ESPUMADO ASFALTO

MODULO II – VIAS DE TRANSPORTE

Facultad de Ingenierías y Arquitectura Escuela Profesional de Ingeniería Civil

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

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MODULO II – VIAS DE TRANSPORTE TEMA: ASFALTO ESPUMADO

2015 PACHACAMAC – LIMA Página 1




INDICE 1. INTRODUCCION .................................................................................................................. 3 2. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 4 3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 5

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INTRODUCCION

El trabajo constituye un resumen de una amplia revisión bibliográfica del asfalto espumado (también conocido como asfalto celular) y de las mezclas en las que forma parte. El trabajo incorpora las principales aplicaciones de esta tecnología y consideraciones generales para el trabajo con asfalto espumado en la estabilización de suelos y reciclado de pavimentos asfálticos. El asfalto espumado es una técnica relativamente nueva en su uso y permite producir mezclas asfálticas de un modo muy diferente a los sistemas tradicionales. La mezcla íntima que se produce entre asfalto y agregado es también diferente, pero sin embargo, este tipo de mezclas tiene un comportamiento estructural similar a una mezcla tradicional. Las mezclas con asfalto espumado presentan ventajas especiales frente a mezclas tradicionales, entre éstas las más importantes son las del tipo energéticas y ambientales. Desde el punto de vista constructivo, el empleo de técnicas modernas especialmente desarrolladas para este tipo de aplicación, le confiere ventajas adicionales en comparación a otro tipo de técnicas constructivas; específicamente admite mayor tolerancia en la especificación de agregados y los procesos constructivos pueden ser de muy alto rendimiento. El asfalto espumado puede ser usado como un agente estabilizador con una variedad de materiales que van desde gravas chancadas de buena calidad hasta suelos marginales con plasticidad relativamente alta y también en materiales asfáltico reciclados. Las mezclas con asfalto espumado pueden ser confeccionadas tanto en terreno como en una planta central. Uno de los objetivos claves de la gestión de pavimentos es desarrollar e implementar una estrategia de construcción y mantenimiento rentables, con el fin de alcanzar niveles requeridos de servicio y desempeño. Una técnica rentable y sustentable para la rehabilitación de pavimentos es la de estabilización o reciclado con asfalto espumado Los resultados del experimento mostraron que las deflexiones disminuyen en las secciones con mayor contenido de asfalto espumado. Luego de aplicar más de un millón de ciclos de carga, las secciones estabilizadas sólo con cemento, sólo con asfalto y la sección sin estabilizar mostraron un deterioro significativo en forma de ahuellamiento. Por otro lado, las secciones que fueron estabilizadas con AE y cemento mostraron un buen desempeño, demostrando que el cemento y el AE juntos mejoran significativamente el desempeño del pavimento. Los resultados de ahuellamiento fueron empleados para desarrollar modelos y describir el deterioro estable y acelerado de los pavimentos en estudio, lo que puede ser utilizado para una mejor gestión de los pavimentos estabilizados con asfalto espumado

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2.- OBJETIVOS 1. Obtener conocimiento sobre los conceptos, aplicación del asfalto espumado. 2. Conocer parámetros de diseño representativos y fieles al comportamiento de bases tratadas con asfalto espumado. 3. Aplicar la normativa vigente e información bibliográfica referente al asfalto espumado como agente estabilizador de carpetas asfálticas reciclados. 4. Emplear Normas ASTM y AASHTO para el muestreo de los agregados, así como para el desarrollo de los ensayos necesarios para identificar sus propiedades físicas. 5. Evaluar el comportamiento de la mezcla con asfalto espumado en función de su resistencia a la Tracción Indirecta (ITS).

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1. MARCO TEÓRICO 1.0 CONCEPTOS GENERALES SOBRE PAVIMENTOS FLEXIBLES 1.1 DEFINICIÓN DE PAVIMENTO Es una estructura constituida por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados 1, como se muestra en la Figura 2.1.

La estructura de pavimento realiza el trabajo de resistir los esfuerzos que las cargas repetitivas del tránsito le transmiten durante el período para el cual fue diseñada. El peso de los vehículos aplicado en la superficie se transfiere o disipa a la subrasante a través de la estructura de pavimento. Las cargas producidas por el tráfico, en la superficie de la vía, se van distribuyendo sobre un área más grande a medida avanza sobre las capas inferiores y decrece con la profundidad2, esto se muestra en la Figura 2.2.

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1.2 TIPOS DE PAVIMENTOS Existen tres clases de pavimentos, rígidos, semiflexibles y flexibles. Sus principales diferencias radican en el material de construcción y en la forma como reciben y controlan las cargas de los vehículos.

1.2.1 Pavimentos rígidos Son aquellos que fundamentalmente están constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa de material seleccionado. Debido a la alta rigidez del concreto hidráulico, así como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Además como el concreto es capaz de resistir, en cierto grado, esfuerzos a la tensión, el comportamiento de un pavimento rígido es suficientemente satisfactorio aun cuando existen zonas débiles en la subrasante. La capacidad estructural de un pavimento rígido depende de la resistencia de las losas y por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseño del espesor del pavimento.

Pavimento rígidos

1.2.2 Pavimentos Semiflexibles Construidos con adoquines (bloques de concreto o arcilla prefabricados), que se colocan sobre una capa de arena, ésta se apoya sobre una capa granular o directamente sobre la subrasante.

Pavimento Semirígido

1.2.3 Pavimentos Flexibles

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Este tipo de pavimentos están formados por una mezcla asfáltica apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la sub-base, las cuales ayudan a soportar las cargas. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares de cada obra.

Pavimento Flexible

Esta investigación trata sobre bases para pavimentos flexibles, por lo tanto se profundiza a continuación sobre este tipo de pavimentos.

1.3 COMPONENTES DEL PAVIMENTO FLEXIBLE Los pavimentos flexibles se componen de una capa llamada carpeta de rodadura, apoyada sobre dos capas denominadas base y sub-base. Todo el conjunto se apoya sobre el terreno o subrasante, al cual llega una mínima parte de la carga vehicular, esto se ilustra en la Figura 2.6.

1.3.1 Carpeta de rodadura La carpeta asfáltica es la parte superior del pavimento flexible que proporciona una superficie de rodamiento estable, uniforme y antideslizante, todo lo cual se traduce en comodidad para el usuario de una carretera.

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Facultad de Ingenierías y Arquitectura

Escuela Profesional de Ingeniería Civil UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS Su función principal es proteger la estructura del pavimento de efectos destructivos como lluvia y radiación solar, entregándole durabilidad e impermeabilidad, impidiendo así el paso del agua al interior y al mismo tiempo drenándola, evitando de esa manera el deslizamiento de los vehículos.

1.3.2 Base Es la capa de pavimento que tiene como función primordial, distribuir y transmitir las cargas ocasionadas por el tránsito, a la sub-base y a través de ésta a la subrasante, y es la capa sobre la cual se coloca la capa de rodadura. Las bases especificadas son las siguientes: Base Granular y Base Estabilizada.

1.3.2.1 Base granular Material constituido por piedra de buena calidad, triturada o mezclada con material de relleno o bien por una combinación de piedra o grava, con arena y suelo, en su estado natural. Todos estos materiales deben ser clasificados para formar la base de la estructura del pavimento. Su estabilidad dependerá de la graduación de las partículas, su forma, densidad relativa, fricción interna y cohesión, y todas estas propiedades dependerán de la proporción de finos con respecto al agregado grueso.

1.3.2.2 Base estabilizada Es la capa formada por la combinación de piedra o gravas trituradas, combinadas con material de relleno, mezclados con materiales o productos estabilizadores, para mejorar sus condiciones de estabilidad y resistencia.

1.3.3 Sub-base Se construye con materiales más económicos que la capa de rodadura y la base para permitir que los espesores de dichas capas sean menores. Está destinada a soportar, transmitir y distribuir de manera uniforme, a la sub-rasante, las cargas aplicadas a la superficie, además de controlar los cambios de volumen y elasticidad que serían dañinos para el pavimento. Se utiliza además como capa de drenaje y controlador de ascensión capilar de agua, protegiendo así a la estructura del pavimento, por lo que generalmente se utilizan materiales granulares.

1.3.4 Terreno natural o sub-rasante Es la capa de terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto.6

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2.0 ASFALTO ESPUMADO 2.1 ORIGEN DEL ASFALTO ESPUMADO El primer investigador en detectar la potencialidad del uso del asfalto espumado en mezclas asfálticas fue el Profesor Ladis Csanyi, en la estación experimental de ingeniería de la Universidad estatal de IOWA en 1956, donde se utilizó un proceso de inyección de vapor para formar la espuma. Los primeros reportes de aplicaciones de asfalto espumado datan del año 1957 y corresponden a aplicaciones realizadas en una carretera estatal de Iowa (USA). En años posteriores se reportan varias otras aplicaciones, entre otras: Arizona (USA) en 1960 y en Nipawin (Canadá) en 1962. Esta tecnología fue posteriormente mejorada por la organización Mobil Oil en 1968, al adquirir los derechos de la patente de invención del Profesor Ladis Csanyi y desarrollar la primera cámara de expansión que mezcla agua fría con asfalto para generar espuma, transformándose así en un proceso más práctico, económico y menos peligroso. Desde 1970 la tecnología Mobil Oil de asfalto espumado, ha sido usada en proyectos de estabilización en Australia, Sudáfrica, Inglaterra, Alemania, Francia, Egipto y varios otros países. Simultáneamente, en 1970, Continental Oil Company (CONOCO) obtuvo los derechos de comercialización en USA y desarrolló un laboratorio de asfalto espumado para facilitar el estudio de esta nueva tecnología. Desde entonces ha sido utilizada en varios estados del país del Norte (Colorado, North Dakota, Virginia, Pennsylvania, Michigan, Oklahoma entre otros). Luego que en 1991 expiraran los derechos de Mobil, se desarrollaron otros sistemas de espumación entre los cuales destaca el método Escandinavo “Nesotec”, actualmente utilizado en Noruega, Suecia y Finlandia.

2.2 DEFINICION El asfalto espumado también conocido como asfalto celular es una técnica relativamente nueva que permite producir mezclas asfálticas con un comportamiento similar a una mezcla tradicional, pero que se diferencian en su estructura interna, las cuales hacen que tengan ventajas especiales. El asfalto espumado puede ser usado como un agente estabilizador con una variedad de materiales que van desde gravas chancadas de buena calidad hasta suelos marginales con plasticidad relativamente alta y también en materiales asfalticos reciclados. Las mezclas con asfalto espumado pueden ser confeccionadas tanto en terreno como en una planta central. Página 9




2.3 TECNOLOGÍA DEL ASFALTO ESPUMADO La tecnología del asfalto espumado ha evolucionado desde los años 60, en que la expansión del asfalto era un proceso inestable y poco práctico, hasta la tecnología actual, en que el proceso de espumado se produce en cámaras de expansión como la mostrada en la Figura 2. El proceso de expansión es básicamente un proceso físico de intercambio de calor: En la cámara de expansión se inyecta una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2%) al asfalto caliente (160 - 180 C) . Se produce un intercambio de energía entre el asfalto y el agua, lo que eleva la temperatura de las gotas de agua hasta los 100 C, lo que se traduce en una expansión instantánea de vapor. Las burbujas de vapor son forzadas a introducirse en la fase continua del asfalto bajo la presión de la cámara de expansión, quedando encapsuladas. El asfalto junto con el vapor de agua encapsulado es liberado de la cámara a través de una válvula y el vapor de agua encapsulado se expande formando burbujas de asfalto contenidas por la tensión superficial de éste. La expansión se detiene cuando las fuerzas de tensión superficial del asfalto contrarrestan las presiones al interior de las burbujas (estado de equilibrio). A medida que la temperatura de la espuma se reduce, el vapor encapsulado se condensa causando el colapso de las burbujas y la desintegración de la espuma. La desintegración o colapso de la espuma produce miles de gotitas de asfalto las cuales al unirse, recuperan su volumen inicial sin alterar significativamente las propiedades reológicas del asfalto original. Para la producción de mezclas con asfalto espumado, el agregado debe ser incorporado mientras el asfalto se encuentra en estado de espuma. Al desintegrarse la burbuja en presencia del agregado, las pequeñas gotas de asfalto aglutinan las partículas más finas (especialmente la fracción menor a 0,075 mm), produciendo una mezcla de asfalto y agregado fino (dispersión del asfalto). Esto produce una pasta de filler y asfalto que actúa como un mortero entre las partículas gruesas.

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2.4 PRODUCCION DEL ASFALTO ESPUMADO 1. Se inyecta una pequeña cantidad de agua fría (1 a 2% del peso del asfalto) a una masa de asfalto caliente (160°c – 180°c), dentro de una cámara de expansión, generando así espontáneamente espuma. 2. El agregado debe ser incorporado mientras el asfalto se encuentra en estado de espuma. 3. En este proceso las gotitas del asfalto se aglutinan con las partículas más finas (especialmente con aquellas fracciones menores a 0.075mm), proceso que se denomina dispersión del asfalto. Esto resulta una pasta de filler y asfalto que actúa como un mortero entre las partículas gruesas.

2.5 PROPIEDADES EMPÍRICAS DEL ASFALTO ESPUMADO Existen dos parámetros básicos que permiten caracterizar una espuma asfáltica: Tasa de expansión (Ex): Es la razón entre el volumen de asfalto espumado y el volumen del asfalto original. La tasa de expansión indica la trabajabilidad de la espuma y su capacidad de cubrimiento y mezclado con los agregados.

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Vida media (T1/2): Es el tiempo, en segundos que tarda el asfalto espumado en reducir su volumen a la mitad del volumen expandido. La vida media es un índice de la estabilidad de la espuma y da una idea del tiempo disponible para mezclar el asfalto espumado con los agregados antes de que colapse la espuma.

La tasa de expansión y la vida media son propiedades que dependen de muchos factores, siendo los principales la temperatura del asfalto y la dosis del agua. A mayores temperaturas se mejoran las características de la espuma (mayor tasa de expansión y mayor vida media). Por otro lado, una mayor dosis de agua aumenta la tasa de expansión, pero reduce la vida media (ver Figura 3). Las características de una espuma asfáltica (Ex y T 1/2) no son medidas exactas, sino más bien órdenes de magnitud. En general, se recomienda una razón de expansión de 8 a 15, y al menos de 15 segundos de vida media. Cuando las características de espumado de un asfalto son extremadamente pobres (es menor a 5 y T 1/2 bajo 5 segundos) es difícil obtener una mezcla aceptable y en ese caso, es preferible emplear una asfalto de un origen distinto o incluir aditivos que mejoren la expansión.

Estas dos propiedades mencionadas anteriormente dependen de factores como: Temperatura de asfalto. Dosis de agua inyectada. Presión bajo la cual el asfalto es inyectado en la cámara de expansión. Uso de agentes antiespumantes. Viscosidad del asfalto. Tamaño del recipiente dónde estás propiedades son medidas. • • • • • •

Factores como la temperatura del asfalto y la dosis de agua son los más importantes y se debe de tomar en cuenta que: •

A mayores temperaturas de espumado y mayor cantidad de agua se incrementa la RAZON DE EXPANSION como LA VIDA MEDIA. Página 12



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El mejor espumado es aquel que optimiza tanto la RAZON DE EXPANSION y la VIDA MEDIA. Se recomienda una RAZON DE EXPANSION entre 8 – 5, y al menos 15 segundos de VIDA MEDIA.

2.6 VENTAJAS A continuación se presentan una serie de ventajas del asfalto espumado ante otros tipos de agentes estabilizadores: 2.6.1 VENTAJAS: 1. Flexibilidad. La estabilización con asfalto produce un material con propiedades visco elásticas, que posee una flexibilidad mejorada y resistencia a la deformación. 2. Facilidad de preparación. Un tanque se acopla a la recicladora y el asfalto caliente es bombeado y esparcido mediante una barra rociadora, donde la espuma de asfalto es inyectada en la camara de mezclado. 3. La estabilización con asfalto espumado requiere de un reducido consumo de energía en comparación con el método tradicional de mezcla en caliente. Se han medido ahorros de energía de más del 80% sobre los métodos tradicionales, en tramos experimentales de estabilización con asfalto espumado (para soluciones estructuralmente equivalentes). 4. El uso del asfalto espumado reduce los costos de transporte. Para un mismo volumen de asfalto residual, el transporte del asfalto en forma de emulsión, requiere transportar adicionalmente un volumen adicional de 35 a 40% de agua. 5. Menores costos en el proceso de manufactura. 6. El material tratado permanece trabajable por ma-yores períodos de tiempo y puede ser usado en condiciones climáticas adversas. 7. Velocidad para adquirir resistencia. El material puede ser transitado inmediatamente después de ser colocado y compactado.

2.6.2 DESVENTAJAS: 1. El asfalto espumado requiere que el asfalto este caliente, generalmente sobre los 160°C. Frecuentemente esto requiere de instalaciones para calentar el mismo, y medidas especiales de seguridad. 2. Condición y tipo de material. El material saturado y pobre en la fracción fina (menor a 0,075 mm) no puede ser procesado con asfalto espumado sin un tratamiento previo o la adición de material nuevo. 3. Los materiales granulares estabilizados con asfalto espumado sometidos a cargas repetidas de transito se encuentran bajo un efecto de densificación gradual, generando una deformación de la capa superficial del pavimento, haciéndolos propensos a una falla de ahuellamiento.

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3.0 APLICACIONES DEL ASFALTO ESPUMADO Existen principalmente dos tipos de aplicaciones para el asfalto espumado, el reciclado en frío de pavimentos asfálticos y la estabilización de suelos. •

Reciclado en frío de pavimentos asfálticos

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Estabilización de suelos

3.1 RECICLADO EN FRÍO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS: Para realizar el reciclado en sitio se requiere de un equipo fresador-mezclador. Existen varios modelos y configuraciones para este tipo de equipos, pero en general todos poseen un tambor de fresado-mezclado similar al que se muestra en la Figura .

Consiste en la recuperación del material de un pavimento asfáltico existente, el cual es mezclado con asfalto espumado, adiciones (cemento o cal) y agregados nuevos (si es necesario) para formar una base asfáltica que será colocada en el mismo lugar o en otro distinto. La recuperación puede ejecutarse mediante un equipo fresador capaz de disgregar el material o mediante métodos convencionales donde el proceso de disgregación ocurre con posterioridad a la recuperación. En general el material recuperado está formado no sólo por concreto asfáltico disgregado, sino también por agregados aportados por la base y subbase granular existente. Página 14




En el caso del reciclado en planta con asfalto espumado, el pavimento asfáltico es fresado, retirado y transportado hasta la planta, donde se incorpora el asfalto espu-mado y se homogeniza la mezcla.

Luego la mezcla se transporta hasta el frente de trabajo, donde es extendida y compactada. Esta modalidad presenta ventajas importantes con respecto a otras alternativas de reciclado, entre ellas: La reducción significativa de las distancias de transporte, debido a que estas plantas, por su versatilidad, pueden ser instaladas muy próximas a los tramos de pavimento a reciclar. El mayor control de la calidad de la mezcla reciclada, ya que a diferencia del reciclado en sitio, estas plantas permiten un mejor control de la dosificación de la mezcla (%RAP). El material estabilizado con asfalto espumado en estado fresco parece no contener asfalto, debido a que las partículas de agregado grueso no son cubiertas totalmente y generalmente están libres de asfalto, sin embargo, una vez que se compacta la superficie se vuelve oscura y bien sellada. El proceso de curado inicial en sitio ocurre en el transcurso de pocas horas, permaneciendo la mezcla trabajable por varias horas, lo que permite que las tareas de construcción sean realizadas con equipos convencionales y que el pavimento pueda ser transitado el mismo día. La Figura 5 muestra una operación de reciclado en frío en sitio con asfalto espumado.

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ESTABILIZACIÓN DE SUELOS: Consiste en la estabilización de suelos de relativa baja plasticidad (IP<16) con asfalto espumado en donde los suelos pueden provenir de la recuperación de áridos de un camino sin pavimentar o de nuevos pozos. Principalmente se emplean agregados recuperados cuya granulometría es mejorada por agregados nuevos (si es necesario), ya que uno de los objetivos de esta aplicación es obtener mezclas de bajo costo. El proceso de recuperación de los agregados es similar al descrito para el reciclado en frío de pavimentos asfálticos. Una de las ventajas más importantes de la estabilización de suelos con asfalto espumado es su aplicabilidad en materiales granulares con un amplio rango de granulometrías, lo que permite estabilizar directamente en terreno varios tipos de suelos (Figura 7).

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CONCLUSIONES

El proceso de espumado del asfalto es dependiente del cambio de estado del agua de líquido a vapor, un proceso que está acompañado de una expansión de unas 1500 veces el volumen original del líquido a una presión atmosférica normal. Cuando las partículas de agua entran en contacto con el asfalto caliente, la energía calorífica del asfalto se transfiere al agua. Las mezclas con asfalto espumado se han transformado en una excelente alternativa para la estabilización de capas estructurales en los pavimentos, debido principalmente a su buen comportamiento, facilidad de construcción, compatibilidad con un amplio rango de tipos de agregados y ventajas energéticas. Sin embargo, como toda nueva tecnología aún quedan aspectos por investigar y acumular experiencia. Los criterios empleados actualmente para la caracterización del asfalto espumado, corresponden al volumen que puede alcanzar la espuma (Razón de Expansión) y al tiempo disponible para el mezclado antes del colapso de la espuma (Vida Media). Ambos criterios son ampliamente reconocidos como los más importantes en el proceso de producción de la espuma, sin embargo la forma en que son medidos no permite la obtención de valores precisos, sino más bien órdenes de magnitud. Por esta razón se propone investigar nuevas formas para medir estas propiedades y de este modo obtener una caracterización más precisa dela espuma y su habilidad para mezclarse con los agregados. El asfalto caliente (160 °C - 180 °C) se transforma en asfalto espumado cuando se mezcla con una pequeña cantidad de agua atoizada (típicamente un 2 % en masa) en ua cámara de expansión especial. En el estado espumado, el asfalto pueso ser agregado y mezclado xon los agregados a temperatura ambiente y con los agregados a temperatura ambiente y con contenidos de humedad in situ.

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ESPUMADO ASFALTO

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