“tecnología en materiales asfálticos” uso de mezclas asfálticas en la construcción de...

“Tecnología en Materiales Asfálticos”2019 MUJERES EN INGENIERÍA

Aplicaciones especiales de mezclas

asfálticas en infraestructura

Dra. Alexandra Ossa López

Instituto de Ingeniería

Universidad Nacional Autónoma de México

Introducción

La principal aplicación del concreto asfaltico en ingeniería y a la que se le destina la mayor parte

de la producción mundial de cemento asfáltico corresponde a la construcción de pavimentos.

http://vialidad.rionegro.gov.ar/?p=1375

Introducción

Desde hace mas de 5 decadas se usa el concreto asfáltico en la

construcción de barreras impermeables.

Canales Presas

Raúl Vicente Orozco (Aplicación del concreto asfáltico en canals y presas)Storvatn dam (Norway)

Tipos de presas de tierra

Enrocamiento con cara de concreto

Pantalla impermeable de

concreto

https://www.skyscrapercity.com

https://www.researchgate.net/profile/Washington_Sandoval_Erazo/publication


Núcleo de arcilla

Pantalla impermeable de

arcilla


1

23

3

4

5

5

3

5

6

0 50m

1. Núcleo de concreto asfáltico

2. Material de transición

3. Filtro

4. Pantalla impermeable

5. Enrocamiento

6. Enrocamiento de protección

1

Núcleo de concreto asfáltico

En los últimos 40 años, se han construido más de 100

presas de enrocamiento con núcleo de asfalto en países

como:

Brasil, Canadá, China, Alemania, Noruega, Portugal, España y Estados Unidos.

Tipos de presas de tierraNúcleo de concreto asfáltico

Presa Nagore, España (2016). H= 30 m , 7500 m³ de concreto

asfálticoPresa La Romaine, Quebec (2014). H= 40 m , 8000 m³ de concreto

asfáltico

Foz do Chapeco (Brasil) (2010). H= 47 m , 17000 m³ de concreto

asfáltico

Diseño de mezclas asfálticas para barreras impermeable en

presas

El diseño de mezclas asfálticas para aplicaciones de presas se originó a partir de la experiencia en

carreteras. Existen diferencias significativas en las consideraciones a tener para su diseño.

Núcleo de presa Pavimento

• Cargas:

Hidrostática por el embalse

Peso propio

Sismos

• Temperatura

5°C-20°C, no hay exposición a rayos UV

El diseño de la mezcla asfáltica está gobernado por

la permeabilidad y la resistencia

• Cargas:

Variables en intensidad y frecuencia

• Temperatura

Menores a 0°C y cercanas a los 60 °C

Exposición de rayos UV


presasPermeabilidad

La barrera de una presa debe tener permeabilidades cercanas a k= 10-11 cm/seg para que se considere

impermeable, este valor esta asociado a vacío de aire Va del orden de 0.5-3.0 % (Va= 4.0 mezclas densas

para carreteras).

Permeámetro de carga constante de la Coordinación de

geotecnia del Instituto de Ingenieria de la UNAM

1.0E-12

1.0E-11

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

0 2 4 6 8 10 12

Perm

eab

ilid

ad

, en

cm

/s

Vacíos de aire, en %


presasPermeabilidad

La permeabilidad de una mezcla asfáltica es función de:

• La granulometría del agregado

• El contenido de cemento asfáltico

• Calidad del agregado y afinidad de este con el ligante

• Vacíos interconectados de aire


presas

^0.45

P-1 Va= 23.4%, k= 3.5 x 10-4 cm/seg

P-2 Va= 15.9%, k= 3.0 x 10-4 cm/seg

P-3 Va= 7.0 %, k= 1.0 x 10-4 cm/seg

P-4 Va= 5.2 %, k= 3.0 x 10-5 cm/seg

P-6 Va= 1.8 %, %, k= 4.0 x 10-6 cm/seg

• La granulométria del agregado:

La permeabilidad depende de la distribución de tamaños y el contenido de finos en el agregado

Impermeables

Va= 23.4%, k= 3.5 x 10-4 cm/seg

P-4 Va= 5.2 %, k= 3.0 x 10-5 cm/seg

Gaxiola y Ossa (2018) Hydraulic, Volumetric, and Mechanical Approach in Asphalt Mixture Design for

Impervious Barriers. J. Mater. Civ. Eng., 2019, 31(2):


presas

• El contenido de cemento asfáltico

Poros permeables al agua no llenos concemento asfáltico (considerados para determinar Dse)

Poros permeables al agua(considerados paradeterminar Dsb)

Vacíos de aire

Poros permeablesal cemento asfaltico

3.0E-06

3.2E-06

3.4E-06

3.6E-06

3.8E-06

4.0E-06

4.2E-06

4.4E-06

4.6E-06

4.8E-06

500 1000 1500 2000

k (c

m/s

)

Carga (cm)

6-5.7% saturada

6-6.0% saturada

La permeabilidad depende del volumen de poros llenos

de cemento asfaltico

Dependiendo de la altura del elemento de

concreto asfaltico, este está sometido a

diferentes condiciones de carga hidraúlica

Leonardo Velasco (2016). Permeabilidad del concreto asfáltico: influencia de la granulometría y el contenido de

cemento asfáltico. Tesis de Licenciatura. Facultad de Ingeniería. UNAM


presas

• Calidad del agregado y su afinidad con el ligante

Absorción de agua entre 3-5%

Pruebas de origen: Para

evaluar la fuente del material

(banco)

Pruebas de consenso: Para

evaluar la calidad de los

finos, la angulaidad que es

un parámetro relacionado

con la resitencia al esfuerzo

cortante del agregado

Pruebas de rutina:

Propiedades gravimétricas

del agregado (densidad)

Absorción menor al 2 %


presas• Vacíos de aire interconectados

Apariencia de una muestra con Va= 1.8 % ,

luego de estar saturada por varias semanas

en cámara a presión

Cámara de saturación

Alberto Gaxiola (2017). Efecto del agua en las propiedades mecánicas del concreto asfáltico usado en presas . Tesis

de Doctorado. Posgrado Ingeniería. UNAM

Diseño preliminar de mezclas asfálticas para barreras

impermeable en presas

Selección y

caracterización de los

agregado pétreos

Selección de varios

contenidos de cemento

asfaltico

Selección de una(s)

curva granulométrica

densa con finos 5-10%

Pruebas de

permeabilidad

Pruebas de Tensión

indirecta

Diseño preliminar de mezclas asfálticas para barreras


Va= <3%, VFA =80-90%, VMA<13, contenido de finos 5-12%, k<10-8 cm/s, RTI

Recomendaciones

Fórmula de trabajo




presas

Para el diseño de la presa se requiere una caracterización precisa de los materiales

Miguel Romo (2008). Elementos impermeables en presas de enrocamiento: criterios de selección

Jornada de Concientización del riesgo sísmico. Medellín-Colombia


presas

Caracterización dinámica

Caracterización estática

Para evaluar la respuesta sísmica

Para conocer parámetros básicos de rigidez y

resistencia

Módulo de elasticidad

Cohesión

Fricción

Diferentes

temperaturas

Parámetros a

diferentes

temperaturas


presasPruebas triaxiales para la caracterización estática y dinámica

Uso de aditivos del cemento

asfaltico para lograr los

parámetros requeridos

Durabilidad de las mezclas asfálticas para barreras


1

23

3

4

5

5

3

5

6

0 50m

1. Núcleo de concreto asfáltico

2. Material de transición

3. Filtro

4. Pantalla impermeable

5. Enrocamiento

6. Enrocamiento de protección

La barrera impermebale es susceptible a tener cambios en la permeabilidad (volverse más permeable)

y perdidas en resistencia y rigidez por la oxidación del cemento asfaltico que esta en contacto con el

agua este fenómeno se produce en el tiempo



Perdida de resistencia a la compresión en probetas secas y saturadas





La información disponible en la literatura técnica es escasa

Los reportes de ICOLD (International Commision Large Dams) indican que las filtraciones de agua en

presas con núcleos de concreto asfáltico no cambian significativamente con el tiempo. Esta

información ha sido colectada en varios proyectos.

Por que?



El bajo porcentaje de vacío de aire

promueve que no se modifiquen

significativamente las propiedades de

adhesión y cohesión de la mezcla ante

la presencia de agua.

Para lograr valores de saturación de

cemento asfaltico del orden de 80-90%

se requieren altos contenidos de

ligante.

Altos contenido de cemento asfaltico

promueven el Self-Healing (auto

sellado de fisuras) debido a su

naturaleza viscosa.



Resultados de pruebas reológicas y análisis IR (Infrarojo) en muestras de cemento asfáltico extraído de

probetas saturadas hasta por 12 meses



Muestras saturadas en cámara a

presión 5.5 kPaDisgregación y cuarteo Extracción de asfalto método

Soxhlet





Espectro IRMódulo dinámico de corte

Resultados de pruebas reológicas y análisis IR (Infrarojo) en muestras de cemento asfáltico extraído de

probetas saturadas hasta por 12 meses





Resultados pruebas de resistencia

Valores de cohesión y fricción

Conclusiones

El uso de mezclas asfálticas en la construcción de barreras impermeables no es nuevo, en el

mundo se construyen presas con núcleos de este material desde hace mas de 5 décadas.

El diseño de mezclas asfálticas para aplicaciones de presas se originó a partir de la

experiencia en carreteras. Existen diferencias significativas en las consideraciones a tener

para su diseño.

El diseño de mezclas asfálticas como barrera impermeable se basa en la permeabilidad del

material en estado compacto

La durabilidad de este tipo de barreras es un tema de relevancia que debe estudiarse más a

detalle

Gracias!!!!

“tecnología en materiales asfálticos” uso de mezclas asfálticas en la construcción de...

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