REHABILITACIN DE PAVIMENTOS FISURADOS POR REFLEXIN IMPLEMENTADO SISTEMAS DE MEMBRANA ANTIFISURA S.A.M.I.
ANA MARA FORERO RONDN
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA
INGENIERA CIVIL 2012
REHABILITACIN DE PAVIMENTOS FISURADOS POR REFLEXIN IMPLEMENTADO SISTEMAS DE MEMBRANA ANTIFISURA S.A.M.I.
ANA MARA FORERO RONDN
Proyecto de grado para optar al ttulo de Ingeniera Civil
Director:
MANUEL SANTIAGO OCAMPO TERREROS Ingeniero Civil, M.Sc., Ph.D.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA
INGENIERA CIVIL 2012
A mis padres por ser las personas ms importantes en mi vida, por su
incondicional apoyo perfectamente mantenido a travs del tiempo. A mi
hermano, a mis abuelitos, tos y primos por su compaa y
colaboracin. A Andrs Felipe por su paciencia y dedicacin.
Todo este trabajo ha sido posible gracias a ellos.
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido culminar satisfactoriamente esta etapa de mi vida,
por haberme dado salud para lograr todas mis metas.
A mis padres el apoyo que me brindaron en todo momento, por ser ejemplos de
perseverancia y constancia, por haberme apoyado en todo momento, por sus
consejos, sus valores, por la motivacin constante que me ha permitido ser una
persona de bien, pero ms que nada, por su amor y compaa.
Al ingeniero Andrs Felipe Camelo, por todo el cario y apoyo dado durante la
realizacin de este trabajo. Por ser un novio incondicional, confidente, complice, y
ms sincero amigo.
A mi hermano Carlos, a mis abuelitos, Mara Robayo, Silenia Montaez, Silverio
Rondn, Arnulfo Forero, Jacinta Silva por quererme, mimarme y apoyarme
siempre, a mis tos y tas, a mis primas, y a todos aquellos que participaron directa
o indirectamente en la elaboracin de esta tesis.
Gracias a ustedes!
A mis profesores de carrera, a mi director de trabajo de grado, al ingeniero Manuel
Ocampo, por su gran apoyo y motivacin para la culminacin de mis estudios
profesionales y para la elaboracin de esta tesis. Al ingeniero Leonel Armando
Hernndez y al ingeniero Leonardo Gomz, por el apoyo ofrecido en este trabajo.
A mis amigos y compaeros, Lili Estefany Crdoba, Nicols Barn, lvaro
Hernndez, Vanesa Mojica, Jeisson Pinzn, Cristina Peralta, Ivana Jara y todos
aquellos que por alguna razn ya no estn, gracias por su compaa y ayuda en la
realizacin de este trabajo.
RESUMEN
Segn el Instituto de Desarrollo Urbano IDU (2008), el procedimiento ms utilizado
en la rehabilitacin de pavimentos flexibles y rgidos ha sido la colocacin de
sobre-carpetas de concreto asfltico; sin embargo, no ha sido una alternativa
totalmente eficiente puesto que en muchas ocasiones no se ha considerado
adecuadamente el estado y la capacidad estructural del pavimento fisurado y la
calidad de la mezcla asfltica a utilizarse como sobre-carpeta de rehabilitacin, lo
que conlleva a la aparicin de fallas prematuras, afectando el desempeo y vida
til del pavimento restaurado.
Debido a los daos de fatiga por reflexin que puede sufrir la estructura de un
pavimento, en esta investigacin se analiz el comportamiento en laboratorio de
diferentes membranas antifisura S.A.M.I. combinadas con dos tipos de mezcla
asfltica como sobre-carpeta. La resistencia a la fatiga se evalu utilizando el
equipo Overlay Tester que permite simular los daos por oclusin y apertura de
las losas de concreto debido a los movimientos de las losas. En este trabajo se
comprob la eficiencia que tiene el uso de los sistemas antifisura S.A.M.I. en la
rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin.
Palabras claves:
Rehabilitacin, fatiga por reflexin, membranas antifisura S.A.M.I., geosintticos,
geotextil, geomalla de fibra de vidrio, asfalto modificado con GCR.
ABSTRACT
According to the IDU (Instituto de Desarrollo Urbano Urban Development
Institute) (2008) the most commonly used procedure for rehabilitation of flexible
and rigid pavements has been the pouring of an overlay of asphalt concrete.
Nevertheless, this has not been a completely efficient alternative because the
structural condition and capacity of the cracked pavement as well as the quality of
the asphalt mix are usually not taken into consideration. This can lead to the
premature appearance of new cracks which affects the performance and life of the
restored pavement.
To investigate fatigue and reflective cracking resulting in damage to pavement
structures we analyzed the behavior of various Stress Absorbing Membrane
Interlayers (S.A.M.I.). Different geo-synthetic membranes were combined with hot
mix asphalt modified with rubber and also with conventional hot mix asphalt.
Fatigue resistance was evaluated using an Overlay Tester which simulates
damage caused by the opening and closing of cracks due to movements of
pavement blocks. This study evaluated the efficiency of different S.A.M.I. variations
for rehabilitation of pavement damaged by reflecting cracking.
Keywords:
Rehabilitation, fatigue reflection, stress absorbing membrane interlayer S.A.M.I.,
geosynthetics, geotextile, geogrid fiberglass, modified asphalt GCR.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
i
CONTENIDO
Pg.
1 INTRODUCCIN 1
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIN 1
1.2 OBJETIVO GENERAL 4
1.3 OBJETIVOS ESPECFICOS 4
2 MARCO CONCEPTUAL 5
2.1 PAVIMENTO 5 2.1.1 Pavimentos flexibles 6 2.1.2 Pavimentos rgidos 7 2.1.3 Pavimentos semi-rgidos 9 2.1.4 Pavimentos en afirmado 9 2.1.5 Pavimentos articulados 9
2.2 DAOS EN PAVIMENTOS 10 2.2.1 Rehabilitacin superficial 13 2.2.2 Rehabilitacin estructural 14
2.3 FISURAS POR REFLEXIN 18
2.4 TRATAMIENTOS PARA PAVIMENTOS FISURADOS POR REFLEXIN 22 2.4.1 Geosintticos 22 2.4.2 Sistema de Membranas Antifisura S.A.M.I. 24
3 MATERIALES Y MTODOS 33
3.1 CARACTERIZACIN AGREGADOS 33 3.1.1 Caractersticas del agregado ptreo utilizado 33 3.1.2 Ensayos de caracterizacin para el agregado ptreo 34
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
ii
3.2 CARACTERIZACIN DEL ASFALTO 36 3.2.1 Caractersticas del ligante asfltico utilizado 37 3.2.2 Ensayos realizados al ligante asfltico 37
3.3 CARACTERIZACIN DEL ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO 39 3.3.1 Caractersticas del ligante asfltico modificado con caucho utilizado 40 3.3.2 Ensayos realizados al ligante asfltico modificado con caucho 41
3.4 DISEO VOLUMTRICO DE LA MEZCLA ASFLTICA CONVENCIONAL 43 3.4.1 Seleccin de los materiales 45 3.4.2 Seleccin de la estructura del agregado de diseo 47 3.4.3 Determinacin del porcentaje inicial de asfalto 51 3.4.4 Seleccin del porcentaje de ligante asfltico de diseo 64 3.4.5 Evaluacin de la sensibilidad a la humedad de la mezcla diseada 69
3.5 DISEO VOLUMTRICO DE LA MEZCLA ASFLTICA MODIFICADA CON CAUCHO 71 3.5.1 Seleccin de los materiales 72 3.5.2 Determinacin del porcentaje inicial de asfalto 72 3.5.3 Seleccin del porcentaje de ligante asfltico de diseo 73 3.5.4 Evaluacin de la sensibilidad a la humedad de la mezcla diseada 78
3.6 ENSAYOS DE FATIGA POR REFLEXIN 80 3.6.1 Ensamble de la probeta de ensayo 82 3.6.2 Parmetros del ensayo 85 3.6.3 Resultados de ensayo de fatiga por reflexin 87
4 ANLISIS DE RESULTADOS 93
4.1 DAO POR FATIGA EN CADA SISTEMA DE MEMBRANA ANTIFISURA S.A.M.I. 93
4.2 PROBABILIDAD DE FALLA DE CADA SISTEMA DE MEMBRANA ANTIFISURA S.A.M.I. 97
4.3 ANLISIS DE PRECIOS UNITARIOS 109
4.4 RELACIN BENEFICIO-COSTO 117
5 CONCLUSIONES 121
5.1 RESPECTO A LA RESISTENCIA A LA FATIGA 121
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
iii
5.2 RESPECTO AL DAO POR FATIGA 122
5.3 RESPECTO A LA PROBABILIDAD DE FALLA 122
5.4 RESPECTO AL ANLISIS DE PRECIOS UNITARIOS 122
5.5 RESPECTO A LA RELACIN BENEFICIO-COSTO 123
6 RECOMENDACIONES 125
7 BIBLIOGRAFA 127
ANEXOS 131
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
iv
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
v
LISTA DE ANEXOS
Anexo A Tipos de daos en pavimentos flexibles. Anexo B Tipos de daos en pavimentos rgidos Anexo C Tcnicas de rehabilitacin Anexo D Uso de los geosintticos en proyectos de pavimentacin Anexo E Especificaciones Geosintticos Anexo F Ensayos de caracterizacin agregados Anexo G Ensayos de caracterizacin ligante asfltico convencional Anexo H Ensayos de caracterizacin ligante asfltico modificado con GCR Anexo I Ficha Tcnica Riego de Liga
Anexo J Resultados del ensayo de reflexin por fatiga para ligante asfltico convencional
Anexo K Resultados del ensayo de reflexin por fatiga para ligante asfltico modificado con GCR
Anexo L Dao y probabilidad de falla para la mezcla convencional y la modificada con GCR, en funcin del nmero del nmero de ciclo para cada desplazamiento actuante d
Anexo M Anlisis de precios unitarios Anexo N Relacin beneficio-costo
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
vi
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
vii
LISTA DE FIGURAS
Pg.
Figura 1. Estructura pavimento flexible ................................................................... 7
Figura 2. Diagrama de distribucin de carga en un pavimento flexible ................... 7
Figura 3. Estructura pavimento rgido ..................................................................... 8
Figura 4. Diagrama de distribucin de carga en un pavimento rgido ..................... 8
Figura 5. Estructura pavimento articulado ............................................................. 10
Figura 6. Comportamiento de las fisuras en la sobre-carpeta ............................... 18
Figura 7. Esquema desarrollo de las fisuras ......................................................... 19
Figura 8. Equipo Overlay Tester del Instituto de Transporte de Texas ................. 20
Figura 9. SAMI para controlar el reflejo de grietas ................................................ 25
Figura 10. Franjas granulomtricas para la mezcla asfltica tipo MDC-2 ............. 34
Figura 11 Curva reolgica para el ligante asfltico convencional .......................... 38
Figura 12 Curva reolgica para el ligante asfltico modificado con GCR .............. 42
Figura 13 Granulometra de la mezcla MDC-2 ...................................................... 50
Figura 14 Grfico de la densificacin para la mezcla asfltica MDC-2 .................. 58
Figura 15 Curvas de densificacin promedio para la mezcla asfltica MDC-2 ...... 65
Figura 16 Vacos de aire versus el contenido de ligante asfltico para una mezcla
asfltica MDC-2 ..................................................................................................... 67
Figura 17 VAM versus el contenido de ligante asfltico para una mezcla asfltica
MDC-2 ................................................................................................................... 67
Figura 18 VFA versus el contenido de ligante asfltico para una mezcla asfltica
MDC-2 ................................................................................................................... 68
Figura 19 %Gmm@Ninicial versus el contenido de ligante asfltico para una mezcla asfltica MDC-2 ........................................................................................ 68
Figura 20 %Gmm@N versus el contenido de ligante asfltico para una mezcla asfltica MDC-2 ........................................................................................ 69
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
viii
Figura 21 Ensayo de susceptibilidad. Resistencia a la traccin mezcla asfltica
convencional ......................................................................................................... 70
Figura 22 Ensayo de susceptibilidad mezcla asfltica convencional ..................... 71
Figura 23 Curvas de densificacin promedio para la mezcla asfltica modificada
con GCR................................................................................................................ 74
Figura 24 Vacos de aire versus el contenido de ligante asfltico para la mezcla
asfltica modificada con GCR ............................................................................... 76
Figura 25 VAM versus el contenido de ligante asfltico para la mezcla asfltica
modificada con GCR ............................................................................................. 76
Figura 26 VFA versus el contenido de ligante asfltico para la mezcla asfltica
modificada con GCR ............................................................................................. 77
Figura 27 %Gmm@Ninicial versus el contenido de ligante asfltico para la mezcla asfltica modificada con GCR ............................................................................... 77
Figura 28 %Gmm@N versus el contenido de ligante asfltico para la mezcla asfltica modificada con GCR ................................................................... 78
Figura 29 Ensayo de susceptibilidad. Resistencia a la traccin mezcla asfltica
modificada con GCR ............................................................................................. 79
Figura 30 Ensayo de susceptibilidad mezcla asfltica modificada con GCR ........ 80
Figura 31. Corte de la probeta ............................................................................... 81
Figura 32 Esquema estructural de las probetas .................................................... 84
Figura 33 Relacin entre el perodo ptimo y la deformacin ............................... 86
Figura 34 Comparacin leyes de fatiga en Equipo de Reflexin sin S.A.M.I. ........ 89
Figura 35 Comparacin leyes de fatiga en Equipo de Reflexin S.A.M.I.1 ........... 89
Figura 36 Comparacin leyes de fatiga en Equipo de Reflexin S.A.M.I.2 ........... 90
Figura 37 Comparacin leyes de fatiga en Equipo de Reflexin S.A.M.I.3 ........... 90
Figura 38 Comparacin leyes de fatiga en Equipo de Reflexin S.A.M.I.4 ........... 91
Figura 39 Relacin dao por fatiga y el desplazamiento para mezcla asfltica
convencional MDC-2 ............................................................................................. 95
Figura 40 Relacin dao por fatiga y el desplazamiento para mezcla asfltica
modificada con GCR ............................................................................................. 96
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
ix
Figura 41 Relacin del incremento de nmero ciclos de apertura y oclusin de los
sistemas S.A.M.I. respecto al sistema convencional (sin sistema S.A.M.I) con
sobre-carpeta asfltica convencional .................................................................. 102
Figura 42 Relacin del incremento de nmero ciclos de apertura y oclusin de los
sistemas S.A.M.I. respecto al sistema convencional (sin sistema S.A.M.I) con
sobre-carpeta asfltica modificada con GCR ...................................................... 103
Figura 43 Probabilidad de falla de la mezcla convencional y la modificada con
GRC con un desplazamiento 1 mm ..................................................................... 104
Figura 44 Probabilidad de falla de la mezcla convencional y la modificada con
GRC con un desplazamiento 3 mm ..................................................................... 105
Figura 45 Probabilidad de falla de la mezcla convencional y la modificada con
GRC con un desplazamiento 10 mm ................................................................... 106
Figura 46 Probabilidad de falla de la mezcla convencional y la modificada con
GRC con un desplazamiento 25 mm ................................................................... 107
Figura 47 Probabilidad de falla de la mezcla convencional y la modificada con
GRC con un desplazamiento 30 mm ................................................................... 108
Figura 48 Relacin de precios unitarios para el equipo, los materiales y la mano de
obra necesarios para la colocacin de los sistemas S.A.M.I. .............................. 111
Figura 49 Anlisis de precios unitarios para de la mezcla convencional y la
modificada con GRC con un desplazamiento 1 mm ............................................ 112
Figura 50 Anlisis de precios unitarios para de la mezcla convencional y la
modificada con GRC con un desplazamiento 3 mm ............................................ 113
Figura 51 Anlisis de precios unitarios para de la mezcla convencional y la
modificada con GRC con un desplazamiento 10 mm .......................................... 114
Figura 52 Anlisis de precios unitarios para de la mezcla convencional y la
modificada con GRC con un desplazamiento 25 mm .......................................... 115
Figura 53 Anlisis de precios unitarios para de la mezcla convencional y la
modificada con GRC con un desplazamiento 30 mm .......................................... 116
Figura 54 Valor de los costos por nmero de ciclos para la colocacin de los
sistemas S.A.M.I. con mezcla asfltica convencional como sobre-carpeta ......... 118
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
x
Figura 55 Valor de los costos por nmero de ciclos para la colocacin de los
sistemas S.A.M.I. con mezcla asfltica modificada con GCR como sobre-carpeta
............................................................................................................................ 119
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
xi
LISTA DE TABLAS
Pg.
TABLA 1. Ensayos de caracterizacin agregado ptreo ....................................... 36
TABLA 2. Ensayos de caracterizacin al ligante asfltico convencional ............... 39
TABLA 3 Especificacin internacional ASTM D 6114-97 ...................................... 41
TABLA 4 Ensayos de caracterizacin ligante asfltico modificado con GCR ........ 43
TABLA 5. Propiedades agregados ptreos ........................................................... 46
TABLA 6 Criterio granulomtrico tamao mx. Nominal 12.5 mm ........................ 48
TABLA7 Granulometra de diseo- mezcla asfltica MDC-2 ................................. 49
TABLA 8 Propiedades de los agregados ptreos para la mezcla asfltica MDC-2 50
TABLA 9 Esfuerzos del compactador giratorio SUPERPAVE ............................... 54
TABLA 10 Condiciones de diseo mezcla asfltica MDC-2 .................................. 55
TABLA 11 Variables para el clculo de la densificacin para la mezcla asfltica
MDC-2 ................................................................................................................... 57
TABLA 12 Datos de la densificacin para la mezcla asfltica MDC-2 ................... 57
TABLA13 Valores de densificacin y del criterio para la mezcla asfltica MDC-2 59
TABLA 14 Resumen de la compactacin de la mezcla asfltica con 6.0% de
asfalto .................................................................................................................... 59
TABLA 15 Resumen de la compactacin de la mezcla asfltica con 6.43% de
asfalto .................................................................................................................... 62
TABLA 16 Criterios volumtricos y de densificacin para la mezcla asfltica ....... 62
TABLA 17 Resumen de los valores de compactacin de la mezcla asfltica MDC-2
.............................................................................................................................. 66
TABLA 18 Resumen de las propiedades volumtricas de la mezcla asfltica MDC-
2 ............................................................................................................................ 66
TABLA 19. Propiedades de la mezcla de diseo con 6.2% de ligante .................. 69
TABLA 20 Parmetros de la mezcla con un porcentaje inicial de asfalto modificado
.............................................................................................................................. 73
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
xii
TABLA 21 Resumen de los valores de compactacin de la mezcla asfltica
modificada con GCR ............................................................................................. 74
TABLA 22 Resumen de las propiedades volumtricas de la mezcla asfltica
modificada con GCR ............................................................................................. 75
TABLA 23 Propiedades de la mezcla de diseo con 7.7% de ligante modificado
con GCR................................................................................................................ 78
TABLA 24 Membrana antifisura S.A.M.I con mezcla asfltica convencional (MDC-
2). .......................................................................................................................... 85
TABLA 25 Membrana antifisura S.A.M.I con mezcla asfltica tipo IDU modificada
con Grano de caucho reciclado GCR. ................................................................... 85
TABLA 26 Relacin entre el perodo ptimo y la deformacin .............................. 87
TABLA 27 Nmero de ciclos para la falla mezcla asfltica convencional MDC-2 . 87
TABLA 28 Nmero de ciclos para la falla mezcla asfltica modificada con GCR .. 88
TABLA 29 Comparacin entre las pendientes de fatiga obtenidas para las mezclas
asfltica convencional y modificada con GCR ....................................................... 88
TABLA 30 Dao por fatiga para mezcla asfltica convencional MDC-2 ................ 95
TABLA 31 Dao por para mezcla asfltica modificada con GCR .......................... 96
TABLA 32 Desviacin estndar de la ley de fatiga ................................................ 99
TABLA 33 Desviacin estndar de los espesores de las capas .......................... 100
TABLA 34 Resumen del anlisis de precios unitarios para el equipo, los materiales
y la mano de obra necesarios para la colocacin de los sistemas S.A.M.I. ........ 109
TABLA 35 Resumen del anlisis de precios unitarios para el equipo, los materiales
y la mano de obra necesarios para la colocacin de los sistemas S.A.M.I. ........ 110
TABLA 36 Probabilidad de falla en funcin del trfico y del material .................. 117
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
xiii
LISTA DE CUADROS
Cuadro 1-A Especificaciones tcnicas del geotextil no tejido. PAVCO REPAV 450 (en ANEXO A) Cuadro 1-B Especificaciones tcnicas del geotextil no tejido. PAVCO NT1800 Cuadro 2 Requerimientos de la geomalla de polister. FORTGRID BX65
Cuadro 3 Especificaciones tcnicas de la geomalla de fibra de vidrio. PAVCO R-100
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
xiv
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
xv
LISTA DE FOTOGRAFAS
Pg.
Fotografa 1. Red vial de carreteras, pavimentos rgido y flexible. Departamento de
Risaralda ............................................................................................................... 12
Fotografa 2. Obras de rehabilitacin Ocaa, Norte de Santander ........................ 17
Fotografa 3. Equipo Overlay Tester. Pontificia Universidad Javeriana ................. 21
Fotografa 4. Geotextil no tejido referencia PAVCO REPAV450 ........................... 27
Fotografa 5. Geomalla de polister, Geomatrix Fortgrid BX .............................. 28
Fotografa 6. Geomalla fibra de vidrio referencia PAVCO R100 ........................... 29
Fotografa 7. Corte de las probetas para la simulacin de fisuras ......................... 82
Planteamiento del Problema y Justificacin
1
1 INTRODUCCIN
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIN
De acuerdo el Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), el subsistema vial de Bogot
est compuesto por la malla vial arterial, la intermedia, y la local, que
corresponden al 94.6% de la malla vial de la ciudad, de la cual el 43% del sistema
se encuentran en mal estado segn el ndice de Condicin del Pavimento PCI
(Instituto de Desarrollo Urbano IDU, 2009). El esquema para optimizar las
condiciones del corredor vial se basa en la ejecucin de obras de mantenimiento,
rehabilitacin, reconstruccin, y construccin, para la cual se destina un
presupuesto limitado, debido a la gran demanda de proyectos que requieren
mejoras.
La prolongacin de la vida til de las vas ha sido una permanente preocupacin
por parte de las entidades pblicas a nivel nacional e internacional, las cuales se
encargan de la construccin y del posterior mantenimiento de las mismas (Kleman
J., 1998). Por esta razn, es de gran importancia la utilizacin de materiales que
refuercen y mejoren las caractersticas de los pavimentos. En el caso de las capas
de conformacin de pavimentos con materiales no ligados, la necesidad de
reforzarlas, cada vez encuentra mayor aplicacin debido a las altas demandas de
carga, calidad y disponibilidad de materiales, tanto que en 1926 se implement el
uso de fibras sintticas para reforzar las estructuras de pavimento (Mejia Flores
L.E. y Caro Spinel S., 2008). Con la aparicin de los geosintticos, los
investigadores han hecho un aporte significativo a la ingeniera, destacando su
desempeo en aplicaciones especficas, y logrando cuantificar su beneficio en
proyectos de repavimentacin (Kleman J., 1998).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
2
Usualmente, la tcnica empleada para la recuperacin de las capas fisuradas de
pavimento, es la colocacin de sobre-carpetas asflticas; sin embargo, este tipo
de rehabilitacin presenta dificultades, ya que no es capaz de evitar o retardar la
reflexin de grietas en los pavimentos producto de las fisuras y discontinuidades
en el pavimento a rehabilitar. Dadas las condiciones en las que se encuentra la
estructura, se puede optar por dos posibles soluciones, en donde se establece
aumentar el espesor de la capa asfltica y la utilizacin de asfaltos modificados en
las mezclas asflticas para sobre-carpeta (Pardo Rojas M.A. y Canata Zaror M.T.,
2002).
Ante el agrietamiento por reflexin, estudios han destacado el uso de S.A.M.I (por
sus siglas en ingls de Stress Absorbing Membrane Interlayer). La S.A.M.I es una
membrana absorbente de esfuerzos mecnicos combinados, los cuales se
concentran debido a las fisuras y grietas en pavimentos existentes deteriorados, y
que se desean rehabilitar para prolongar su vida til (Botasso G. et al., 2010).
Existen diferentes sistemas de materiales que componen la S.A.M.I, y que son
ampliamente utilizados en la rehabilitacin de pavimentos deteriorados. En la
implementacin de S.A.M.I. se ha planteado el uso de geosintticos como
geomallas, geotextiles y geocompuestos.
Cabe destacar que los geosintticos tienen una amplia gama de funciones, ya que
no slo se implementan para contrarrestar el fisuramiento del pavimento, sino que
tambin, en el caso los geotextiles no tejidos, funcionan como una barrera que
protege las capas inferiores de la estructura del pavimento evitando el ingreso del
agua superficial. Por otra parte, las geomallas contribuyen a resistir los esfuerzos
de tensin producidos en la base de la sobre-carpeta incrementando la vida til del
Planteamiento del Problema y Justificacin
3
pavimento al lograr disminuir o evitar la propagacin de las fisuras (Rodrguez
Peralta J.A., 2004).
Al igual que el uso de los geosintticos, incorporar caucho molido de llantas a la
mezcla asfltica empleada como S.A.M.I. (proceso por va hmeda o seca) se
mejoran las propiedades de la mezcla aumentando su resistencia al fisuramiento.
En el 2002 y 2003, la Universidad de Los Andes desarroll para el IDU una serie
de estudios para determinar el comportamiento que presenta el caucho molido
proveniente de llantas al ser adicionado a una mezcla asfltica, en donde se
concluy que este material mejora la resistencia al fisuramiento por fatiga,
aumentado de tal forma la competitividad de la estructura (Universidad de los
Andes, 2002).
Han sido muchos los estudios para establecer qu tipo de materiales son mejores
para conformar las membranas antifisuras S.A.M.I; sin embargo, en muchos de los
casos estudiados no se ha implementado un tipo de ensayo adecuado para
determinar la efectividad de estos materiales (p. ej. un equipo que simule
realmente el mecanismo de reflexin de fisuras que experimenta la estructura del
pavimento). Por esta razn se considera necesario realizar una investigacin
sobre el comportamiento del pavimento con capas S.A.M.I. ante el efecto de la
fisuracin por reflexin, utilizando un equipo de fatiga que permita reproducir en
laboratorio ste fenmeno.
En la Universidad Javeriana, como trabajo de grado en la Maestra de Ingeniera
Civil, se desarroll una investigacin para caracterizar la resistencia de las
mezclas asflticas ante la fisuracin por reflexin, mediante el uso del Overlay
Tester. Este equipo permite simular la apertura y cierre de las discontinuidades en
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
4
una capa rgida fisurada, mecanismo que es la principal fuente para inducir las
grietas de reflexin (Zhou F. y Scullion T., 2004b).
1.2 OBJETIVO GENERAL
Evaluar el comportamiento ante el fenmeno de fisuracin por reflexin de dos
clases de mezclas asflticas (INVIAS tipo MDC-2 y asfalto modificado con grano
de caucho reciclado GCR), cada una combinada con cuatro sistemas diferentes de
membranas antifisuras S.A.M.I.
1.3 OBJETIVOS ESPECFICOS
Caracterizar las mezclas asflticas combinadas con las membranas
antifisuras S.A.M.I propuestas, de acuerdo a su resistencia a la fatiga por
reflexin.
Determinar la viabilidad del uso de las diferentes membranas antifisuras
S.A.M.I. analizadas en este trabajo de acuerdo a su relacin beneficio-costo
a partir del nmero de ciclos de apertura y oclusin.
Evaluar el costo de fabricacin y colocacin en la va de las diferentes
membranas antifisuras S.A.M.I. analizadas en este trabajo.
Marco Conceptual
5
2 MARCO CONCEPTUAL
2.1 PAVIMENTO
El pavimento es una estructura vial constituida por un conjunto de capas
superpuestas, relativamente horizontales, que se disean y construyen con
materiales seleccionados, adecuadamente compactados, y que se apoyan sobre
la subrasante. El pavimento debe ser capaz de resistir los esfuerzos que las
cargas impuestas por el trnsito y la accin del medioambiente le imponen durante
el perodo de diseo, as como soportar las deformaciones mximas admisibles
por los materiales que lo conforman (Instituto Nacional de Vas INVIAS, 2007);
adems de proporcionar circulacin de los vehculos con rapidez, comodidad,
seguridad y economa (Fernndez Ordoez H.O., 1985).
De acuerdo con Montejo (2006), algunas de las caractersticas que debe tener el
pavimento para satisfacer adecuadamente sus funciones son:
Ser resistente a la accin de las cargas impuestas por el trnsito.
Ser resistente ante los agentes de intemperismo.
Presentar una textura superficial adecuada a las velocidades previstas de
circulacin de los vehculos, por cuanto esta tiene una influencia decisiva en la
seguridad vial. Adems, debe ser resistente al desgaste producido por el
efecto abrasivo de las llantas de los vehculos.
Presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que
permita una adecuada comodidad a los usuarios en funcin de las longitudes
de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulacin.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
6
Ser durable y econmico.
Presentar condiciones adecuadas de drenaje.
Poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos y ofrecer
una adecuada seguridad del trnsito.
El ruido generado por el paso de los vehculos en la va debe ser moderado
tanto en el interior de los vehculos como en el exterior, de tal forma que no se
vea afectado el entorno.
Los pavimentos han sido clasificados en flexibles, rgidos, semi-rgidos, en
afirmado y articulado.
2.1.1 Pavimentos flexibles
Este tipo de pavimento (Figura 1) est constituido por una capa asfltica apoyada
sobre una o varias capas de gran flexibilidad, denominadas como base y subbase
granular. Debido a la alta flexibilidad de la carpeta asfltica (capacidad de gran
deformacin sin rotura bajo la accin de una carga), el peso del vehculo que
transita sobre la superficie es prcticamente una carga concentrada, cuyo efecto
se disminuye a travs del espesor de las capas subyacentes, hasta llegar
distribuido y atenuado a la subrasante, como se muestra en la Figura 2 (Instituto
Colombiano de Productores de Cemento ICPC, 1975).
Marco Conceptual
7
Figura 1. Estructura pavimento flexible
Fuente: Stephen T. Muench (2010)
Figura 2. Diagrama de distribucin de carga en un pavimento flexible
Fuente: Stephen T. Muench (2010)
2.1.2 Pavimentos rgidos
El pavimento rgido (Figura 3) est constituido por una losa de concreto hidrulico,
apoyado sobre la subrasante o sobre una capa de material seleccionado, la cual
se denomina subbase granular. En este tipo de pavimentos, la alta rigidez del
concreto y el elevado coeficiente de elasticidad hacen que la distribucin de
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
8
esfuerzos se produzca en una zona muy amplia (Figura 4); adems, el concreto
tiene la capacidad de resistir en cierto grado los esfuerzos a tensin. El
comportamiento de un pavimento rgido es satisfactorio aun cuando existan zonas
dbiles en la subrasante (Instituto de Desarrollo Urbano IDU, 2007).
Figura 3. Estructura pavimento rgido
Fuente: Stephen T. Muench (2010)
Figura 4. Diagrama de distribucin de carga en un pavimento rgido
Fuente: Stephen T. Muench (2010)
Marco Conceptual
9
2.1.3 Pavimentos semi-rgidos
En las ltimas dcadas se ha usado un nuevo tipo de estructura conocida como
pavimento mixto o semi-rgido, que es, esencialmente un pavimento flexible en
el cual, a alguna de sus capas granulares se ha mejorado su rigidez mediante
tratamientos especficos con materiales como asfalto, cemento, cal, u otros para
este fin.
La transmisin de los esfuerzos a la subrasante se hace en parte por disipacin y
otra por reparticin; por eso se asume que un pavimento semi-rgido tiene un
comportamiento mixto (Higuera Sandoval C.H., 2010).
2.1.4 Pavimentos en afirmado
Los pavimentos en afirmado son estructuras constituidas por una o ms capas de
material granular seleccionado, colocadas, extendidas y compactadas sobre una
subrasante, para resistir y distribuir las cargas y los esfuerzos ocasionados por el
paso de los vehculos, y as mejorar las condiciones de comodidad y seguridad del
trnsito (Instituto de Desarrollo Urbano IDU, 2007).
2.1.5 Pavimentos articulados
Este tipo de pavimento est formado por elementos prefabricados (bloques o
adoquines) de pequeas dimensiones. Posee importantes ventajas que se
demuestran con soluciones tcnicas y decorativas para todo tipo de trnsito. El
pavimento articulado se caracteriza por soportar grandes cargas, conservando un
aspecto esttico y econmico.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
10
Los adoquines o bloques se asientan sobre una capa de arena, que se comporta a
su vez como una junta de sellado. Esta capa de arena se apoya sobre la subbase
o directamente sobre la subrasante, dependiendo de sus calidades, como se
muestra en la Figura 5 (Higuera Sandoval C.H., 2010).
Figura 5. Estructura pavimento articulado
Fuente: www.adoquinesdehormigon.com.ar
2.2 DAOS EN PAVIMENTOS
El Manual del IDU para la Inspeccin de Pavimentos clasifica en cuatro categoras
los daos que puede presentar una estructura de pavimento, tanto par flexibles
como rgidos. Para un pavimento flexible, estas categoras son: fisuras,
deformaciones, prdida de capas estructurales, y daos superficiales; en el
ANEXO A se presentan los tipos de daos encontrados en los pavimentos
flexibles segn su categora. Para un pavimento rgido, las categoras son: grietas,
deterioro de las juntas, deterioro superficial y otros deterioros. En el ANEXO B se
Marco Conceptual
11
presentan los tipos de daos encontrados en los pavimentos rgidos segn su
categora.
Los daos en los pavimentos flexibles se deben a mltiples causas, entre las
cuales se encuentran las debidas a la mala calidad de las mezclas asflticas
debidas a fallas en los procesos de produccin o a la calidad de los materiales
usados, y por los procesos constructivos; es por esto que para este tipo de
pavimento se exige un mayor control de calidad, el cual se debe aplicar desde su
diseo hasta su construccin (Instituto de Desarrollo Urbano IDU, 2007).
De acuerdo con el Instituto Nacional de Vas (INVAS), la infraestructura vial
conformada por pavimentos rgidos en Colombia presenta un alto deterioro notable
en algunas zonas del pas (Instituto Nacional de Vas INVIAS, 2007). La
degradacin progresiva de estas estructuras parece estar asociada al aumento de
cargas de los vehculos comerciales que superan las cargas de diseo, y a la
generalizada ausencia de actividades de mantenimiento rutinario y peridico.
El bajo nivel servicio de un pavimento se da conforme a la prdida estructural,
funcional, y de drenaje de la estructura, evidencindose fisuras, deformaciones,
prdida de las capas estructurales, y daos superficiales, entre otros. Ante las
deficiencias que puede presentar una estructura de pavimento, se selecciona el
tipo de obra de rehabilitacin como tcnica de mejoramiento funcional o estructural
del mismo, las cuales dan lugar tanto a una extensin de su vida de servicio, como
a la provisin de una superficie de rodamiento ms cmoda y segura (Instituto de
Desarrollo Urbano IDU, 2008).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
12
Existen diferentes mtodos para la evaluacin de los defectos en los pavimentos,
y que sirven para caracterizar su nivel de severidad, siendo estos: alto, medio o
bajo. Entre los ms utilizados en el mundo se encuentran el Manual de Condicin
del Pavimento (PCI) desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros, y el programa
estratgico de Investigacin de carreteras, conocido por sus siglas en ingls como
SHRP (Strategic Highway Research Program); en Colombia, para este fin,
predomina el Manual para la Inspeccin de Pavimentos realizado por el INVIAS
(Vsquez Torres L.C., 2000).
El manual para la evaluacin de los defectos en los pavimentos del INVIAS se
basa en el estudio e investigacin del estado actual de las obras de la red nacional
de carreteras, el cual contiene herramientas prcticas a fin de obtener un informe
de los daos encontrados durante una inspeccin visual, permitiendo identificar el
tipo, magnitud y severidad de los mismos. Sin embargo, el documento solo
describe los diferentes tipos de daos que se presentan en los pavimentos
flexibles y rgidos, ya que la red vial nacional de carreteras se encuentra
construida solo con estos dos tipos de estructuras (Fotografa 1).
Fotografa 1. Red vial de carreteras, pavimentos rgido y flexible. Departamento de Risaralda
Fuente: Instituto Nacional de Vas (2009)
Marco Conceptual
13
Existen varios mtodos para rehabilitar pavimentos o corregir las deficiencias en
determinados tramos de la va; segn las condiciones en las que sta se
encuentre, se puede presentar dos tipos de rehabilitacin: superficial o estructural.
2.2.1 Rehabilitacin superficial
Las medidas de rehabilitacin superficial resuelven problemas relacionados con
las capas superiores del pavimento, usualmente dentro de los 100 mm superiores.
Las deficiencias que se presentan estn relacionadas con el envejecimiento del
asfalto y con el agrietamiento que se origina en la superficie debido a factores
trmicos. Los mtodos ms comunes para tratar este tipo de problemas incluyen:
Colocacin de sobre-carpetas. Consiste en la colocacin sobre la superficie
existente de una sobre-carpeta delgada, de espesores inferiores a los 35 mm
(con un tamao mximo nominal de agregado de o ) de mezcla asfltica
en caliente o en fro. Esta es la solucin ms simple, ya que el tiempo
requerido para completar los trabajos es corto y existe un impacto mnimo
sobre los usuarios de la va. Usualmente se emplean asfaltos modificados con
el propsito de mejorar el comportamiento y alargar la vida til de la nueva
carpeta asfltica. Sin embargo, se pueden presentar problemas de drenajes y
de accesos al incrementarse la cota superficial dificultando el paso del agua a
las estructuras hidrulicas.
Fresado y reemplazo. En este mtodo se retiran las capas afectadas por el
agrietamiento, y se reemplazan con mezcla asfltica nueva. A menudo
estas mezclas estn fabricadas con ligantes modificados. El proceso es
relativamente rpido debido a las altas capacidades de produccin de las
fresadoras modernas y a la capacidad de produccin y colocacin de la
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
14
mezcla. Desafortunadamente, la mayora de las especificaciones de
fresado exigen una profundidad de fresado especfica, lo cual no asegura
que se obtendr una superficie completamente plana.
Reciclaje. Esta metodologa consiste en el reciclaje del material del
pavimento existente con el fin de rejuvenecer su ligante asfltico;
adicionalmente, las propiedades de la mezcla reciclada pueden modificarse
mediante la incorporacin de materiales nuevos.Sin embargo, no todo son
ventajas en el reciclado de firmes, ya que desde el punto de vista tcnico, la
utilizacin del material procedente del fresado de pavimentos antiguos,
denominado genricamente RAP (Reclaimed Asphalt Pavement), modifica
el comportamiento mecnico de las mezclas bituminosas a las que se
incorpora, ya sea porque los ridos producidos durante el fresado no tienen
una granulometra estandarizada o porque estos ridos reutilizados estn
envueltos por betn envejecido, que lleva a obtener una mezcla ms rgida
y probablemente ms frgil de lo que sera en el caso de utilizar un rido
virgen (Don Brock J., 2011).
En el ANEXO C se presentan las alternativas de rehabilitacin superficial para
pavimentos flexibles y rgidos (Sanchz Sabogal F., 2009).
2.2.2 Rehabilitacin estructural
La rehabilitacin estructural, para resolver problemas de la estructura del
pavimento existente, normalmente se trata como una solucin a largo plazo. Al
resolver los problemas estructurales, debe entenderse que la estructura del
pavimento es la que tiene las fallas, y no necesariamente los problemas se
encuentren en los materiales que la constituyen. La densificacin (o consolidacin)
de los materiales granulares es, de hecho, una forma de mejoramiento, debido a
Marco Conceptual
15
que a mayor densidad de un material, mejores sern sus caractersticas de
resistencia; sin embargo, la densificacin causa problemas en las capas
superiores, especialmente en aquellas construidas con materiales ligados.
Entre las tcnicas ms utilizadas para rehabilitacin estructural se encuentran:
Reconstruccin total. Esta opcin se elige cuando se combina la rehabilitacin
con una decisin de mejoramiento que demanda un cambio significativo en la
estructura de pavimento. La reconstruccin esencialmente implica el cambio
de toda la estructura, requiriendo un alto valor econmico puesto que se debe
comenzar de nuevo. Cuando se tiene altos volmenes de trfico es preferible
construir una va alterna para evitar problemas con el trfico.
Construccin de capas adicionales, de materiales granulares o mezclas
asflticas, sobre la superficie existente. Con frecuencia, la colocacin de
capas asflticas gruesas en vas donde los volmenes de trfico son altos, es
la solucin ms fcil para los problemas estructurales. Sin embargo, como ya
se indic, un incremento en el nivel superficial trae con sigo problemas en el
escurrimiento, los drenajes, y/o los accesos.
Reciclaje hasta la profundidad en que presentan los problemas, creando
una capa gruesa y homognea, con caractersticas de resistencia
superiores. El objetivo de reciclar los materiales existentes es el de tratar de
reutilizarlos al mximo. En aquellos casos en que el pavimento se va a
mejorar significativamente, pueden ponerse capas adicionales sobre las
recicladas. Usualmente se agregan agentes estabilizadores a los materiales
reciclados, en especial cuando el material existente en el pavimento no est
en buenas condiciones y se requiere su refuerzo. Adems de recuperar los
materiales de las capas superiores, la estructura del pavimento bajo el nivel
de reciclaje permanece igual (Gonzlez R. et al., 2002).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
16
El reciclado de un pavimento puede presentar algunos inconvenientes o
limitaciones como son:
- Mayor heterogeneidad respecto a una mezcla nueva.
- Posible aparicin de grietas longitudinales si no se adoptan las
precauciones pertinentes para garantizar una adecuada unin entre
los materiales de capas adyacentes.
- Operacin algo ms lenta que la del simple refuerzo con capas de
mezclas bituminosas, cuando no es necesario el fresado previo de
las existentes (Jofre C. y Fernndez R., 2000).
Segn el Instituto de Desarrollo Urbano IDU (2008), el procedimiento ms utilizado
en la rehabilitacin de pavimentos flexibles y rgidos ha sido la colocacin de
sobre-carpetas de concreto asfltico; sin embargo, no ha sido una alternativa
totalmente eficiente, puesto que en muchas ocasiones no se ha considerado
adecuadamente el estado y la capacidad estructural del pavimento, lo que
conlleva a la aparicin de fallas prematuras en las obras construidas. Los motivos
para que esto suceda son variados:
Inadecuada seleccin en la colocacin de una sobre-carpeta como mtodo de
rehabilitacin.
Escogencia de un tipo inapropiado de sobre-carpeta.
Espesor insuficiente de la sobre-carpeta.
Fallas en el diseo y en la elaboracin de la mezcla.
Deficiente reparacin previa de las reas deterioradas.
Inadecuada consideracin del fenmeno de reflexin de fisuras.
Deficiencias en el proceso constructivo.
Marco Conceptual
17
Fotografa 2. Obras de rehabilitacin Ocaa, Norte de Santander
Fuente: Alcalda Ocaa N.d.S (2011)
El tipo ms comn de sobre-carpeta es aquel que se construye con mezclas
densas en caliente del tipo concreto asfltico (MDC-2 segn la especificacin
INVAS o MD12 segn la especificacin IDU), elaboradas con cementos asflticos
convencionales o modificados con polmeros (Fotografa 2). El xito en la
colocacin de sta sobre-carpeta est en la certeza de que ser la solucin de
rehabilitacin apropiada. Establecido lo anterior, la determinacin del tipo y
espesor del refuerzo son variables de gran importancia a considerar, as como la
definicin del tratamiento requerido para el pavimento deteriorado antes de su
colocacin.
Por ltimo, es preciso que el proceso constructivo se ajuste a lo establecido en las
especificaciones de construccin locales (Instituto de Desarrollo Urbano IDU,
2008).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
18
2.3 FISURAS POR REFLEXIN
En el momento de seleccionar la colocacin de sobre-carpetas asflticas, como
alternativa de rehabilitacin de los pavimentos rgidos fisurados, se debe
considerar el tratamiento previo que la estructura debe tener, ya que sin una
adecuada atencin de ste se pueden reflejar, a corto tiempo, las fisuras de la
estructura existente.
Figura 6. Comportamiento de las fisuras en la sobre-carpeta
Fuente: Tensar Internacional GlasGrid (2006)
Se conoce como fenmeno de reflexin a la propagacin de fisuras desde el fondo
de una capa estructural hasta su superficie (Figura 6), y se originan por
movimientos horizontales y/o verticales entre los bloques rgidos de la capa de
soporte. Estos movimientos generan concentracin de esfuerzos de tensin y/o
corte en la capa ubicada sobre las juntas y/o fisuras de la capa rgida en
movimiento (Figura 7).
Marco Conceptual
19
Figura 7. Esquema desarrollo de las fisuras
Fuente: Zhou F. et al (2009)
El movimiento horizontal se produce por efectos ambientales, especficamente por
los cambios de temperatura que sufre el pavimento, ya que genera contracciones
en la estructura e incrementan la abertura de las fisuras de la capa existente,
originando concentracin de esfuerzo de tensin en la sobre-carpeta asfltica. El
desarrollo de las fisuras por reflexin en el pavimento, depende de la magnitud y la
velocidad de cambio de la temperatura, de la geometra del pavimento fisurado, de
la distancia entre las juntas o fisuras, y de las propiedades del material de la
sobre-carpeta (Instituto de Desarrollo Urbano IDU, 2008).
Por otro lado, el movimiento vertical se produce por movimientos verticales
diferenciales en las discontinuidades generados por las cargas al paso de los
vehculos, originando concentracin de esfuerzo de corte en la sobre-carpeta
asfltica. Con este tipo de movimiento, la estructura del pavimento se ve afectada
por factores como la magnitud de la carga, la transferencia de carga entre losas o
bloques rgidos, y el apoyo de la subrasante (Vera Silva J., 2012).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
20
Debido a los inconvenientes que genera el fenmeno de fisuracin por reflexin en
la estructura del pavimento, el estado del arte ha contemplado investigaciones
enfocadas en ensayos de laboratorio donde se emplee un equipo de fatiga que
permita reproducir ste fenmeno.
El equipo ms utilizado para reproducir el fenmeno de fisuracin por reflexin se
conoce como Overlay Tester (Figura 8), el cual fue desarrollado por el Instituto de
Transporte de Texas. Este equipo permite generar repeticiones de apertura y
cierre de las juntas de manera cclica, simulando de la mejor manera posible los
cambios ocurridos en el pavimento por la accin del gradiente trmico, siendo
stas las principales causas para inducir las fisuras por reflexin.
Figura 8. Equipo Overlay Tester del Instituto de Transporte de Texas
Fuente: Zhou F. et al (2009)
Las caractersticas de funcionamiento del equipo permiten que, factores como el
tiempo, el desplazamiento y la fuerza, sean registrados por un sistema
computarizado, permitiendo establecer el nmero de ciclos para que se generen
Marco Conceptual
21
fisuras en la muestra (Zhou F. y Scullion T., 2004b). De igual forma permite
ensayar muestras asflticas elaboradas en laboratorio con el Compactador
Giratorio SUPERPAVE, puesto que el tamao de las muestras elaboradas en
laboratorio facilita que sea un ensayo prctico y fcil de manejar, ajustndose a los
requerimientos del equipo.
Fotografa 3. Equipo Overlay Tester. Pontificia Universidad Javeriana
Fuente: Forero Rondn, Ana Mara. (2012).
La Pontificia Universidad Javeriana cuenta con equipos de laboratorio que simulan
la fatiga de los materiales asflticos por flexin, entre estos se encuentran el
Nottingham Asphalt Tester (NAT) y el equipo desarrollado por el Laboratorio de
Puentes y Caminos de Francia (Laboratoire Central des Ponts et Chausses
L.C.P.C.). Sin embargo, ninguno de estos dos equipos puede reproducir el reflejo
de fisuras por traccin directa en las muestras asflticas de sobre-carpetas. Por
esta razn, el doctor Manuel Ocampo desarroll un equipo de reflexin (Fotografa
3) con financiacin de la Vicerrectora Acadmica de la universidad; proyecto que
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
22
hizo parte de la Convocatoria interna permanente Apoyo a proyectos de
investigacin de profesores de planta con ttulo de doctorado de la Oficina para el
Fomento de la Investigacin.
2.4 TRATAMIENTOS PARA PAVIMENTOS FISURADOS POR REFLEXIN
La manera para evitar el reflejo de fisuras en la estructura del pavimento consiste
en mitigar los movimientos horizontales de las fisuras del pavimento existente
causados por los cambios de temperatura y los movimientos verticales generados
por el paso de los vehculos. Una vez que se produce la fisura en el pavimento
rgido, sta se propaga y aumenta su extensin, severidad e intensidad,
ocasionando deterioro en la sobre-carpeta de rehabilitacin. Por esa razn se
recurre a la implementacin de diferentes tratamientos para contrarrestar el
fenmeno de reflexin, retardando el reflejo de las fisuras y disminuyendo la
severidad del deterioro de la estructura. Entre estos tratamientos se encuentran el
uso de geosintticos y de sistemas de membranas antifisura (S.A.M.I.).
2.4.1 Geosintticos
El uso de geosintticos, en el mbito internacional, se empez a implementar
desde la dcada de 1970, y en Colombia slo diez aos ms tarde. La incursin y
el posicionamiento de estos materiales en el mercado colombiano han sugerido la
posibilidad de innovar en las metodologas tradicionales de diseo y construccin
de obras de pavimentacin. Por esta razn se ha generado el inters en estudiar,
analizar, y cuestionar el ptimo uso de estos materiales dentro del contexto
regional, con el fin de satisfacer las necesidades de contar con una infraestructura
vial que sea segura y de alta calidad.
Marco Conceptual
23
En la literatura se encuentra un sin nmero de recomendaciones sobre su uso, las
experiencias, las ventajas y desventajas de los materiales geosintticos en
proyectos geotcnicos (Da Silva L.F., 1994; FAO, 2001; Korner R., 1997; PAVCO,
2002; TENSAR, 2002, entre otros). En trminos generales se puede afirmar que
stos materiales han sido partcipes de la revolucin en el diseo y construccin
de obras civiles alrededor del mundo. Su importancia radica en su eficiencia para
la solucin de problemas tradicionales que involucran suelos naturales con
dificultades en baja capacidad portante, presencia de agua libre, contaminacin de
las capas granulares por los suelos finos de soporte con baja calidad, entre
muchas ms.
La implementacin de geosintticos en la ingeniera vial ha tenido un auge
significativo en los ltimos aos, ya que stos productos presentan una serie de
ventajas entre las que cabe destacar su facilidad de colocacin, economa del
producto, ahorros de tiempos de ejecucin de obra, posibilidad de soluciones
medioambientales correctas, posible empleo de mano de obra no calificada, y la
utilizacin de materiales de calidad verificable. Los principales geosintticos
empleados en ste tipo de proyecto son los geotextiles, las geomallas, los
geobloques, y los geodrenes. En el ANEXO D se resumen las principales
aplicaciones de estos geosintticos dentro de los proyectos de pavimentacin
(Mejia Flores L.E. y Caro Spinel S., 2008).
En la mayora de los casos, los geosintticos que se utilizan como tratamientos
para pavimentos fisurados por reflexin, se colocan directamente sobre la
superficie del pavimento fisurado previo a la aplicacin de un riego de liga. Existen
evidencias de que esta metodologa presenta un mejor comportamiento cuando
los geosintticos se colocan entre una capa asfltica de nivelacin y la capa de
refuerzo estructural, con el fin de evitar el contacto directo del producto con la
superficie fisurada, permitiendo una mayor inhibicin de la propagacin de las
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
24
fisuras. Muchos autores han reportado retrasos en el inicio de la reflexin al
emplear este tratamiento; sin embargo, tambin cuestionan su efectividad cuando
la abertura de las fisuras es mayor de nueve milmetros, y donde se presentan
movimientos horizontales y verticales importantes.
La mayora de los geosintticos utilizados en Colombia, en obras de
infraestructura vial, tienen el mismo uso que en el resto del mundo, salvo en
algunos tipos de obra en los que geosintticos como geotextiles y geomallas son
utilizados en repavimentacin. Es comn en muchos pases la rehabilitacin de las
estructuras de pavimento por medio de geotextiles y geomallas impregnadas con
emulsin asfltica. Esta prctica se considera relevante para evitar la aparicin de
fisuras por reflexin.
2.4.2 Sistema de Membranas Antifisura S.A.M.I.
Una de las tcnicas ms exitosas para prolongar la vida til de los pavimentos
fisurados por reflexin, retardando la aparicin de fisuras en la superficie de
rodadura, es introducir una intercapa como membrana absorbente de los
esfuerzos mecnicos concentrados en las fisuras de los pavimentos existentes
deteriorados (Figura 9). sta tcnica se le conoce como S.A.M.I. (por las siglas en
ingls de Stress Absorbing Membrane Interlayer).
Marco Conceptual
25
Figura 9. SAMI para controlar el reflejo de grietas
Fuente: (Instituto de Desarrollo Urbano IDU, 2008)
Las S.A.M.I. actan redireccionando localmente las fisuras ascendentes del
pavimento envejecido, permitiendo absorber parte de la energa de propagacin.
Sin un sistema S.A.M.I. en un pavimento fisurado, los esfuerzos de corte
continan actuando en los extremos de la fisura, propagndola hacia la superficie
rpidamente. Todos los sistemas S.A.M.I. requieren un apropiado tratamiento de
las fisuras previo a su aplicacin. Los pasos a seguir para un tratamiento
adecuado del pavimento fisurado son: limpiar la superficie y el interior de grietas y
fisuras, sellar las grietas con un material apropiado, regar la superficie agrietada y
sellada con un riego de liga, colocar la capa S.A.M.I. con la recomendacin
particular para cada caso, y por ltimo colocar la nueva capa de refuerzo.
Los sistemas S.A.M.I. producen una mejor distribucin de los esfuerzos, de tal
forma que la falla ante la accin de las cargas cclicas de los vehculos se produce
a travs de un conjunto de fisuras uniformemente distribuidas y de menor
magnitud que las que se puedan presentar sin este sistema incorporado.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
26
Es por esto que en esta investigacin se tiene como objetivo establecer la
eficiencia que tiene los sistemas de membranas antifisura S.A.M.I. empleados
como elementos intercapa en rehabilitaciones con sobre-carpetas asflticas. En
este caso se buscar establecer la eficiencia que tiene la combinacin de los
geosintticos y el asfalto modificado con caucho como membranas antifisuras.
Los geosintticos comnmente utilizados como elemento intercapa son el geotextil
no tejido, la geomalla en fibra de vidrio, y la geomalla en fibra de polister, todos
estos impregnados con asfalto modificado con caucho.
2.4.2.1 Geotextil no tejido
Los geotextiles que se emplean en obras de pavimentacin y re-pavimentacin
deben ser de tipo no tejido punzonado con agujas, fabricados en polipropileno o
polister, los cuales debern tener la capacidad de absorber la cantidad suficiente
de ligante asfltico.
Los geotextiles fabricados con polipropileno se caracterizan por tener mayor
nmero de fibras por unidad de rea; de ah su capacidad de retener gran
cantidad de ligante. Se ha evidenciado que durante el proceso de instalacin se
reduce muy poco su tamao; sin embargo, y por tener un punto de fusin bajo,
podran generarse daos en la instalacin al colocarse la mezcla asfltica en
caliente. Caso contrario ocurre con los geotextiles en polister, que aunque
tienden a encogerse, por presentar un punto de fusin mayor a los de
polipropileno, los hace ms resistentes a los daos de instalacin.
Se conocen cuatro tipos de acabado en los geotextiles no tejidos (ver Fotografa 4)
punzonados por agujas, del cual depende su desempeo durante la instalacin:
los punzonados sin fijacin por calor, los punzonados con fijacin por calor por un
Marco Conceptual
27
solo lado, los punzonados con fijacin por calor en ambos lados, y los punzonados
con fijacin mediante resinas. Entre estos acabados, el que muestra mejor
desempeo, y el implementado en esta investigacin, fue el segundo tipo de
fijacin (los punzonados por agujas con fijacin por calor por un solo lado), ya que
por el lado termofijado se provee mejor resistencia a la traccin, y por el otro lado
se presenta una superficie fibrosa de gran adherencia debida a la absorcin del
ligante asfltico (Rodrguez Peralta J.A., 2004).
Fotografa 4. Geotextil no tejido referencia PAVCO REPAV450
Fuente: Forero Rondn, Ana Mara. (2012).
Debido a las condiciones de mejora que se requiere para la estructura de
pavimento, existe una amplia gama de referencias de geotextiles no tejidos que,
de acuerdo a su campo de aplicacin, se emplean para control de drenaje, como
refuerzo, separacin, y/o repavimentacin. En la gran mayora de los casos, las
especificaciones de estos materiales no son tenidas en cuenta, lo que conlleva a
su incorrecto uso.
Durante el proceso de instalacin del geotextil en obras de pavimentacin y
repavimentacin, ste puede estar sometido a esfuerzos que pueden afectarlo; es
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
28
por esto que los geotextiles deben cumplir con las propiedades que se relacionan
en el ANEXO E (Cuadro 1-A); por otro lado, y en ciertas circunstancias, el uso de
geotextiles con una funcin distinta a la pavimentacin (p. ej. separacin de capas
en la estructura del pavimento), deben cumplir las propiedades que se relacionan
en el ANEXO E (Cuadro 1-B).
3.3 Geomalla de fibra de polipropileno y Geomallas de fibra de polister
Entre las propiedades de las geomallas de polipropileno se encuentran su alta
rigidez axial y su gran resistencia, lo que las hace poco flexible. Debido a su
rigidez, presenta dificultades al momento de adherirlas a la superficie a rehabilitar,
ya que sta tratar de recuperar la forma de enrollado que traa antes de ser
colocada.
Las geomallas de polister (ver Fotografa 5) tienen similar resistencia axial y
propiedades de rigidez que las de polipropileno, con la ventaja de que se pueden
flexionar con ms facilidad En su mayora estn fabricados en forma de malla y
revestidas para mejorar las propiedades de liga. Las principales caractersticas de
la geomalla son las que se presentan en el ANEXO E (Cuadro 2).
Fotografa 5. Geomalla de polister, Geomatrix Fortgrid BX
Fuente: Forero Rondn, Ana Mara. (2012).
Marco Conceptual
29
2.4.2.2 Geomalla de fibra de vidrio
Las geomallas de fibra de vidrio, son geomallas flexibles que se utilizan entre
capas de concreto asfltico con el fin de controlar agrietamientos por reflexin,
agrietamientos por fatiga y deformaciones plsticas.
Los refuerzos de carpetas asflticas con geomallas de fibra de vidrio son ideales
para los pavimentos asflticos nuevos y en obras de rehabilitacin, ya que debido
a sus propiedades mecnicas como alta resistencia a la tensin, alto mdulo de
elasticidad y baja elongacin, son ideales para controlar la reflexin de fisuras en
este tipo de pavimento, disminuyendo los costos de mantenimiento a largo plazo e
incrementando la vida til.
Fotografa 6. Geomalla fibra de vidrio referencia PAVCO R100
Fuente: Forero Rondn, Ana Mara. (2012).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
30
La geomalla de fibra de vidrio (ver Fotografa 6) es fabricada por un proceso de
tejido de punto, usando una serie de filamentos de fibra de vidrio que forman una
estructura de rejilla. Estos filamentos estn recubiertos con un polmero que
permite que la geomalla posea una buena adherencia a las capas asflticas. Estos
filamentos poseen alta resistencia a la tensin y alto mdulo de elasticidad (69,000
MPa) para elongaciones bajas (PAVCO, 2002), sin embargo al poseer una rigidez
alta axial y gran resistencia, en la mayora de los casos hay dificultades en la
forma de adherirlas a la superficie fisurada pues tienden a despegarse al buscar
conservar su forma de enrollado que es como se dispone el producto en fbrica
para trasportarlo. Las principales caractersticas de la geomalla son las que se
resumen en el ANEXO E (Cuadro 3).
2.4.2.3 Asfalto modificado con caucho
Desde la dcada de 1950, ingenieros de vas en todo el mundo han estudiado las
propiedades que puede brindar el caucho en las mezclas asflticas al aprovechar
su flexibilidad. El uso del grano de caucho reciclado de llantas usadas (GCR por
sus siglas en espaol), adems de mejorar las propiedades mecnicas de las
mezclas asflticas, es una alternativa viable para mejorar problemas
medioambientales que genera la disposicin de las llantas vehiculares
desechadas. Cada ao, millones de llantas son desechadas en todo el mundo,
atentando contra la salud pblica al ser focos para el crecimiento de insectos y
roedores, generadoras de incendios, y visualmente contaminantes.
Estudios realizados con caucho en pases como Estados Unidos, Espaa,
Sudfrica, han demostrado que la modificacin de mezclas asflticas con caucho
sinttico presenta mejor comportamiento que el caucho natural. El caucho sinttico
es obtenido de una forma econmicamente viable empleando llantas desechadas,
Marco Conceptual
31
las cuales deben ser molidas hasta obtener tamaos de las partculas apropiadas.
A ste caucho molido se le conoce con el nombre de Grano de Caucho Reciclado
(GCR).
Sin embargo cabe presentar las posibles desventajas reportadas en la literatura
sobre la utilizacin de la tecnologa de modificacin del asfalto modificado con
GCR lo es el incremento de la viscosidad genera un aumento en la temperatura de
fabricacin en planta y extensin en obra de la mezcla asfltica modificada lo que
genera una mayor dificultad y complejidad a la hora de construirla in-situ
(Oliver,1982;Ohta,1983;BahayDaves,1994), tambin la captacin de aceites del
asfalto por parte del caucho puede afectar las propiedades de adherencia y
cohesin (Rondn Quintana H.A., 2011).
Las bondades aportadas por el GCR a la mezcla asfltica han sido ampliamente
utilizadas para la conformacin de sistemas de membranas antifisura S.A.M.I. para
la rehabilitacin de pavimentos rgidos fisurados.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
32
Materiales y Mtodos
33
3 MATERIALES Y MTODOS
3.1 CARACTERIZACIN AGREGADOS
Se define como agregado a aquellos materiales slidos, inertes, naturales o
artificiales, de tipo granular como la grava, roca triturada, escoria de alto horno,
etc., que mezclados con el cemento asfltico conforman un conglomerado que se
le conoce como mezcla asfltica, la cual es usada como material de
pavimentacin.
En la metodologa SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavements)
desarrollada por el Strategic Highway Research Program (SHRP), se clasifican los
agregados utilizados en una mezcla asfltica por la distribucin de tamaos de las
partculas, en donde define el agregado grueso como la porcin retenida en el
tamiz No. 4, el agregado fino la porcin que pasa el tamiz No. 4 y queda retenido
en el tamiz No. 200, y por ltimo se especifica que el llenante mineral o polvo
mineral (filler) es aquella porcin del agregado que pasa el tamiz No. 200.
3.1.1 Caractersticas del agregado ptreo utilizado
Los agregados utilizados en esta investigacin fueron suministrados por la
empresa IncoAsfaltos (Industria Colombiana de Asfaltos S.A.), de la planta de
Mosquera (Cundinamarca), ubicada en el km 3 va Balsillas. Los agregados que
provienen de esta planta presentan los mejores parmetros de calidad, brindando
as las condiciones ms apropiadas para la fabricacin de mezclas asflticas.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
34
Dadas la especificacin del Instituto Nacional de Vas (INVIAS), la mezcla del
agregados grueso, fino y del llenante mineral, se ajust a la granulometra para la
conformacin de la mezcla asfltica densa en caliente tipo MDC-2 (Figura 10).
Figura 10. Franjas granulomtricas para la mezcla asfltica tipo MDC-2
3.1.2 Ensayos de caracterizacin para el agregado ptreo
Se realizaron los ensayos de caracterizacin de los agregados ptreos, segn las
normas tcnicas establecidas por el INVIAS en las Normas de Ensayo de
Materiales para Carreteras - Tomo II; de igual forma, se realizaron los ensayos
requeridos para el diseo de mezcla por la metodologa de diseo SUPERPAVE.
3.1.2.1 Ensayos realizados al agregado ptreo
Entre los ensayos convencionales y los estipulados por SUPERPAVE realizados al
agregado ptreo en este trabajo se encuentran los siguientes:
Materiales y Mtodos
35
Equivalente de arena de suelos y agregados finos (norma INV E-133-07).
Resistencia al desgaste de los agregados de tamaos menores de 37.5 mm
(1) por medio de la mquina de Los ngeles (norma INV E-218-07).
Sanidad de los agregados frente a la accin de las soluciones de sulfato de
sodio o de magnesio (norma INV E-220-07).
Porcentaje de caras fracturadas en los agregados (norma INV E-227-07).
ndice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras
(norma INV E-230-07).
Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales (norma
INV E-235-07).
Determinacin de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasin
utilizando el aparato Micro-Deval (norma INV E-238-07).
Mtodo para determinar partculas planas y alargadas en agregados gruesos
(norma INV E-240-07).
Para la realizacin del diseo volumtrico de mezclas asflticas por la metodologa
SUPERPAVE, fue necesario realizar los ensayos de gravedad especfica en
agregados gruesos y agregados finos (norma INV E-223-07 y norma INV E-222-07
respectivamente). Los equipos utilizados y procedimientos realizados
corresponden a las normas de ensayo del Instituto Nacional de Vas (INVIAS).
En TABLA 1 se presentan los resultados de los ensayos de caracterizacin
realizados al agregado ptreo, comparndolos con los valores especificados en la
Tabla 400.1 (a) del Artculo 400-07 del INVIAS. En el ANEXO F se presentan los
resultados obtenidos en el laboratorio, correspondientes a los ensayos de
caracterizacin del agregado ptreo.
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
36
TABLA 1. Ensayos de caracterizacin agregado ptreo
Nombre del ensayo Unidad Norma INVIAS Especificacin INVIAS Resultados Mn. Mx.
Prdidas en ensayo de solidez Sulfato de magnesio % E-220-07 - 18 7.90
Desgaste Microdeval % E-238-07 - 20 18.2 Resistencia mecnica de los agregados gruesos 10% de finos
% E-224-07 7.5 12.5 8.17
Partculas Fracturadas Mecnicamente % E-227-07 85 - 99.6
ndices de Aplanamiento y Alargamiento % E-230-07 - - 18.06
Valor de Azul de Metileno % E-235-07 - - 6 Equivalente de arena % E-133-07 50 - 53 Desgaste Los ngeles % E-218-07 - 25 20 Gravedad especfica de agregado fino y absorcin. - E-222-07 - - 2.61
Absorcin del agregado fino % E-222-07 - - 1.87
Gravedad especfica de agregados gruesos - E-223-07 - - 2.46
Absorcin del agregado grueso % E-223-07 - - 1.96
Partculas planas y alargadas % E-240-07 - 10 1.2
3.2 CARACTERIZACIN DEL ASFALTO
La American Society for Testing and Materials (ASTM) define el asfalto como un
cementante de color marrn oscuro a negro en el que sus componentes
predominantes son los asfaltenos que pueden ser naturales u obtenidos como
residuo en la refinacin del petrleo crudo, con una consistencia lquida,
semislida o slida.
El asfalto tiene caractersticas especficas que lo hacen ideal para obras de
infraestructura vial por sus propiedades mecnicas, fsicas, y las ms relevantes:
la cohesin y la adhesin con materiales granulares.
Materiales y Mtodos
37
3.2.1 Caractersticas del ligante asfltico utilizado
Al igual que los agregados utilizados en esta investigacin, el cemento asfltico
fue suministrado por la empresa IncoAsfaltos, de la planta de Mosquera
(Cundinamarca).
La clasificacin por penetracin dada al ligante asfltico fue 80-100, siendo
evaluado con los respectivos estndares de calidad de la planta, realizndose los
pertinentes ensayos de caracterizacin segn lo establecido por las normas
INVIAS.
3.2.2 Ensayos realizados al ligante asfltico
Entre los ensayos convencionales realizados al ligante asfltico se encuentran los
siguientes:
Penetracin de los materiales asflticos (norma INV E-706-07).
Punto de ablandamiento de materiales asflticos con aparato anillo y bola)
(norma INV E-712-07).
Ductilidad, a 25 C y 5 cm/min (norma INV E-702-07).
Punto de ignicin y de llama mediante copa abierta de Cleveland (norma INV
E-709-07).
Prdida de masa por calentamiento en ensayo RTFOT (norma INV E-720-07).
Adicionalmente, se realizaron los siguientes ensayos de caracterizacin:
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
38
ndice de penetracin (norma INV E-724-07).
Penetracin del residuo luego de la prdida por calentamiento en pelcula
delgada en movimiento (%) de la penetracin convencional (norma INV E-706-
07).
Incremento en el punto de ablandamiento luego de la prdida de masa por
calentamiento en pelcula delgada en movimiento (norma INV E-712-07).
Para la realizacin del diseo volumtrico de mezclas asflticas por la metodologa
SUPERPAVE, fue necesario realizar los ensayos de gravedad especfica del
ligante (norma INV E-707-07) y de consistencia (norma INV E-717-07). Este ltimo
tiene como fin medir la viscosidad aparente del asfalto a elevadas temperaturas, y
se realiza utilizando un viscosmetro rotacional equipado con una cmara
termostatizada de tipo Brookfield Termosel. El ensayo de viscosidad Brookfield
permite conocer el comportamiento reolgico del material asfltico a diferentes
temperaturas; asimismo, determina las temperaturas de mezclado y compactacin
de la mezcla asfltica en caliente, las cuales se determina para los intervalos de
viscosidad de 0.17 0.02 Pas y 0.28 0.03 Pas, respectivamente. La Figura 11
presenta la curva reolgica obtenida para el ligante asfltico.
Figura 11 Curva reolgica para el ligante asfltico convencional
Mezclado
Compactacin
1.E-01
1.E+00
1.E+01
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Vis
coci
dad
(Pa
s)
Temperatura (C)
Materiales y Mtodos
39
TABLA 2. Ensayos de caracterizacin al ligante asfltico convencional
Nombre del ensayo Unidad Norma INVIAS Especificacin INVIAS Resultados
Mn Mx Penetracin (25 C,100g, 5s) 0.1 mm E-706-07 80 100 86
Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola C E-712-07 42 53 46.1
Ductilidad (25 C, 5 cm/min) cm E-702-07 100 - >150 Punto de ignicin y de llama mediante copa abierta de Cleveland
C E-709-07 230 - 316.4
Prdida de masa por calentamiento en pelcula delgada en movimiento (163 C, 75 minutos)
% E-720-07 - 1.0 0.21
Gravedad especfica mediante mtodo del picnmetro
- E-707-07 - - 1.009
ndice de penetracin - E-724-07 -1 +1 -0.9 Penetracin del residuo luego de la prdida por calentamiento en pelcula delgada en movimiento (%) de la penetracin convencional.
% E-706-07 48 - 63
Incremento en el punto de ablandamiento luego de la prdida de masa por calentamiento en pelcula delgada en movimiento.
cm E-712-07 - 5.0 5.0
En el ANEXO G se presentan los resultados de laboratorio correspondientes a los
ensayos de caracterizacin del ligante asfltico, realizados y suministrados por la
planta de asfaltos IncoAsfaltos.
3.3 CARACTERIZACIN DEL ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO
En busca de avances tecnolgicos en el sector de los pavimentos a nivel mundial,
se ha concluido que el uso de asfaltos modificados aumenta la resistencia al
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
40
ahuellamiento y a la fatiga por cargas repetidas. Como un aporte para disminuir el
impacto ambiental y mejorar sustancialmente las propiedades del asfalto, se
desarroll una tecnologa a nivel internacional para incorporar porcentajes de
Grano de Caucho Reciclado (GCR) entre el 15% y 20%, y producir Asfalto
Modificado con Caucho (AMC).
En Colombia, el Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), introdujo la implementacin
del AMC con su aplicacin en algunos tramos experimentales. En estos tramos de
prueba se utilizaron mezclas asflticas tipo MDC-2 elaboradas con asfaltos
modificados con bajos porcentajes de GCR. Con la asesora del grupo de
investigacin del IDU y el grupo de asesores de la Universidad de la Salle, la
empresa Manufactura y Procesos Industriales (MPI) est proponiendo el cambio
de la gradacin MDC por la Gradacin GAP GRADED, ya que sta permite la
incorporacin de AMC con porcentajes de caucho mayores para dar un mayor
desempeo de la mezcla, de acuerdo a la experiencia internacional.
3.3.1 Caractersticas del ligante asfltico modificado con caucho utilizado
El ligante asfltico modificado con caucho fue suministrado por la empresa MPI, el
cual fue producido en la planta de Barrancabermeja. Observando las bondades
que ofrece GCR, y dada la especificacin del IDU para la aplicacin del GCR en
mezclas asflticas en caliente (IDU: ET-GE-002), se han observado mejores
resultados en las mezclas asflticas si se emplea la gradacin tipo GAP GRADED
elaborada con ligante modificado con GCR (AFNOR, 1983).
Con el AMC utilizado en esta investigacin se elabor el tipo de mezcla asfltica
en caliente GAP GRADED. Este ligante modificado debe cumplir los
requerimientos de la especificacin internacional ASTM D 6114-97 que se
Materiales y Mtodos
41
presentan en la TABLA 3. Cabe resaltar que las normas de ensayo para cumplir
con esta especificacin fueron modelo de aplicacin para el INVIAS.
TABLA 3 Especificacin internacional ASTM D 6114-97
Nombre del ensayo Unidad Norma Especificacin Mn Mx
Viscosidad Aparente a 175 C. cP D2196 1500 5000 Penetracin (25 C,100g, 5s) 0.1 mm D5 25 75 Penetracin (4 C,200g, 60s) 0.1 mm D5 10 - Punto de ablandamiento C D36 57.2 - Resiliencia 25 C % D5329 25 - Punto de chispa C D93 232.2 - TFOT % D1754 - - Penetracin del residuo despus del ensayo TFOT, 4 C de la penetracin convencional.
% D5 75 -
La cantidad ptima de GCR ser aquella que proporcione a la mezcla asfalto-
caucho una viscosidad Brookfield, a 163 C, entre 1.5 Pas y 3.0 Pas despus de
un determinado tiempo y temperatura de mezclado. Las especificaciones para el
AMC para la elaboracin de la mezcla GAP GRADED precisa que la incorporacin
del GCR al asfalto debe estar en contenidos comprendidos entre quince (15) y
veinte (20) por ciento.
3.3.2 Ensayos realizados al ligante asfltico modificado con caucho
Entre los ensayos convencionales realizados al ligante asfltico modificado con
grano de caucho reciclado se encuentran los siguientes:
Viscosidad Aparente a 175 C.
Penetracin (25 C, 100g, 5s) (norma INV E-706-07).
Rehabilitacin de pavimentos fisurados por reflexin implementado Sistemas de Membrana Antifisura S.A.M.I.
42
Penetracin (4 C, 200g, 60s).
Punto de ablandamiento (norma INV E-712-07).
Resiliencia a 25 C (norma ASTM D 5329).
Punto de chispa (norma INV E-709-07).
Penetracin del residuo despus del ensayo TFOT, 4 C de la penetracin
convencional.
Al igual que, para la realizacin del diseo volumtrico de mezclas asflticas MDC-
2, las mezclas asflticas tipo GAP GRADED por la metodologa SUPERPAVE, fue
necesario realizar los ensayos de gravedad especfica (norma INV E-707-07) y de
consistencia o viscosidad Brookfield (norma INV E-717-07) al ligante modificado.
Este ltimo para conocer el comportamiento reolgico del material asfltico con
GCR a diferentes temperaturas, y determinar las temperaturas de mezclado y
compactacin de la mezcla asfltica en caliente.
Figura 12 Curva reolgica para el ligante asfltico modificado con GCR
En la Figura 12 presenta la curva reolgica obtenida para el ligante asfltico
modificado con GCR, y en la TABLA 4 se hace una comparacin de los resultados
Mezclado
Compactacin
1.E-01
1.E+00
1.E+01
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Vis
coci
dad
(Pa
s)
Temperatura (C)
Materiales y Mtodos
43
de la caracterizacin de este ligante y los valores especificados para estos
parmetros segn el INVIAS y la ASTM.
TABLA 4 Ensayos de caracterizacin ligante asfltico modificado con GCR
Nombre del ensayo Unidad Norma Especificacin Resultados INVIASASTM Mn. Mx.
Gravedad especfica mediante mtodo del picnmetro - E-707-07 - - 1.028
Viscosidad Aparente a 175 C. cP ASTM D2196 1500 5000 2900
Penetracin (25 C,100g, 5s) 0.1 mm E-706-07 25 75 58 Penetracin (4 C,200g, 60s) 0.1 mm 10 - 34 Punto de ablandamiento C E-712-07 57.2 - 64 Resilencia 25 C % ASTM D5329 25 - 45.0 Punto de chispa C E-709-07 232.2 - 320 Penetracin del residuo despus del ensayo TFOT, 4 C de la penetracin convencional.
% 75 - 85.2
En el ANEXO H se presentan los resultados de laboratorios correspondientes a los
ensayos de caracterizacin del ligante asfltico modificado con grano de caucho
reciclado (GCR), realizados y suministrados por la planta de asfaltos Manufacturas
y Procesos Industriales, MPI.
3.4 DISEO VOLUMTRICO DE LA MEZCLA ASFLTICA CONVENCIONAL
El diseo volumtrico de la mezcla es la parte fundamental de todo diseo de
mezclas empleando la metodologa SUPERPAVE. El proceso de ensayos y
anlisis de datos de esta investigacin corresponde al Nivel 1 de diseo de
mezclas, abarcando cinco (5) pasos bsicos en los ensayos y procesos de
anlisis:
Rehabilitacin de pavim