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Introducción
En China, reemplazar la grava natural y arena se ha convertido en el contenido de muchas investigaciones, por lo tanto, manejar eficazmente el uso de escoria de acero para reemplar el agregado natural es su principal objetivo. En la ingeniería vial, la escoria de acero puede reemplazar parcialmente el agregado natural para mejorar la resistencia al desgaste del hormigón (Yan, y Hao, 2019). Los problemas asociados con la fuerza, la durabilidad y el rendimiento de los pavimentos dependen no solo de las características del aglutinante, sino también del agregado utilizado (Ali, et al., 2019). En China el 90% del pavimento de asfalto está diseñado y colocado de acuerdo con el principio de clasificación densa (Fan, Pan, Wei, Lu, y Fang, 2019). Teniendo en cuenta que varios millones de toneladas de escoria de acero se producen anualmente y causan riesgos ambientales, en Irán se busca usar la escoria de acero como agregado grueso en las mezclas asfálticas en caliente (Alinezhad y Sahaf, 2019). Este desperdicio de material generalmente tiene propiedades físicas interesantes y composición mineralógica y química, que pueden ser útiles como agregado granular en la producción de asfalto de mezcla en caliente (Rondón-Quintana, Ruge-Cárdenas, y Muniz, 2018).
El rápido desarrollo de la industria pesada en Vietnam ahora considera la escoria de acero un desecho sólido normal o no perjudicial, y ha sido estudiado para su reutilización en la industria de la construcción (Nguyen, Lu, y Le, 2018). En China, por cada tonelada de acero bruto producido, 8% - 15% de acero se producirá escoria, por lo que, actualmente, la escoria de acero de China acumula alrededor de mil millones de toneladas. Por lo tanto, si no se usa razonablemente ocupará muchos recursos de la tierra y causará contaminación ambiental (Bing, Biao, Zhen, Hanchi, y Hongbo, 2019).
La escoria de acero puede verse como una alternativa potencial de agregados naturales y así ahorrar una gran parte de recursos naturales y proteger el medio ambiente (Rahmawati y Saputro, 2018). En Malasia, el vertido de escoria de acero es el método de eliminación más convencional, debido a esto no solo causa escasez del vertedero, sino que el medio ambiente se verá afectado (Lim, Chew, Choong, Tezara, y Yazdi, 2016). En Indonesia, se ha mejorado el uso de escoria de acero como reemplazo de agregado con fines constructivos para así reducir el costo de construcción y mantenimiento de infraestructuras existentes (Hanif, 2019).
Brasil es el mayor productor de escoria de acero en América Latina con el 52,2%, es así necesario fomentar el uso del subproducto que aquí se genera como sustituto de agregado natural (Alves, Alexandre, Rodrigues, Fernandes, y Bezerra, 2020; Giordano, Leão, Dos Santos, Andrade, y Cecche, 2019). En Colombia, el uso de sobrantes industriales en distintos procesos debe centrarse en el desarrollo eco amigable al ambiente, se usa así escoria de acero como agregado grueso para fabricar mezclas calientes de asfalto (López-Díaz, Ochoa-Díaz, y Grimaldo-León, 2018). Estos materiales poseen propiedades químicas y físicas aptos para ser usados en rehabilitación de carreteras (Rondón-Quintana, Muniz-De-Farias, y Reyes-Lizcano, 2018), pues el riesgo ambiental que genera el depósito de escoria de acero en vertederos conlleva a su uso como agregado grueso en las mezclas asfálticas calientes (Shiha, El-Badawy, y Gabr, 2020).
En Turquía, el uso de escoria de acero como agregado grueso en la mezcla asfáltica en caliente, y evaluado por estabilidad y fluencia de Marshall, mejora dichas propiedades mecánicas (Ahmedzade y Sengoz, 2008), esta también proporciona una resistencia significativa a corto plazo, por lo tanto, podría considerarse una mezcla bituminosa duradera en comparación con una mezcla tradicional (Amelian, Manian, Mahdi, y Goli, 2018).
La incorporación simultánea de escoria de acero es una opción económica y respetuosa con el medio ambiente, con una calidad comparable e incluso de mejor rendimiento respecto a la mezcla asfáltica tradicional (Fakhri y Ahmadi, 2017; Goli, Hesami, y Ameri, 2017). Finalmente, la adición de la escoria de acero aumenta la estabilidad de Marshall y es satisfactoria, además, por su textura rugosa, mejora la adhesión con el asfalto y la resistencia al corte (Martinho, Picado-Santos, y Capitao, 2018; Yan y Hao, 2019).
Por todo lo dicho, se ha encontrado que un diseño experimental con el 15% de escoria de acero incorporado en una mezcla asfáltica posee una estabilidad de 12,536 kN. Por lo tanto, resulta que cumple lo que la norma ASTM D - 1559 establece, en la cual se indica que la estabilidad debe cumplir un mínimo de 8,15 kN (Pérez, 2018). Adicionalmente, se ha encontrado que, al incorporar un 15% de escoria de acero, la resistencia a la formación de surcos es 1,24 veces mayor que la mezcla tradicional, en la estabilidad es 1,8 veces mayor a la mezcla tradicional y muestra mejor resistencia al agrietamiento (Kim, Heang, Kim, y Kim, 2018). Para adiciones superiores al 25% de escoria de acero, los valores de estabilidad Mashall alcanzan niveles similares a la mezcla patrón, y mejora los resultados de resistencia respecto a la mezcla patrón (Raposeiras, Vargas, Movilla, y Castro, 2016; Tamayo y Bautista, 2020).
Por lo mencionado anteriormente, la presente investigación tiene el objetivo de evaluar la estabilidad y flujo de una mezcla asfáltica en caliente incorporando escorias de acero.
Metodología
Materiales
Agregados
Los agregados utilizados para la presente investigación vistos en la Figura 1, tanto agregado grueso como fino fueron de la cantera del gobierno regional de Lambayeque - Perú. Los agregados constituyen aproximadamente 88% a 96% en peso y volumen de la mezcla total.
El efecto del agregado sobre las características de las mezclas bituminosas es de primordial importancia. Uno de los aspectos clave de los agregados es que afectan la estabilidad y las propiedades de trabajo de una mezcla es la gradación. Los agregados utilizados se clasifican esencialmente como agregados gruesos y finos según su tamaño. Los agregados que son menores de 50 mm y mayores de 2,36 mm de tamaño se consideran agregados gruesos, mientras los agregados menores de 2,36 mm y mayores de 0.075 mm de tamaño son el agregado fino (Gupta y Bellary, 2018).
Escoria de acero
En la presente investigación se usó la escoria de acero Figura 2 que se produce como un subproducto durante la oxidación de acero en un horno de arco eléctrico. Esta será incorporada en relación con el peso del agregado grueso en porcentajes de 15%, 25%, 50%, 75%. Este subproducto, que consiste principalmente en carbonato de calcio, se descompone en tamaños más pequeños para usarse como agregados en asfalto y concreto. Son particularmente útiles en áreas donde el agregado de buena calidad es escaso (Adilah, Mohamed, Ramadhansyah, Rokiah, y Hainin, 2020).
Mezcla asfáltica
El asfalto es un elemento cementante de tonalidad negro y solidez cambiable, cuya dureza dependerá a que temperatura se trabaje. En medida que la temperatura se eleva, el asfalto sólido o semisólido pasa a un estado líquido. La mezcla en caliente desarrollada se produce a una temperatura de 135 °C a 180 °C, para esto se empleó agregado grueso, agregado fino, cemento asfaltico 60/70, escoria de acero con los parámetros establecidos en el Cuadro 1, Cuadro 2 y Cuadro 3.
Filler
El material de relleno es un material no plástico con un mínimo del 75% del peso que pasa a través del tamiz N° 200 (0,075 mm) (Irwanto y Qadar, 2019).
Procedimiento
El proceso de la investigación se desarrolla mediante los siguientes pasos establecidos en la Figura 3. La metodología empleada para determinar la estabilidad y flujo de la mezcla asfáltica fue Marshall, así mismo el control de la calidad de los agregados debe cumplir con los parámetros establecidos en la ASTM D-1559, desde el propósito de la investigación hasta el análisis final de los resultados obtenidos.
Resultados y discusión
Propiedades físicas de los agregados
El agregado fino, agregado grueso y escoria de acero evaluado cumplió con los parámetros mínimos y máximos de las normas ASTM como se muestra en el Cuadro 1, Cuadro 2 y Cuadro 3, respectivamente, lo cual comprueba un correcto control de calidad por cada ensayo pertinente. Para la elaboración de las mezclas asfálticas se muestra su curva granulométrica en la Figura 4, Figura 5 y Figura 6.
Cuadro 1. Resultados realizados al agregado fino.
| Ensayo a realizar | Resultado | Requerimientos |
|---|---|---|
| Equivalente de arena | 61% | 45% min - ASTM D - 2419 |
| Índice de plasticidad | 2,39% | 4% máx. - ASTM D - 4318 |
| Sales solubles totales | 0,24% | 0,5% máx. - ASTM - 2216 |
| Absorción | 0,48% | 0,5% máx. - ASTM D - 420 |
| Adhesividad (Riedel weber) | 4,01% | 4% min - ASTM D: E 11-70 |
Cuadro 2. Resultados realizados al agregado grueso.
| Ensayo | Resultado | Requerimiento |
|---|---|---|
| Abrasión en la máquina de Los ángeles | 22,2% | 40% máx. - ASTM C - 131 |
| Pérdida de masa por inmersión en sulfato de Mg. | 6,53% | 12% máx. - ASTM C -88 |
| Partículas chatas y alargadas | 8,9% | 15% máx. - ASTM 4791 |
| Partículas fracturadas | 26/68 | 65/40 - ASTM D - 5821 |
| Sales solubles | 0,16% | 0,5% máx. - ASTM D - 2216 |
| Absorción | 0,98% | 1% máx. - ASTM C - 127 |
| Adherencia | 95 | 95 + - ASTM D-4541 |
En la escoria de acero se debe tener en consideración el tema de absorción: los resultados determinan el 1,4% de absorción, superando el valor máximo permitido de 1%, debido a la alta porosidad del material.
Cuadro 3. Resultados de la caracterización de la escoria de acero.
| Ensayo | Resultado | Requerimiento |
|---|---|---|
| Abrasión de los ángeles | 26,34% | 40% máx. - ASTM C - 131 |
| Pérdida en sulfato de Mg | 4,38% | 12% máx. - ASTM C - 88 |
| Partículas chatas y alargadas | 0,21% | 15% máx. - ASTM 4791 |
| Partículas fracturadas | 0/0 | 65/40 - ASTM D - 5821 |
| Sales solubles | 0,07% | 0,5% máx. - ASTM D -2216 |
| Absorción | 2,4% | 1% máx. - ASTM C-127 |
| Adherencia | 95 | 95 + - ASTM C - 127 |
Metodología de Marshall estabilidad y flujo
La estabilidad de Marshall muestra la capacidad de la mezcla asfáltica para resistir empujones y surcos. El flujo muestra la capacidad de la mezcla asfáltica para resistir el asentamiento gradual y la deformación sin agrietarse (Veropalumbo, Viscione, y Formisano, 2018).
El Cuadro 4 muestra los requisitos de la metodología Marshall para mezclas asfálticas en caliente.
Cuadro 4. Requisitos del Marshall para las mezclas según la especificación 423 Pavimento Asfáltico en Caliente.
| Parámetro de diseño | Clase de mezcla | ||
|---|---|---|---|
| Marshall | A | B | C |
| 1. Compactación, numero de golpes por lado | 75 | 50 | 35 |
| 2. Estabilidad (mínimo) | 8,15 kN | 5,44 kN | 4,53 kN |
| 3. Flujo 0.01" (0.25 mm) | 8-14 | 8-16 | 8-20 |
| 4. Porcentaje de vacíos con aire (1) | 3-5 | 3-5 | 3-5 |
| 5. Vacíos en el agregado mineral | |||
| Inmersión - compresión | 2.1 | 1.4 | |
| 1. Resistencia a compresión MPa min | 2,1 | 2,1 | 1,4 |
| 2. Resistencia retenida % (min) | 75 | 0,6-1,3 | 0,6-1,3 |
| Relación polvo - asfalto (2) | 0,6-1,3 | ||
| Relación estabilidad flujo (kg/cm) | 1,700-4,000 | ||
| Resistencia conservada en la prueba de fracción indirecta | 80 Min | ||
Resultados de la mejor combinación de agregado con el 15% de escoria de acero
Según los análisis granulométricos y la combinación de los mismos, dichos porcentajes en la sustitución con 15% está dentro de los límites de la franja granulométrica MAC-2 siendo la combinación de Agregado Grueso 45,9% + Agregado Fino 44%, la que se considera como la mejor por cumplir con los parámetros establecidos en la ASTM D -1559 y cumplir para el ensayo de tránsito liviano y mediano, tal como se muestra en el Cuadro 5 y su combinación granulométrica en la Figura 7.
A continuación, se muestran los resultados para cada clase de tránsito respecto a la mezcla asfáltica tradicional y con incorporación de escoria de acero en 15%, 25%, 50 % y 75% con porcentajes óptimos. En el Cuadro 5 (tránsito liviano), el Cuadro 6 (tránsito mediano) y Cuadro 7 (tránsito pesado), se puede ver un incremento de los valores obtenidos, dependiendo del contenido de escoria de acero.
Cuadro 5. Influencia de la sustitución de agregado grueso por escoria en el Marshall.
| Tránsito liviano | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Contenido de escoria de acero | 0% | 15% | 25% | 50% | 75% | Especificaciones técnicas ASTM |
| Vacíos (%) | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 3-5% |
| VMA (%) | 17,02 | 17,02 | 17,02 | 17,02 | 17,02 | |
| VLCA (%) | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 70-80% |
| Flujo (mm) | 13,59 | 13,59 | 13,59 | 13,59 | 13,59 | Entre 8 - 20 |
| Estabilidad corregida (kN) | 12,87 | 12,94 | 14,60 | 15,68 | 15,46 | Mín. 4,53 kN |
| Rel. Estabilidad/Fluencia (kg/cm) | 2998,4 | 3004,9 | 3555,9 | 3997,1 | 3741,3 | 1700-4000 |
Cuadro 6. Influencia de la sustitución de agregado grueso por escoria en el Marshall.
| Tránsito mediano | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Contenido de escoria de acero | 0% | 15% | 25% | 50% | 75% | Especificaciones técnicas |
| Vacíos (%) | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 3-5% |
| VMA (%) | 17,02 | 17,02 | 17,02 | 17,02 | 17,02 | |
| VLCA (%) | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 65-78% |
| Flujo (mm) | 13,59 | 13,59 | 13,59 | 13,59 | 13,59 | Entre 8 - 16 |
| Estabilidad corregida (kN) | 14,14 | 14,76 | 19,23 | 19,73 | 17,02 | Mín. 5,44 kN |
| Rel. Estabilidad/Fluencia (kg/cm) | 3618,3 | 3802,5 | 4432,3 | 5004,3 | 5252,7 | 1700-4000 |
Cuadro 7. Influencia de la sustitución de agregado grueso por escoria en el Marshall.
| Tránsito pesado | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Contenido de escoria de acero | 0% | 15% | 25% | 50% | 75% | Especificaciones técnicas |
| Vacíos (%) | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 3-5% |
| VMA (%) | 17,02 | 17,02 | 17,02 | 17,02 | 17,02 | |
| VLCA (%) | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 72,59 | 65-75% |
| Flujo (mm) | 13,59 | 13,59 | 13,59 | 13,59 | 13,59 | Entre 8 - 14 |
| Estabilidad corregida (kN) | 13,59 | 17,98 | 19,94 | 24,33 | 24,33 | Mín. 8,15 kN |
| Rel. Estabilidad/Fluencia (kg/cm) | 3306,1 | 5336,8 | 5867,9 | 6004,9 | 792,1 | 1700-4000 |
En los resultados del trabajo se pudo apreciar que la escoria de acero incorporada en un 15% mantiene el flujo y mejora la estabilidad respecto a la mezcla patrón, en sus tres categorías transito liviano, mediano y pesado tal como se muestra en el Cuadro 5, el Cuadro 6 y Cuadro 7, que coincide con las investigaciones de Kim, et al. (2018) y Pérez, (2018). Al 15% de incorporación de escoria de acero se determina que es la mejor, por ser más estable y cumplir con los parámetros establecidos para un tránsito liviano y mediano; por su parte, Raposeiras y colaboradores (2016) y Tamayo y Bautista (2020) concluyen que la mejor combinación de escoria de acero es al 25%, sin embargo, en esta investigación consideramos que 25% cumple solo para transito liviano y satisface al límite la franja granulométrica MAC-2 (mezcla asfáltica en caliente), la cual su granulometría debe estar entre el tamiz –” y el tamiz N° 200; por lo que se considera que el 15% de incorporación de escoria de acero como la mejor combinación granulométrica.
Se concluye también que se debe tener un óptimo control de la calidad de los agregados, pues estos son determinantes para la veracidad de los resultados.
Conclusiones
Se concluye que:
El control de calidad de los agregados (agregado fino, agregado grueso) y escoria de acero, cumplen con todos los parámetros que establece la construcción de mezclas asfálticas en caliente (ASTM D-1559).
De los porcentajes incorporados, resulta que la incorporación del 15% de escoria es la mejor combinación granulométrica para una MAC-2, pues la mezcla asfáltica tiende a ser más estable respecto a la tradicional y cumple los parámetros de un tránsito liviano y mediano; y el 25% es el máximo límite pues si se pasa de este porcentaje no se cumple con el huso granulométrico MAC-2 y solo satisface los parámetros para un tránsito liviano.
La incorporación de escoria al 15% mejora la estabilidad y el flujo se mantiene, por lo tanto, cumple para tránsito liviano y mediano; el 25% mejora la estabilidad y el flujo se mantiene, por lo tanto, cumple para transito liviano, mientras que el 50% y 75% cumple para tránsito liviano; sin embargo, no cumple con la franja granulométrica para MAC-2.
