análisis de las características físicas de un cemento

Análisis de las características físicas de un cemento asfaltico CA 60-70 modificado con

policloruro de vinilo (PVC) pulverizado

Juan Camilo Bejarano Espitia

Mario Felipe Salgado Ariza

Asesor:

Ing. María Paula Salazar Susunaga M. Sc.

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil

Universidad de Ibagué

Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil

Ibagué

2018

2

Contenido

Resumen .......................................................................................................................................... 8

Abstract ........................................................................................................................................... 8

Introducción .................................................................................................................................... 9

Objetivos ....................................................................................................................................... 10

Objetivo general ........................................................................................................................ 10

Objetivos específicos ................................................................................................................ 10

Planteamiento del problema .......................................................................................................... 11

Justificación .................................................................................................................................. 13

1. Marco teórico ........................................................................................................................ 14

1.1. Materiales o ligantes asfálticos .......................................................................................... 14

1.2. Propiedades de los asfaltos ................................................................................................ 16

1.2.1. Ensayo de penetración. ............................................................................................... 17

1.2.2. Punto de ablandamiento .............................................................................................. 17

1.2.3. Índice de penetración .................................................................................................. 18

1.2.4. Viscosímetro rotacional .............................................................................................. 21

1.2.5. Métodos para medir y evaluar la adhesión entre el betún y los agregados y el daño por

humedad ................................................................................................................................ 21

1.2. Asfaltos modificados ......................................................................................................... 24

2. Metodología .......................................................................................................................... 27

2.1. Caracterización del cemento asfáltico convencional ......................................................... 29

2.2. Caracterización del policloruro de vinilo (PVC) pulverizado ........................................... 29

2.3. Caracterización del cemento asfáltico modificado ............................................................ 30

2.4. Comparación de los cementos asfálticos ........................................................................... 30

3. Resultados y análisis ............................................................................................................. 31

3.1. Caracterización del cemento asfáltico convencional ......................................................... 31

3.2. Caracterización del polvo de policloruro de vinilo (PVC) ................................................ 36

3.3. Comparación de los cementos asfálticos ........................................................................... 37

4. Conclusiones ......................................................................................................................... 49

5. Recomendaciones ................................................................................................................. 50

Bibliografía ................................................................................................................................... 52

Anexos .......................................................................................................................................... 54

Registro fotográfico ...................................................................................................................... 82

3

Lista de tablas

Tabla 1. Algunos aditivos utilizados para modificar asfalto ......................................................... 25

Tabla 2. Beneficios de algunos polímeros utilizados como modificantes .................................... 26

Tabla 3. Propiedades del cemento asfáltico convencional ............................................................ 31

Tabla 4. Gradación del PVC utilizada para la modificación del cemento asfáltico ..................... 36

Tabla 5. Propiedades de los cementos asfálticos modificados con PVC ...................................... 37

Tabla 6. Temperaturas de mezcla y compactación para CA 60-70 y modificado con PVC ......... 44

Tabla 7. Penetración del cemento asfáltico convencional CA 60-70 ........................................... 54

Tabla 8. Penetración del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC .................................. 54

Tabla 9. Penetración del cemento asfáltico modificado con 1.5% de PVC .................................. 54

Tabla 10. Penetración del cemento asfáltico modificado con 2.0% de PVC ................................ 54

Tabla 11. Penetración del cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC ................................ 55

Tabla 12. Punto de ablandamiento del cemento asfáltico convencional CA 60-70 ...................... 55

Tabla 13. Punto de ablandamiento del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC ............ 55




Tabla 17. índice de penetración del cemento asfáltico convencional CA 60-70 .......................... 56

Tabla 18. índice de penetración del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC ................ 57




Tabla 22. Ensayos de viscosidad rotacional mediante el equipo Brookfield del CA convencional

....................................................................................................................................................... 59

Tabla 23. Ensayos de viscosidad rotacional mediante el equipo Brookfield del CA modificado con

1.0% de PVC ................................................................................................................................. 60


1.5% de PVC ................................................................................................................................. 63


2.0% de PVC ................................................................................................................................. 66


2.5% de PVC ................................................................................................................................. 69

Tabla 27. Grupo de partículas, característica y equivalencia en adherencia en bandeja .............. 72

Tabla 28. Información de ensayo adherencia en bandeja CA convencional ................................ 72

Tabla 29. Resultados adherencia en bandeja CA convencional ................................................... 73

Tabla 30. Información de ensayo adherencia en bandeja CA modificado con 1.0% de PVC ...... 74

Tabla 31. Resultados adherencia en bandeja CA modificado con 1.0% de PVC ......................... 74


4






Tabla 38. Ensayo de stripping del CA convencional .................................................................... 78

Tabla 39. Ensayo de stripping del CA modificado con 1.0% de PVC ......................................... 78




Tabla 43. Densidad del cemento asfáltico CA convencional ....................................................... 80

Tabla 44. Densidad del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC ................................... 80




5

Lista de figuras

Figura 1. Clasificación de los asfaltos según su origen ................................................................ 15

Figura 2. Nomograma para el IP (punto de ablandamiento/pen) .................................................. 20

Figura 3. Propiedades de los bitúmenes durante la construcción y el posterior servicio .............. 22

Figura 4. Influencia del índice de penetración (IP) del bitumen sobre el comportamiento durante

la construcción y posterior servicio .............................................................................................. 23

Figura 5. Diagrama de la metodología de investigación ............................................................... 28

Figura 6. Curva de viscosidad del cemento asfáltico convencional con respecto a la temperatura

....................................................................................................................................................... 33

Figura 7. Recta superpuesta de viscosidad con respecto a la temperatura del cemento asfáltico

convencional ................................................................................................................................. 34

Figura 8. Curva granulométrica del polvo de PVC....................................................................... 36

Figura 9. Evolución de la penetración en relación con el % de PVC ........................................... 38

Figura 10. Evolución del punto de ablandamiento en relación con el % de PVC ........................ 39

Figura 11. Evolución del índice de penetración en relación con el % de PVC ............................ 40

Figura 12. Evolución de la adhesión entre el agregado y cemento asfáltico en relación con el % de

PVC ............................................................................................................................................... 42

Figura 13. Comparación de las curvas de viscosidad de los cementos asfálticos......................... 46

Figura 14. Comparación de la densidad relativa de los cementos asfálticos ................................ 47

Figura 15. Curva de viscosidad con respecto a la temperatura del cemento asfáltico modificado

con 1.0% de PVC .......................................................................................................................... 61

Figura 16. Recta superpuesta de viscosidad con respecto a la temperatura del CA modificado con

1.0% de PVC ................................................................................................................................. 62


con 1.5% de PVC .......................................................................................................................... 64


1.5% de PVC ................................................................................................................................. 65

Figura 19. Curva de viscosidad del cemento asfáltico modificado con 2.0% de PVC con respecto

a la temperatura ............................................................................................................................. 67


2.0% de PVC ................................................................................................................................. 68


con 2.5% de PVC .......................................................................................................................... 70


2.5% de PVC ................................................................................................................................. 71

6

Lista de anexos

Anexo 1. Ensayos de penetración ................................................................................................. 54

Anexo 2. Ensayo de punto de ablandamiento ............................................................................... 55

Anexo 3. Cálculo del índice de penetración ................................................................................. 56

Anexo 4. Ensayo de viscosidad .................................................................................................... 59

Anexo 5. Adherencia en bandeja .................................................................................................. 72

Anexo 6. Ensayo de Stripping ...................................................................................................... 78

Anexo 7. Densidad de los cementos asfálticos ............................................................................. 80

7

Lista de fotos

Foto 1. Proceso de pulverización de los tubosistemas de PVC .................................................... 29

Foto 2. Ensayo de stripping CA convencional.............................................................................. 43

Foto 3. Ensayo de stripping cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC ............................ 43

Foto 4. Cemento asfáltico convencional CA 60-70 ...................................................................... 82

Foto 5. Tubos de PVC ................................................................................................................... 82

Foto 6. Cemento asfáltico modificado .......................................................................................... 82

Foto 7. Polvo de PVC ................................................................................................................... 82

Foto 8. Pulverización mediante torno ........................................................................................... 83

Foto 9. Ensayo de penetración ...................................................................................................... 83

Foto 10. Pulverización mecánica con taladro y lija No 60 ........................................................... 83

Foto 11. Laboratorio Asfaltemos S.A.S. ....................................................................................... 83

Foto 12. Ensayo de Punto de ablandamiento ................................................................................ 84

Foto 13. Preparación de muestras, ensayo de viscosidad ............................................................. 84

Foto 14. Viscosímetro rotacional Brookfield................................................................................ 84

Foto 15. Ensayo de viscosidad rotacional ..................................................................................... 84

Foto 16. Preparación muestra asfalto para ensayo de adherencia en bandeja .............................. 85

Foto 17. Ensayo de Stripping ........................................................................................................ 85

Foto 18. Ensayo de adherencia en bandeja ................................................................................... 85

Foto 19. Ensayo de Densidad de los cementos asfálticos ............................................................. 85

8

Resumen

El incremento del parque automotor y la variabilidad climática implica que las vías tengan niveles

de exigencia superiores a los que fueron diseñados, provocando la acción de ciertos mecanismos

de daño que conllevan al mantenimiento y reparaciones costosas de los pavimentos. Este problema

exige el planteamiento de soluciones constructivas que mejoren las prestaciones de los asfaltos y

agregados para el diseño y/o mantenimiento de los pavimentos. En los últimos años se ha recurrido

a la tecnología de los asfaltos modificados para mejorar el comportamiento mecánico de las

mezclas asfálticas tradicionales frente a diferentes condiciones de carga y ambientales. El objetivo

de este estudio es investigar los efectos del PVC como modificante de un cemento asfáltico CA de

grado de penetración 60-70. El asfalto base se modifica adicionando 1.0%, 1.5%, 2.0% y 2.5% de

polvo de PVC. Para la evaluación de las propiedades físicas de los cementos asfálticos se realizaron

varios ensayos incluyendo penetración, punto de ablandamiento, y, se determinó la susceptibilidad

térmica mediante la viscosidad y el índice de penetración. También, se evaluaron propiedades de

adhesión mediante los ensayos de adherencia en bandeja e interacción asfalto agregado. Los

resultados muestran que las propiedades reológicas en función de la temperatura (viscosidad, IP)

mejoran adicionando polvo de PVC. Además, la modificación del asfalto con PVC tiene impactos

positivos en las propiedades físicas mejorando el grado de penetración del asfalto e incrementa la

temperatura máxima empírica de servicio.

Abstract

The increase of the traffic and the climatic variability leads that the roads have higher levels of

demand than those that were designed, causing the action of certain mechanisms of damage that

lead to the maintenance and costly repairs of the pavements. This problem requires the approach

of constructive solutions that improve the performance of the asphalts and aggregates for the

design and / or maintenance of the pavements. In recent years, the technology of modified

asphalts has been used to improve the mechanical behavior of traditional asphalt mixtures

opposite to different loading and environmental conditions. The objective of this study is to

investigate the effects of PVC as a modifier of an asphalt cement CA of penetration grade 60-70.

The base asphalt is modified by adding 1.0%, 1.5%, 2.0% and 2.5% PVC powder. For the

evaluation of the physical properties of the asphalt cements several tests were carried out

including penetration, softening point, and, the thermal susceptibility was determined by the

viscosity and the penetration index (IP). Also, adhesion properties were evaluated by tray

adhesion and Stripping tests. The results show that the rheological properties as a function of

temperature (viscosity, IP) improve by adding PVC powder. Furthermore, the modification of

asphalt with PVC has positive impacts on the physical properties improving the penetration

grade of the asphalt and increases the maximum empirical service temperature.

9

Introducción

La importante demanda en el transporte terrestre constituye posiblemente el mayor incentivo para

desarrollar un sistema de carreteras nacionales seguras, eficientes y ambientalmente aceptables. El

parque automotor en Colombia ha crecido a razón de casi 1 millón de vehículos desde 2011 hasta

hoy, cuando el número de vehículos registrado asciende a los 14.2 millones (Ministerio de

transporte, 2018). Por otra parte, la variabilidad climática del país provoca eventos climáticos

extremos a diferentes gradientes de temperatura impactando toda la infraestructura vial nacional

(Ministerio de Transporte, 2014). De acuerdo al IDEAM (2017), en los próximos años, la

temperatura en el país podría aumentar cerca de 2.4°C, una situación que afectaría las prestaciones

de las mezclas asfálticas en servicio.

El incremento del parque automotor y la variabilidad climática implica que las vías tengan niveles

de exigencia superiores a los que fueron diseñados, provocando la acción de ciertos mecanismos

de daño que conllevan a mantenimientos y reparaciones costosas de los pavimentos. Este problema

exige el planteamiento de soluciones constructivas que mejoren las prestaciones de los asfaltos y

agregados para el diseño y/o mantenimiento de los pavimentos. En los últimos años se ha recurrido

a la tecnología de los asfaltos modificados para mejorar el comportamiento mecánico de las

mezclas asfálticas tradicionales frente a diferentes condiciones de carga y ambientales. Las

propiedades del cemento asfáltico influyen en el rendimiento de las mezclas asfálticas durante su

fabricación y servicio. Con la adición de polímeros al asfalto se pretende modificar sus propiedades

mecánicas (reológicas) e intentar mejorar propiedades de la mezcla asfáltica como la rigidez,

resistencia bajo carga monotónica, al ahuellamiento, a la fatiga, al envejecimiento, así como

disminuir la susceptibilidad térmica y el daño por humedad (Rondón & Reyes, 2015). Así como

se mejoran las prestaciones funcionales de las mezclas asfálticas, los asfaltos modificados logran

desde el punto de vista de la eficiencia, que la superficie de la carretera posea una vida útil más

larga lo que disminuirá la programación de mantenimientos y reparaciones en el pavimento, y

permite espesores de capas asfálticas más delgados (Rondón & Reyes, 2015).

El objetivo de este estudio es investigar los efectos del PVC como modificante de un cemento

asfáltico CA de grado de penetración 60-70. El asfalto base se modifica adicionando 1.0%, 1.5%,

2.0% y 2.5% de polvo de PVC. Para la evaluación de las propiedades reológicas de los cementos

asfálticos se realizaron varios ensayos incluyendo penetración, punto de ablandamiento,

viscosidad rotacional y se calculó el índice de penetración. También, se evaluaron propiedades de

adhesión mediante los ensayos de adherencia en bandeja y Stripping. Los ensayos se realizaron

bajo el enfoque de repetitividad para lograr mayor precisión en los resultados. Las propiedades del

cemento asfáltico convencional se verificaron de acuerdo a los requisitos mínimos establecidos en

el artículo 410 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras y el análisis del

efecto del PVC como modificante en un CA 60-70 se desarrolla comparativamente evaluando las

propiedades mecánicas y reológicas como la susceptibilidad térmica para determinar el porcentaje

óptimo de PVC ensayado.

10

Objetivos

Objetivo general

Evaluar el comportamiento de un cemento asfáltico CA 60-70 modificado con PVC

pulverizado.

Objetivos específicos

Comparar las propiedades físicas y reológicas de un cemento asfáltico 60-70 convencional

y modificado con PVC

Determinar la susceptibilidad térmica de un cemento asfáltico modificado.

Determinar el porcentaje óptimo de PVC para modificar un CA 60-70.

11

Planteamiento del problema

El transporte es una necesidad básica y una actividad que hace parte de la cotidianeidad del ser

humano. Todo el mundo viaja, ya sea para trabajar, comprar, hacer negocios, jugar o visitar

personas, y todas las mercancías, productos alimenticios, materias primas y productos

manufacturados deben llevarse desde sus lugares de origen a los de su adaptación, venta o

consumo. Hoy en día, las personas y las mercancías se dirigen por carretera a sus destinos o a los

muelles para el posterior transporte por agua, a las estaciones para el transporte por ferrocarril y a

los aeropuertos para viajar por aire. Sin embargo, sea cual sea el modo de viaje intermedio

utilizado, cuando lleguen a su término, la gran mayoría de las personas y mercancías deberán

volver a viajar en vehículo por carretera hasta sus destinos finales.

Según el Ministerio de Transporte (2017), en Colombia, las carreteras movilizan el 73% de la

carga del país y el 89% de pasajeros. A septiembre de este año, había 14.2 millones de vehículos

registrados para su uso en carreteras colombianas, dicho de otra manera, en el territorio colombiano

circulan 130 vehículos por cada 1000 habitantes (Ministerio de transporte, 2018). La importante

demanda en el transporte terrestre constituye posiblemente el mayor incentivo para desarrollar un

sistema de carreteras nacionales seguras, eficientes y ambientalmente aceptables.

El sistema de carreteras en Colombia se compone por la Red Primaria (Grandes Autopistas, a cargo

de la nación), Red Secundaria (a cargo de departamentos) y Red terciaria (compuesta por carreteras

terciarias o caminos interveredales, a cargo de los municipios). La Red Vial Nacional de Carreteras

al año 2017 es de 205000 km, de los cuales 18516 km corresponden a la Red Vial Primaria

Nacional, 45137 km componen la Red Vial Secundaria Nacional y 142284 conforman la Red Vial

Terciaria Nacional (Ministerio de Transporte, 2017). De acuerdo con los datos del Instituto

Nacional de Vías (INVIAS, 2018), únicamente el 75% de las carreteras de la Red Vial Primaria

están pavimentadas, de las cuales el 16% está en condiciones malas o muy malas.

La infraestructura de transporte, en especial, las carreteras tienen un papel importante en el

desarrollo y crecimiento de un país. El retraso de la infraestructura vial en Colombia ha

obstaculizado la conectividad física del territorio dificultando el desarrollo cultural, económico y

social del país. Para el Foro Económico Mundial, la infraestructura vial en Colombia no favorece

el circulo virtuoso de la competitividad y productividad, por lo tanto, tampoco tiene la suficiente

eficacia para impulsar la economía del país. De acuerdo al reporte global de competitividad (2017),

en términos de infraestructura y calidad de las vías, Colombia ocupa la posición 87 y 110 de 137

países respectivamente, superando a nivel de Sudamérica únicamente a Paraguay y Venezuela

(World Economic Forum, 2017).

Por otra parte, debido a su posición geográfica, Colombia se caracteriza por ser un país con alta

variabilidad climática reflejada en periodos de lluvia y periodos secos que se alternan (Ministerio

de Transporte, 2014). Esa variabilidad climática inherente a nuestro territorio representa riesgos y

posibles impactos sobre la infraestructura vial del país. Por ejemplo, durante la inundación de

12

2010-2011 ocasionada por el fenómeno de La Niña se afectaron más de 1.600 kilómetros de

infraestructura vial, equivalentes al 9,7% de la red primaria, y al 0,9% de la red concesionada;

también se vieron impactados 92 puentes de la red nacional, y se requirió la rehabilitación de más

de 53 tramos viales nacionales (Ministerio de Transporte, 2014).

Además de estos antecedentes la infraestructura vial se enfrenta a futuros escenarios de cambio

climático que provocarán profundas transformaciones en su entorno. De acuerdo con el IDEAM,

la temperatura probablemente aumentará en todo el territorio nacional entre 1 y 2ºC para el 2040,

y entre 2 y 3º para el 2070. Para el 2100 la temperatura posiblemente habrá aumentado entre 3 y

4º para la región andina y la costa atlántica (Ministerio de Transporte, 2014). Los cambios de

temperatura modificarán el ciclo del agua, la humedad relativa, intensificarán los eventos

climáticos extremos de temperatura y tendrán un gran impacto sobre el entorno de las vías

(Ministerio de Transporte, 2014).

Una alternativa para superar esos desafíos consiste en modificar el asfalto con polímeros u otros

aditivos que proporcionen un mejor rendimiento al pavimento. Con la adición de polímeros u otros

productos al ligante se pretende mejorar las propiedades físico mecánicas, químicas y reológicas

del asfalto y, por consiguiente, el comportamiento que experimenta una mezcla asfáltica

tradicional cuando es sometida a diferentes condiciones de carga y del medio ambiente. Además,

el uso de esta tecnología posibilita carreteras con una vida útil más larga de lo normal y permite la

aplicación de capas asfálticas más delgadas (Rondón & Reyes, 2015).

La mayor parte de investigaciones realizadas en el área de los asfaltos modificados utilizan como

agentes modificadores polímeros del tipo elastómeros. En esta investigación se modifica el asfalto

con PVC. El policloruro de vinilo PVC es un polímero del tipo termoplástico que puede reciclarse

y someterse a altos gradientes de temperatura. En Colombia, de acuerdo a datos de 2013, el

consumo de PVC en el mercado bordeaba las 180,000 toneladas métricas/año y se reciclaban

alrededor de 12 mil toneladas anuales, que representaban el 7% del consumo nacional de PVC en

ese entonces (Mexichem, 2013).

De acuerdo a los desafíos en términos de infraestructura de transporte y el potencial enorme de

reciclaje de PVC en Colombia, se plantean los siguientes interrogantes:

¿Con la adición del PVC se mejoran las propiedades mecánicas (reológicas) del cemento

asfáltico CA 60-70?

¿Cuáles son los efectos del PVC como agente modificante de un cemento asfáltico CA 60-

70?

¿A qué porcentaje el cemento asfáltico CA 60-70 exhibe las mejores propiedades?

13

Justificación

En la mayoría de las carreteras, los asfaltos convencionales poseen propiedades mecánicas y de

adherencia adecuadas para su utilización en la fabricación de mezclas asfálticas y posterior

conformación de un pavimento y así, resistir las diversas condiciones climáticas y niveles de

tráfico de un lugar determinado. Sin embargo, las demandas en las carreteras aumentan anualmente

y, en algunos casos, los límites de rendimiento de los asfaltos convencionales se han alcanzado

debido principalmente a la variaciones de temperatura, incremento de precipitaciones y fenómenos

de sequía; aumento en el peso de los ejes de los vehículos, movimiento de carga, lo que lleva a un

mayor requerimiento de mantenimiento y, como consecuencia, mayores costos; la tendencia a usar

capas más delgadas en los pavimentos, o reducir la frecuencia de mantenimientos sin comprometer

la funcionalidad, calidad y seguridad del pavimento. Por lo tanto, las fallas en los pavimentos

ocurren antes de lo esperado, ocasionando mantenimientos e inactividad de la vía y sobrecostos.

Para colocar un ejemplo en contexto, según datos del Registro Único de Transito RUNT (2018) el

país cuenta con un parque automotor que sobrepasa los 14 millones de vehículos registrados a

fecha de septiembre y solo en Ibagué hay matriculados 187000 vehículos según indicó José Alexis

Mahecha (Caracol Radio, 2018). Debido a su posición geográfica, Colombia se caracteriza por ser

un país con alta variabilidad climática reflejada en periodos de lluvia y periodos secos que se

alternan (Ministerio de Transporte, 2014). Durante los fenómenos de la niña y niño, en la región

andina hay probabilidad de descenso y aumento de la temperatura en un 90% y 80% para los meses

de (marzo, abril mayo) y (noviembre, diciembre, enero) respectivamente (IDEAM, 2012). La

demanda de la infraestructura de transporte y la variabilidad climática afecta el estado de las vías.

Ibagué cuenta con 541 Km de vías, de las cuales el 41% o 224 Km de vías se encuentra en buen

estado, 20% en regular estado y 39% en mal estado (Alcaldia de Ibagué, 2017)

Una alternativa para superar esos desafíos consiste en modificar el asfalto con polímeros para

proporcionar un mejor rendimiento al pavimento. Los polímeros más comúnmente usados son

elastómeros, plastómeros, cauchos de neumáticos recuperados y, en menor medida, modificadores

de la viscosidad y polímeros reactivos (Hunter, Self, & Read, 2015). El PVC es un polímero del

tipo termoplástico, plastómero que puede reciclarse y someterse a altas temperaturas sin perder

significativamente sus propiedades (Rondón & Reyes, 2015). En el año 2013, el consumo de PVC

en el mercado colombiano bordeaba las 180,000 toneladas métricas/año y se reciclaban alrededor

de 12 mil toneladas anuales, que representaban el 7% del consumo nacional de PVC en ese

entonces (Mexichem, 2013). El potencial de reciclaje del PVC (sustentabilidad) es enorme, y surge

así una oportunidad para impulsar esta investigación para entender el efecto de sus propiedades y

su aplicación en el campo de los asfaltos modificados.

14

1. Marco teórico

Este capítulo expone generalidades de uno de los materiales de construcción más utilizados a nivel

mundial: asfalto. El capítulo está estructurado de la siguiente manera: la primera sección abarca la

definición y usos del asfalto. La segunda sección expone los métodos de ensayo y las propiedades

que caracterizan el comportamiento del asfalto. La tercera sección es un aparte especial para

exponer la definición y clasificación del modificante (PVC) empleado en esta investigación, las

funcionalidades y beneficios del modificante como elemento constitutivo del asfalto y mezcla

asfáltica, los problemas y cuidados identificados en la aplicación de este tipo de modificante.

1.1. Materiales o ligantes asfálticos

El término "asfalto" se utiliza en la literatura técnica de los EE. UU. para describir lo que se

denomina "bitumen" en el Reino Unido y Europa. Tras el acuerdo del Comité Europeo de

Normalización (Comite´ Europe´ en de Normalisation, CEN), en Europa el término "asfalto" se

reserva para materiales que contienen una mezcla de bitumen y material mineral (por ejemplo,

asfalto lacustre o asfalto laminado en caliente) (O´Flaherty & Hughes, 2016).

El bitumen es un material de construcción de la ingeniería civil fabricado a partir de petróleo crudo

a través de una serie de procesos de destilación realizados durante la refinación del petróleo. El

uso principal del bitumen es como un aglutinante en la industria de la construcción de carreteras,

donde se mezcla con un agregado pétreo graduado para producir mezclas asfálticas. Este material

asfáltico se coloca en las capas estructurales del pavimento de una carretera. La función principal

de estas capas "unidas al bitumen" es distribuir las cargas (causadas por el tráfico de vehículos) de

manera uniforme sobre las capas de pavimento sin unir de la carretera y el subsuelo natural para

evitar sobrecargas. Además de proporcionar resistencia y capacidad de carga, el asfalto debe ser

capaz de resistir dos modos principales de daños por pavimento flexible, a saber, deformación

permanente excesiva (ahuellamiento) y agrietamiento por fatiga. Como las propiedades mecánicas

de la mezcla asfáltica dependen en gran medida de las propiedades del aglomerante, el bitumen

debe cumplir ciertos requisitos mecánicos y reológicos para garantizar la integridad de la carretera

(Forde, 2009).

El asfalto es un material muy resistente a la temperatura cuya respuesta también depende del

tiempo de carga. Una de las cualidades más importantes, en términos de rendimiento del CA, es la

relación temperatura-viscosidad. Durante la aplicación, el betún debe ser: (1) lo suficientemente

fluido para cubrir el agregado; (2) lo suficientemente viscoso para no correr del agregado durante

la mezcla o el transporte; (3) fluido suficiente para que la mezcla permanezca viable durante la

compactación; y (4) lo suficientemente viscoso para transportar el tráfico (Forde, 2009).

15

A continuación, se presenta la clasificación de los materiales asfálticos de acuerdo a su origen:

Figura 1. Clasificación de los asfaltos según su origen

El material asfáltico utilizado en esta investigación corresponde a un cemento asfáltico CA 60-70.

Se clasifican por lo general de acuerdo con su consistencia evaluada a través de los ensayos de

penetración y viscosidad. Otra forma de clasificación, utilizada principalmente en países

desarrollados, se realiza a través del grado de funcionamiento (PG). El CA 60-70 como ligante de

mezclas en caliente es utilizado en zonas con temperaturas medias anuales promedio de 24°C y

conformar mezclas que deban soportar niveles de tránsito alto (Rondón & Reyes, 2015). Los

requisitos mínimos de calidad que debe cumplir un CA aparecen referenciados en el artículo 410

de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVIAS.

16

1.2. Propiedades de los asfaltos

Durante muchos años, se ha investigado la relación entre las propiedades medidas en laboratorio

de los asfaltos y su desempeño cuando conforma mezclas asfálticas en el pavimento. La capacidad

de predecir el comportamiento a largo plazo de las mezclas asfálticas se vuelve más importante a

medida que aumenta la carga de tráfico y los requisitos de rendimiento son cada vez más exigentes.

El rendimiento en la carretera depende de muchos factores, incluido el diseño, la naturaleza de la

aplicación y la calidad de los componentes individuales. En términos volumétricos, el asfalto es

un componente relativamente menor de una mezcla asfáltica, pero tiene un papel crucial: actúa

como un aglutinante duradero y confiere propiedades viscoelásticas a la mezcla asfáltica (Hunter

et al., 2015).

Esencialmente, el rendimiento satisfactorio de un betún en la carretera se puede garantizar si se

controlan cuatro propiedades:

Reología

Cohesión

Adhesión

Durabilidad

Aunque se han desarrollado métodos de prueba más sofisticados en las últimas dos décadas, la

reología del asfalto a temperaturas de servicio aún se caracteriza adecuadamente por los valores

de penetración y el índice de penetración. Sin embargo, para evaluar la reología de betunes

modificados más complejos, las pruebas con el reómetro dinámico de corte han permitido evaluar

la rigidez del betún y su comportamiento viscoso y elástico en un amplio rango de temperaturas

de servicio asfáltica (Hunter et al., 2015).

La resistencia cohesiva del asfalto se caracteriza por la ductilidad a baja temperatura o por la

prueba de tracción. En la prueba de ductilidad original, se sumergen muestras de asfalto con forma

de pesa en un baño de agua y se estiran a una velocidad constante de 50 mm / min hasta que se

produce la fractura. La distancia a la que se estira la muestra antes de que se notifique la falla se

conoce como ductilidad (Hunter et al., 2015).

La adhesión del asfalto se puede medir solo en combinación con un sustrato. Se desarrollaron

numerosas pruebas de laboratorio en el siglo pasado, y muchas de ellas determinan la cobertura de

la superficie de los agregados minerales con asfalto o la estabilidad de las muestras Marshall antes

y después del almacenamiento bajo el agua. Los resultados de estas pruebas de laboratorio, junto

con las observaciones del rendimiento en la práctica, han identificado vínculos clave entre las

propiedades funcionales y la constitución del betún. Este trabajo ha indicado que, si la distribución

del peso molecular y la constitución química del betún no está equilibrada, puede mostrar una falta

de homogeneidad que puede afectar negativamente las propiedades cohesivas y adhesivas del

betún (Hunter et al., 2015).

17

La durabilidad se puede definir como la capacidad de mantener una reología, cohesión y adhesión

satisfactorias en servicio. El término "envejecimiento" se usa a menudo para describir el cambio

en las propiedades del asfalto durante el almacenamiento, la mezcla, la colocación y el servicio

(Hunter et al., 2015).

A continuación, se describen los métodos de ensayo que se realizaron para caracterizar las

propiedades físicas, reológicas (en función de la temperatura) y de adhesión de los cementos

asfálticos de esta investigación:

1.2.1. Ensayo de penetración.

El ensayo de penetración mide la consistencia de un cemento asfáltico con grado de penetración

especificado. En esta prueba se permite que una aguja de dimensiones especificadas penetre una

muestra de cemento asfáltico, bajo una carga conocida, temperatura fija y durante un tiempo

conocido. Las condiciones estándar del ensayo corresponden a una carga aplicada de 100 g,

duración de la carga 5 segundos y temperatura de prueba de 25°C. Forde, (2009) sugiere que el

ensayo de penetración puede realizarse bajo otras combinaciones de carga, temperatura y tiempo

de carga, aunque la comparación significativa de la penetración del cemento asfáltico en un rango

de temperaturas solo es posible si se usan la misma carga y los mismos tiempos de carga de manera

consistente. La penetración se expresará en decimilímetros (1dmm=0.1 mm) y por cada prueba se

toman tres medidas, y el resultado será el promedio de los tres valores redondeado al entero más

cercano.

La prueba de penetración mide indirectamente la rigidez de un asfalto, cuanto menor sea el valor

de penetración, más rígido será el CA. Por el contrario, cuanto mayor sea el valor de penetración,

más suave será el CA (Rondón & Reyes, 2015).

Hunter et al., (2015) advierten que el control de temperatura es crítico, dentro de ± 0.1°C. Las

agujas deben revisarse regularmente para determinar la rectitud, la corrección del perfil y la

limpieza. Los dispositivos de tiempo automáticos también son necesarios para la precisión, y estos

deben verificarse regularmente. Los valores de penetración inferiores a 2 dmm y superiores a 500

dmm no se pueden determinar con exactitud con este equipo. Los asfaltos blandos requieren agujas

más largas y copas más profundas. Los betunes muy suaves a menudo se caracterizan mejor en

términos de viscosidad.

1.2.2. Punto de ablandamiento

El punto de ablandamiento es otra propiedad comúnmente utilizada para determinar la máxima

temperatura de servicio de un asfalto al medir la temperatura a la cual empieza a fluir (Rondón &

Reyes, 2015). En esta prueba, una pequeña bola de acero se coloca sobre una muestra de betún

contenida en un anillo de latón, y luego se suspende en un baño (en forma de vaso de vidrio) que

18

contiene agua o glicerina. El agua se utiliza para el asfalto con un punto de ablandamiento de 80°C

y por debajo, y la glicerina se usa para el cemento asfáltico con un punto de ablandamiento por

encima de 80°C. Cuando se usa agua, la temperatura inicial del líquido del baño es de 5ºC. La

temperatura inicial del baño con glicerina es 30°C. La temperatura del baño se eleva a 5 ° C por

minuto, y el betún se suaviza y eventualmente se deforma lentamente con la bola a través del anillo.

La temperatura del punto de ablandamiento es la temperatura indicada por el termómetro en el

momento en que el CA que rodea la bola toca la placa inferior a 25 mm por debajo del anillo. La

prueba se realiza dos veces, y el promedio de las dos temperaturas medidas se comunica al más

cercano 0.2°C para los puntos de ablandamiento por debajo o iguales a 80°C y 0.5°C para los

puntos de reblandecimiento por encima de 80°C. Si la diferencia entre los dos resultados excede

de 1°C para los puntos de ablandamiento por debajo de 80°C o excede de 2°C para los puntos de

ablandamiento por encima de 80°C, se debe repetir la prueba.

Hunter et al., (2015) advierten que al igual que con la prueba de penetración, el procedimiento para

llevar a cabo la prueba de punto de ablandamiento debe seguirse con precisión para obtener

resultados precisos. Las dimensiones del anillo y la bola, la preparación de la muestra, la velocidad

de calentamiento y la precisión de la medición de la temperatura son críticas. Los instrumentos

automáticos de punto de ablandamiento están disponibles, lo que garantiza un control cercano de

la temperatura y registra automáticamente el resultado al final de la prueba.

1.2.3. Índice de penetración

Las propiedades del aglutinante asfáltico dependen de la temperatura, un fenómeno conocido como

susceptibilidad a la temperatura. La velocidad a la que ocurre esto depende del tipo y grado de

betún. Todos los asfaltos se suavizan cuando se calientan y se endurecen cuando se enfrían. Existen

varias expresiones para definir esta susceptibilidad a la temperatura. Una de los más conocidas es

el Índice de penetración (IP) desarrollado por Pfeiffer y Van Doormaal (1936) que describe la

susceptibilidad a la temperatura de penetración de un asfalto (Forde, 2009).

La reología a las temperaturas de servicio puede ser caracterizada satisfactoriamente mediante los

valores de penetración y el índice de penetración. Pfeiffer y Van Doormal plantearon el índice de

penetración como un criterio para medir la susceptibilidad térmica y se define matemáticamente a

continuación:

𝐼𝑃 =20−10𝑓

1+𝑓 𝑓 =

50 log(800

𝑝)

𝑇𝐴𝐵−25

19

Donde:

TAB: Punto de ablandamiento; °C

P= Penetración a 25°C; 0.1 mm

Valores de IP menores a +1 corresponden a cementos asfálticos con poca susceptibilidad a la

temperatura, presentando cierta elasticidad. Valores de IP menores a -1 son cementos con mayor

susceptibilidad térmica, ricos en resina y con comportamiento algo viscoso. Y valores de IP entre

-1 y 1 pertenecen a la mayoría de asfaltos empleados en pavimentos (INVIAS, 2012).

El índice de penetración (IP) también puede ser determinado gráficamente. El nomograma

mostrado en la figura 2 permite deducir el valor aproximado del IP a partir de la penetración a

25ºC y la temperatura del punto de ablandamiento, propiedades que se determinan generalmente

para el control de la especificación del cemento asfáltico. Un inconveniente del sistema del IP es

que utiliza el cambio en las propiedades del asfalto en un rango relativamente pequeño de

temperaturas para caracterizarlo. Las extrapolaciones a temperaturas extremas a veces pueden ser

engañosas. El IP se puede usar para proporcionar una buena aproximación del comportamiento

que se espera, pero es deseable la confirmación con mediciones de rigidez o viscosidad (Hunter et

al., 2015).

20

Figura 2. Nomograma para el IP (punto de ablandamiento/pen). Fuente: (The Shell Bitumen Handbook, 2015)

21

1.2.4. Viscosímetro rotacional

La viscosidad es una propiedad física de un fluido y es una medida de su resistencia al flujo. La

viscosidad se define como la relación entre la tensión de cizallamiento aplicada y la velocidad de

la tensión de cizallamiento. Se utilizan varios tipos de viscosímetros y reómetros para determinar

el comportamiento del flujo en diferentes condiciones (Hunter et al., 2015).

Los viscosímetros rotacionales se basan en el concepto de que el par de torsión requerido para

rotar un objeto en un fluido a una cierta velocidad es una función de la viscosidad de ese fluido.

Los viscosímetros rotacionales se utilizan normalmente para determinar la viscosidad de los

betunes a temperaturas de aplicación. La viscosidad rotacional del asfalto generalmente se

determina a 135 o 150°C, pero con este tipo de aparato, la viscosidad se puede determinar en un

rango relativamente amplio de temperaturas (es decir, entre 120 y 180°C) (Hunter et al., 2015).

La susceptibilidad térmica también puede definirse como la consistencia, medida generalmente

por la viscosidad, con un cambio de la temperatura. Se requieren dos medidas de la viscosidad

como mínimo, para poder establecer la susceptibilidad térmica de un asfalto. Los asfaltos con un

alto grado de susceptibilidad térmica no son deseables, ya que su viscosidad a 135°C- muy baja-

puede ocasionar inconvenientes durante el proceso de mezclado y compactación.

1.2.5. Métodos para medir y evaluar la adhesión entre el betún y los agregados y el daño

por humedad

Este tipo de prueba intenta evaluar la adhesión entre el agregado y el asfalto cuando hay presencia

de agua. Por ejemplo, en el ensayo de adherencia en bandeja, las partículas de agregado se aplican

a una bandeja de asfalto, se sumerge en agua bajo condiciones controladas y mediante un examen

cuidadoso de las partículas, se determina en porcentaje el recubrimiento de las partículas con el

aglutinante.

El ensayo de Stripping es una prueba muy simple, y consiste en que el agregado se recubre con

aglutinante y luego se sumerge en agua. El grado de stripping se estima mediante una inspección

visual después de un período de tiempo. La prueba involucra el recubrimiento de 100 g de agregado

con asfalto, sumergiéndolo durante 16-18 horas en 400 ml de agua destilada y estimando

visualmente el área visible total del agregado revestido como arriba o por debajo del 95%. La

evaluación visual se realiza mientras la mezcla aún está sumergida en el agua. Estos ensayos de

inspección visual son de carácter subjetivo por lo que tienen una reproducibilidad deficiente.

El rendimiento de los asfaltos, tanto a corto como a largo plazo, está influenciado por las

propiedades del aglutinante. A pesar de la amplia gama de aplicaciones a las que se colocan los

asfaltos y las variaciones sustanciales en el clima y la carga a las que están sometidos, la gran

mayoría de los pavimentos flexibles funcionan bien durante muchos años. El rendimiento de las

mezclas asfálticas en servicio está significativamente influenciado por las propiedades reológicas

(o mecánicas) y, en menor medida, por la constitución química del aglutinante. Estos factores

22

están, a su vez, influenciados por los cambios debidos a los efectos del aire, la temperatura y el

agua en la carpeta (Hunter et al., 2015).

Los aglutinantes son materiales viscoelásticos y su comportamiento varía de puramente viscoso a

totalmente elástico según el tiempo de carga y la temperatura. Durante la fabricación y

compactación de las mezclas asfálticas y a altas temperaturas de servicio, las propiedades pueden

considerarse en términos de viscosidad, pero para la mayoría de las condiciones de servicio, los

cementos asfálticos se comportan de manera viscoelástica y sus propiedades pueden considerarse

en relación con su módulo de rigidez (Hunter et al., 2015).

Los requisitos reológicos para ligantes durante la mezcla, compactación y en servicio se ilustran

en la Figura 2:

Figura 3. Propiedades de los bitúmenes durante la construcción y el posterior servicio. Fuente: (The Shell

Bitumen Handbook, 2015)

23

La figura 3 tiene en cuenta el índice de penetración IP para estimar la tendencia de la curva de viscosidad y determinar el rango de

temperaturas de la compactación. También, se muestra claramente que los cementos asfálticos con una susceptibilidad a alta temperatura

(es decir, aquellos con un PI bajo) tienen una "ventana" de temperatura mucho más estrecha dentro de la cual se puede lograr una

compactación satisfactoria del material.

Figura 4. Influencia del índice de penetración (IP) del bitumen sobre el comportamiento durante la construcción y posterior servicio. Fuente: (The Shell

Bitumen Handbook, 2015)

1.2. Asfaltos modificados

Si bien los materiales asfálticos convencionales tienden a funcionar satisfactoriamente en la

mayoría de las aplicaciones de pavimento, hay áreas de la red de carreteras que requieren un

rendimiento mejorado de la mezcla asfáltica solo posible a través de la adición de agentes

modificantes al asfalto. Los asfaltos modificados son aglutinantes cuyas propiedades han sido

cambiadas por el uso de un agente químico que, cuando se agrega al cemento asfáltico original,

altera su composición química y, por lo tanto, sus propiedades reológicas (Forde, 2009). Como el

ligante asfáltico es responsable del comportamiento viscoelástico de las mezclas asfálticas,

desempeña un papel importante en la determinación de muchos aspectos del rendimiento de la

carretera, en particular la resistencia a la deformación y el agrietamiento, las dos razones más

comunes para el fallo estructural de pavimentos (Hunter, et al. 2015). En términos de rendimiento

general, los asfaltos modificados con polímeros (PMB) tienden a tener una mayor respuesta

elástica, mejoran la cohesión y la rigidez, una mayor ductilidad y son capaces de resistir mejor los

mecanismos de ahuellamiento del pavimento por deformación permanente y agrietamiento por

fatiga. Aunque la modificación de polímeros tiende a ser el medio más popular para modificar el

betún, se puede usar una amplia gama de aditivos y modificadores para mejorar las propiedades

del betún convencional que se enumeran en la Tabla 1.

En general, la proporción de cualquier deformación inducida en el asfalto que es atribuible al flujo

viscoso (es decir, el flujo no recuperable) aumenta con el tiempo de carga y la temperatura. Una

de las funciones principales de un modificador es aumentar la resistencia del asfalto a la

deformación permanente a altas temperaturas del pavimento sin afectar negativamente las

propiedades del asfalto o de la mezcla a bajas temperaturas. Esto se logra mediante dos métodos.

El primer enfoque es endurecer el asfalto para que la respuesta viscoso elástica del asfalto sea

reducida. La segunda opción es aumentar la componente elástica del asfalto, reduciendo así el

componente viscoso. Al aumentar la rigidez del asfalto aumenta la rigidez dinámica de la mezcla,

esto mejora la distribución de carga del material, aumenta la resistencia estructural y alarga la vida

de diseño esperada del pavimento. Opcionalmente disminuye, la frecuencia de mantenimiento, y

espesor del pavimento flexible sin comprometer su capacidad estructural, añadiéndole beneficios

económicos a la utilización de esta tecnología de asfaltos modificados (Hunter, et al. 2015).

La empresa Shell (2015) hace algunas recomendaciones para que el modificador (polímero,

aditivos) sea efectivo, su uso sea práctico y económico, debe:

Estar disponible

Resistir la degradación a temperaturas de mezcla del asfalto con los agregados

Mezclarse con el asfalto

Mejorar la resistencia al flujo a altas temperaturas del pavimento sin hacer que el asfalto

sea demasiado viscoso a la hora de mezclarlo y colocarlo, o demasiado rígido o quebradizo

a bajas temperaturas del pavimento

Debe ser rentable

25

Mejorar la cohesión del ligante o las propiedades de adhesión. Además, el modificador,

cuando se combina con el asfalto, debe ser capaz de procesarse con equipos

convencionales, mantener sus propiedades de calidad durante el almacenamiento,

transporte, aplicación y servicio

Ser física y químicamente estable durante el almacenamiento, transporte, aplicación y

servicio

La siguiente tabla relaciona algunos polímeros utilizados como modificante de asfalto:

Tabla 1. Algunos aditivos utilizados para modificar asfalto

Tipo de modificante Ejemplo

Elastómeros termoplásticos Estireno-butadieno-estireno (SBS) Caucho estireno-butadieno (SBR)

Estireno-isopreno-estireno (SIS) Terpolímero etileno propileno dieno (EPDM)

Copolímero de isobuteno-isopreno (IIR)

Caucho natural

Grano de caucho reciclado

Polibutadieno (PBD)

Isopreno

Polímeros termoplásticos Etil vinil acetato (EVA)

Etil metil acrilato (EMA)

Etil butil acrilato (EBA)

Propileno atáctico (APP)

Polietileno (PE)

Polipropileno

Policloruro de vinilo (PVC)

Poliestireno (PS)

Polímeros termoendurecibles Resina epoxi

Resina de poliuretano

Resina acrílica

Resina fenólica Fuente: (Shell Bitumen, 2003)

Los polímeros se pueden clasificar en dos grandes grupos: termoendurecibles y termoplásticos.

Los primeros no se utilizan a menudo porque son materiales que a altas temperaturas se

descomponen o degradan sus propiedades. Los termoplásticos se dividen en dos grupos:

elastómeros con buenas propiedades resilientes en mezclas asfálticas que son sometidas a ciclos

de carga y descarga especialmente a altas temperaturas, y los plastómeros que adicionados al

asfalto consiguen incrementar la resistencia a deformaciones permanentes a altas temperaturas de

la mezcla asfáltica (Rondón & Reyes, 2015). Un tipo de elastómero muy estudiado y utilizado

como modificante de asfalto es el grano de llanta reciclado y triturado GCR, y del grupo de

plastómeros se exhibe al PVC, el modificante empleado en esta investigación.

26

La siguiente tabla indica el comportamiento en situaciones de servicio que tienen las mezclas

asfálticas que utilizan modificantes del tipo: elastómeros y plastómeros al ser añadidos al asfalto.

Igualmente se vincula dos ejemplos de modificantes que pertenecen a dichos grupos

respectivamente: grano de llanta y PVC.

Tabla 2. Beneficios de algunos polímeros utilizados como modificantes

Modificante Deformación

permanente

Agrietamiento

térmico

Agrietamiento

por fatiga

Daño por

humedad Envejecimiento

Elastómeros

Plastómeros

Grano de llanta

PVC

Fuente: (Shell Bitumen, 2003)

Hunter et al. (2015) exponen que la falta de interacción entre los polímeros (obtenidos de la

polimerización de poliolefina) con el asfalto provoca la inestabilidad del cemento asfáltico

modificado y agregan que cuando este se calienta, las fases del polímero se pueden separar

resultando una dispersión de las propiedades del asfalto durante el enfriamiento. Por su parte,

Robinson (2004) agrega que la compatibilidad del polímero / betún es especialmente importante

ya que afecta el comportamiento de almacenamiento a largo plazo. La incompatibilidad conduce

a la separación de la fase del polímero, lo que resulta en una capa superior rica en polímero en el

tanque de almacenamiento. El aglutinante resultante es inutilizable, por lo tanto, se debe evitar la

divergencia de propiedades entre tramos colocados de mezcla asfáltica, que más adelante estarán

inutilizados y los costos de su reparación serán altos.

Robinson (2004) expone una razón más práctica que restringe el uso de diferentes aglomerantes

modificados con polímeros es la necesidad de tanques de almacenamiento específicos, lo que es

costoso y potencialmente problemático para los productores de asfalto. Las plantas de asfalto a

menudo tienen áreas restringidas para acomodar tanques de PMB adicionales, y la fluctuación de

la demanda del mercado para el asfalto modificado con polímeros significa que se puede dejar el

PMB en almacenamiento por períodos prolongados, lo que a veces hace que sea necesario tomar

medidas correctivas para rectificar el aglutinante asfáltico y controlar sus propiedades dentro de

las especificaciones. Sin embargo, esto es menos común en estos días, debido a las mejoras

realizadas por la industria de suministro de asfalto para proporcionar orientación sobre cómo

administrar el asfalto de manera segura en el almacenamiento.

En conclusión, es importante supervisar el mezclado del aglutinante con el polímero para

garantizar que los productos cumplan las especificaciones objetivo. También se deben controlar

las propiedades y temperatura del asfalto modificado durante las fases de fabricación,

almacenamiento, transporte y colocación (Hunter et al., 2015).

27

2. Metodología

La metodología experimental se divide en dos partes y comprende por un lado la caracterización

del cemento asfáltico convencional y la caracterización de un cemento asfáltico modificado por

vía húmeda adicionando diferentes porcentajes del residuo en polvo de PVC (1.0%, 1.5%, 2.0% y

2.5%) en función del contenido de asfalto.

En esta investigación se utiliza un cemento asfáltico con grado de penetración 60-70 fabricado por

Ecopetrol en la refinería de Barrancabermeja y suministrado por la empresa Asfaltemos en su

planta de Gualanday. Como modificante se utiliza el residuo en polvo obtenido del proceso de

pulverización de tubosistemas de PVC.

Es necesario aclarar que este estudio experimental tiene un enfoque de repetibilidad, por lo tanto,

se ejecutan cuatro ensayos por cada muestra de asfalto sea convencional o modificado siguiendo

las instrucciones y procedimientos estandarizados descritos en el Manual de Normas de Ensayo de

Materiales de Carreteras, Sección 700 Materiales asfálticos.

En primer lugar, se realizan los ensayos para evaluar las siguientes propiedades del cemento

asfáltico CA 60-70: penetración, punto de ablandamiento, índice de penetración, viscosidad,

adherencia en bandeja y densidad y se verifica el cumplimiento de los requisitos mínimos de

calidad de un CA 60-70. Luego de realizar los ensayos al cemento asfáltico convencional, se

prepara cada una de las muestras del cemento asfáltico modificado, mezclando manualmente por

vía húmeda el CA y el polvo de PVC en porcentajes del 1.0%, 1.5%, 2.0% y 2.5% a una

temperatura de 100 ºC. El tiempo de mezclado fue de 5 minutos. La mezcla obtenida tenía

características homogéneas y no se evidencio presencia de grumos que indicarían en dado caso

una cantidad excesiva de pvc. Además, para los procesos de transporte y manejo de los asfaltos

modificados con polímeros se tienen en cuenta las advertencias y precauciones descritas en los

referentes teóricos de esta investigación. Finalmente, se caracteriza el asfalto modificado,

realizando los ensayos mencionados anteriormente.

Una vez finalizada la etapa experimental y de recolección de datos, se procede a compilar y

analizar los resultados, comparando el comportamiento del asfalto convencional y el asfalto

modificado con los porcentajes de PVC especificados y se determina el porcentaje óptimo de PVC.

Considerando que las propiedades físicas, reológicas (mecánicas) del cemento asfáltico influyen

en el rendimiento de las mezclas asfálticas en servicio, el enfoque general adoptado para la

selección del contenido final de pvc ha sido promediar los contenidos óptimos de pvc que

proporcionan valores máximos para las propiedades físicas y mecánicas del cemento asfáltico.

La siguiente figura resume la metodología experimental de esta investigación, de color blanco se

presentan los ensayos de caracterización del cemento asfáltico convencional, muestras de cemento

asfáltico modificado y modificante, todos materiales utilizados en esta investigación y resaltados

de color amarillo. Una vez evaluadas las propiedades de los cementos asfálticos convencional y

28

modificado, se compilan los resultados y se realizan los análisis pertinentes para lograr el alcance

de la investigación, definida por el objetivo general (color azul) y los objetivos específicos (color

rosado), para finalmente concluir y plantear algunas recomendaciones surgidas en esta experiencia.

Figura 5. Diagrama de la metodología de investigación

29

2.1. Caracterización del cemento asfáltico convencional

El material asfáltico utilizado en esta investigación corresponde a un cemento asfáltico de grado

de penetración 60-70 fabricado por Ecopetrol en la refinería de Barrancabermeja y suministrado

por la empresa Asfaltemos S.A.S. en la planta de Gualanday. El CA 60-70 como ligante de mezclas

asfálticas es adecuado para utilizarlo en zonas con temperaturas medias anuales superiores a 24ºC

y conformar capas de rodadura que soporten altos niveles de tránsito.

Se realizan ensayos de laboratorio según las disposiciones de la sección 700 del Manual de Normas

de Ensayo para Carreteras del INVIAS (2012) para evaluar las propiedades físicas y reológicas del

CA 60-70: penetración, punto de ablandamiento, índice de penetración, viscosidad, adherencia en

bandeja y densidad. Las propiedades del asfalto de grado de penetración 60-70 se verifican de

acuerdo a sus requisitos de calidad expuestos en el artículo 10 de las Especificaciones Generales

de Construcción de Carreteras del INVIAS (2012).

2.2. Caracterización del policloruro de vinilo (PVC) pulverizado

En esta investigación se utiliza como modificante del material asfáltico el residuo en polvo

obtenido a partir de la pulverización de tubosistemas de presión PAVCO fabricados en policloruro

de vinilo (PVC). Específicamente, se someten tubos de PVC P de ½”, relación diámetro espesor

(RDE) 13.5 y presión de trabajo de 315 psi a proceso de pulverización mediante lijado mecánico

con taladro y una lija incorporada de grano 60 y se obtiene el residuo en polvo de PVC con

partículas de tamaño que oscila entre 0.075 a 4.75mm. Se realiza análisis granulométrico para

determinar cuantitativamente la distribución de los tamaños de las partículas del polvo de PVC por

medio de tamizado. Se descartan para la modificación del asfalto los tamaños superiores a 4.75

mm. La gravedad específica del PVC se determina de acuerdo a estudios similares y referentes

teóricos

A continuación, se muestra un resumen gráfico (Foto 1) del proceso de pulverización de los tubos

de PVC para obtener el residuo en polvo que se utilizará como modificante del cemento asfáltico

con el fin de mejorar sus propiedades físicas y reológicas:

Foto 1. Proceso de pulverización de los tubosistemas de PVC

30

2.3. Caracterización del cemento asfáltico modificado

La modificación del asfalto se realiza por vía húmeda adicionando diferentes porcentajes de pvc

(1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%) en función del contenido de asfalto Se realizan ensayos de laboratorio

según las disposiciones de la sección 700 del Manual de Normas de Ensayo para Carreteras del

INVIAS (2012) para evaluar las propiedades físicas y reológicas del CA 60-70: penetración, punto

de ablandamiento, índice de penetración, viscosidad, adherencia en bandeja y densidad. No se

verifican propiedades del cemento asfáltico modificado de acuerdo a una normativa por tratarse

de un estudio que pretende entender las propiedades físicas y reológicas del asfalto modificado a

través de la comparación con un asfalto base.

2.4. Comparación de los cementos asfálticos

Una vez realizados los ensayos de caracterización de los cementos asfálticos convencional y

modificado con 1.0%, 1.5%, 2.0% y 2.5% de PVC, y la recopilación de los resultados se procede

a realizar un análisis comparativo de las propiedades físicas: penetración, punto de ablandamiento,

y, se determinó la susceptibilidad térmica mediante curvas de viscosidad y el índice de penetración.

También, se evaluaron propiedades de adhesión mediante los ensayos de adherencia en bandeja y

la respuesta de la interacción asfalto agregado ante mecanismos de daño por humedad como el

Stripping. En este análisis se exponen aquellos asfaltos que experimenten el mejor comportamiento

mecánico (reológico), determinando así el contenido óptimo de PVC. Adicionalmente se

determinan y comparan las temperaturas de mezclado y compactación de los cementos asfálticos

convencional y modificados especificados.

31

3. Resultados y análisis

En esta sección se compilan y analizan los resultados obtenidos de las mediciones de las

propiedades físicas y reológicas del asfalto convencional CA 60-70 y los asfaltos modificados con

1.0%, 1.5%, 2.0% y 2.5% de PVC pulverizado. Se realiza una comparación de las propiedades de

los asfaltos y se determina el porcentaje óptimo de PVC.

3.1. Caracterización del cemento asfáltico convencional

En la siguiente tabla se exhiben los resultados obtenidos de la evaluación de las propiedades del

cemento asfáltico CA 60-70. Además, se especifican los métodos de ensayo empleados y los

requisitos de calidad de un cemento asfáltico de grado de penetración 60-70.

Tabla 3. Propiedades del cemento asfáltico convencional

Propiedad Método Unidad Resultado Especificación

Min. Max.

Penetración (25 °C, 100 g, 5 s) INV E-706 0.1 mm 63 60 70

Punto de ablandamiento INV E-712 °C 44 48 54

índice de penetración INV E-724 -2.5 -1.2 0.6

Viscosidad (60°C) INV E-717 P - 0 -

Adherencia en bandeja INV E-740 % 77 - -

Densidad relativa (25°C) INV E-707 1.024 - -

La caracterización de cada una de las propiedades del asfalto es registrada en el capítulo de los

anexos. De igual forma en el capítulo del registro fotográfico se evidencia la realización de cada

uno de los ensayos. La evidencia fotográfica del ensayo de Stripping por tratarse de un ensayo

visual se anexa en el presente capítulo.

Algunos investigadores en el pasado utilizaban los datos de penetración y el punto de

ablandamiento como parámetros empíricos para predecir el comportamiento de las mezclas en

servicio. También se creía que los valores del índice de penetración y la viscosidad podrían reflejar

el efecto de la temperatura en el comportamiento reológico. Sin embargo, ahora se sabe que estos

parámetros no pueden describir con precisión el efecto del tiempo de carga y la temperatura en la

respuesta de tensión-deformación del asfalto (Hunter et al., 2015). Por lo tanto, cualquier

aseveración acerca del comportamiento que experimente este cemento asfáltico deberá ser

respaldada realizando otros ensayos en las temperaturas cuestionadas (temperaturas intermedias y

altas de servicio) en concreto una prueba de fluencia y recuperación para predecir deformaciones

permanentes (ahuellamiento) o roderas, y mediciones dinámicas oscilatorias utilizando un

reómetro dinámico de corte (DSR) para predecir agrietamientos por fatiga. Para analizar a

32

profundidad el comportamiento del cemento asfáltico a bajas temperaturas de servicio, es

necesario realizar un ensayo de tensión directa con el reómetro de viga en flexión (BRB).

La penetración evaluada en el laboratorio se ajusta los requisitos mínimos de calidad de un

cemento asfáltico 60-70 es la penetración. El cemento asfáltico base tiene un valor de penetración

de 63 dmm en condiciones normalizadas de ensayo (temperatura de la muestra de asfalto 25ºC,

carga de 100 g, y duración de 5 segundos).

Por lo que se refiere al punto de ablandamiento, el ensayo exhibe un resultado (44 ºC) poco

satisfactorio y no cumple las especificaciones para un cemento asfáltico CA 60-70. De manera que

el asfalto podría tener una ventana de servicio mucho más corta que la esperada para un asfalto

con grado de penetración 60-70, es decir, cuando el asfalto experimente temperaturas superiores a

44ºC presentará una disminución notable de su rigidez. En definitiva, esta situación no es deseable,

pues, cementos asfálticos que se caractericen con valores de punto de ablandamiento bajos serán

más susceptibles a sufrir deformaciones permanentes, por lo tanto, mezclas asfálticas preparadas

con este asfalto podría tener un comportamiento poco satisfactorio ante el ahuellamiento.

El índice de penetración depende de la penetración y del punto de ablandamiento, este último

afecta de manera adversa el valor final del índice de penetración y por lo tanto la susceptibilidad

térmica y comportamiento reológico que pueda tener el cemento asfáltico convencional. El valor

calculado del índice de penetración (-2.5) es menor a -1 y advierte que el cemento asfáltico tiene

mayor susceptibilidad térmica a la temperatura, su composición química indicaría alto contenido

de resinas y un comportamiento algo viscoso. En definitiva se reafirma que el cemento asfáltico

tiene mayor susceptibilidad térmica lo que podría ocasionar que las mezcla asfálticas preparadas

con este asfalto sufran mecanismos de daño como el ahuellamiento y agrietamiento a bajas

temperaturas.

La adherencia en bandeja y el stripping son ensayos de apreciación visual que intentan predecir el

comportamiento del ligante asfáltico ante mecanismos de daño por humedad. La adherencia en

bandeja reporta un 77% de partículas cubiertas con ligante asfáltico, lo que es deseable para

prevenir el Stripping y otras manifestaciones de este mecanismo de daño. En el ensayo de Stripping

al final del periodo de inmersión con la mezcla bajo el agua, se estima visualmente (ver Foto 2),

que el área de agregado que no presenta desprendimiento de ligante supera el 95%.

33

La viscosidad del cemento asfáltico convencional es evaluada en un rango de temperaturas comprendido entre 90ºC y 170ºC. En la

siguiente figura 6 se presenta el comportamiento de la viscosidad en función de la temperatura:

Figura 6. Curva de viscosidad del cemento asfáltico convencional con respecto a la temperatura

0.0010

0.0100

0.1000

1.0000

80 100 120 140 160 180

Vis

cosi

da

d (

Pa

.s)

Temperatura (°C)

CA 60-70 conv.

34

Con la curva que representa la evolución de la viscosidad con respecto a la temperatura, se

determinan las temperaturas requeridas para la fabricación y compactación de mezclas asfálticas

de tipo denso. La temperatura a la cual se debe calentar el cemento asfáltico para elaborar las

mezclas será la requerida para que se presente una viscosidad de (0.17±0.02 Pa.s). La temperatura

a la cual se deberá realizar la compactación será la correspondiente a una viscosidad del cemento

asfáltico de (0.28±0.03 Pa.s). A continuación, en la figura 7 se muestra la gráfica de viscosidad-

temperatura y se determinan las temperaturas de fabricación y compactación a partir de los valores

de viscosidad de 0.17 Pa.s y 0.28 Pa.s respectivamente

Figura 7. Recta superpuesta de viscosidad con respecto a la temperatura del cemento asfáltico convencional

y = -0.893ln(x) + 4.41

0.1000

1.0000

80 100 120 140

Vis

cosi

da

d (

Pa

.s)

Temperatura (°C)

CA 60-70 conv. Logarítmica (CA 60-70 conv.)

35

El procedimiento de cálculo de las temperaturas de mezclado y compactación puede realizarse

gráficamente o matemáticamente como a continuación se muestra:

𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑒0.17−4.41−0.893 = 115.358 ≅ 𝟏𝟏𝟓°𝑪

𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒0.28−4.41−0.893 = 101.989 ≅ 𝟏𝟎𝟐°𝑪

Otra forma de estimar la temperatura de mezcla corresponde a una regla general teniendo en cuenta

los principios de equiviscosidad relacionados con el punto de ablandamiento. Hunter et al. (2015)

afirman que la viscosidad optima del aglutinante es de 0.2 Pa.s a la temperatura de mezclado.

Teniendo en cuenta, que el punto de ablandamiento es una temperatura equi-viscosa, se ha

demostrado que la temperatura requerida para alcanzar una viscosidad de 0.2 Pa.s puede estimarse

simplemente agregando 110ºC (O´Flaherty & Hughes, 2016). Así la temperatura de mezcla del

cemento asfáltico convencional sería de 154ºC. La desventaja de este método es que no tiene en

cuenta el IP del ligante (Figura 3). Por lo tanto, la temperatura de mezcla (115ºC), y

temperatura de compactación (102ºC) exhiben el comportamiento de viscosidad-temperatura

que describe la (Figura) para cementos asfálticos con valores de IP bajos. Por lo tanto, el cemento

asfáltico podría exhibir una movilidad excesiva en la fabricación y colocación de la mezcla

asfáltica; y la temperatura de secado de los agregados (𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 + 28℃) podría ser insuficiente

para lograr tal objetivo. Es importante resaltar que en obra o in situ, la temperatura de

compactación no corresponde a la temperatura determinada en laboratorio, puesto que las

condiciones del laboratorio no simulan el efecto del equipo de compactación y las condiciones

propias de la obra (Rondón & Reyes, 2015)

En servicio, la mezcla asfáltica elaborada con este cemento asfáltico, podría sufrir deformaciones

permanentes o ahuellamiento (roderas), debido a los valores tan bajos de viscosidad (indicador

indirecto de baja rigidez) que exhibe el cemento asfáltico CA 60-70 a altas temperaturas de

servicio. La mezcla asfáltica fabricada con este cemento asfáltico podría experimentar

agrietamientos a bajas temperaturas de servicio. Se recomienda atender las anteriores salvedades

expuestas en el análisis del asfalto convencional para determinar con mayor precisión el

comportamiento mecánico (reológico) del cemento asfáltico. Además, se recomienda medir la

ductilidad del cemento asfáltico y descartar un comportamiento frágil del CA en la mezcla que

conduzca a agrietamientos térmicos a bajas temperaturas de servicio.

Finalmente se reporta la densidad relativa del asfalto convencional (1.024), dato importante para

determinar la composición volumétrica de una mezcla asfáltica fabricada con el asfalto CA 60-70

de esta investigación.

36

3.2. Caracterización del polvo de policloruro de vinilo (PVC)

En la siguiente tabla se presenta la distribución cuantitativa de los tamaños de las partículas del

polvo de PVC:

Tabla 4. Gradación del PVC utilizada para la modificación del cemento asfáltico

Tamiz Pasa

(mm) (%)

4.75 100.00

2.36 99.94

2.00 99.85

1.10 99.43

0.60 95.24

0.30 69.94

0.15 35.24

0.075 5.94

Figura 8. Curva granulométrica del polvo de PVC

De acuerdo a los datos de la tabla y la curva granulométrica del polvo de PVC (figura 8), se infiere

que hay ausencia relativa de tamaños desde 0.60 a 4.75 mm, por lo que el material utilizado para

modificar el asfalto tiene partículas de tamaño comprendido entre 0.075 y 0.60 mm. El PVC

pertenece al grupo de polímeros termoplásticos y tiene una densidad teórica de 1.4 Kg/m3.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0.010.1110

% P

asa

Diámetro (mm)

Polvo de PVC

37

3.3. Comparación de los cementos asfálticos

En este capítulo no se verifican las propiedades de los cementos asfálticos modificados, ya que no existen parámetros de referencia o

requisitos de calidad que especifiquen las propiedades de asfaltos modificados con polímeros, específicamente PVC en el capítulo 4.1

de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras. El análisis de las propiedades del asfalto modificado se realiza

mediante comparación de los cementos asfálticos convencional y modificados con los porcentajes especificados de PVC, exponiendo

aquellos asfaltos que experimenten el mejor comportamiento mecánico (reológico), determinando así el contenido óptimo de PVC.

Adicionalmente se determinan y comparan las temperaturas de mezclado y compactación de los cementos asfálticos convencional y

modificados.

La modificación del cemento asfáltico se lleva a cabo adicionando un contenido de PVC en función del contenido de asfalto de acuerdo

a los porcentajes de modificante establecidos en la metodología (1.0%, 1.5%, 2.0%, y 2.5%). El contenido de PVC se calcula mediante

la siguiente ecuación:

%𝑃𝑉𝐶 =𝑃𝑉𝐶

𝐶𝐴

En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos de la evaluación y los métodos de ensayo empleados para caracterizar las

propiedades de los cementos asfálticos modificados con los contenidos de PVC especificados (1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%) de PVC y

asfalto base o convencional CA 60-70:

Tabla 5. Propiedades de los cementos asfálticos modificados con PVC

Propiedad Método Unidad CA Base Porcentaje de PVC

1.0 1.5 2.0 2.5

Penetración (25 °C, 100 g, 5 s) INV E-706 0.1 mm 63 59 55 53 50

Punto de ablandamiento INV E-712 °C 44 44 46 47 49

índice de penetración INV E-724 -2.5 -2.5 -2.2 -2.0 -1.6

Viscosidad (60°C) INV E-717 P - - - - -

Adherencia en bandeja INV E-740 % 77 86 69 65 87

Densidad relativa (25°C) INV E-707 1.024 1.026 1.027 1.029 1.032

38

La caracterización de cada una de las propiedades de los asfaltos modificados es registrada

discriminadamente en el capítulo de los anexos. De igual forma en el capítulo del registro

fotográfico se evidencia la realización de cada uno de los ensayos. La evidencia fotográfica del

ensayo de Stripping por tratarse de un ensayo visual se anexa en el presente capítulo.

La figura 9 muestra gráficamente los resultados del ensayo de penetración realizado sobre el CA

convencional y modificado:

Figura 9. Evolución de la penetración en relación con el % de PVC

40

45

50

55

60

65

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Pen

etra

ció

n (

0.1

mm

)

% PVC

CA Mod CA Conv

39

En la figura 9 se observa que el asfalto modificado presenta una resistencia a la penetración,

superior con respecto al convencional (CA 60-70 sin modificar) para cualquier porcentaje de PVC.

El cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC posee la mayor resistencia a la penetración o

menor valor de penetración (50 dmm) indicando que ese CA posee también la mayor rigidez. Con

este porcentaje de modificante se observa una disminución de 20.63% en el valor de la penetración

del CA convencional. Al reducir la penetración hace que la mezcla asfáltica sea más rígida

ocasionando que el comportamiento mecánico mejore ante posibles mecanismos de daño.

La figura 10 muestra gráficamente los resultados del ensayo de punto de ablandamiento realizado

sobre el CA convencional y modificado:

Figura 10. Evolución del punto de ablandamiento en relación con el % de PVC

43

44

45

46

47

48

49

50

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Pu

nto

de

ab

lan

da

mie

nto

(°C

)

% PVC

CA Mod CA Conv

40

En la figura 10 se observa que los asfaltos modificados con (1.5%, 2.0% y 2.5% de PVC presentan

valores de punto de ablandamiento superiores al convencional (CA 60-80 sin modificar). El asfalto

convencional y modificado con 1.0% de PVC exhiben la misma temperatura máxima de servicio.

El cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC posee el mayor punto de ablandamiento (49°C)

indicando una temperatura máxima de servicio mayor que los otros asfaltos modificados. Con este

porcentaje de modificante se observa un incremento de 11.36% en el valor del punto de

ablandamiento del CA convencional. El incremento del punto de ablandamiento es deseable, al

reducir la susceptibilidad de la mezcla asfáltica a sufrir deformaciones permanentes y presentar un

mejor comportamiento ante el ahuellamiento. También, el punto de ablandamiento cambia de

manera similar a la viscosidad, estas dos propiedades están estrechamente relacionadas puesto que

es lógico que el cemento asfáltico con mayor punto de ablandamiento sea más viscoso. La anterior

situación hace alusión al cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC. Esta afirmación también

se puede comprobar comparando la evolución de la viscosidad con respecto a la temperatura de

los cementos asfálticos (Figura 12).

La figura 11 muestra gráficamente los resultados del cálculo del índice de penetración IP del

asfalto convencional y modificado:

Figura 11. Evolución del índice de penetración en relación con el % de PVC

-3.0000

-2.0000

-1.0000

0.0000

1.0000

2.0000

3.0000

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

índ

ice

de

pen

etra

ció

n

% PVC

CA Mod CA Conv

41

El cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC presenta un valor de IP (-2.4745) similar al CA

convencional (-2.4779). El IP depende de la penetración y del punto de ablandamiento. Del análisis

de estas propiedades se infiere que la razón de cambio del IP y por lo tanto de la susceptibilidad

térmica depende en mayor medida de la variación del punto de ablandamiento de un cemento

asfáltico que indica la temperatura a la cual un CA comienza a fluir. De acuerdo al punto de

ablandamiento y penetración del cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC, es evidente que

con este porcentaje de modificante se obtiene un cemento asfáltico con mayor índice de

penetración (-1.6). Sin embargo, el mejoramiento del punto de ablandamiento y la resistencia a la

penetración no es suficiente para que el asfalto modificado tenga una susceptibilidad térmica

aceptable y pueda utilizarse en la fabricación de mezclas asfálticas que conformen una capa de

pavimento, es decir el IP -1.6<1, se refiere a cementos asfálticos con mayor susceptibilidad

térmica; ricos en resinas y con comportamiento algo viscoso lo que podría ocasionar que las mezcla

asfálticas preparadas con este asfalto sufran mecanismos de daño como el ahuellamiento y

agrietamiento durante el servicio.

De acuerdo a los referentes teóricos, la compatibilidad del asfalto y el polímero del tipo plástomero

es crítica lo que podría influenciar negativamente las propiedades de adherencia del asfalto con el

agregado. De hecho, Zhu, Birgisson, & Kringos (2014) recomiendan mayor investigación sobre

asfaltos modificados con polimeros, especialmente en el desarrollo de la función que mejora la

adhesión con agregados.

La adherencia en bandeja y el stripping miden directamente la adhesión entre el aglutinante y

agregado e intenta predecir su comportamiento ante mecanismos de daño por humedad. De

acuerdo al enfoque de repetitividad (Anexo 5) no es posible asegurar la correlación entre la adición

del modificante y el mejoramiento de la adhesión entre el ligante asfáltico y agregado. Para ilustrar

mejor, en el ensayo de adherencia en bandeja, se reporta el 86 y 87% de partículas del agregado

cubiertas con los cementos asfálticos modificados con 1.0% y 2.5% de PVC respectivamente,

mejorando en un 9 y 10% la adhesión observada entre el agregado pétreo y el cemento asfáltico

convencional (77%). Las peores prestaciones de adherencia entre el agregado y cemento asfáltico

las aporta el aglutinante modificado con 1.5% y 2.0% de PVC, pues, disminuye en 8 y 12% la

adhesión observada entre el agregado y el ligante asfáltico convencional (77%).

Ahora veamos el ensayo de stripping, de acuerdo al enfoque de repetitividad (Anexo 6), en las

cuatro repeticiones o 100% de los ensayos realizados, al final del periodo de inmersión con la

mezcla bajo el agua, se estima visualmente (ver Foto 2), que el área de agregado que no presenta

desprendimiento de ligante convencional supera el 95%. Con respecto a los asfaltos modificados,

el agregado no evidencio desprendimiento de ligante modificado (área de recubrimiento > 95%)

en el 75% y 50% de los ensayos realizados, cuando el asfalto se modifica adicionando 2.5% (Foto

3) y (1.0, 1.5 y 2.0% de PVC) respectivamente.

Avanzando en este razonamiento, si bien es cierto que la mayor adherencia entre agregado y

aglutinante se observa cuando se adiciona 2.5% de PVC, y el mejor comportamiento ante el

42

fenómeno de stripping, lo exhibe la mezcla entre agregado y aglutinante convencional. Para

concluir, mediante los ensayos de adherencia en bandeja y stripping, no se evidencia una

correlación clara entre la adición de modificante y el mejoramiento de las prestaciones de adhesión

del aglutinante con el agregado para prevenir mecanismos de daño ocasionados por la humedad.

Hunter et al. (2015) explican que el problema fundamental con tales métodos es su naturaleza

subjetiva y la reproducibilidad deficiente resultante. Un operador experimentado puede ser capaz

de clasificar los agregados en relación con su desempeño in situ, pero se debe reconocer que, en

algunos casos, un agregado con un buen desempeño de laboratorio puede tener un desempeño

deficiente en la carretera y aquellos con resultados de pruebas de inmersión estática deficientes

puede desempeñarse satisfactoriamente en la práctica. En resumen, aunque tales métodos pueden

indicar qué combinaciones de agregados y bitumen muestran grados de sensibilidad al agua, es

dudoso que el potencial a largo plazo del stripping sea predicho adecuadamente, y la prueba de

inmersión estática se suspendió como norma ASTM en 1993.

Figura 12. Evolución de la adhesión entre el agregado y cemento asfáltico en relación con el % de PVC

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Pa

rtìc

ula

s cu

bie

rta

s (%

)

% PVC

CA Mod CA Conv

43

Foto 2. Ensayo de stripping CA convencional

Foto 3. Ensayo de stripping cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC

44

La viscosidad de los cementos asfálticos modificados con (1.0%, 1.5%, 2.0% y 2.5%) de PVC es

evaluada en un rango de temperaturas comprendido entre 90ºC y 170ºC. En el (Anexo 4) se

presenta el comportamiento de la viscosidad en función de la temperatura de los asfaltos

específicados y se calcula las temperaturas de mezclado y compactación a partir de los valores de

viscosidad de (0.17±0.02 Pa.s) y (0.28±0.03 Pa.s) respectivamente.

Rondón y Reyes (2015) argumentan que el método de equiviscosidad puede ser utilizado de

manera confiable para el caso de los asfaltos tradicionales, pero no es confiable para el caso de

asfaltos modificados debido a que experimentan el comportamiento de un fluido no newtoniano y

las temperaturas de mezclado y compactación reportadas son muy altas, degradando las

propiedades originales del ligante al oxidarlo. Por lo tanto, estas temperaturas no deben asumirse

como valores representativos en la fabricación y compactación en campo de la mezcla asfáltica.

A continuación, se presentan las temperaturas de mezclado y compactación de los cementos

asfálticos convencional y modificados:

Tabla 6. Temperaturas de mezcla y compactación para CA 60-70 y modificado con PVC

PVC/CA (%) Temperatura de

mezcla (°C)

Temperatura de

compactación (°C)

0.0 115.4 102.0

1.0 116.2 103.6

1.5 119.8 108.2

2.0 123.8 111.2

2.5 127.5 115.9

De la (Tabla 6) y la (Figura 13) se infiere que el aumento en la viscosidad del CA al ser modificado

con PVC genera incremento en las temperaturas de fabricación de las mezclas, y de extensión y

compactación. Lo anterior significa un consumo energético mayor durante la fabricación de la

mezcla asfáltica y por consiguiente genera mayores costos de producción y un impacto negativo

al medio ambiente.

Por otro lado, la literatura de referencia Hunter et al. (2015) y Robinson (2004) advierte que la

compatibilidad polímero-asfalto es crítica resultando en la dispersión de las propiedades del asfalto

modificado durante el almacenamiento. Sumado a esto se debe considerar la necesidad de tanques

de almacenamiento especiales y periodos prolongados de almacenamiento debido a la fluctuación

de la demanda del mercado para el asfalto modificado con polímeros. Las condiciones especiales

de almacenamiento suponen mayores un problema y mayores costos para los productores de

asfalto modificado con polímeros, al tener que disponer de instalaciones específicas para el

almacenamiento y controlar las propiedades especificadas del aglutinante asfáltico modificado.

45

Además, durante la fabricación y colocación también se deben controlar las propiedades de

especificación del asfalto para evitar la divergencia de propiedades entre tramos colocados de

mezcla asfáltica, que más adelante estarán inutilizados y los costos de su reparación serán altos.

En conclusión, es importante supervisar las propiedades y temperatura del asfalto modificado con

para garantizar que los productos cumplan las especificaciones objetivo durante la fabricación,

almacenamiento, transporte y colocación (Hunter et al., 2015).

El cemento asfáltico modificado con 2.5% de PVC presenta mayor resistencia a fluir e

indirectamente tiene mayor consistencia y rigidez entre 90°C y 170°C a comparación de los otros

asfaltos. Sin embargo, la adición de ese porcentaje de modificante es insuficiente para garantizar

un adecuado comportamiento del cemento asfáltico durante la construcción y servicio de la carpeta

asfáltica. Como se expuso anteriormente, el CA modificado con 2.5% tiene un IP bajo (-1.6) que

advierte de la susceptibilidad del asfalto a temperaturas de servicio, y limita su utilización en

carreteras. En el proceso de construcción de la carretera, en primer lugar, durante la fabricación de

la mezcla asfáltica, los agregados no lograran un buen secado debido a que la temperatura de

secado depende de la temperatura de mezcla del asfalto; durante la colocación y compactación el

asfalto presentará excesiva movilidad y un rango de temperaturas más corto para compactarse por

lo tanto se debería realizar el proceso de mezclado y compactación rápidamente; a altas

temperaturas de servicio, aunque las características del asfalto modificado con 2.5% de PVC

podrían influir en el mejoramiento del comportamiento de la mezcla asfáltica ante deformaciones

permanentes (ahuellamiento) a bajas temperaturas es más susceptible a sufrir mecanismos de daño

como el agrietamiento térmico.

En la figura 13 se representa la comparación de las curvas de viscosidad de los asfaltos con

respecto a la temperatura (rango de temperatura: 90 ºC a 170ºC), observándose una tendencia y/o

susceptibilidad térmica similar en todos los cementos asfálticos suponiendo inconvenientes

durante la construcción (fabricación-mezcla, colocación-compactación) de una capa asfáltica. Lo

anterior, no se puede reafirmar mediante el índice de penetración IP, porque este parámetro evalúa

la susceptibilidad térmica a temperaturas diferentes, pero de aquí, se infiere que todos los asfaltos

evaluados tienen un IP<-1, lo que significa que todos los cementos asfálticos son susceptibles al

ahuellamiento a altas temperaturas y agrietamientos a bajas temperaturas de servicio.

46

Figura 13. Comparación de las curvas de viscosidad de los cementos asfálticos

0.0010

0.0100

0.1000

1.0000

80 100 120 140 160 180V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)

CA 60-70 conv. CA mod. 1.0% PVC CA mod 1.5% PVC CA mod 2.0% PVC CA mod. 2.5% de PVC

47

Figura 14. Comparación de la densidad relativa de los cementos asfálticos

La gravedad específica (densidad relativa) aumenta con el incremento del contenido de PVC

debido a la alta densidad del PVC. De manera que el asfalto modificado con 2.5% de PVC presenta

mayor densidad relativa.

1.020

1.025

1.030

1.035

1.040

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Den

sid

ad

rela

tiv

a

% PVC

CA Mod CA Conv

48

Finalmente se determina el porcentaje optimo de PVC, de acuerdo al comportamiento mecánico

(reológico) exhibido por el asfalto al adicionar diferentes porcentajes de modificante (PVC). De

acuerdo a los análisis realizados, al adicionar un 2.5% de PVC al cemento asfáltico CA base, se

mejora el comportamiento mecánico (reológico) durante el servicio. Cuando se adiciona un

porcentaje de 2.5% de PVC en relación con el contenido de asfalto se mejora en mayor medida el

grado de penetración del CA base e indirectamente indica que el CA modificado con 2.5% de pvc

tiene una rigidez mayor que los otros cementos asfálticos evaluados. El CA modificado con 2.5%

de PVC comienza a fluir a mayor temperatura y señala que tiene una temperatura máxima de

servicio más holgada. De acuerdo a estos parámetros se infiere que el cemento asfáltico modificado

con 2.5% de PVC tiene mayor IP, aún así, el cemento asfáltico es susceptible térmicamente,

imposibilitando su utilización en la construcción de carreteras. Una mezcla asfáltica fabricada a

partir de este asfalto podria presentar un comportamiento poco satisfactorio a bajas temperaturas

durante el servicio y experimentar agrietamientos. A altas temperaturas de servicio se mejora la

resistencia al ahuellamiento. Las temperaturas de fabricación y compactación aumentaron 11% y

14% suponiendo un impacto negativo al medio ambiente. En cuanto a las propiedades de adhesión,

no hay certidumbre entre la relación del porcentaje del modificante y el mejoramiento de la

adherencia entre el aglutinante y el agregado pétreo, en consecuencia no se tienen elementos

suficientes para predecir el comportamiento del asfalto modificado ante mecanismos de daño por

humedad.

49

4. Conclusiones

1. Al adicionar por vía húmeda polvo de PVC (2.5%) se mejora el grado de penetración, punto

de ablandamiento y viscosidad del cemento asfáltico mejorando comportamiento mecánico

del asfalto ante el ahuellamiento.

2. Por su parte el índice de penetración y viscosidad son parámetros que permiten predecir el

efecto de la temperatura en las propiedades reológicas del cemento asfáltico. Al adicionar

polvo de PVC (2.5%) se incrementa el IP o mejora la susceptibilidad térmica a altas

temperaturas mejorando el comportamiento o la resistencia ante el ahuellamiento. Sin

embargo, a bajas temperaturas de servicio el cemento asfáltico podría sufrir agrietamiento

térmico debido al incremento indirecto de la rigidez (resistencia a la penetración) solo si

experimentase un comportamiento frágil a bajas temperaturas de servicio. Por todo esto

resulta ventajoso implementar la utilización de asfaltos modificados con PVC en zonas

donde predominen climas cálidos sin fluctuaciones bruscas de la temperatura o variabilidad

climática.

3. Durante la fabricación y colocación de mezclas asfálticas modificadas por vía húmeda con

PVC, se incrementan las temperaturas de mezcla y compactación, aumentando el consumo

energético en la planta, generando mayores costos económicos e impactando

negativamente al medio ambiente.

4. Las fases de fabricación, almacenamiento, transporte y colocación de los asfaltos

modificados requieren una supervisión especial de las propiedades objetivo del asfalto

modificado debido a la separación de las propiedades ricas asfalto-polímero durante el

enfriamiento del cemento asfáltico modificado. Esta situación representa mayores costos

al productor de asfaltos modificados con polímeros, en el caso práctico de esta

investigación: PVC.

5. No hay correlación entre las propiedades de adhesión y el porcentaje de modificante

adicionado al cemento asfáltico. No se observó una tendencia especifica entre el porcentaje

y área cubierta de ligante asfáltico con el porcentaje de PVC en los ensayos de adherencia

en bandeja y Stripping respectivamente. Por lo tanto, estas pruebas de inmersión estática

no son concluyentes para determinar las propiedades de adhesión agregado-ligante

asfáltico y su comportamiento ante mecanismos de daño por humedad.

50

5. Recomendaciones

1. Es recomendable utilizar una mezcladora mecánica en el proceso de modificación por

vía húmeda del asfalto para incorporar homogéneamente las propiedades del

modificante al cemento asfáltico. De igual forma es deseable ampliar los tiempos de

mezcla para la preparación de las muestras de ensayo. Por ejemplo, Reyes, Guáqueta,

Porras, y Rondón (2013) analizaron la evolución de la penetración y el punto de

ablandamiento de un cemento asfáltico modificado con respecto al contenido de PVC

y al tiempo de mezclado (20 y 40 min), concluyendo que a 40 minutos se obtiene un

mejor comportamiento del asfalto modificado.

2. Aunque la Norma INV E 707-13 especifica que el ensayo de penetración puede

realizarse bajo otras combinaciones de carga, temperatura y tiempo de carga, Forde

(2009) sugiere que una comparación significativa de la penetración del cemento

asfáltico en un rango de temperaturas solo es posible si se usan la misma carga y los

mismos tiempos de carga de manera consistente.

3. Aunque los datos de penetración y el punto de ablandamiento son parámetros empíricos

para predecir el comportamiento de las mezclas en servicio, y los valores del índice de

penetración y la viscosidad podrían reflejar el efecto de la temperatura en el

comportamiento reológico. Estos parámetros no pueden describir con precisión el

efecto del tiempo de carga y la temperatura en la respuesta de tensión-deformación del

asfalto (Hunter et al., 2015). Por lo tanto, se recomienda respaldar cualquier

aseveración acerca del comportamiento que experimente los cementos asfálticos

realizando otros ensayos en las temperaturas cuestionadas (temperaturas intermedias y

altas de servicio) en concreto una prueba de fluencia y recuperación para predecir

deformaciones permanentes (ahuellamiento) o roderas, y mediciones dinámicas

oscilatorias utilizando un reómetro dinámico de corte (DSR) para predecir

agrietamientos por fatiga.

4. Para analizar a profundidad el comportamiento del cemento asfáltico a bajas

temperaturas de servicio, es recomendable realizar un ensayo de tensión directa con el

reómetro de viga en flexión (BRB).

51

5. Se recomienda sustituir el aparato de anillo y bola por uno equipo que garantice la

temperatura de iniciación y la rata de crecimiento de la temperatura del ensayo para

determinar con mayor certidumbre el punto de ablandamiento de los cementos

asfáltico.

6. Se recomienda calibrar el viscosímetro rotacional Brookfield ensayando un líquido de

referencia (liquido newtoniano), de viscosidad conocida a diferentes temperaturas.

7. Se recomienda medir la ductilidad del cemento asfáltico para predecir su

comportamiento a bajas temperaturas de servicio.

8. Se recomienda caracterizar la adherencia mediante el ensayo de tracción indirecta y

Riedel Webber.

9. Se recomienda evaluar el comportamiento de mezclas asfálticas fabricadas a partir de

las muestras de asfalto ensayadas: CA 60-70 convencional y modificados con 1.0%,

1.5%, 2.0% y 2.5% de PVC.

52

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54

Anexos

Anexo 1. Ensayos de penetración

Tabla 7. Penetración del cemento asfáltico convencional CA 60-70

Penetración (25 °C, 100 g, 5 s): CA 60-70 convencional

No. Ensayo Unidad Valor 1 Valor 2 Valor 3 Resultado

1 0.1 mm 61.5 61.6 62 62

2 0.1 mm 62.8 62.0 62.5 62

3 0.1 mm 62 61.6 61.5 62

4 0.1 mm 63.4 66.4 65.9 65

Tabla 8. Penetración del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC

Penetración (25 °C, 100 g, 5 s): CA modificado con 1.0% de PVC


1 0.1 mm 58.4 57.3 57.6 58

2 0.1 mm 59.2 59.3 59.6 59

3 0.1 mm 58.8 59.7 61.2 60

4 0.1 mm 59.5 57.6 57.2 58




1 0.1 mm 55.8 55.5 54.6 55

2 0.1 mm 53.5 53.0 55.6 54

3 0.1 mm 54.5 54.6 54.4 55

4 0.1 mm 56.1 54.4 54.5 55




1 0.1 mm 52.7 52.3 53.5 53

2 0.1 mm 52.8 51.4 53.7 53

3 0.1 mm 52.5 53.5 52.3 53

4 0.1 mm 51.8 51.2 53.8 52

55




1 0.1 mm 50 50 50.7 50

2 0.1 mm 50.5 50.8 50.3 51

3 0.1 mm 50 49.4 49.6 50

4 0.1 mm 50.2 50.1 50 50

Anexo 2. Ensayo de punto de ablandamiento

Tabla 12. Punto de ablandamiento del cemento asfáltico convencional CA 60-70

No. Ensayo Unidad Valor 1 Valor 2 Resultado

1 °C 42 43 43

2 °C 42 43 43

3 °C 44 44.5 44

4 °C 43 44 44

Tabla 13. Punto de ablandamiento del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC


1 °C 42 43 43

2 °C 42 43 43

3 °C 44 45 45

4 °C 44 45 45



1 °C 44 45 45

2 °C 44 45 45

3 °C 45 46 46

4 °C 45 46 46



1 °C 45 46 46

2 °C 45 46 46

3 °C 46 47 47

4 °C 46 47 47

56



1 °C 47 48 48

2 °C 47 48 48

3 °C 48 49 49

4 °C 48 49 49

Anexo 3. Cálculo del índice de penetración

Tabla 17. índice de penetración del cemento asfáltico convencional CA 60-70

Ensayo No. 1 Unidad Resultado

Penetración (25°C) 0.1 mm 62

Punto de ablandamiento °C 43

Cálculos

F 3.0853

IP -2.7




Cálculos

F 3.0853

IP -2.7




Cálculos

F 2.9229

IP -2.4




Cálculos

F 2.8689

IP -2.2

57

Tabla 18. índice de penetración del cemento asfáltico modificado con

1.0% de PVC




Cálculos

F 3.1657

IP -2.8




Cálculos

F 3.1451

IP -2.8




Cálculos

F 2.8123

IP -2.1




Cálculos

F 2.8492

IP -2.2


1.5% de PVC




Cálculos

F 2.9068

IP -2.3




Cálculos

F 2.9267

IP -2.4




Cálculos

F 2.7684

IP -2.0




Cálculos

F 2.7684

IP -2.0

58


2.0% de PVC




Cálculos

F 2.8067

IP -2.1




Cálculos

F 2.8067

IP -2.1




Cálculos

F 2.6791

IP -1.8




Cálculos

F 2.6979

IP -1.9


2.5% de PVC




Cálculos

F 2.6177

IP -1.7




Cálculos

F 2.5990

IP -1.7




Cálculos

F 2.5086

IP -1.4




Cálculos

F 2.5086

IP -1.4

59

Anexo 4. Ensayo de viscosidad

Material de ensayo: CA 60-70 Convencional

Fecha: 12/07/2018

Hora: 4:04:00 p. m.

Tabla 22. Ensayos de viscosidad rotacional mediante el equipo Brookfield del CA convencional

Ensayo 1

Velocidad Torque Temperatura Viscosidad

(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 57.1 90 0.3654

20 92.8 100 0.2969

20 66.6 110 0.2130

20 39.1 120 0.1389

20 26.1 130 0.0834

20 15.6 140 0.0500

20 9.8 150 0.0314

20 5.3 160 0.0169

20 1.6 170 0.0050

Ensayo 2


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 59.6 90 0.3814

20 95.0 100 0.3040

20 70.5 110 0.2256

20 44.4 120 0.1421

20 32.9 130 0.1053

20 20.2 140 0.0646

20 12.7 150 0.0406

20 7.1 160 0.0227

20 1.9 170 0.0061

Ensayo 3


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 55.4 90 0.3546

20 90.9 100 0.2909

20 58.1 110 0.1859

20 38.3 120 0.1226

20 16.5 130 0.0528

20 9.1 140 0.0291

20 5.7 150 0.0182

20 2.8 160 0.0090

20 1.0 170 0.0032

60

Material de

ensayo: CA Mod. 1.0% PVC

Fecha: 13/07/2018

Hora: 10:06:00 a. m.

Tabla 23. Ensayos de viscosidad rotacional mediante el equipo Brookfield del CA modificado con 1.0% de PVC

Ensayo 1


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 75.1 90 0.4803

20 75.8 100 0.2425

20 50.7 110 0.1623

20 31.7 120 0.1016

20 19.0 130 0.0609

20 11.2 140 0.0358

20 7.6 150 0.0242

20 5.6 160 0.0180

20 1.2 170 0.0037

Ensayo 2


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 63.8 90 0.4082

10 58.6 100 0.3750

20 79.4 110 0.2541

20 54.3 120 0.1738

20 32.2 130 0.1030

20 16.9 140 0.0541

20 12.1 150 0.0387

20 6.0 160 0.0192

20 2.0 170 0.0064

Ensayo 3


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 58.2 90 0.3725

10 53.1 100 0.3398

20 74.0 110 0.2368

20 49.4 120 0.1581

20 29.7 130 0.0950

20 19.3 140 0.0618

20 10.6 150 0.0339

20 5.0 160 0.0160

20 1.8 170 0.0058

61

Figura 15. Curva de viscosidad con respecto a la temperatura del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC

0.0010

0.0100

0.1000

1.0000

80 100 120 140 160 180V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)

CA mod. 1.0% de PVC

62

Figura 16. Recta superpuesta de viscosidad con respecto a la temperatura del CA modificado con 1.0% de PVC



𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑒0.17−4.7349

−0.96 = 116.176 ≅ 𝟏𝟏𝟔°𝑪

𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒0.28−4.7349

−0.96 = 103.598 ≅ 𝟏𝟎𝟒°𝑪

y = -0.96ln(x) + 4.7349

0.1000

1.0000

80 100 120 140

Vis

cosi

da

d (

Pa

.s)

Temperatura (°C)

CA mod. 1.0% de PVC Logarítmica (CA mod. 1.0% de PVC)

63

Material de ensayo: CA Mod. 1.5% PVC

Fecha: 24/07/2018

Hora: 3:17:00 p. m.


Ensayo 1


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 80.6 90 0.5158

10 49.2 100 0.3149

20 81.0 110 0.2592

20 53.7 120 0.1718

20 28.0 130 0.0896

20 15.3 140 0.0490

20 9.9 150 0.0317

20 3.9 160 0.0125

20 1.0 170 0.0032

Ensayo 2


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 82.8 90 0.5299

10 59.7 100 0.3821

20 78.0 110 0.2496

20 52.1 120 0.1667

20 35.2 130 0.1126

20 20.6 140 0.0659

20 12.3 150 0.0394

20 7.8 160 0.0250

20 2.0 170 0.0064

Ensayo 3


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 84.6 90 0.5414

10 61.6 100 0.3942

20 83.3 110 0.2666

20 51.3 120 0.1642

20 33.9 130 0.1085

20 20.1 140 0.0643

20 12.1 150 0.0387

20 6.5 160 0.0208

20 2.6 170 0.0083

64


0.0010

0.0100

0.1000

1.0000

80 100 120 140 160 180V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)

CA mod. 1.5% de PVC

65




𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑒0.17−5.3197

−1.076 = 119.817 ≅ 𝟏𝟐𝟎°𝑪

𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒0.28−5.3197

−1.076 = 108.173 ≅ 𝟏𝟎𝟖°𝑪

y = -1.076ln(x) + 5.3197

0.1000

1.0000

80 100 120 140V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)


66

Material de ensayo: CA Mod. 2.0% PVC

Fecha: 24/07/2018

Hora: 4:10:00 p. m.


Ensayo 1


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

10 55.5 90 0.3552

18 90.7 100 0.3226

18 85.8 110 0.3051

18 56.7 120 0.2017

18 34.2 130 0.1217

18 20.2 140 0.0717

18 11.7 150 0.0417

18 5.4 160 0.0191

18 1.6 170 0.0057

Ensayo 2


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

5 55.1 90 0.7053

5 34.2 100 0.4378

20 86.3 110 0.2762

20 60.7 120 0.1942

20 35.8 130 0.1146

20 22.6 140 0.0723

20 15.2 150 0.0486

20 9.1 160 0.0291

20 3.4 170 0.0109

Ensayo 3


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

5 60.9 90 0.7795

5 39.7 100 0.5082

20 92.3 110 0.2954

20 65.4 120 0.2093

20 40.1 130 0.1283

20 21.6 140 0.0691

20 10.0 150 0.0320

20 6.5 160 0.0208

20 1.5 170 0.0048

67

Figura 19. Curva de viscosidad del cemento asfáltico modificado con 2.0% de PVC con respecto a la temperatura

0.0010

0.0100

0.1000

1.0000

80 100 120 140 160 180V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)

CA mod. 2.0% de PVC

68




𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑒0.17−5.095−1.022 = 123.839 ≅ 𝟏𝟐𝟒°𝑪

𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒0.28−5.095−1.022 = 111.202 ≅ 𝟏𝟏𝟏°𝑪

y = -1.022ln(x) + 5.095

0.1000

1.0000

80 100 120 140V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)


69

Material de ensayo: CA 60-70 Mod. 1.0%

PVC

Fecha: 31/07/2018

Hora: 4:08:00 p. m.


Ensayo 1


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

5 68.0 90 0.8704

5 50.5 100 0.6464

18 97.7 110 0.3474

18 70.8 120 0.2517

18 45.4 130 0.1614

18 26.2 140 0.0932

18 18.1 150 0.0644

18 9.4 160 0.0334

18 2.4 170 0.0085

Ensayo 2


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

5 54.6 90 0.6989

5 42.4 100 0.5427

18 95.8 110 0.3406

18 66.2 120 0.2354

18 41.1 130 0.1461

18 22.3 140 0.0793

18 12.5 150 0.0444

18 6.9 160 0.0245

18 2.2 170 0.0078

Ensayo 3


(Rpm) (%) (°C) (Pa)

5 53.8 90 0.6886

5 41.9 100 0.5363

18 92.5 110 0.3289

18 63.7 120 0.2265

18 37.1 130 0.1319

18 20.6 140 0.0732

18 10.4 150 0.0370

18 5.5 160 0.0196

18 2.0 170 0.0071

70


0.0010

0.0100

0.1000

1.0000

80 100 120 140 160 180V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)

CA mod. 2.5% de PVC

71




𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑒0.17−5.7551

−1.152 = 125.508 ≅ 𝟏𝟐𝟔°𝑪

𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒0.28−5.095−1.152 = 115.896 ≅ 𝟏𝟏𝟔°𝑪

y = -1.152ln(x) + 5.7551

0.1000

1.0000

80 100 120 140V

isco

sid

ad

(P

a.s

)

Temperatura (°C)


72

Anexo 5. Adherencia en bandeja

Tabla 27. Grupo de partículas, característica y equivalencia en adherencia en bandeja

Grupo de partículas Característica Valor

Completamente descubiertas Superficie de contacto cubierta con el ligante < 25% Se cuentan como 0

Parcialmente descubiertas 25% ≤ Superficie de contacto cubierta con el ligante ≤ 75% Se cuentan como 0.5

Cubiertas Superficie de contacto cubierta con el ligante > 75% Se cuentan como 1

Tabla 28. Información de ensayo adherencia en bandeja CA convencional

Agregado

Tipo agregado Grava 3/4"

Procedencia agregado Rio

Cucuana

Cemento asfáltico

Tipo cemento asfáltico CA 60-70

Procedencia Ecopetrol

Observaciones

Desmenuzamiento Si

73

Tabla 29. Resultados adherencia en bandeja CA convencional

Ensayo No.1

Grupo de partículas Cantidad Valor en

número Valor en %

Completamente descubiertas 1 0 0%

Parcialmente descubiertas 18 9 18%

Cubiertas 31 31 62%

Resultado 50 40 80%

Ensayo No.2

Grupo de partículas Cantidad

Valor en

número Valor en %



Cubiertas 24 24 48%

Resultado 50 37 74%

Ensayo No.3


Valor en

número Valor en %



Cubiertas 31 31 62%

Resultado 50 40 80%

Ensayo No.4


Valor en

número Valor en %



Cubiertas 26 26 52%

Resultado 50 36 72%

74

Tabla 30. Información de ensayo adherencia en bandeja CA modificado con 1.0% de PVC

Agregado


Procedencia agregado Rio Cucuana

Cemento asfáltico

Tipo cemento asfáltico CA 60-70 mod. 1.0% pvc

Procedencia

Observaciones

Desmenuzamiento Si

Tabla 31. Resultados adherencia en bandeja CA modificado con 1.0% de PVC

Ensayo No.1


número Valor en %



Cubiertas 30 30 60%

Resultado 50 40 80%

Ensayo No.2


número Valor en %



Cubiertas 42 42 84%

Resultado 50 46 92%

Ensayo No.3


número Valor en %


Parcialmente descubiertas 17 8.5 17%

Cubiertas 33 33 66%

Resultado 50 41.5 83%

Ensayo No.4


número Valor en %



Cubiertas 39 39 78%


75


Agregado



Cemento asfáltico


Procedencia

Observaciones

Desmenuzamiento Si


Ensayo No.1


número Valor en %



Cubiertas 21 21 42%


Ensayo No.2


número Valor en %



Cubiertas 15 15 30%


Ensayo No.3


número Valor en %



Cubiertas 20 20 40%

Resultado 50 35 70%

Ensayo No.4


número Valor en %



Cubiertas 21 21 42%


76


Agregado



Cemento asfáltico


Procedencia

Observaciones

Desmenuzamiento Si


Ensayo No.1


número Valor en %



Cubiertas 17 17 34%


Ensayo No.2


número Valor en %



Cubiertas 13 13 26%

Resultado 50 31 62%

Ensayo No.3


número Valor en %



Cubiertas 16 16 32%

Resultado 50 33 66%

Ensayo No.4


número Valor en %



Cubiertas 14 14 28%


77


Agregado



Cemento asfáltico


Procedencia

Observaciones

Desmenuzamiento Si


Ensayo No.1


número Valor en %



Cubiertas 40 40 80%

Resultado 50 45 90%

Ensayo No.2


número Valor en %



Cubiertas 32 32 64%

Resultado 50 41 82%

Ensayo No.3


número Valor en %



Cubiertas 39 39 78%


Ensayo No.4


número Valor en %



Cubiertas 35 35 70%


78

Anexo 6. Ensayo de Stripping

Tabla 38. Ensayo de stripping del CA convencional

Agregado

Tipo agregado Grava 3/4"-1/4"


Cantidad 5.5 g

Cemento asfáltico



Cantidad 100 g

¿Recubrimiento del área del agregado mayor o menor a 95%?

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Ensayo 4

>95% >95% >95% >95%

Tabla 39. Ensayo de stripping del CA modificado con 1.0% de PVC

Agregado



Cantidad 5.5 g

Cemento asfáltico



Cantidad 100 g



<95% >95% <95% >95%

79


Agregado



Cantidad 5.5 g

Cemento asfáltico



Cantidad 100 g



<95% <95% >95% >95%


Agregado



Cantidad 5.5 g

Cemento asfáltico



Cantidad 100 g



<95% >95% <95% >95%


Agregado



Cantidad 5.5 g

Cemento asfáltico



Cantidad 100 g



>95% <95% >95% >95%

80

Anexo 7. Densidad de los cementos asfálticos

Tabla 43. Densidad del cemento asfáltico CA convencional

Datos Valor 1 Valor 2 Valor 3 Valor 4 Unidad

A: Masa picnómetro (incluido tapón) 37.58 37.58 37.58 37.58 g

B: Masa del picnómetro lleno de agua 86.1 86.1 86.1 86.1 g

C: Masa del picnómetro parcialmente lleno con asfalto 50.85 52.25 51.36 51.47 g

D: Masa del picnómetro con asfalto y agua 86.5 86.4 86.35 86.45 g

Resultado

Densidad relativa 25°C 1.031 1.021 1.018 1.026

Densidad 25°C 1027.987 1017.814 1015.422 1022.772 Kg/m3

Tabla 44. Densidad del cemento asfáltico modificado con 1.0% de PVC






Resultado


Densidad 25°C 1015.422 1025.314 1018.401 1034.538 Kg/m3

81







Resultado


Densidad 25°C 1011.529 1034.146 1030.399 1018.528 Kg/m3







Resultado


Densidad 25°C 1026.011 1027.473 1025.861 1023.321 Kg/m3





C: Masa del picnómetro parcialmente lleno con asfalto 53 52.05 51.75 50.98 g


Resultado


Densidad 25°C 1021.193 1024.148 1031.885 1040.025 Kg/m3

82

Registro fotográfico

Foto 4. Cemento asfáltico convencional CA 60-70

Foto 5. Tubos de PVC

Foto 6. Cemento asfáltico modificado

Foto 7. Polvo de PVC

83

Foto 8. Pulverización mediante torno

Foto 9. Ensayo de penetración

Foto 10. Pulverización mecánica con taladro y lija No 60

Foto 11. Laboratorio Asfaltemos S.A.S.

84

Foto 12. Ensayo de Punto de ablandamiento

Foto 13. Preparación de muestras, ensayo de viscosidad

Foto 14. Viscosímetro rotacional Brookfield

Foto 15. Ensayo de viscosidad rotacional

85

Foto 16. Preparación muestra asfalto para ensayo de adherencia en bandeja

Foto 17. Ensayo de Stripping

Foto 18. Ensayo de adherencia en bandeja

Foto 19. Ensayo de Densidad de los cementos asfálticos

análisis de las características físicas de un cemento

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