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Introducción
Actualmente en Perú gran parte de la infraestructura vial se encuentra en un estado de deterioro según lo publicado por Aldazabal Sánchez (2019). La Cámara de Comercio de Lima indica que el 80 % de las carreteras del Perú están en un mal estado, esto se debe principalmente a que las vías están siendo expuestas a un tránsito vehicular mucho mayor para el cual fueron diseñadas. Es por ello que el pavimento tiende a cumplir su tiempo de vida mucho antes de lo planificado, por ende, presenta fallas superficiales y/o estructurales, asentamientos, hundimientos, deformaciones, agrietamientos, etc., lo cual hace que la estructura envejezca prematuramente (Humpiri Pineda, 2015).
Cuando un pavimento se encuentra en un estado crítico, no solo requiere de un tratamiento superficial para corregir las fallas estructurales profundas sino que, además, requiere de una rehabilitación vial a nivel estructural. Dada la problemática presentada, en esta investigación se elaboró un diseño de mezcla asfáltica basado en el método Marshall modificado para la estabilización de un suelo reciclado con emulsión asfáltica CSS-1h y pavimento asfáltico reciclado (RAP), debido a que la incorporación de emulsión asfáltica propicia mayor flexibilidad a la mezcla, aparte de incrementar la cohesión y permeabilidad del agregado, logrando una alta resistencia mecánica (García Hernández, Delgado Alamilla y Campos Hernández, 2018; Rocchetti y Ferrerras, 2016). Por su parte, Leiva Villacorta y Vargas Nordcbeck (2018) informan que el reciclaje de agregados RAP reduce los costos asociados a los materiales y el transporte, obteniendo beneficios económicos. Con el diseño de mezcla se determina el porcentaje de emulsión que logra estabilizar un material deteriorado, a fin de obtener una mezcla asfáltica capaz de soportar las aplicaciones de carga (estabilidad) sin adquirir una deformación permanente (fluencia) excesiva o falla por fatiga (Ludeña Rojas, 2017).
La estabilización de un pavimento deteriorado con emulsión asfáltica permite convertir un suelo de baja calidad en una capa estructural con una adecuada capacidad de carga (García Hernández et al., 2018). Asimismo, permite a la estructura recuperar sus propiedades iniciales y prolongar el periodo para el cual fue diseñada, de esa manera brinda a la estructura existente mayor capacidad de soporte y mitiga el impacto ambiental al reutilizar material que ya cumplió su ciclo de vida (Crispin Paucar y Helguero Calderón, 2016).
Está claro que estabilizar un pavimento deteriorado con emulsión y RAP es viable y permite rehabilitar la estructura utilizando las capas deterioradas (Paccori Mori, 2018), por lo que esta investigación presenta un caso práctico del correcto uso de la emulsión asfáltica CSS-1h y RAP.
Marco teórico
Diseño de mezcla
Un diseño de mezcla se realiza para establecer la proporción de emulsión con el que se logra mejorar en mayor magnitud las propiedades mecánicas de los agregados. Para ello, es esencial preparar mezclas de prueba en el laboratorio (Figura 1) y determinar las propiedades de trabajabilidad, susceptibilidad al daño por humedad, estabilidad y flujo de una mezcla suelo-emulsión (Instituto del Asfalto, 2008).
Estabilización de los agregados de un pavimento deteriorado
La estabilización del material proveniente de la carpeta asfáltica y capa base de un pavimento deteriorado con emulsión, se realiza en frío. Esto es llevado a cabo para la mejora de una o más propiedades físicas mediante procedimientos mecánicos (compactación) y adición de agentes estabilizadores. La razón principal de la estabilización es el aprovechamiento de materiales existentes del lugar de construcción de la obra (Orosa, Pasandín y Pérez, 2021). Por lo general, se aplican en vías deterioradas como es el caso de esta investigación, la cual buscó estabilizar los agregados reciclados con emulsión asfáltica tipo CSS-1h, con el objetivo de incrementar su resistencia, capacidad de carga y que ésta perdure en el tiempo.
Componentes para la estabilización de agregados con emulsión asfáltica
Agregado reciclado
En este estudio se empleó el reciclado a profundidad, los agregados que se utilizaron fueron obtenidos producto de la trituración mecánica de la carpeta asfáltica reciclada (RAP), más la capa base del pavimento deteriorado, para ser estabilizado con emulsión asfáltica, ya sea para la conformación de una capa base al colocar un tratamiento superficial o una nueva carpeta asfáltica de volumen de tránsito medio utilizando un ligante asfáltico, evitando así el uso de materiales de aporte.
El Pavimento Asfáltico Reciclado o RAP, es el material reutilizado que proviene de la carpeta asfáltica que ha perdido en gran medida sus propiedades iniciales y muchas veces concluido con su tiempo de vida (Leiva Villacorta y Vargas Nordcbeck, 2018).
Emulsión asfáltica
Es una mezcla de cemento asfáltico con emulsificantes que, cuando se junta con el agua, forma una emulsión estable, esto permite colocar una capa asfáltica a temperatura ambiente.
Para la elaboración del diseño de mezcla se empleó una emulsión asfáltica catiónica CSS-1h, este tipo de emulsión está conformado por 40 % de agua y 60 % de residuo asfáltico (Instituto del Asfalto, 2008). Se utilizó este tipo de emulsión porque permite a la mezcla asfáltica adquirir mayor grado de estabilidad y flexibilidad según la investigación de Vera Tello (2015) y Paccori Mori (2018), las cuales mencionan que con la emulsión de rotura lenta se obtiene periodos prolongados de trabajabilidad y es apta para su aplicación en mezclas para estabilización de agregados, bases y carpetas asfálticas.
Agua
La calidad del agua utilizada en una estabilización es importante para garantizar el correcto desempeño de la emulsión, previo al diseño se debe verificar su compatibilidad. Para este diseño se utilizó agua potable, el Manual de Carreteras indica que este tipo de agua se puede emplear sin la necesidad de realizar ensayos previos (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2015).
Método de diseño Marshall modificado
En este estudio se utilizó el método Marshall modificado para la elaboración del diseño de mezcla. Este método emplea agregados de tamaño máximo de 38 mm (1½"), y está pensado para diseño en laboratorio, son aplicables a mezclas que contengan cualquier grado de emulsión asfáltica y gradación densa (granulometría cerrada). El método utiliza especímenes de prueba (briquetas) estándar de 64 mm (2½") de alto y 102 mm (4") de diámetro, preparados mediante un procedimiento de combinar y compactar la mezcla agregado-emulsión según las normas AASHTO T 245 (AASHTO, 2022) y ASTM D1559 (ASTM International, 1989). Las briquetas se compactan con un martillo estándar (10 lb y caída libre de 18"), aplicando 50 golpes por lado, para su aplicación en casos de tránsito medio y mantenimiento, según el Manual MS-14, apéndice F (Instituto del Asfalto, 1997). Su finalidad es definir el contenido óptimo de residuo asfáltico para una combinación específica de agregados y así conocer las propiedades de la mezcla, para establecer las densidades y el contenido de vacíos que se deben cumplir durante la construcción del pavimento. Finalmente, evalúa dos aspectos fundamentales: la prueba de estabilidad-flujo y la relación densidad-vacíos totales de los especímenes compactados (Instituto del Asfalto, 1997).
Ensayo de estabilidad y flujo (ASTM D1559, AASHTO T 245)
Cuando se estabiliza agregados con emulsión asfáltica se realiza la prueba de estabilidad y flujo para conocer en qué magnitud la mezcla asfáltica mejora sus propiedades mecánicas. Esta prueba mide la resistencia a la deformación del agregado estabilizado y la fluencia mide la deformación bajo carga. La carga de rotura de los especímenes de prueba se designa como estabilidad y la deformación máxima se denomina fluencia (AASHTO, 2022; ASTM International, 1989; Calva Herrera y Muñoz Pérez, 2022).
Zona de estudio
Los agregados fueron obtenidos del pavimento ubicado en la Av. Prolongación Huayabal desde la Av. San Martin hasta la Plaza de Armas del Distrito de Santa Eulalia, Provincia de Huarochirí, Departamento de Lima en Perú (Figura 2). Su función es derivar y soportar el tránsito vehicular mediano del distrito. La longitud de la vía de estudio está conformada por 500 m.
Metodología
La investigación presenta un diagrama de flujo de los procesos que se desarrollaron durante el trabajo de campo, trabajo de laboratorio y finalmente, el trabajo de gabinete, proceso en el cual se realizó la selección del contenido óptimo de residuo asfáltico a fin de determinar si la mezcla asfáltica cumple con los criterios de diseño establecidos por el manual de carreteras EG-2013 (Figura 3).
Trabajo de campo
La primera fase del estudio consistió en realizar una inspección visual con el objetivo de conocer el estado de la vía y poder identificar la zona más crítica a lo largo del tramo evaluado. La evaluación del pavimento se realizó por el método del PCI (Índice de Condición de Pavimento). Con el resultado se determinó que el nivel de serviciabilidad de la vía alcanzó un valor de 22, según su escala califica como un pavimento muy pobre, por lo que es viable realizar una rehabilitación.
Para la extracción de muestra se tuvo en cuenta la norma CE.010 Pavimentos Urbanos, el cual determina el número de puntos de investigación de acuerdo con el tipo de vía (Figura 4). Esta investigación estudió una vía colectora de 500 m de largo y 6 m de ancho. Con base en la norma y en la extensión de la vía, se determinó la excavación de tres calicatas de dimensiones de (100x50x20) cm, estos 20 cm son la profundidad de la excavación, los primeros 5 cm son de la carpeta asfáltica y los 15 cm restantes son de la capa base (Figura 4.b).
Trabajo de laboratorio - Diseño de mezcla
Las características físicas y mecánicas de una mezcla asfáltica están sujetas al tipo de agregado, contenido de humedad y emulsión. Debido a ello, después de verificar que las propiedades de los materiales cumplen con lo que indica el manual de carreteras EG-2013, ensayos de materiales y emulsiones asfálticas, se procedió a realizar el diseño basado en el método Marshall modificado del manual de mezclas asfálticas en frío MS-14 del Instituto del Asfalto, en conjunto con el manual básico de emulsiones asfálticas MS-19.
Caracterización de los agregados
La metodología Marshall utiliza un gráfico semilogarítmico para definir el tamaño de partículas permitido, la ordenada dispone el porcentaje del material que pasa la malla, y en la abscisa las aberturas de malla en mm, dadas en logaritmo. La elección de una curva granulométrica para el diseño de mezcla, se desarrolla en función de dos parámetros: el tamaño máximo del agregado y las líneas de control (inferior y superior), siendo este último puntos de referencia obligatorio para la curva granulométrica.
● Material granular
Los agregados deben cumplir ciertos requerimientos mínimos para formar parte de un material estabilizado con emulsión y ser considerados apropiados para el diseño de mezcla (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2015). En el Cuadro 1 se muestran las diferentes pruebas que se realizaron al material granular y lo requerido por las especificaciones.
● Análisis granulométrico del RAP
El reto inicial al realizar un diseño para estabilizar agregados reciclados con emulsión es definir una curva granulométrica que cumpla con lo requerido por la metodología del diseño, el RAP en general no cumple con la gradación establecida por la escasez de agregado fino siendo necesario agregar material de aporte, en este caso no sólo se pretendió estabilizar el RAP sino la combinación del material que proviene de la carpeta de rodadura y capa base del pavimento deteriorado (García Hernández et al., 2018).
● Análisis granulométrico combinado
El análisis de gradación de la combinación de agregados se realizó teniendo en cuenta los espesores de las capas del pavimento del cual se extrajo el material, con ello se determinó una dosificación de 25 % de material de la carpeta de rodadura y 75 % de material de la capa base, respecto al peso del material combinado. Para la combinación de los agregados, previamente se realizó la granulometría al material proveniente de la capa base y del RAP, con estos resultados y, de acuerdo con la dosificación determinada mediante los espesores, se definió la curva granulométrica del material granular combinado. En la Figura 5 se muestra que con la dosificación propuesta se cumple los parámetros de gradación que indica el Manual de Carreteras EG-2013 y el Manual Básico de Emulsiones Asfálticas MS-19.
Cuadro 1 Características del material granular para estabilizar con emulsión asfáltica según la sección 301.E.02 del Manual de Carreteras EG-2013
| Ensayo | Resultados | Criterio de especificación |
|---|---|---|
| Material pasante por el tamiz N° 200 | 9,6 % | 10 % máx |
| Índice de plasticidad | 3,3 % | ≤9 % |
| Contenido de humedad | 3,53 % | - |
| Peso específico de grava | 2,650 g/cc | - |
| Porcentaje de absorción de grava | 0,458 % | - |
| Densidad Máxima Seca (Proctor) | 2,253 g/cc | - |
| Contenido óptimo de humedad | 6,7 % | - |
| CBR al 100 % a 0,1" | 61,0 % | - |
| CBR al 95 % a 0,1" | 53,3 % | - |
| CBR al 90 % a 0,1" | 46,3 % | - |
| Materia orgánica | 0,45 % | <1% peso |
| Tamaño máximo | 1½" | <e/3 |
| Espesor de la capa | 20 cm | 15 cm mín |
| Sales solubles AG | 2275 ppm | ≤6000 ppm |
| Sales solubles AF | 2470 ppm | ≤6000 ppm |
| Desgaste a la abrasión | 25,2 % | ≤50 % |
| Durabilidad al sulfato de magnesio AG | 8,22 % | ≤18 % |
| Durabilidad al sulfato de magnesio AF | 13,49 % | ≤15 % |
Nota: CBR: California Bearing Ratio, AG: Agregado Grueso, AF: Agregado Fino, ppm: partes por millón.
Figura 5 Análisis granulométrico de la base granular, RAP, combinación de los agregados y los límites máximos y mínimos según el Manual de Carreteras EG-2013
Cuadro 2 Resultados de los ensayos de la emulsión asfáltica
| Ensayos sobre la emulsión | Método ASTM | Unidades | Criterio de Especificación | Resultado | |
|---|---|---|---|---|---|
| Mínimo | Máximo | ||||
| Viscosidad Saybolt-Furol, 25 °C | D 7496 | ssf | 20 | 100 | 24 |
| Estabilidad al almacenamiento, 24 h | D 6930 | % | --- | 1 | 0,4 |
| Destilación | D 6997 | --- | |||
| Contenido de asfalto residual | D 6997 | % | 57 | --- | 60,0 |
| Contenido de disolventes | D 6997 | % | --- | --- | 0 |
| Prueba del tamiz N° 20 | D 6933 | % | --- | 0,1 | 0 |
| Carga de partícula | D 7402 | --- | Positivo | Positivo | |
| Ensayos sobre el residuo de la emulsión | |||||
| Penetración, 25 °C, 100 g, 5 s | D 5 | dmm | 40 | 90 | |
| Ductilidad, 25 °C, 5 cm/min | D 113 | cm | 40 | --- | |
| Solubilidad en tricloroetileno | D 2042 | % | 97,5 | --- | |
| Solubilidad en tricloroetileno | D 2042 | % | 97,5 | --- | |
Caracterización de la emulsión asfáltica
Previo al diseño en laboratorio y después de haber determinado la caracterización de los agregados se procedió a comprobar si el tipo de emulsión escogido es apto para la elaboración del diseño de mezcla (Ulloa-Calderón y Múnera-Miranda, 2018). Los resultados del Cuadro 2 evidencian que la emulsión y residuo asfáltico cumplen con los requerimientos máximos y mínimos de calidad según el Manual de Carreteras EG-2013.
Determinación del porcentaje teórico de emulsión
Se calculó el porcentaje tentativo de emulsión asfáltica teniendo en cuenta los datos de la granulometría combinada y la ecuación Illinois. El resultado del contenido tentativo de emulsión fue 4,8 % respecto al peso del agregado combinado, siendo determinado mediante la ecuación del Manual MS-14 del Instituto del Asfalto, apéndice F (ecuación 1)
Donde
% E = Porcentaje tentativo de emulsión.
A = Porcentaje del agregado retenido en el N° 8.
B = Porcentaje del agregado pasante del tamiz N° 8 y retenido en el N° 200.
C = Porcentaje del agregado pasante del tamiz N° 200.
Ensayo de recubrimiento
El ensayo se realiza para verificar la compatibilidad agregado-emulsión, con el fin de garantizar que la emulsión rompa de manera adecuada y logre el recubrimiento del agregado. Este valor fue determinado de forma visual, se añadió a la mezcla del material granular combinado, el porcentaje teórico de emulsión calculado y diferentes porcentajes de agua siguiendo el procedimiento que indica el Manual MS-14 del Instituto del Asfalto, apéndice F, obteniendo como resultado un 85 % de recubrimiento en la mezcla.
Contenido óptimo de humedad de compactación (COH)
Las propiedades de una mezcla asfáltica dependen de la densidad de una muestra compactada. Para el COH se prepararon 10 briquetas (dos para cada porcentaje de agua) en el compactador Marshall aplicando 50 golpes por lado, estas fueron elaboradas con la mezcla del material granular combinado, manteniendo el porcentaje teórico de emulsión 4,8 % y variando el porcentaje de agua en intervalos de 1 %, con el fin de definir la curva estabilidad corregida vs. humedad de compactación. Para el porcentaje total de agua en la mezcla, se tuvo en cuenta la cantidad de agua en la emulsión CSS-1h, la humedad natural del agregado y el porcentaje de agua añadida, siendo el COH el porcentaje de agua añadida con el cual se logra la mayor estabilidad (Ludeña Rojas, 2017). Con los valores obtenidos de la densidad y estabilidad se realizaron gráficos, mediante los que se extrajo el contenido óptimo de humedad de compactación. La Figura 6 muestra que con un COH de 3,3 % respecto al peso del agregado combinado, se alcanza la máxima densidad seca de 2,219 g/cm3 y estabilidad de 1320 kg, obteniendo como porcentaje total de agua en la mezcla un 6,88 %.
Variación del contenido de residuo asfáltico
Esta variación se realizó de la misma forma como se preparó los especímenes para el óptimo de humedad de compactación, pero esta vez manteniendo el COH de 3,3 % y variando el porcentaje de emulsión entre 3 % y 6 % (Figura 1) respecto al peso del agregado combinado en intervalos de 0,5 %, con el fin de definir la curva estabilidad corregida vs residuo asfáltico.
Para el porcentaje óptimo de residuo asfáltico se elaboraron 42 briquetas (seis para cada porcentaje de emulsión), las cuales fueron moldeadas y ensayadas con el compactador y prensa Marshall. Realizada la compactación de las briquetas para cada porcentaje de emulsión, estas fueron curadas por 24 h en los moldes al aire libre y 24 h adicionales en un horno a una temperatura de 38 °C una vez desmoldadas. Posterior a ello, se separaron las briquetas, 3 para la condición seca y 3 para la condición saturada. Para la determinación de las estabilidades previamente se conoció de cada briqueta su volumetría, la estabilidad seca fue determinada inmediatamente después, mientras que, para la estabilidad húmeda, las briquetas fueron saturadas a 100 mm de mercurio (Hg) de presión por una hora antes de realizar la prueba, esto según el manual MS-14. Después de las roturas, fueron secadas al horno. Una vez ensayadas las briquetas en condición seca, húmeda y determinada la volumetría, se calcularon las características volumétricas (densidad seca bulk, vacíos totales y humedad absorbida) y mecánicas (estabilidad y flujo).
Análisis e interpretación de resultados
Se realizó el diseño de mezcla asfáltica siguiendo el procedimiento de Marshall modificado establecido en el manual MS-14 del Instituto del Asfalto como se indica en el Manual de Carreteras EG-2013. Este procedimiento permitió determinar el contenido óptimo de residuo asfáltico en función a los criterios de diseño para una mezcla agregado-emulsión.
Con los resultados (ver Cuadro 3) de la mezcla asfáltica respecto de la variación de cada porcentaje de emulsión, se realizaron los siguientes gráficos (Figura 7) que relacionan cada una de las propiedades (volumétricas y mecánicas) con el contenido de residuo asfáltico:
● Estabilidad corregida vs. residuo asfáltico
● Vacíos totales vs. residuo asfáltico
● Densidad seca bulk vs. residuo asfáltico
● Cambio de estabilidad vs. residuo asfáltico
● Humedad absorbida vs. residuo asfáltico
● Flujo vs. residuo asfáltico
Cuadro 3 Propiedades volumétricas y mecánicas para cada porcentaje de emulsión asfáltica
| Propiedades de la mezcla asfáltica | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Emulsión (%) | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 4,5 | 5,0 | 5,5 | 6,0 |
| Residuo asfáltico (%) | 1,8 | 2,1 | 2,4 | 2,7 | 3,0 | 3,3 | 3,6 |
| Estabilidad corregida seca (kg) | 1101,5 | 1192,6 | 1275,7 | 1341,2 | 1356,7 | 1277,1 | 1178,7 |
| Estabilidad corregida saturada (kg) | 653,5 | 756,8 | 902,0 | 982,0 | 979,5 | 917,6 | 842,3 |
| Vacíos totales (%) | 11,1 | 9,8 | 9,0 | 8,1 | 7,6 | 7,6 | 8,0 |
| Densidad seca bulk (g/cc) | 2,269 | 2,292 | 2,302 | 2,313 | 2,315 | 2,306 | 2,287 |
| Cambio estabilidad (%) | 40,7 | 36,5 | 29,3 | 26,8 | 27,8 | 28,1 | 28,5 |
| Humedad absorbida (%) | 6,2 | 5,2 | 4,4 | 3,9 | 3,3 | 2,8 | 2,7 |
| Flujo seco (mm) | 2,6 | 3,0 | 3,2 | 3,5 | 3,9 | 4,2 | 4,4 |
| Flujo saturado (mm) | 3,0 | 3,2 | 3,5 | 3,7 | 4,1 | 4,5 | 4,7 |
Nota. Luego de la rotura de las briquetas en condición seca y húmeda se procesaron los resultados para la determinación de las propiedades volumétricas y mecánicas de la mezcla asfáltica.
Mediante los gráficos de la Figura 7 se logró obtener el porcentaje óptimo de residuo asfáltico necesario para completar el diseño de mezcla. Para ello se tuvo en cuenta que, en este tipo de mezclas, la cantidad de residuo asfáltico aplicado normalmente no debe exceder el 3 % sobre el peso del agregado, a su vez el porcentaje de emulsión debe variar entre 4 % y 6 % respecto al mismo peso, según el Manual de Carreteras EG-2013 (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2015).
Estabilidad corregida vs. porcentaje de residuo asfáltico
Como se observa en la Figura 7.a, a medida que aumenta el porcentaje de residuo asfáltico, aumenta la estabilidad, pero llega a un punto en que el incremento del residuo no supone un aumento significativo de la estabilidad, al contrario, se produce un descenso porque el residuo separa el agregado, disminuyendo la fricción interna y la resistencia global de la mezcla. El porcentaje óptimo de residuo asfáltico derivado del diseño fue aquel porcentaje con el que se logró mayor estabilidad húmeda, la razón de ello fue conocer el comportamiento de la mezcla en un ambiente de severidad.
Además, en la Figura 7.a se muestra que la máxima estabilidad húmeda, se logró con un 2,88 % de residuo asfáltico. Con el fin de determinar si el contenido de residuo fue óptimo para completar el diseño, se ingresó a las gráficas de las demás propiedades y se verificó si con este porcentaje de residuo se cumple con los criterios establecidos por la norma. El valor de estabilidad fue de 980 kg. Desde luego, como criterio de diseño este valor estuvo por encima del mínimo establecido por el manual de carreteras EG-2013 el cual exige una estabilidad de 227 kg (500 lb).
Vacíos totales vs. porcentaje de residuo asfáltico
Los valores de los vacíos totales en la mezcla asfáltica reciclada, se muestran en la Figura 7.b para cada contenido de residuo asfáltico. Como se ve reflejado, a medida que aumenta el porcentaje de residuo asfáltico, disminuyen los vacíos en la mezcla, esto porque se vuelve más manejable y se compacta fácilmente, pero cuando alcanza un porcentaje superior a las necesidades de la mezcla, el total de vacíos comienza a aumentar debido a que el residuo empieza a separar los huecos generados por los agregados. Por lo tanto, la densidad seca bulk disminuye con el aumento de vacíos totales causados por el porcentaje excesivo de residuo asfáltico.
Para la determinación del porcentaje de vacíos totales en la mezcla compactada, y que este se adapte al porcentaje de residuo asfáltico obtenido en el apartado anterior para obtener una estabilidad óptima, se ingresó a la Figura 6.b con 2,88 % de residuos asfálticos y se obtuvo para este caso un 7,8 % de vacíos totales.
Densidad seca bulk vs. porcentaje de residuo asfáltico
La curva de la Figura 7.c indica que la densidad aumenta a medida que se incrementa el porcentaje de residuo asfáltico. Sin embargo, a partir de cierto punto disminuye, esto ocurre debido a que inicialmente el residuo asfáltico llena los espacios intergranulares de los agregados hasta un máximo posible, luego desplaza el material granular disminuyendo la densidad de la mezcla. Escoger un porcentaje de residuo asfáltico menor al punto de inflexión genera mayor porcentaje de vacíos por aire y escoger un porcentaje superior genera mayor porcentaje de vacíos por la separación de los agregados.
Para su determinación se entró a la Figura 7.c con el 2,88 % de residuo asfáltico y se obtuvo el valor de densidad que se adecúe al contenido óptimo de residuo asfáltico, para este caso el valor de la densidad seca bulk fue de 2,315 g/cm3.
Cambio de estabilidad vs. porcentaje de residuo asfáltico
Para los especímenes elaborados (42 briquetas) se emplearon dos grupos, ambos curados al aire libre, uno de estos grupos fue ensayado en condición seca y el otro grupo en condición saturada (como se explicó en el apartado variación del contenido de residuo asfáltico).
El cambio de estabilidad viene de la determinación de la estabilidad seca y la estabilidad saturada, estableciendo luego la diferencia de estas estabilidades dividido entre la estabilidad seca. A mayor contenido de residuo asfáltico, el cambio de estabilidad va disminuyendo, eso quiere decir que el material granular que se está estabilizando tiene mayor resistencia al agua, proporcionado por el residuo asfáltico. El cambio de estabilidad para un contenido de residuo asfáltico de 2,88 % fue de 27,4 % como se muestra en la Figura 7.d. Este valor se encuentra por debajo del máximo establecido por la norma (50 % máx).
Humedad absorbida vs. porcentaje de residuo asfáltico
Para evaluar la resistencia al daño causado por la humedad se realizaron ensayos a las briquetas en condición saturada. El cálculo del porcentaje de humedad absorbida es la diferencia del contenido de humedad en condición seca y condición saturada después de la rotura. La humedad absorbida para un contenido de residuo asfáltico de 2,88 % fue de 3,50 % como se muestra en la Figura 7.e, a mayor porcentaje de residuo asfáltico en la mezcla menor humedad absorbida, lo cual indica mejoras en la resistencia. Sin embargo, no es recomendable estabilizar materiales granulares con un alto porcentaje de residuo asfáltico, porque se requiere una cantidad excesiva de emulsión asfáltica, lo cual da como resultado un costo muy elevado.
Flujo vs. porcentaje de residuo asfáltico
Para evaluar la deformación de las briquetas bajo carga, las probetas se dividieron en dos grupos (tres por cada contenido de residuo asfáltico). Uno de estos grupos fue ensayado en seco, el otro fue sometido a saturación (como se menciona en la sección variación del contenido de residuo asfáltico). Como se observa en la Figura 7.f, los valores de flujo aumentan con el incremento de residuo asfáltico. El valor del flujo para un contenido de residuo asfáltico de 2,88 % fue de 15 ⅟100" (3,85 mm) el cual está dentro del límite de la especificación.
Análisis estadístico
Se realizó mediante el análisis de componentes principales donde se estandarizó los resultados obtenidos de cada propiedad respecto a la variación de residuo asfáltico para definir el mejor comportamiento.
Figura 8 Análisis de componentes principales en función a la variación del porcentaje de residuo asfáltico
La Figura 8 muestra que con 2,7 % y 3,0 % se obtiene mayor estabilidad corregida y densidad seca bulk, menor cambio de estabilidad y vacíos totales y una humedad absorbida como un flujo promedio, a diferencia de 3,6 % que tiene mayor flujo y los porcentajes de 1,8 % y 2,1 % que tienen valores mayores de vacíos totales y cambio de estabilidad. Por lo que el análisis contrasta el valor escogido de 2,88 %, el cual se encuentra entre 2,7 % y 3,0 % de residuo asfáltico.
Trabajo de gabinete - Selección del contenido óptimo de residuo asfáltico
Finalmente, para la selección del contenido óptimo de residuo asfáltico se realizó un análisis a los resultados obtenidos en el diseño de mezcla.
Los resultados del diseño evidenciados en el Cuadro 4, demostraron alcanzar resistencia suficiente para una mezcla asfáltica reciclada en frío. Las propiedades mecánicas de la mezcla agregado-emulsión y los parámetros de diseño se lograron satisfacer ampliamente con un 2,88 % de residuo asfáltico y 4,8 % de emulsión respecto al peso del material granular combinado, lo cual coincide con las investigaciones de Tejeda Piusseaut, Zambrano Mesa y Alonso Aaenlle (2020) y Vera Tello (2015). La incorporación de este porcentaje de emulsión mejoró en mayor grado la resistencia, por ser más estable y cumplir con los parámetros establecidos para una mezcla asfáltica agregado-emulsión. Por su parte, Chilcon Carrera y Ramírez Gálvez (2018), Chávez Caparó y Otazú Escalante (2015) y Paccori Mori (2018) concluyen que el mejor comportamiento de una mezcla asfáltica se logra con porcentajes superiores de emulsión, sin embargo, en esta investigación se consideró que estabilizar el material de un pavimento deteriorado con un alto porcentaje de emulsión incrementa el costo del proyecto. No obstante, la proporción de emulsión dependerá directamente de la granulometría del material a estabilizar.
Cuadro 4 Resultados del diseño y parámetros de control de calidad de la mezcla agregado-emulsión según la sección 424, del Manual de Carreteras EG-2013
| Propiedades | Valor | Parámetros | |
|---|---|---|---|
| Min. | Máx. | ||
| Emulsión (%) | 4,8 | - | - |
| Residuo asfáltico (%) | 2,88 | - | - |
| Estabilidad seca (kg) | 1350 | - | - |
| Estabilidad húmeda (kg) | 980 | 227 | - |
| Vacíos totales (%) | 7,8 | 2 | 8 |
| Densidad seca bulk (g/cm3) | 2,315 | - | - |
| Cambio de estabilidad (%) | 27,4 | - | 50 |
| Humedad absorbida (%) | 3,5 | - | 4 |
| Flujo (1/100'') | 10 | 8 | 16 |
| Recubrimiento (%) | 85 | 50 | - |
Ensayo de estabilidad - Flujo
Mediante esta prueba se determinó la resistencia (estabilidad) y la deformación (flujo) de la mezcla asfáltica al estar sometida bajo una carga monotónica, estos resultados alcanzaron un valor de 980 kg y 15 ⅟100" (Bastidas Martínez et al., 2021).
Influencia del residuo asfáltico en la mezcla
Para poder identificar la influencia del porcentaje de residuo asfaltico respecto a la propiedad predominante (estabilidad corregida) de la mezcla asfáltica se realizó un análisis de inferencia estadística mediante la prueba Post hoc de Scheffe.
El Cuadro 5 muestra que la relación de 2,7 % con 1,8 %, 2,1 % y 3,6 % hay diferencias significativas ya que son menores al valor de 0,05 al contrario que con 2,4 %, 3,0 % y 3,3 %, resaltando que la relación de 2,7 % con 3,0 % no presentan diferencias significativas, lo cual indica que presentan mayor semejanza, y de acuerdo con el Cuadro 6 se obtienen las mayores medias de la estabilidad corregida, valores que concuerdan con el análisis de componentes principales.
Cuadro 5 Prueba ANOVA - post hoc - comparaciones múltiples de la estabilidad corregida.
| Comparaciones múltiples | ||||||
| Variable dependiente: | ESTABILIDAD CORREGIDA | |||||
| Scheffe | ||||||
| Intervalo de confianza al 95 | ||||||
| (I) Residuo Asfáltico | Diferencia de medias (I-J) | Desv. Error | Sig | Límite inferior | Límite superior | |
| 1,80 | 2,10 | -103,40000 | 31,28950 | 0,167 | -232,7372 | 25,9372 |
| 2,40 | -248,46667* | 31,28950 | 0,000 | -377,8038 | -119,1295 | |
| 2,70 | -328,53333* | 31,28950 | 0,000 | -457,8705 | -199,1962 | |
| 3,00 | -326,00000* | 31,28950 | 0,000 | -455,3372 | -196,6628 | |
| 3,30 | -264,16667* | 31,28950 | 0,000 | -393,5038 | -134,8295 | |
| 3,60 | -188,83333* | 31,28950 | 0,003 | -318,1705 | -59,4962 | |
| 2,10 | 1,80 | 103,40000 | 31,28950 | 0,167 | -25,9372 | 232,7372 |
| 2,40 | -145,06667* | 31,28950 | 0,023 | -274,4038 | -15,7295 | |
| 2,70 | -225,13333* | 31,28950 | 0,000 | -354,4705 | -95,7962 | |
| 3,00 | -222,60000* | 31,28950 | 0,001 | -351,9372 | -93,2628 | |
| 3,30 | -160,76667* | 31,28950 | 0,011 | -290,1038 | -31,4295 | |
| 3,60 | -85,43333 | 31,28950 | 0,343 | -214,7705 | 43,9038 | |
| 2,40 | 1,80 | 248,46667* | 31,28950 | 0,000 | 119,1295 | 377,8038 |
| 2,10 | 145,06667* | 31,28950 | 0,023 | 15,7295 | 274,4038 | |
| 2,70 | -80,06667 | 31,28950 | 0,414 | -209,4038 | 49,2705 | |
| 3,00 | -77,53333 | 31,28950 | 0,450 | -206,8705 | 51,8038 | |
| 3,30 | -15,70000 | 31,28950 | 1,000 | -145,0372 | 113,6372 | |
| 3,60 | 59,63333 | 31,28950 | 0,722 | -69,7038 | 188,9705 | |
| 2,70 | 1,80 | 328,53333* | 31,28950 | 0,000 | 199,1962 | 457,8705 |
| 2,10 | 225,13333* | 31,28950 | 0,000 | 95,7962 | 354,4705 | |
| 2,40 | 80,06667 | 31,28950 | 0,414 | -49,2705 | 209,4038 | |
| 3,00 | 2,53333 | 31,28950 | 1,000 | -126,8038 | 131,8705 | |
| 3,30 | 64,36667 | 31,28950 | 0,651 | -64,9705 | 193,7038 | |
| 3,60 | 139,70000* | 31,28950 | 0,030 | 10,3628 | 269,0372 | |
| 3,00 | 1,80 | 326,00000* | 31,28950 | 0,000 | 196,6628 | 455,3372 |
| 2,10 | 222,60000* | 31,28950 | 0,001 | 93,2628 | 351,9372 | |
| 2,40 | 77,53333 | 31,28950 | 0,450 | -51,8038 | 206,8705 | |
| 2,70 | -2,53333 | 31,28950 | 1,000 | -131,8705 | 126,8038 | |
| 3,30 | 61,83333 | 31,28950 | 0,689 | -67,5038 | 191,1705 | |
| 3,60 | 137,16667* | 31,28950 | 0,034 | 7,8295 | 266,5038 | |
| 3,30 | 1,80 | 264,16667* | 31,28950 | 0,000 | 134,8295 | 393,5038 |
| 2,10 | 160,76667* | 31,28950 | 0,011 | 31,4295 | 290,1038 | |
| 2,40 | 15,70000 | 31,28950 | 1,000 | -113,6372 | 145,0372 | |
| 2,70 | -64,36667 | 31,28950 | 0,651 | -193,7038 | 64,9705 | |
| 3,00 | -61,83333 | 31,28950 | 0,689 | -191,1705 | 67,5038 | |
| 3,60 | 75,33333 | 31,28950 | 0,482 | -54,0038 | 204,6705 | |
| 3,60 | 1,80 | 188,83333* | 31,28950 | 0,003 | 59,4962 | 318,1705 |
| 2,10 | 85,43333 | 31,28950 | 0,343 | -43,9038 | 214,7705 | |
| 2,40 | -59,63333 | 31,28950 | 0,722 | -188,9705 | 69,7038 | |
| 2,70 | -139,70000* | 31,28950 | 0,030 | -269,0372 | -10,3628 | |
| 3,00 | -137,16667* | 31,28950 | 0,034 | -266,5038 | -7,8295 | |
| 3,30 | -75,33333 | 31,28950 | 0,482 | -204,6705 | 54,0038 | |
Nota: La diferencia de medias es significativa en el nivel 0,05
Cuadro 6 Prueba post hoc - sub conjuntos homogéneos (estabilidad vs. residuo asfáltico)
| Estabilidad | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Scheffea | ||||||
| Residuo Asfáltico | N | Subconjunto para alfa=0,05 | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| 1,80 | 3 | 653,47 | ||||
| 2,10 | 3 | 756,87 | 756,87 | |||
| 3,60 | 3 | 842,30 | 842,30 | |||
| 2,40 | 3 | 901,93 | 901,93 | |||
| 3,30 | 3 | 917,63 | 917,63 | |||
| 3,00 | 3 | 979,47 | ||||
| 2,70 | 3 | 982,00 | ||||
| Sig. | 0,167 | 0,343 | 0,482 | 0,414 | ||
Nota. Se visualizan las medias para los grupos en los subconjuntos homogéneos.
a: Utiliza el tamaño de la muestra de la media armónica=3.
Conclusiones
La estabilización de suelos con emulsión asfáltica para rehabilitar pavimentos deteriorados mediante mezclas asfálticas en frío requiere de la elaboración de un diseño de mezcla, a fin de evaluar su resistencia a la deformación.
Los resultados del diseño y parámetros de control de calidad de la mezcla cumplen con los criterios de diseño y resistencia Marshall que exige las especificaciones del Manual de Carreteras EG-2013 sección 424 para un diseño de mezcla asfáltica en frío de granulometría cerrada, el cual busca la rehabilitación de un pavimento flexible.
El uso de las emulsiones asfálticas dota de mejores estabilidades al suelo tratado. Sin embargo, es importante resaltar que el mejor comportamiento de la mezcla no solo se debe al incremento de la estabilidad, sino al cumplimiento de las demás propiedades físicas y mecánicas de la mezcla asfáltica establecidas en la normativa.
El porcentaje de emulsión asfáltica con el que se logró un comportamiento satisfactorio ante la aplicación de carga fue de 4,8 %, teniendo en la mezcla 2,88 % de residuo asfáltico el cual representa el 60 % respecto a la emulsión. Por otro lado, se afirma que con las proporciones encontradas se obtuvo una mezcla asfáltica estable capaz de soportar o resistir un tránsito vehicular mediano. Al colocar la mezcla asfáltica esta puede desempeñarse como una carpeta de rodadura o una capa base al emplear un tratamiento superficial sobre el material granular estabilizado, optimizando recursos económicos por el tiempo de aplicación relativamente cortos y sin mayores inconvenientes para el tránsito, además de reducir el impacto ambiental negativo.
La aplicación de la técnica del reciclado de pavimentos asfálticos con emulsión asfáltica en el país aún son pocas, por lo cual no se pudo contar con especificaciones técnicas nacionales que permiten seguir con parámetros, por esta razón se consideró que este estudio es un aporte que contribuirá a futuras investigaciones.
