua con sales
Fuente: SANTAMARINA, J. Carlos. Soil Behavior at the Microscale: Particle Forces. In: Proceedings of a symposium on Soil Behavior and Soft Ground
Construction, in honor of Charles C. Ladd. Boston, Massachusetts: 2001. p. 1-32. Conforme a Bhushan, Israelachvili y Landman94, las fuerzas interparticulares del
esqueleto mineral fluctúan de acuerdo a la distancia que existe entre moléculas. La
eliminación de la capa de agua ocasiona fricción entre el esqueleto mineral y esta
fricción se entiende en el marco de la lubricación de película delgada, lo cual incide
en las propiedades del material. Adicional a esto, tal como lo relaciona Skipper95 se
reduce la expansión por absorción, la difusión iónica y la movilidad. La eliminación
del potencial expansivo a causa de los tratamientos térmicos se asocia a la
reducción en la carga total de la capa T-0-T de BT en comparación con B, siendo
esta de -0.53 uaq y -0.66 uaq, respectivamente. Lo anterior es consistente con la
diminución de sodio (Na) y potasio (K), lo cual ocasionó una reducción en la
interacción iónica, eliminando la interacción del material con el agua. A su vez, estos
94 BHUSHAN, Bharat; ISRAELACHVILI, Jacob N. and LANDMAN, Uzi. Nanotribology: Friction, wear and lubrication at the atomic scale. In: Nature. 1995. vol. 374, p. 607-616. 95 SKIPPER, N.T. Influence of Pore-Liquid Composition on Clay Behaviour: Molecular Dynamics Simulations of Nano-Structure, Proc. Workshop on Clay Behaviour: Chemo-Mechanical Coupling. Italia: C. Di Maio, T. Hueckel, and B. Loret, Maratea eds., 2001. p. 1-18.
89
resultados son semejantes a los obtenidos por Ticona, Blanco y Cabrera96 en el año
2006 y por Stadler y Schindler97 en el año 1993.
Los resultados obtenidos en el ensayo de difracción de rayos x (XRD) de B y BT se
muestran en el gráfico 11, este modelo de superficie ilustra de forma comparativa
las intensidades obtenidas para los diferentes rayos de incidencia.
Gráfico 11 Resultados ensayo difracción de rayos X (XRD)
Fuente: Elaboración propia
El difractograma ilustrado en el gráfico 12 muestra de manera comparativa un
análisis cuantitativo realizado con el software xpowder a los resultados obtenidos
96 TICONA; BLANCO y CABRERA, Op. Cit., p. 71-76. 97 STADLER, Markus and SCHINDLER, Paul W. Modeling of H+ and Cu2+adsorption on calcium-
montmorillonite. In: Clays and Clay Minerals. 1993. vol. 41, p. 288-296.
90
en el ensayo (XRD), como se evidencia en el anexo 5. El análisis se realizó mediante
el método de Hanawalt, comparando las líneas de posición de 2ϴ y las intensidades
obtenidas con los patrones de la base de datos. Este análisis permitió identificar
varias tipologías cristalinas de las muestras de polvo (llenante). En la muestra de B
se detalla una fase predominante de aluminosilicatos expandibles, dioctaédricos de
esmectita de tipo Montmorillonita (Na Ca)0,3(Al Mg)2Si4O10(OH)2 ·nH2O,
acompañado de bajos porcentajes de aluminosilicatos de tipo Kaolinita
(Al2 Si2O5(OH)4), Ilita (KH3O)(AlMgFe)2(SiAl)4O10) y cuarzo
(Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 ·nH2O.
En cuanto a la muestra BT, se evidencia un cambio significativo en comparación a
la muestra sin tratamiento térmico. La deshidratación genera una transformación en
la estructura cristalina de la montmorillonita, tal como lo presentan Pergher, Corma
y Fornés98. Por una parte, se presentó la disolución de las intensidades asociadas
a la presencia de montmorillonita en B, evidenciándose condición amorfa en BT
para los mismos ángulos incidentes y por otra, se evidenció una reducción en el
cuarzo.
El elevado nivel de cristalinidad del cuarzo en comparación con los demás
aluminosilicatos impide visualizar las estructuras cristalinas presentes en la muestra
de polvo. Con base en esto, se realizó una medición de XRD orientada con el fin de
restringir el sílice presente y percibir con exactitud las estructuras cristalinas,
favoreciendo ángulos bajos de 2ϴ, como se evidencia en el gráfico 13. El
procedimiento realizado se describe en el diagrama 1.
98 PERGHER, Sibele B.C.; CORMA, Avelino y FORNÉS, Vicente. Preparación y propiedades de una
arcilla montmorillonita pilareada con polihidroxicationes de aluminio. En: Química Nova. 1999. vol.22.
91
Gráfico 12 Difractograma comparativo de B y BT
Fuente: Elaboración propia
En los resultados obtenidos del ensayo XRD a una temperatura de 800°C se
evidencia una reducción considerable de la montmorillonita, reteniendo el cuarzo de
forma cristalina dentro de la BT. Lo anterior muestra la transformación del material
mediante recristalización desde el punto de vista mineralógico. El comportamiento
presentado y el cambio en su microestructura, como se evidenció en los estudios
de Geng y Sun99 y Goodman, Latifi y Vahedifard100, es atribuido a los cambios físico-
químicos que la arcilla experimenta principalmente como resultado de la disipación
de agua de cristalización en las capas tetraédricas y octaédricas, conduciendo a la
99 GENG, Jishi and SUN Qiang. Effects of high temperature treatment on physical-thermal properties of clay. In: Thermochimica Acta. 2018. vol. 666, p. 148-155. 100 GOODMAN, C. Clay; LATIFI, Nima and VAHEDIFARD, Farshid. Effects of temperature on microstructural properties of unsaturated clay. In: Proc., Installation, Testing, and Analysis of Deep Foundations—IFCEE 2018. 2018. p. 343–352.
92
segregación de las fases de esmectitas favoreciendo la forma ilitica. Basado en las
pruebas de difracción de rayos X (XRD) y fluorescencia de rayos X (XRF), se
determinó que el 94.6% en peso de los minerales es montmorillonita natural, y el
restante (0.4%), es metahalloysite. El incremento en la concentración en Hierro (Fe)
y Aluminio (Al) en BT en comparación con B se asocia a la disolución de la fase
mineral de la montmorillonita.
Gráfico 13 Difractograma B orientado
Fuente: Elaboración propia
Adicionalmente, los tratamientos térmicos generaron cambios en la apariencia física
de la bentonita. En la Imagen 14 se evidencian dichas transformaciones cuando el
material estuvo expuesto durante 2 horas. La tabla de colores de Munsell permite
contemplar el tono, la luminosidad y la saturación que presenta el suelo. En el
estudio realizado, la bentonita en estado natural presenta un color gris oliva (7.5 YR
5/2). A los 600°C, la BT se caracteriza por tener un color naranja pálido (2.5 YR 8/6),
a 800°C presenta un color naranja (2.5 YR 5/8), y a 1000°C el material presenta un
color marrón (2.5 YR 3/10). El cambio físico en el tono de la bentonita está asociado
principalmente a un incremento en el óxido de hierro, el cual fue de 2.74% entre BT
y B de acuerdo a la composición química presentada en la Tabla 7. Desde el punto
Bentonita Cuarzo Montmorillonita Metahalloysite
93
de vista mineralógico, de acuerdo a Lynn y Pearson101, los colores marrones están
asociados a cristales pequeños de goethita, y los tintes de color rojizo se asocian a
la hematita, siendo este un mineral de óxido férrico, lo anterior se soporta con la
presencia de dichos minerales en el análisis de picos de los resultados de XRD-BT
anexo 5.1.
Imagen 14 Bentonita expuesta 2 horas a) 1000°C, b) 800°C, c) 600°C y Bentonita en estado natural
Fuente: Propia, Bogotá, 2019
5.2. EVALUACIÓN DEL CA
El CA empleado en el estudio fue caracterizado y sus resultados fueron comparados
con el artículo 410 de la especificación INVIAS (2013) (ver Tabla 8), garantizando
el rango de penetración en decimas de milímetro de 60-70. Adicionalmente se
verificó el cumplimiento de los requisitos mínimos de calidad exigidos para ser
utilizados en la fabricación de mezclas de concreto asfáltico.
101 LYNN, Warren. C. and PEARSON, Michael J. The Color of Soil. In: Science Teacher. 2000.
vol. 67, p. 20-23.
94
Tabla 8 Caracterización cemento asfáltico
Fuente: Elaboración propia.
La susceptibilidad térmica del CA se determinó mediante el gráfico que relaciona la
viscosidad y la temperatura. Previamente para la construcción de dicha gráfica se
obtuvo la viscosidad del CA a tres temperaturas diferentes como se evidencia en la
Tabla 9, empleando el viscosímetro rotacional Brookfield.
Tabla 9 Viscosidad CA 60-70
Temperatura °C Viscosidad (cp)
100 3725
120 925
140 312.5
Fuente: Elaboración propia.
Una vez obtenidas las viscosidades del CA, se graficó la Viscosidad vs la
Temperatura (Gráfico 14). Con esta gráfica se determinaron las temperaturas de
mezcla y compactación (Tabla 10), ingresando al gráfico con 280 cp y 170 cp,
respectivamente.
MÍN MAX
Penetración (25°C, 100 g, 5 s) INV. E-706 0,1mm 60 70 62.5
Índice de penetración INV. E-724 - -1.2 0.6 -0.94
Viscosidad 60°c INV. E-717 Poise 1500 - 1770
Ductilidad (25°C, 5cm/min) INV. E-702 cm 100 - 105
Peso específico de asfaltos INV E-707 g/cm3 - - 1.018
Punto de ablandamiento INV E-712 °C 48 54 49
Pérdida de masa INV. E-721 % 0.8 0.63
Penetración (25°C, 100 g, 5 s) INV. E-706 % 50 77
RTFOT (ensayo de película delgada, INV. E-
721)
Ensayo Método UnidadESPECIFICACIÓN
RESULTADO
95
Gráfico 14 Temperatura de mezcla y compactación
Fuente: Elaboración propia
Tabla 10 Temperatura de Mezcla y Compactación
Temperatura de Mezcla °C 140
Temperatura de Compactación °C 135
Fuente: Elaboración propia.
5.3. EVALUACIÓN DEL AGREGADO PÉTREO
Los ensayos de caracterización realizados a los agregados pétreos empleados en
la fabricación de las mezclas asfálticas cumplen con los lineamientos estipulados
en el artículo 450 de la especificación INVIAS (2013), tal como se evidencia en la
Tabla 11.
96
Tabla 11 Resultados caracterización agregado pétreo
Fuente: Elaboración propia.
5.4. RESULTADOS ENSAYOS BAJO CARGA MONOTÓNICA DE LA MEZCLA DE CONTROL
Los resultados promedio obtenidos del diseño Marshall de la MDC acompañados
de la composición volumétrica (vacíos de aire –Va, vacíos en los agregados
minerales -VAM, vacíos llenos de asfalto -VFA) y la resistencia bajo carga
monotónica (estabilidad –E, flujo- F y la relación E/F) para cada uno de los
porcentajes de CA se muestran en la Tabla 12.
Ensayo MétodoValor
recomendado Resultado
Micro-Deval INV. E-238 Maximo 20% 17.6%
10% de finos en seco INV. E-224 Minimo 140 kN 140 KN
Caras fracturadas INV. E-227 Minimo 85 % 92%
Partículas planas y alargadas INV. E-240 Maximo 10% 8%
Porcentaje de caras
fracturadas (1 cara)INV. E-227 Mnimino 85% 92%
Indice de plasticidadINV. E-125, 126 NP NP
Equivalanete de arena INV. E-133 Mnimo 50% 80%
Gravedad especifica y
absorcón del agregado grueso INV. E-223 -- 2,54 /1,5%
Gravedad especifica y
absorción del agregado fino INV. E-222 -- 2,6 / 1,8%
Perdida en ensayo de solidez
en sulfato de magnesioINV. E-220 Maximo 18% 9%
Resistencia al desgaste en la
máquina de los ÁngelesINV. E-218, 219 Maximo 25% 22.8%
97
Figura 11 Verificación de los criterios MDC-19 para la determinación del porcentaje óptimo de asfalto
Tabla 12. Resultados ensayo Marshall MDC-19 control
Fuente: Elaboración propia.
El porcentaje óptimo de CA fue de 5.3%, obtenido de los resultados del diseño
Marshall (ver anexo 6) y de acuerdo a los criterios presentados en la figura 11 para
MDC-19. Lo anterior soportado en los requerimientos del artículo 450 de la
especificación INVIAS (2013), la cual señala que, para este tipo de mezcla, la E
mínima es de 9000 N, el F debe estar entre 2.0 y 4.0 mm, la relación E/F entre 3 y
6 kN/mm, los Va entre 4% y 6%, el VAM mínimo de 15%, y el VFA entre 65% y 75%.
a) E vs CA (%) b) F vs CA (%)
% CAE
(KN)
F
(mm)
E/F
(KN/mm)
Va
(%)
VMA
(%)
VFA
(%)
4.5 11.3 4.0 2.8 6.8 16.7 59.6
5.0 12.1 3.8 3.2 5.1 16.3 68.6
5.5 12.4 3.7 3.3 3.5 16.0 77.9
6.0 11.3 4.2 2.7 2.4 16.0 85.3
Min
Max
Min
98
Max Max
c) E/F vs % CA d) Va vs %CA
e) VAM vs %CA f) VFA vs % CA
5.5. RESULTADOS MARSHALL MDC-19 CON SUSTITUCIÓN DEL LLENANTE MINERAL
Los resultados del ensayo Marshall realizado con el porcentaje óptimo de CA de las
mezclas asfálticas en caliente que emplean llenante mineral convencional (MDC-
19-Control), las que sustituyen el llenante mineral por bentonita sin tratamiento
térmico (MDC-19-B) y en las que se sustituye el llenante mineral por bentonita
tratada térmicamente a 800 °C durante 2h (MDC-19-BT) se presentan en la Tabla
13.
Min
Max
Min
Min
Min
99
Tabla 13. Resultados Marshall con sustitución del llenante mineral
Fuente: Elaboración propia.
En los resultados obtenidos de los ensayos Marshall se evidencia una pérdida
significativa de la resistencia bajo carga monotónica del concreto asfáltico cuando
las partículas del llenante convencional son reemplazadas por bentonita sin
tratamiento térmico (MDC-19-B), resultado que no cumple con las especificaciones
INIVAS (2013). Por otra parte, muestra un aumento en el flujo, superando el
parámetro máximo de 4 mm estipulado por la especificación INVIAS (2013). Las
muestras de MDC-19-B y MDC-19-BT presentan un aumento en las magnitudes de
Va y VMA, y una reducción en los VFA. Estos cambios cumplen con los rangos
establecidos por INVIAS (2013). El aumento del contenido de vacíos en la MDC-19-
B se debe al aumento en gravedad específica de la bentonita en comparación con
el llenante natural. En contraste con la mezcla de bentonita natural, la MDC-19-BT
contiene menos vacíos que la mezcla de control (debido a la menor gravedad
específica). Sin embargo, la pérdida de agua estructural en la B puede también
causar un aumento de los poros (aumentando el número de partículas), asociado a
la descomposición y evaporación de los minerales (por ejemplo, la deshidroxilación
de los minerales de arcilla), como lo evidencian Sun et al102. Sumado a esto, la
eliminación del agua adsorbida alrededor de las partículas conduce al crecimiento
de las mismas a tamaños más grandes, conforme al estudio de Yilmaz103. La
102 SUN, Qiang, et al. Op. Cit. p. 2077–2091.
103 YILMAZ, G. The effects of temperature on the characteristics of kao-linite and bentonite. In: Scientific Research and Essays. 2011. vol. 6, p. 1928–1939.
HMA TipoE
(KN)F
(mm)
E/F
(KN/mm)
Va
(%)
VMA
(%)
VFA
(%)
MDC-19 Control 13.80 3.70 3.69 4.70 16.60 71.50
MDC-19 -B 8.30 4.40 1.89 5.70 18.00 65.60
MDC-19- BT 17.20 3.90 4.43 5.30 17.30 68.10
100
relación E/F de la MDC-19-B presentó una reducción de 41% en comparación con
el resultado obtenido con la MDC-19-Control. Por otra parte, la mezcla asfáltica en
la cual se reemplazó el llenante por BT presentó un incremento significativo
estadísticamente del 20% de la relación E/F en comparación con la mezcla de
control. Lo anterior soportado en la prueba estadística ANOVA (F=35.5 >
F0.05=7.71). El aumento en la relación E/F empleando BT como llenante mineral está
asociado al incremento del óxido de sílice (SiO2) en su composición y de la
superficie específica, ampliando los puntos de contacto (número de partículas),
permitiendo un mejor empaquetamiento del esqueleto mineral.
5.6. RESULTADOS TRACCIÓN INDIRECTA (TI)
En la Tabla 14 se evidencia el promedio de los resultados de los ensayos de TI,
para cada una de las MDC propuestas en el estudio [vacíos de aire (Va), resistencia
promedio a la tracción en condición seca (TID), resistencia promedio a la tracción
en condición saturada (TIW) y la relación de resistencia a la tracción (RRT)].
Tabla 14. Resultados tracción indirecta
Fuente: Elaboración propia.
La mezcla asfáltica MDC-19-B presentó desintegración cuando estaban en
inmersión a temperatura 60° C (proceso de acondicionamiento para la realización
del ensayo TI). Es decir, la MDC-19-B tiene una muy baja resistencia al daño por
humedad (TIW=0). Sumado a esto, se evidencia en la superficie de las briquetas
MDC TipoVa
(%)
TID
(kN)
TIW
(kN)
RRT
(%)
MDC-19 Control 6.7 837.7 700.6 83.6
MDC-19 -B 7.0 1067.3 0.0 0.0
MDC-19- BT 7.2 1115.2 951.3 85.3
101
una textura lisa y limosa al contacto con las manos. Lo anterior está asociado a la
reacción que presenta la bentonita con el agua. A pesar de las consideraciones
anteriores, en el ensayo TID la MDC-19-B presentó un incremento del 27% con
relación a la MDC-19 control.
Por otra parte, la MDC-19-BT fue la mezcla que presentó mejor comportamiento en
los ensayos TI en comparación con la mezcla de control. La resistencia a TID se
incrementó en un 33.1%, a su vez la TIW aumentó en un 35.8% y la relación de
resistencia a la tracción RRT fue de 85.3%, siendo este parámetro superior a la
especificación INVIAS (2013) (adherencia: resistencia retenida mínima de 80%).
Estadísticamente estos incrementos en los resultados fueron significativos
(F = 176.4 > F0.05 = 7.71 para TID, y F = 155.7 > F0.05 = 7.71 para TIW). Con base
en lo anterior, se puede afirmar que el tratamiento térmico realizado a la bentonita
contribuye en el aumento de la resistencia al daño por humedad de la MDC-19.
Asimismo, aporta en la reducción de stripping, fenómeno asociado a la pérdida de
adherencia entre el CA y la superficie del agregado por la acción del agua. Este
fenómeno ocasiona el deterioro de la unión adhesiva entre los compositos e incide
en la pérdida de funcionalidad de la vía, como lo relaciona Figueroa et al104. Esta
mejora se atribuye a la disolución de la fase montmorillonita, es por esto que BT no
reacciona con el agua. Adicionalmente, teniendo en cuenta lo expuesto por Živica y
Palou105, cuando las arcillas se someten a altas temperaturas, su porosidad y los
macro poros incrementan, lo que podría incidir en un aumento de las propiedades
de adhesión entre la interfaz asfalto-agregado.
104 FIGUEROA, Ana S., et al. Effect of Water Conditioning for Extended Periods on the Properties of Asphalt Binders. In: Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2013. vol. 2372, p. 34-45. 105 ŽIVICA, Vladimir and PALOU, Martin. Influence of Heat Treatment on the Pore Structure of Some Clays - Precursors for Geopolymer Synthesis. In: Procedia Engineering. 2016. vol. 151, p. 141-148
102
5.7. MÓDULO RESILIENTE
Los resultados de las pruebas de módulo resiliente se muestran en el Gráfico 15,
en este, se observa un aumento en la rigidez bajo carga cíclica de la mezcla MDC-
19-BT a las temperaturas evaluadas en comparación con la MDC-19 de Control.
Estos resultados son consecuentes con los obtenidos en los ensayos Marshall. El
incremento del módulo resiliente en comparación con la mezcla de control fue de
9.3% en promedio a una temperatura de 5°C, 20.2% en promedio a una temperatura
de 20 °C y de 20.5% a una temperatura de 40 °C. Por otra parte, se evidenció de
manera lógica, un aumento del módulo resiliente cuando disminuye la temperatura
del ensayo y aumenta la frecuencia de carga (ver gráfico 16). El aumento en el
módulo resiliente de MDC-19-BT está asociado al incremento de sílice y de óxido
de hierro en relación con la bentonita en estado natural. Este incremento contribuye
de manera directa en el aumento de la resistencia en la microestructura, dado que
el óxido de silicio (SiO2) se asocia con la dureza. Por otra parte, la alúmina (Al2O3)
favorece la adherencia entre el árido y el ligante asfáltico, siendo esto consecuente
con lo expuesto por Muniandy Aburkaba, Mahdi106 y Modarres, Rahmanzadeh107.
De otra forma, se evidencia semejanza en la relación CaO/SiO2 de las MDC
(control, B y BT), esto de acuerdo a la investigación de Xie, et al108 indica que la
alcalinidad y la afinidad con el asfalto en las mezclas es similar.
106 MUNIANDY, Ratnasamy; ABURKABA Eltaher Elzarroug, and MAHDI, Lamya MJ. Effect of mineral filler type and particle size on asphalt-filler mastic and stone mastic asphalt laboratory measured properties. In: Aust. J. Basic Appl. 2013. vol. 7, p. 475–487. 107 MODARRES, Amir and RAHMANZADEH Morteza. Application of coal waste powder as filler in hot mix asphalt. In: Construction and Building Materials. 2014. vol. 66, p. 476–483. 108 XIE, Jun, et al. Recycling of basic oxygen furnace slag in asphalt mixture: Material characterization & moisture damage investigation. In: Construction and Building Materials. 2012. vol. 36, p. 467-474.
103
Gráfico 15 Resultados módulo resiliente a 5 °C, 20 °C, 40°C
Fuente: Elaboración propia
En el gráfico 16 se presenta la relación entre las medias marginales de la variable
de tipo respuesta denominada módulo resiliente con los factores fijos (frecuencia,
tipo de mezcla y temperatura). El análisis estadístico de los resultados se realizó
mediante un factorial de tres factores fijos, como se evidencia en el anexo 7. Se
evaluó el nivel de significancia de los tres factores y se implementó un análisis de
varianza ANOVA en el cual se obtuvo que los tres son significantes en el
experimento y el factor con mayor incidencia es la temperatura F=458, para un nivel
de significancia de 0.05 con dos grados de libertad y 12 en el error (F=458 > F0.05 =
3.89).
104
Gráfico 16 Medias del módulo resiliente con relación a la frecuencia y la temperatura
Fuente: Elaboración propia
5.8. DEFORMACIÓN PERMANENTE
En el gráfico 17, se evidencia que la mayor resistencia a la deformación permanente
bajo carga cíclica se obtiene con la mezcla que tiene como llenante mineral BT. Lo
anterior es congruente con los resultados obtenidos en el módulo resiliente y el
ensayo Marshall. El método estadístico empleado en el análisis de los resultados
del ensayo de deformación permanente fue el ANOVA para el ciclo de carga final
N=3600. Este indicó que la BT tiene un efecto significativo en el desplazamiento
axial medido (F = 38.22 > F0.05 = 5.14).
105
Gráfico 17 Resultados ensayo de formación permanente
Fuente: Elaboración propia
5.9. RESISTENCIA A LA FATIGA
Los resultados del ensayo de fatiga se evidencian en el Gráfico 18. En este se
observa un aumento de la resistencia a la fatiga de la MDC-19-BT en comparación
con la mezcla de control. Sin embargo, el ANOVA calculado para niveles de tensión
de 100, 250 y 400 kPa muestra que emplear BT no produce un efecto significativo
en la resistencia a la fatiga (F = 1 < F0.05 = 7.71, F =5 < F0.05 = 7.71, 422 y F = 3.8
< F0.05 = 7.71 para 100, 250 y 400 kPa, respectivamente). Este incremento de la
resistencia a la fatiga de acuerdo a Di Benedetto et al109 y Muniz de Farias et al110,
se relaciona con la respuesta de la mezcla al tipo de carga aplicada (esfuerzo
controlado) en el ensayo. Cuando la rigidez de la mezcla aumenta con este tipo de
109 DI BENEDETTO, H., et al. Fatigue of bituminous mixtures. In: Materials and Structures. 2004. vol. 37, p. 202–216. 110 MUNIZ DE FARIAS, M., et al. Behavior of a hot-mix asphalt made with recycled concrete aggregate and crumb rubber. In: Canadian Journal of Civil Engineering. 2018. vol. 46, p. 544–551.
106
carga, normalmente ocurre lo mismo con su vida útil y la resistencia a la fatiga. En
contraste, cuando se impone una carga de deformación controlada, normalmente
se produce una mayor vida a la fatiga en el caso de que la mezcla sea de menor
rigidez.
Gráfico 18 Resultados ensayo de fatiga
Fuente: Elaboración propia
5.10. ENSAYO CÁNTABRO
Los resultados promedio de las briquetas sometidas al ensayo Cántabro se
muestran en la Tabla 15. La pérdida de masa y la resistencia a la abrasión en las
mezclas MDC-19 Control y MDC-19-BT son similares. La variación presentada es
del 3.27%, resultado que no es significativo estadísticamente (F = 5.04 < F0.05 =
7.71).
107
Tabla 15. Resultados ensayo cántabro
Fuente: Elaboración propia.
Mezcla Va (%) Pérdida de masa (%), 500 revoluciones
MDC-19 Control 4.6 12.2
MDC-19-BT 5.1 11.8
108
6 CONCLUSIONES
Con base en los resultados obtenidos y a los análisis realizados en el presente
estudio se concluye que:
El IP y el IHL de la bentonita disminuyen con el incremento de la temperatura
y el tiempo de exposición. La bentonita se convierte en no plástica y no
presenta expansión cuando es sometida a tratamiento térmico de 800°C
durante 2 horas.
La caracterización de la bentonita mediante ensayos de difracción de rayos
X y fluorescencia permitió identificar una composición de minerales de tipo
esmectita asociado al grupo dioctaédrico, determinando al sodio como catión
predominante en la estructura, clasificándola como montmorillonita sódica.
El tratamiento térmico realizado en la presente investigación generó la
deshidratación de la bentonita, ocasionando el desprendimiento de agua y la
precipitación de la sal, generando unión interparticular a través de cristales,
reduciendo el potencial superficial de atracción, ocasionando la disolución de
la estructura cristalina de la montmorillonita.
El cambio físico en el tono de la bentonita está asociado al incremento en el
óxido férrico, dando origen a la recristalización de las fases de goethita y
hematita.
109
En términos generales, el tratamiento térmico realizado a la bentonita
industrial fue favorable, considerando que las propiedades indeseables
fueron eliminadas (plasticidad y expansión).
La sustitución del llenante mineral convencional por bentonita tratada
térmicamente a 800 ° C durante 2 horas, presentó un incremento favorable
en la resistencia bajo carga monotónica (relación E/F), en el contenido de
vacíos de aire y en la resistencia a la tracción indirecta y al daño por humedad
(TIW, TID). Adicionalmente, la composición volumétrica (Va, VMA y VFA)
cumple con la especificación técnica INVIAS (2013).
El módulo resiliente está directamente relacionado con la rigidez bajo carga
cíclica y la resistencia a la deformación permanente de las mezclas asfálticas.
Un aumento significativo de la rigidez bajo carga cíclica a 5°C, 20°C y 40°C
se obtuvo cuando la BT reemplazó el llenante natural en la MDC-19. Sumado
a esto, se obtuvo un incremento en la resistencia al ahuellamiento.
La resistencia a la fatiga y a la abrasión presentaron un comportamiento
semejante en los resultados de la mezcla de control y la mezcla con
sustitución de BT.
El incremento en la adherencia entre el agregado y el cemento asfaltico de
la MDC-19-BT se relaciona con el aumento de sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3).
La bentonita tratada térmicamente es una alternativa novedosa que podría
contribuir con en el medio ambiente. A su vez, mejora las propiedades
mecánicas de una mezcla asfáltica densa en caliente de tipo MDC-19 al
emplearse como llenante mineral.
110
La bentonita industrial sin tratamiento térmico no se puede emplear como
llenante mineral en mezclas asfálticas, teniendo en cuenta que esta reduce
la resistencia bajo carga monotónica (relación E/F) y disminuye notablemente
la resistencia al daño por humedad y la adherencia asfalto-agregado.
Es factible desde la perspectiva técnica emplear arcilla industrial de tipo
bentonita sometida a tratamientos térmicos como llenante mineral en
mezclas asfálticas.
111
7 RECOMENDACIONES
Analizar la viabilidad del proyecto desde la perspectiva ambiental y
económica.
Evaluar el comportamiento de otros suelos de alta plasticidad con el objeto
de comprobar si estos pueden emplearse como llenante mineral en mezclas
asfálticas.
Evaluar el comportamiento de la mezcla asfáltica sustituyendo la fracción que
pasa el tamiz No 40 y retiene No 80, puesto que en la investigación realizada
se evidenció la ausencia de dicho material.
Evaluar el comportamiento de las mezclas densas en caliente con otros tipos
de gradación (MDC-10 y MDC-25), empleando como llenante mineral BT.
Analizar la interacción llenante mineral, agregado pétreo y cemento asfaltico
empleando la técnica de microscopia electrónica de barrido.
112
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ANEXOS
