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Introducción
El pavimento asfaltico es usado extensamente alrededor del mundo debido a su buen rendimiento, resaltando principalmente por su fácil proceso constructivo y su valor relativamente bajo, este tipo de pavimento está constituido principalmente por una mezcla asfáltica (Guo Q. , Li, Cheng, Jiao, y Xu, 2015), esta mezcla bituminosa está conformada principalmente por la unión de cemento asfáltico , áridos y relleno, siendo el cemento asfáltico en conjunto con el relleno quienes conforman la mezcla asfáltica, (Musa, Shanbara, y Dulaimi, 2020), pero esta se estropea al pasar el tiempo, en consecuencia de la combinación de diversos factores medioambientales y la incidencia de carga generada por los medios de transporte pesados (Eisa, Basiouny, y Daloob, 2021), es así que, hasta las carreteras de superficie bituminosa bien diseñada se están estropeando de manera acelerada; afectando su desempeño en la transitabilidad y así reduciendo su vida útil (Kar, Nagabhushana , y Jain, 2019). También influye de manera notable en su duración, el uso de insumos de mala calidad en el diseño y producción de la mezcla, si bien es cierto en el mercado se presentan insumos de buena calidad, pero su adquisición suele tornarse difícil debido en esencia a su elevado costo monetario (Klinsky Gutiérrez, Kaloush, Faria, y Dos Santos Bardini, 2018), es así que, debido a estas variables que afectan al pavimento, en unos pocos años se presentan signos de fallas estructurales en la superficie, fallas que para su reparación, se tienen que valer de un consumo energético adicional al que se ha utilizado en primera instancia para su construcción, aumentando la transmisión de gases de efecto invernadero y con esto repercusiones negativas para la salud de los seres vivos (Guan et al., 2019).
Dentro de las fallas más recurrentes está la formación de surcos, originados por la tensión aglomerada en el cemento asfáltico, la forma y el entrelazado de los áridos, esta falla apresura el deterioro de los pavimentos, incrementando los costos generales de construcción, referente al valor de mantenimiento y reparaciones (Al-Sabaeei et al., 2020), por otro lado, está el agrietamiento por fatiga, que ocurre debido al incremento de micro y macro grietas provocadas por el peso vehicular, viéndose influenciada también por la combinación de cambios en la temperatura, humedad y envejecimiento, esta falla se manifiesta como una de las de mayores dificultades, causantes de la reducción del tiempo de vida útil de la mezcla asfáltica (Usman, Masirin, Ahmad, y Ali, 2019). Si bien es cierto se puede reparar el daño causado al aplicarse una capa de mezcla, pero este tratamiento suele tornarse algo ineficiente ya que el desempeño mejorará solo por un corto tiempo, esto debido a que las imperfecciones del pavimento anterior se reflejaran raudamente en la superficie producto de los efectos mezclados de las tensiones incitadas térmicamente y el peso del tránsito (Romeo, Freddi, y Montepara, 2014), en busca de minimizar las fallas se propone optimizar las características mecánicas de la mezcla asfáltica mediante la utilización de distintos tipos de fibra, que se acentúan como materiales novedosos en la mezcla debido a su rentabilidad (Saleem y Ismael, 2020).
Es así que, con miras de mejorar el desempeño y aumentar el tiempo de vida de un pavimento, y así presentar una mejor calidad de servicio, diversos investigadores han utilizado aditivos para mejorar las características de la mezcla asfáltica, aditivos que refieren a diversos tipos de fibras (Mohammed, Parry, Thom, y Grenfell, 2020), dentro de las diversas fibras sintéticas utilizadas, se usaron macrofibras de vidrio, que a partir del estudio realizado sobre la exploración del comportamiento de formación de surcos y fractura de la mezcla asfáltica reforzado con esta fibra, se demostró que se mejoró la resistencia a la fractura, como también la mejoró la formación de surcos (Morea y Zerbino, 2018), estas mejoras también se representan bajo la adición de otro tipo de fibra sintética, tal es el caso del uso de fibras plásticas de desecho, que al ser evaluadas a la resistencia de rotura y surco, manifestaron un incremento del desempeño al mejorar estas propiedades y también un impacto positivo al reutilizar los desechos plásticos (Abu Abdo y Jung, 2020).
Por otro lado, está el uso de diversas fibras naturales, dentro de este tipo se usó las fibras de bambú, que a partir del este estudio donde se evaluó la mejora del desempeño con el diseño de dos tipos de mezcla, una patrón y una con adición de fibra, siendo sometidas a pruebas de seguimiento de ruedas y vigas de flexión de tres puntos, se demostró que se fortaleció la conducta de formación de surcos y de agrietamiento a baja temperatura (Sheng et al., 2019), dentro de la misma categoría se hace presente el uso de fibras de yute, que a partir del estudio que indago la conducta a baja temperatura del cemento asfáltico Warmmix (mezcla producida a 20-25 °C menos que el cemento asfáltico típico) reforzado con estas fibras, se obtuvo resultados favorables respecto a la mejora de la resistencia a la tracción (Mansourian, Razmi, y Razavi, 2016), en tal sentido los hallazgos demuestran que se han obtenido mejoras en el desempeño de las mezclas asfálticas al usar fibras naturales y sintéticas como materiales de refuerzo, adicionalmente se ha contribuido de manera positiva al medio ambiente al reutilizar materiales de desecho ya sean naturales o sintéticos. Debido a esto se analizó distintos tipos de artículos con el afán de lograr una noción de la optimización de las propiedades de las mezclas asfálticas con adición de fibra, la presente revisión literaria está estructurada bajo los aspectos referentes al tipo de fibras adicionados, métodos utilizados para evaluar las mezclas con fibras, los porcentajes óptimos de fibras adicionados, las longitudes de las fibras usadas, propiedades mejoradas en las mezclas con fibras, el desempeño de las mezclas según el tipo de cemento asfaltico, el desempeño de las mezclas según el tipo de mezcla y finalmente la rentabilidad de las mezclas fibrosas.
Metodología
La revisión se realizó utilizando 81 artículos indexados, encontrados en la base de datos Scopus y Ebsco. Se excluyeron todos los artículos con antigüedad mayor a los 7 años, para la búsqueda se utilizaron las siguientes palabras clave: flexible pavement fiber, pavement with fiber of glass, asphalt mix with fiber, asphalt pavement with fibers, performance of the use of fibers in asphalt mixtures, mix asphalt with fibers, cold mix asphalt using fibers, asphalt mix with natural fibers, asphalt with natural fiber, bitumen with fibers, asphalt bitumen with fibers, asphalt with fibers; incluyendo las áreas temáticas de engineering y materials science, asphalt modifiers, fibers, bituminous materials, cost effectiveness, cold asphalt, natural fibers; la búsqueda de información se realizó desde el 12 de abril hasta el 14 de junio del 2021. Además, se incluyó un resumen de las principales propiedades mejoradas con la adición de fibras en los pavimentos flexibles.
En el Cuadro 1 se muestra a mejor detalle la distribución de las revistas según su base de datos y los años de publicación comprendidos entre el 2014 - 2021.
Cuadro 1 Artículos distribuidos según la base de datos y año de publicación
| Base de datos | Año de Publicación | - | - | - | - | - | - | - | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | |
| Scopus | 4 | 3 | 4 | 4 | 8 | 11 | 27 | 2 | 63 |
| Ebsco | 2 | 0 | 2 | 1 | 3 | 4 | 6 | 0 | 18 |
| Total | 6 | 3 | 6 | 5 | 11 | 15 | 33 | 2 | 81 |
En el Cuadro 2 se muestra la búsqueda realizada con minuciosidad, especificando la base de datos consultada, en intervalo de los años de búsqueda, las palabras clave acompañado de su cantidad de documentos encontrados, las áreas temáticas filtradas y de igual forma la cantidad de documentos encontrados y finalmente el número de artículos elegidos.
Cuadro 2 Criterios de búsqueda de selección de los artículos usados en la presente investigación.
| Base de datos | Años de búsqueda | Ecuación de búsqueda | Numero de documentos | Filtro (áreas de búsqueda) | Resultados del filtro | Artículos elegidos. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Scopus | 2014-2021 | flexible pavement fiber | 137 | Engineering | 116 | 13 |
| pavement with fiber of glass | 172 | Engineering | 161 | 6 | ||
| Materials Science | ||||||
| asphalt mix with fiber | 338 | Engineering | 310 | 7 | ||
| Materials Science | ||||||
| flexible pavement fiber | 137 | Engineering | 116 | 1 | ||
| asphalt pavement with fibers | 679 | Engineering | 565 | 10 | ||
| fiber performance in asphalt | 684 | Engineering | 628 | 6 | ||
| Materials Science | ||||||
| mix asphalt with fibers | 338 | Engineering | 310 | 7 | ||
| Materials Science | ||||||
| cold mix asphalt using fibers | 36 | Engineering | 34 | 1 | ||
| Materials Science | ||||||
| asphalt mix with natural fibers | 50 | Engineering | 44 | 3 | ||
| Materials Science | ||||||
| asphalt with natural fiber | 115 | Engineering | 101 | 2 | ||
| Materials Science | ||||||
| bitumen with fibers | 261 | Engineering | 201 | 4 | ||
| asphalt bitumen with fibers | 179 | Engineering | 150 | 3 | ||
| Ebsco | 2014-2021 | asphalt with fibers | 416 | asphalt modifiers | 52 | 1 |
| fibers | 71 | 9 | ||||
| bituminous materials | 24 | 2 | ||||
| cost effectiveness | 3 | 1 | ||||
| natural fibers | 8 | 3 | ||||
| Cold asphalt with fibers | 6 | _ | 6 | 2 | ||
| Total | - | - | - | - | - | 81 |
En el Cuadro 3 se muestra un resumen de autores, tipos de fibras, porcentajes óptimos y las principales propiedades mejoradas en los pavimentos flexibles con adición de fibras.
Cuadro 3 Principales Propiedades mejoradas con la adición de Fibras en los Pavimentos Flexibles
| Autores/Año | Fibra | % Óptimo de fibra | Propiedades mejoradas | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| - | - | - | A | B | C | D | E | F |
| (Kamaruddin, Napiah, y Nahi, 2016) | Polipropileno y Poliéster | 0,50% | SÍ | NO | NO | - | - | - |
| (Wang, Zhou, Hu, Shen, y Dong, 2021) | Cerámica | 0,40%. | SI | - | - | - | - | - |
| (Morova, et al 2016) | poliparafenilen tereftalamida polimérica | 0,25%. | NO | NO | NO | SÍ | - | - |
| (Parimita, 2020) | Tallo de plátano, desperdicio de coco maduro | 0,30% | - | - | SÍ | SÍ | - | SÍ |
| (Herráiz, Herráiz, Domingo, y Domingo, 2016) | Posidonia | 1,5-2% | SÍ | SÍ | SÍ | - | - | SÍ |
| (Ziari, Saghafi, Moniri, y Bahri, 2020) | Poliolefina-aramida | 0,05% | - | SÍ | SÍ | - | - | SÍ |
| (Ziari y Moniri, 2019) | Polyphelin | 0,12% | - | SÍ | - | - | - | SÍ |
| (Chen, Yi, Chen, y Feng, 2019) | Tallos de maíz | 9,00% | SÍ | - | - | SÍ | - | SÍ |
| (Guo F, Li, Lu, Bi, y He, 2020) | Basalto, poliéster, lignina | 0,40% | SÍ | - | - | - | SÍ | - |
| (Liu, Li, Chen, Guan, y Liu, 2020) | Paja de algodón | 0,20% | SÍ | - | - | - | SÍ | - |
| (Bdour, Khalayleh, y Al-Omari, 2015) | Lana de alambre | 0,50% | - | - | NO | SÍ | - | - |
| (Do, Nguyen, Tran, y Tai Nguyen, 2020) | Forta-fi | 0,10% | - | SÍ | - | SÍ | - | - |
| (Arabani, Shabani, y Hamedi, 2019) | Cerámica | 3,00% | - | SÍ | SÍ | - | - | - |
| (Hao y Hao, 2014) | Basalto | 0,30% | SÍ | SÍ | - | - | SÍ | - |
| (Wang, Yang, Zhan, Ding, y Jin, 2018) | Poliacrilonitrilo | 0,30% | - | SÍ | - | - | - | - |
| (Atherton, Ruddock, y Shanbara, 2017) | Coco; vidrio | 0,35% | - | - | SÍ | - | SÍ | - |
| (Shanbara, Ruddock, y Atherton, 2018c) | Vidrio; cáñamo, yute y bonote | 0,35% | SÍ | - | SÍ | - | - | - |
| (Takaikaew, et al 2018) | Poliolefina y aramida | 0,05% | - | SÍ | SÍ | SÍ | - | - |
| (Enieb, Diab, y Yang, 2019) | Vidrio | 0,3 y 0,6% | SÍ | - | SÍ | - | - | - |
| (Alnadish y Aman, 2019) | Aramida | 0,05% | - | SÍ | SÍ | - | - | - |
| (Zhang, Hao, Pang, y Mwanza, 2016) | Híbrido | 7,20% | SÍ | - | SÍ | - | - | - |
A: susceptibilidad a la humedad; B: Resistencia a la fatiga; C: Resistencia a la formación de surcos; D: resistencia a la tracción; E: estabilidad a alta temperatura; F: Resistencia al agrietamiento
Resultados y discusión
El presente artículo reunió información de diferentes estudios comparando resultados y criterios de los diversos autores, con el afán de clasificarlos en 8 apartados, produciendo un intercambio de criterios sobre el uso de distintos tipos de fibras que mejoran las características mecánicas de las mezclas asfálticas.
Tipos de fibras adicionados en las mezclas asfálticas
Fibras sintéticas
Kassem y colaboradores afirmaron que son muchas las fibras sintéticas utilizadas en las mezclas asfálticas, dentro de los diferentes tipos utilizados, las fibras de aramida y poliolefina tienen un efecto positivo sobre el desempeño de la mezcla asfáltica cuando se usan en las mezclas con un tamaño de agregado máximo nominal grande (Kassem, Saleh, Zalghout, y Chehab, 2018). Además; (Bueno y Poulikakos, 2020) estudiaron no solo el uso de fibras de aramida y poliolefinas (tipo A), sino también de fibras de poliacrilonitrilo (tipo B), demostrando la idoneidad de su uso en las mezclas asfálticas, al mostrar efectos positivos superiores al de una mezcla ordinaria.
Kamaruddin y colaboradores mencionaron que las fibras sintéticas son utilizadas con el fin de actuar como modificadores de las mezclas asfálticas, presentándose como posibles modificadores usaron dos tipos de fibras poliméricas (fibra de polipropileno y fibra de poliéster), las cuales demostraron un efecto positivo al ser adicionadas en las mezclas, favoreciendo en la reducción del daño por humedad (Kamaruddin et al., 2016); así mismo Morova y colaboradores mejoraron la misma característica usando fibra polimérica poliparafenilena tereftalamida bajo un contenido óptimo de 0.25% (Morova et al., 2016). Además, Wang y colaboradores mostraron que otro posible modificador sintético a utilizar es la fibra de cerámica, debido a que mejoró sustancialmente las propiedades mecánicas, en comparación con las mezclas ordinarias (Wang, Zhou, Hu, Shen, y Dong, 2021).
Cierto tipo de materiales son característicos debido a su resistencia, pero de manera independiente, el combinarlos con otros componentes resulta muy tentativo, en tal sentido Çetin (2014) investigó el uso fibras de acero en las mezclas asfálticas, demostrando un desempeño adecuado tanto en el cemento asfáltico como en la capa de desgaste bajo proporciones de 0,1% y 5% de fibra. Complementariamente en su investigación Jasni y colaboradores mostraron que la inclusión de fibra de acero en la mezcla aumenta la estabilidad, el módulo elástico y la fluencia dinámica mostrando mejores resultados bajo el contenido óptimo de fibra de 0,4% (Jasni, et al., 2020).
Fibras naturales
Parimita (2020) investigo el uso de las fibras recolectadas del tallo de plátano y de la parte de desecho del coco maduro, mostrando que su uso proporciona mejor capacidad de resistir la formación de surcos y el agrietamiento. De manera complementaria en su investigación Colares do Vale y colaboradores investigaron la incorporación de fibras de coco en mezclas asfálticas discontinuas, generando características satisfactorias en la susceptibilidad a la humedad y la resistencia a la tracción (Colares do Vale, Toé Casagrande, y Barbosa Soares, 2014).
Por otra parte, Aljubory y colaboradores investigaron el uso de fibras de palma en mezclas asfálticas, las cuales mejoran la resistencia a la tracción indirecta al aumentar el contenido de fibra de 0% a 1% (Aljubory, Abbas, y Bdan, 2020). Propiedad que Kar y colaboradores también investigaron, y llegaron a concluir que es mejorada mediante la adición de 0,3% de fibra de sisal, pero en una mezcla con cenizas volantes como relleno (Kar, Giri, y Panda, 2019). Pirmohammad y colaboradores demostraron que también está presente la mejora de la resistencia a la fractura, estudiando la adición de fibras de kenaf y lana de cabra, mostraron que se mejora la resistencia a la fractura dependiendo de la longitud y el contenido de fibra utilizada (Pirmohammad, Majd Shokorlou, y Amani, 2020). Adicionalmente Kara De Maeijer y colaboradores en su investigación mostraron que otra característica a optimizar con el uso de fibras naturales es el drenaje del cemento asfáltico, el cual reduce al añadir fibra de turba natural de manera controlada con el fin de evitar dificultades en la compactación de estas mezclas (Kara De Maeijer et al., 2019).
Muy alejado de las fibras naturales usadas comúnmente, Herráiz y colaboradores estudiaron el uso de fibra de posidonia oceánica en el cemento asfáltico, presentando características adecuadas cuando el contenido de fibra se encuentra entre 1,5% y 2%, mejorando la rigidez, la vida útil a la fatiga y la formación de surcos (Herráiz, Herráiz, Domingo, y Domingo, 2016).
Métodos utilizados para evaluar las mezclas asfálticas con fibras
Son diversos los métodos que se utilizan para evaluar las mezclas asfálticas con fibras, una de ellas es la prueba Marshall, la cual es simple, económica y se distingue por tener dos características principales, el análisis de vacíos con aire y resultados de estabilidad y flujo Marshall (Mrema, Noh, Kwon, y Lee, 2020); en relación a la estabilidad de flujo, Preciado y colaboradores mencionan que esta se expresa como el cociente de Marshall, el cual es un indicador de la rigidez de la mezcla, es decir que los altos valores del cociente de Marshall indican una mezcla de alta rigidez con mayor capacidad para distribuir la carga aplicada (Preciado et al., 2017).
Otra prueba muy utilizada para evaluar el desempeño de las mezclas asfálticas es la prueba de tracción indirecta, la cual se utiliza de manera típica para encontrar la resistencia a la tracción de la muestra de la mezcla compactada (Al-Bdairi, Al-Taweel, y Noor, 2020), dentro de las propiedades de tracción que se evalúan se incluyen la resistencia a la tracción, tenacidad y deformación (desplazamiento) (Mrema, Noh, Kwon, y Lee, 2020).
La prueba de susceptibilidad a la humedad de las mezclas, definida como la alteración de la mezcla asfáltica por el agua, es decir que, si el agua penetra en la mezcla asfáltica, daña la unión entre los agregados y el cemento asfáltico, acelerando así el deterioro del pavimento (Çetin, Evirgen, Karslioglu, y Tuncan, 2020); en esta prueba, Park y colaboradores mencionaron que la resistencia a la humedad de la mezcla asfáltica se determina comparando la resistencia a la tracción indirecta en estado seco y después del estado de congelación-descongelación de agua (Park, Shoukat, Yoo, y Lee, 2020).
La prueba de ductilidad indica el desempeño del cemento asfáltico a alta y baja temperatura, esta prueba se realiza para medir la longitud de estiramiento de las muestras del cemento asfáltico base y modificado (Sabaeei, Napiah, Sutanto, y Alaloul, 2019).
La resistencia a la formación de surcos, para ello se usa la prueba de seguimiento de rueda con el objeto de examinar la estabilidad dinámica de la mezcla asfáltica, que viene a ser el índice de resistencia a la formación de surcos, causado por los efectos de la fuerza de corte impartida por las ruedas de los vehículos a alta temperatura (Kim, Kim, Yoo, y Shin, 2018). Preciado y colaboradores mencionaron que otra prueba que busca el mismo fin es la prueba de carga repetida; la cual se utiliza para determinar la deformación permanente de las mezclas asfálticas, que se relaciona con el potencial de formación de surcos (Preciado, et al 2017).
Por otro lado, con el fin de determinar la longitud de fibra favorable, se realiza la prueba de penetración del cono, en conjunto con la prueba de estirado de la canasta de malla, la primera evalúa la resistencia al flujo y al cizallamiento del cemento asfáltico reforzado con fibra, y la otra determina la adsorción de fibras en el cemento asfáltico y la estabilización del cemento asfáltico reforzado con fibra (Guo, Li, Lu, Bi, y He, 2020). Mientras que la prueba de barrido de secuencia usando un reómetro de cizallamiento dinámico se usa para investigar los efectos de los métodos de tratamiento de fibras en las propiedades reológicas de las emulsiones asfálticas reforzadas con fibras (Liu et al., 2020).
Porcentajes óptimos de fibras en las mezclas asfálticas
Ziari y colaboradores utilizaron las fibras de poliolefina - aramida como aditivos en porcentajes de 0,025%, 0,05% y 0,075% en relación al peso de la mezcla, recomendándose el uso de 0,075% de fibras cuando se presenten problemas de surcos o grietas, y el 0,05% de fibras para la mejora de la resistencia a la fatiga (Ziari, Saghafi, Moniri, y Bahri, 2020). Mientras que Alnadish y Aman (2019) analizaron solo las fibras de aramida en proporciones de 0,05, 0,1, 0,2 y 0,3% en relación al peso total de agregado, sobresaliendo el primer porcentaje evaluado de 0.05%, debido a que aumentó la vida útil bajo esta proporción.
Siguiendo con el uso de fibras sintéticas, Ziari y Moniri (2019) investigaron el uso de fibras de vidrio de poliolefina en las mezclas asfálticas, utilizando cantidades de 0,06%, 0,12% y 0,18% en peso de la mezcla total, obteniendo mejores resultados bajo la proporción de 0,12% de fibra. Entretanto Eisa y colaboradores evaluaron el efecto de la fibra de vidrio sobre las características de una mezcla asfáltica en caliente, mostrando que la mezcla con 0,25% de fibras por peso total de la mezcla exhibió valores positivos para casi todas las propiedades evaluadas (Eisa, Basiouny, y Daloob, 2021).
Por otro lado, Chen y colaboradores investigaron dentro del uso de fibras naturales el uso de fibras de tallos de maíz, las cuales se usaron en porcentajes de 0%, 2%, 4%, 6%, 8% y 10% en relación al peso del cemento asfáltico, influyendo de manera positiva al comportamiento a baja temperatura del cemento asfáltico bajo la adición de 2% de fibras (Chen, Yi, Chen, y Feng, 2019). Asimismo, Li y colaboradores investigaron a las fibras de bagazo de caña que usadas en un porcentaje de 0,2% en relación al peso total de la mezcla mostraron que se mejoró enormemente la estabilidad a alta temperatura y la resistencia al agrietamiento a baja temperatura de las mezclas asfálticas (Li, et al., 2020).
Longitudes optimas de las fibras usadas en las mezclas asfálticas
Basándose en el uso de fibras sintéticas, Kassem y colaboradores estudiaron el uso de fibras de aramida y poliolefina con dimensiones de 19 mm de largo, logrando obtener un efecto positivo sobre el desempeño de la mezcla asfáltica (Kassem, Saleh, Zalghout, y Chehab, 2018). Bajo el mismo concepto, Mawat y Ismael (2020) en su investigación presentaron el uso de las fibras de carbono con longitud de 2 cm y un 0,30% en relación al peso de la mezcla, mostrando resultados positivos en relación a la capacidad de resistir a la tracción indirecta y al índice de resistencia retenida. Como complemente esta la investigación de Aboutalebi & Namavar (2020), que utilizaron fibras de parafina, con longitud optima de 12 mm bajo un contenido de fibra de 1% (valor óptimo del estudio) mejorando con creces las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas.
Desde la perspectiva del uso de fibras naturales, Lou y colaboradores utilizaron fibras de basalto en longitudes de 3, 6, 9, 12 y 15 mm sobre mezclas asfálticas, encontrando que la adición de fibras mejora en grandes proporciones el desempeño de las mezclas bajo las longitudes de 6, 9 y 12 mm (Lou, Xiao, Kang, Wu, y Lu, 2020). Compartiendo la categoría de fibras naturales, Maharaj y colaboradores emplearon fibras de coco añadidas de manera gradual de 1% a 8% en peso del cemento asfáltico, con longitudes de 2,5, 5, 7,5 y 10 mm, logrando alcanzar una rigidez significativa y mayor elasticidad bajo porcentajes de fibra de 6% y 8% con una longitud de 2,5mm (Maharaj, Ali, Ramlochan, y Mohamed, 2019). Asimismo, Ramalingam y colaboradores estudiaron la aplicación de fibras de sisal en mezclas bituminosas, demostrando la mejora de la vida útil bajo la adición de 0,05% de fibra (en peso del agregado) con una longitud de 15 mm (Ramalingam, Murugasan, y Nagabhushana, 2017). De igual importancia, en su estudio Ferreira da Costa y colaboradores mostraron que el uso de fibras del pseudotallo de la planta de banano con un tamaño de fibra de 20 mm en mezclas asfálticas, demuestran características superiores en comparación a las mezclas sin fibras (Ferreira da Costa, Grangeiro de Barros, Lucena Lopes, y Lucena Lopes, 2020).
Uso de fibras para la mejora de las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas
Javani y colaboradores investigaron dentro del uso de fibras sintéticas para mejorar las características de las mezclas asfálticas el uso de fibras de polipropileno y vidrio reciclado, exhibiendo buena capacidad de tolerar la formación de surcos, vida prolongada a la fatiga y menos agrietamiento por reflexión (Javani, Kashi, y Mohamadi, 2019). Siguiendo con uso de fibras sintéticas, Wi'sniewski y colaboradores en su estudio mostraron que las fibras de aramida en la mezcla asfáltica de alto módulo reducen ligeramente el contenido de vacíos de aire (Wi'sniewski, Słowik, Kempa, Lewandowska, y Malinowska, 2020). De manera adicional Dehghan y Modarres (2017) investigaron el uso de fibras de tereftalato de polietileno, las cuales bajo porcentajes de adición de 1% y 2% demostraron una vida útil mayor al de la mezcla patrón.
La mejora de las propiedades mecánicas también se presentó con el uso de fibras naturales, ejemplo de ello es el estudio de Pirmohammad y Hojjati, (2020) mostró que el uso de fibras de kenaf y basalto como refuerzo de las mezclas asfálticas en caliente, mejoraron la resistencia a la factura de las mezclas asfálticas. Adicionalmente Liu y colaboradores indagaron sobre el uso de las fibras de paja de algodón, las cuales incrementaron la estabilidad bajo condiciones de temperaturas altas (Liu, Li, Chen, Guan, y Liu, 2020).
Por otra parte, Bdour y colaboradores estudiaron el uso de una fibra inusual llamada fibra de lana de alambre, la cual incrementó la cualidad de soportar la tracción de las mezclas asfálticas, pero aumentó la formación de surcos, siendo recomendable para áreas donde la formación de surcos no se una falla predominante (Bdour, Khalayleh, y Al-Omari, 2015). Adicionalmente Do y colaboradores estudiaron el uso de fibras Forta-fi, la cuáles bajo un porcentaje de 0,1% de fibra en relación al peso total de la mezcla, aumentaron la vida útil a la fatiga del cemento asfáltico (Do, Nguyen, Tran, y Tai, 2020). Adicionalmente Desseaux y colaboradores en su estudio utilizaron fibras de celulosas aceitada, las cuales modificaron las propiedades mecánicas del cemento asfáltico de una manera distinta a los aditivos comunes (Desseaux, et al., 2018).
Desempeño de las mezclas asfálticas con fibras según el tipo de cemento asfáltico
Naseri y colaboradores presentaron en su estudio el uso de la fibra de cerámica (CF) como modificador del cemento asfáltico (PG 64-22), demostrando que al usarlas hasta un 0,4% en peso del cemento asfáltico se redujo la rigidez a la fluencia e incremento el beneficio-costo, haciendo posible que las características reológicas del cemento asfáltico sean adecuadas para un grado más bajo que el cemento asfáltico de control (Naseri Yalghouzaghaj, Sarkar, Hamedi, y Hayati, 2020). Arabani y colaboradores estudiaron el mismo tipo de fibra, pero con un cemento asfáltico PG64-16 (más utilizados para climas cálidos y moderados) obteniendo que la vida útil a la fatiga de la mezcla asfáltica aumento al agregarle hasta un 3% de CF, pero si le agrega CF por encima del 3% esta disminuyo la vida útil a la fatiga (Arabani, Shabani, y Hamedi, 2019).
Por otro lado, también está el uso de fibras naturales, en donde Hao y Hao (2014) demostraron que el uso de fibras de basalto en cemento asfáltico SK 70 bajo el mismo nivel de estrés duplican la vida de fatiga de la mezcla asfáltica.
En otra instancia, Wang y colaboradores indagaron el uso fibras sintéticas en un cemento asfáltico con grado de penetración 70/100, adicionando fibra de poliacrilonitrilo, mostrándose mejoras en la propiedad de antifatiga, (Wang, Yang, Zhan, Ding, y Jin, 2018), bajo el uso el mismo betún, Geckil y Ahmedzade (2020) estudiaron la mezcla asfáltica con adición de fibra de carbono, obteniendo que al adicionar fibra de carbono aumenta la resistencia al esfuerzo cortante en un 25%, la vida útil a la fatiga en un 51% y la resistencia a la deformación permanente en 2,25 veces. Continuando con las fibras sintéticas, García y colaboradores investigaron la adición de fibras de lana de acero al mismo cemento asfáltico dando como resultado que esta no mejora las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica, incluso estas pueden llegar a cambiar la distribución de vacíos de aire de la mezcla lo que podría ocasionar que la capacidad de resistir la perdida de partículas se vea inmiscuida (García, Norambuena Contreras, y Partl, 2014).
Dentro de las fibras no muy usuales Rahman y colaboradores utilizaron fibras de colillas de cigarrillos (CB), incorporándolo a distintos tipos de cemento asfáltico tales como C320, C170 y PMB A10E, obteniendo que el cemento asfáltico C320 y PMB A10E son los más apropiados para ser modificados con CB sin comprometer la propiedad de penetración (Rahman, Mohajerani, y Giustozzi, 2020).
Desempeño de las mezclas asfálticas con fibras según el tipo de mezcla asfáltica
Mezcla asfáltica en frio
Ferrotti y colaboradores investigaron unas mezclas asfáltica en frio con el uso de fibras (celulosa, vidrio-celulosa, nylon-poliéster-celulosa), siendo dosificados en 0,15% y 0,30% por el peso del agregado, encontrando que las fibras de celulosa al 0,15% mostraron mejores resultados respecto a la mezcla sin fibras, destacando un mayor desempeño en tiempos de curado más cortos (Ferrotti, Pasquini, y Canestrari, 2014). Asimismo Atherton y colaboradores indagaron sobre el uso de fibras de bonote y vidrio, que al ser utilizados como materiales de refuerzo, optimizaron la mezcla asfáltica en frío (CMA) al mejorar de manera relevante el módulo de rigidez y la resistencia a la tracción de la mezcla (Atherton, Ruddock, y Shanbara, 2017). Pero al centrarse solo en la utilización de fibras naturales Shanbara y colaboradores utilizaron fibras de bonote y yute como reforzamiento en mezclas CMA, observándose que estas muestran efectividad para disminuir la formación de surcos, catalogándolas como componentes de refuerzo que pueden aumentar la vida útil del pavimento (Shanbara, Ruddock, y Atherton, 2018).
Por otra parte con el fin de caracterizar el comportamiento de formación de surcos en CMA, Shanbara y colaboradores usaron fibras de vidrio y de cáñamo, resultando que el uso de estas fibras mejoraron el desempeño de las mezclas CMA frente a la deformación permanente (Shanbara, Ruddock, y Atherton, 2018b). En busca de reforzar la investigación anterior Shanbara y colaboradores utilizaron fibras de vidrio, cáñamo, yute y bonote en CMA, mediante el cual determinaron que las mezclas CMA mejoradas con fibras naturales y sintéticas facilitaron una deformación permanente sustancialmente menor que las mezclas tradicionales frías y calientes (Shanbara, Ruddock, y Atherton, 2018c). En relación con el uso del mismo tipo de fibras Shubbar y colaboradores estudiaron las mezclas CMA, denotando que las mezclas asfálticas en frío pueden ser mejoradas de manera general al incorporar fibras naturales y sintéticas (Shubbar, Shanbara, Ruddock, & Atherton, 2020).
Diversificando el estudio de adición de fibras en una mezcla CMA, Martinez y colaboradores usaron fibras F1 (malla de polipropileno) y F2 (polipropileno monofilamento) con los betunes, Betún A (Bit A), Betún B (Bit B) y Betún C (Bit C), resultando que los contenidos óptimos de fibra fueron 0,075% (en masa de agregados) para F1 y 0,15% para F2, demostrando que estas fibras incrementaron las propiedades mecánicas a temperaturas bajas e intermedias (Martinez, Giustozzi, Crispino, y Flintsch, 2015).
Mezcla asfáltica en caliente
Alfalah y colaboradores en su estudio usaron fibras de vidrio, basalto, carbono y aramida en proporciones de 0,16% (fibra de vidrio, basalto y carbono) y 0,05%(aramida) por peso total de la mezcla, logrando alcanzar la mejora del desempeño en formación de surcos y durabilidad de las mezclas asfálticas en caliente (HMA) (Alfalah, et al., 2020). Por otro lado, Miao y colaboradores estudiaron el uso de cuatro tipos de fibra, incluido un plástico reforzado con fibra (FRP), dos fibras de lignina y una fibra de basalto, destacando que las fibras de basalto presentaron el mejor efecto de refuerzo en HMA al contar con una alta energía superficial (Miao, Wang, y Wang, 2019). Además del uso de estas fibras, Takaikaew y colaboradores utilizaron las fibras de aramida y poliolefina como material de refuerzo en HMA, las cuales exhibieron un desempeño por encima de la mezcla asfáltica ordinaria, presentando así una vida útil más larga (Takaikaew et al., 2018).
Centrándose solo en las fibras sintéticas, Meng y colaboradores indagaron sobre el uso de fibras de poliéster en mezclas asfálticas en caliente, mostrando un desempeño de fatiga relativamente bueno con un contenido de fibra de 0,35% y una relación de longitud a diámetro de 324 (Meng, Gao, Chen, y Huang, 2020). Además Enieb, Diab, y Yang estudiaron el uso de fibras de vidrio en mezclas HMA las cuales pudieron impartir actitudes positivas como, aumentar la fuerza, resistir a la creación de surcos, menor susceptibilidad a ser dañado por humedad, retardar el agrietamiento por fatiga, mejorar la capacidad de curación y combatir los cambios adversos del envejecimiento (Enieb, Diab, y Yang, 2019). Mientras que Koçkal y Köfteci (2016) intentaron minimizar el efecto ambiental agresivo sobre la mezcla asfáltica en caliente, utilizando fibras de polipropileno en un 7,5%, obteniendo con esto, un valor óptimo de la estabilidad Marshall.
Rentabilidad del uso de fibras en las mezclas asfálticas
Alnadish y Aman (2019) mediante su estudio determinaron que el uso de fibras de polipropileno en HMA incrementaron considerablemente el costo inicial, pero este a la vez aumentó el ciclo de vida del pavimento lo cual a largo plazo sería más económico (Adnan, Uneb, y Sajjad, 2016).También está presente estudio de Souliman y colaboradores que investigo el uso de fibras de aramida, que al adicionarlas en un 0,05% en relación al peso total del agregado, aumentó la resistencia a agrietamiento por fatiga y a la formación de surcos , alargando su vida útil, y a la vez minimizando costos de rehabilitación y mantenimiento. En tal sentido, adicionalmente se demostró que la rentabilidad de la mezcla reforzada con fibras fue 4,25 veces mayor que la de la mezcla controlada sin modificar según el análisis de fatiga, mientras que la rentabilidad de la mezcla reforzada con fibras fue 4,52 veces mayor que la de la mezcla controlada sin modificar según el análisis de formación de surcos (Souliman, Tripathi, y Isied, 2019).
Zhang y colaboradores estudiaron el uso de fibras combinadas, esta fibra hibrida está compuesta por fibras de ligina, poliéster y polipropileno, y demostraron que su beneficio-costo es mejor que el de cada fibra por separado, mostrándose como una opción para reforzar las mezclas asfálticas (Zhang, Hao, Pang, y Mwanza, 2016). Complementariamente Perca y colaboradores indagaron sobre el uso de fibras de polímero, que mediante un análisis de beneficio-costo se demostró que las fibras de polímero podrían ser una alternativa valiosa, debido a su menor costo en comparación con las mezclas tradicionales (Perca, Hashemian, y Sha, 2020).
Conclusiones
Mediante la revisión literaria de las investigaciones encontradas de los diferentes autores sobre la mejora de las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas con adición de fibras se han llegado a las siguientes conclusiones:
Se concluyó que dentro que los diferentes tipos de fibras utilizadas en las mezclas asfálticas, se presentó el uso de distintos tipos de fibras sintéticas y fibras naturales con afán de la mejora de las distintas características de las mezclas, resaltando por parte de las fibras sintéticas, las fibras de aramida, mientras que las fibras naturales, las fibras de basalto.
Las fibras son una buena opción de refuerzo a los pavimentos flexibles ya que en las pruebas realizadas tales como: Marshall, tracción indirecta, penetración del cono, prueba de seguimiento de ruedas, se obtuvieron buenos resultados.
En cuanto el porcentaje óptimo de fibras que se necesitó para mejorar las propiedades de las mezclas asfálticas, estas varían según el tipo de fibra, forma, tamaño y como se añaden en las mezclas, ya que dependiendo de la investigación se puede añadir reemplazando en porcentaje o peso, del agregado fino, agregado grueso, del cemento asfáltico, componentes de la mezcla asfáltica.
El adicionar diferentes tipos de fibras a las mezclas asfálticas, se mejoró distintas propiedades tales como: Susceptibilidad a la humedad, Resistencia a la fatiga, Resistencia a la deformación, Resistencia a la tracción, Estabilidad a alta temperatura, Resistencia al agrietamiento. Siendo la resistencia a la formación de surcos la propiedad que más destaco en las diferentes investigaciones. Pero no todas las fibras utilizadas llegaron a cumplir el objetivo de modificar de manera positiva las propiedades del pavimento, algunas llegaron a afectar la unión entre los agregados y el cemento asfáltico disminuyendo el tiempo de vida útil del pavimento.
La adición de fibras en mezclas asfálticas en caliente, muestran características que superan con creces a las mezclas asfálticas ordinarias, mientras que el uso de fibras en mezclas asfálticas en frio solo llegan a mostrar características que igualan o superan por poco a las mezclas ordinarias.
Al evaluar el uso de fibras en las mezclas asfálticas mediante un análisis de beneficio-costo, se demostró que el uso de fibras resulta una valiosa alternativa en comparación a las mezclas tradicionales, si bien es cierto muestran un aumento en el costo inicial pero también un incremento en el ciclo de vida, siendo así económicamente factibles para proyectos viales que se realicen con el de uso pavimentos flexibles.
Con base en la revisión bibliográfica realizada, se recomienda proseguir con estudios encaminados a utilizar fibras en la fabricación de mezclas asfálticas debido a las mejoras que proporciona.
