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Estudio de la adhesión y cohesión de tres tipos de agregados pétreos utilizados en Bogotá – Colombia con asfalto 60 – 70.

Fredy Alberto Reyes Lizcano, Ing, M.Sc., PhD.

Nestor Cely Leal, Ing, M.Sc.

Ana Sofía Figueroa Infante, Ing, M.Sc., PhD.

PROBLEMA

Figura 2. Estancamiento del

agua sobre la superficie del

asfalto.

Fuente Propia, 2013

Stripping

El efecto de la humedad

Escaso mantenimient

o a las vías

Comportamiento frágil de las mezclas

asfálticas por las bajas

temperaturas

Figura 3. Falla adhesiva y cohesiva en la interacción asfalto agregadoFuente: GUTIERREZ A. 2008

Con ésta investigación sepretende contribuir a lasolución de una parte delproblema general conocidocomo “stripping” y un agenteexterno muy influyente comolo es el agua.

JUSTIFICACIÓN

Teoría Mecánica

Teoría QuímicaTeoría

Termodinámica

Ishai y Craus (1977)

OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL:

• Determinar la adhesión y cohesión para tres tipos de agregados pétreos usualmenteutilizados en las mezclas asfálticas para Bogotá con asfalto 60 – 70 Barranca, en estado seco yhúmedo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

1. Medir el comportamiento adhesivo y cohesivo de la interacción entre el asfalto 60 – 70Barranca, con tres tipos de agregados usando el ensayo PATTI, en condiciones secas yhúmedas.

2. Establecer el comportamiento de humectabilidad y energía superficial libre del asfalto 60 –70 con los agregados pétreos analizados.

3. Determinar el mejor comportamiento adhesivo y cohesivo del conjunto asfalto y agregado encondiciones secas y húmedas.

Teoría Termodinámica de la Adhesión

Ligante asfalticoFuerzas físicas en la interface (ESL)

Superficie del agregado

Figura 4. Creación de la nueva superficie de área entre dos materiales (“A” y “B”). Fuente: Bhasin A. 2006

Cálculo del Trabajo de Adhesión (WA)

𝑊𝐴𝐿𝑆 = 2 𝛾𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿𝑊 + 2 𝛾+ ∗ 𝛾− + 2 𝛾− ∗ 𝛾+


Teoría que explica el fenómeno de Energía Superficial Libre y Mojabilidad

La teoría de adsorción termodinámica afirma que la adhesión se produce en condiciones desuficiente humectación.

Fuente: Fuente: Zapata Ferrero I. 2011

1 + cos θ 𝛾𝐿

= 2 ∗ 𝛾𝑆𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿

𝐿𝑊 + 𝛾𝑆+ ∗ 𝛾𝐿

−+ 𝛾𝑆− ∗ 𝛾𝐿

+

Fuente: Van Oss, et al. 1988

Ang


Fuente: Bhasin A. 2006

Parámetro Energía Superficial Total

Ligante Asfáltico

La energía total de la superficiees típicamente en el intervalo de10 a 45 ergios / cm2.

Agregados

La energía total de la superficiees típicamente en el intervalo de50 a 400 ergios / cm2, aunque lamagnitud del componente debase es significativamentemayor.

• Teoría que explica el fenómeno de Energía Superficial Libre:

𝜸𝑳 ∗ 𝟏 + 𝒄𝒐𝒔𝜽

= 𝟐 ∗ 𝜸𝑺𝑳𝑾 ∗ 𝜸𝑳

𝑳𝑾 + 𝟐 ∗ 𝜸𝑺+ ∗ 𝜸𝑳

− + 𝟐 ∗ 𝜸𝑺− ∗ 𝜸𝑳

+

Goniómetro

1) Muestras

Vidrio, tres tipos de agregados pétreos y asfalto barranca 60-70.

2) Preparación de la muestra

Encender el horno a 150°C y colocar dentro el asfalto durante 1 hora aproximadamente.

Limpiar y preparar las rocas, inmediatamente después se colocan en el horno las rocas durante 1 hora a 60°C.

3) Ensayo

Colocar la gota de asfalto sobre la superficie (25°C) y realizar lectura inmediata (dif. Ángulo izq. y ángulo der. <

3%).

Colocar las gotas de referencia sobre la superficie (25°C) y realizar lectura inmediata (dif. Ángulo izq. y ángulo der. <

3%).

RESULTADOS GOTA SÉSIL

Tabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Humectabilidad)

Superficie PromedioDesviación

est. COVVidrio 163,192 12,655 0,078Cantera 1 (Arenisca) Mondoñedo 155,872 3,737 0,024Cantera 2 (Arenisca) Alto la Laguna 159,058 5,109 0,032Cantera 3 (Caliza) Rio Coello 161,893 4,030 0,025

150.0155.0160.0165.0

Cantera 1(Arenisca)

Mondoñedo

Cantera 2(Arenisca) Alto la

Laguna

Cantera 3 (Caliza)Rio Coello

An

gulo

de

la g

ota

so

bre

la

su

pe

rfic

ie

Tipo de superficie

Ensayo de la Gota Sésil(Humectabilidad)

RESULTADOS GOTA SÉSILTabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Formamida)

Superficie Promedio Desviación est. COV

Vidrio 42,679 0,228 0,53%

Cantera 1 (Arenisca) Mondoñedo 19,285 1,758 9,12%

Cantera 2 (Arenisca) Alto la Laguna 23,615 3,370 14,27%

Cantera 3 (Caliza) Rio Coello 32,677 6,736 20,61%

Lamina de asfalto 105,176 1,387 1,32%

Tabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Etilenglicol)


Vidrio 34,550 0,943 2,73%





Tabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Agua Desionizada)


Vidrio 26,331 1,091 4,14%





DENSIDAD TOTAL DISPERSA POLAR POLAR+ POLAR-

FORMAMIDE 1,128 48 29 19 1,92 47

ETHYLEN GLYCOL

1,113 57,5 38,5 19 2,3 39,6

DESIONIZED WATER

0,9987 72,8 21,8 51 25,5 25,5

Fuente: Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009

1 + cos θ 𝛾𝐿

= 2 ∗ 𝛾𝑆𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿

𝐿𝑊 + 𝛾𝑆+ ∗ 𝛾𝐿

−+ 𝛾𝑆− ∗ 𝛾𝐿

+

Fuente: Van Oss, et al. 1988

2. Se medirá el comportamiento adhesivo y cohesivo de la interacción entre elasfalto 60 – 70, con los tres tipos de agregados usando el ensayo PATTI, encondiciones secas y húmedas.

TOMADO: MOISTURE SENSITIVITY OF HOT MIX ASPHALT (HMA) MIXTURES IN NEBRASKA

PATTIEquipo para Medir Cohesión y Adherencia

Bitumen Bond Strength (BBS) test equipment.

BBS Test

1) Muestras Vidrio, tres tipos de agregados pétreos y asfalto barranca 60-

70

2) Preparación de la muestra

Encender el horno a 150°C y poner dentro el asfalto durante 1 hora aproximadamente.

25 gotas de asfalto por material y condición, el peso de cada muestra es 0,40 gr + o - 0,05.

Limpiar y preparar las rocas, inmediatamente después se colocan en el horno las rocas durante 1 hora a 60°C.

Realizar cada montaje y preparar para el ensayo (Condiciones seca y húmeda)

3) Ensayo

Tener una presión de aire de 100 ± 0,02 psi

Ensayar cada montaje estaca-asfalto-agregado

RESULTADOS BBS Test

𝑃𝑂𝑇𝑆 =𝐵𝑃 𝑥 𝐴𝑔 − 𝐶

𝐴𝑃𝑆

Donde:• BP= Presión calculada con el PATTI (psi)• Ag= Área de contacto después del ensayo (in2)• C= Constante del pistón = 0,286 Lbs• Aps= Área del pistón (in2) = 0,4869 in2

BBS TEST

Condición Seca

Condición Húmeda

RESULTADOS BBS Test

Superficie

Condición Seca Condición Húmeda

% Perdida de Asfalto Promedio

Modo de Falla% Perdida de Asfalto

PromedioModo de

Falla

Agregado 1 (Arenisca) FuenteMondoñedo

98,60% Falla Cohesiva 96,72%Falla

Cohesiva

Agregado 2 (Arenisca) Fuente Alto La Laguna


Cohesiva

Agregado 3 (Caliza) Fuente Rio Coello


Adhesiva

0.00000.50001.00001.50002.0000

Vidrio (superficieneutra)

Cantera 1(Arenisca) Fuente

Mondoñedo

Cantera 2(Arenisca) Fuente

Alto La Laguna

Cantera 3 (Caliza)Fuente Rio Coello

BBS Test

Estado Seco (Mpa) Estado Humedo (Mpa)

RESULTADOSASTM – C 127 Método de Ensayo Normalizado para Determinar la Densidad, la Densidad Relativa (Gravedad Específica), y la Absorción de Agregados Gruesos

ABSORCIÓN AGREGADO GRUESO

Cantera 1 (Mondoñedo)

Cantera 2 (Alto La Laguna)

Cantera 3 (Rio Coello)

Roca Saturada Superficialmente Seca (gr)

1722,7 2141,9 937,3

Roca Saturada Sumergida (gr) 1022,8 1260,5 595,2

Roca Seca en Horno (gr) 1666,7 2072,9 933,9

Absorción (%) 3,36% 3,33% 0,36%

𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 =𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑜 − 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜

𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜

0.00% 2.00% 4.00%

1

% Absorción

Can

tera

Absorción (%)

RESULTADOS• Calculo de la Energía Superficial Total

1 + cos𝜃 ∗ 0,5 ∗ 𝛾𝐿 = 𝛾𝑆𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿𝐿𝑊 + 𝛾𝑆+ ∗ 𝛾𝐿− + 𝛾𝑆− ∗ 𝛾𝐿+

RESUMEN ENERGIA SUPERFICIAL LIBRE

CANTERACOMPONENTE (ergs/cm2) 𝛾^𝐴𝐵(ergs/cm2) 𝛾^LW(ergs/cm2) 𝛾 ergs/cm2)

ASFALTO 60-70ASFALTO + 9,111

1,885676132 8,998 10,88326082ASFALTO - 0,098

CANTERA 1 MONDOÑEDO

(ARENISCA)

CANTERA 1 + 56,22314,19890128 65,849 80,04747189

CANTERA 1 - 0,896

CANTERA 2 ALTO LA LAGUNA (ARENISCA)

CANTERA 2 + 50,44023,7836799 78,607 102,3910967

CANTERA 2 - 2,804CANTERA 3 RIO

COELLO (CALIZA)CANTERA 3 + 52,161

30,45981273 80,060 110,5195474CANTERA 3 - 4,447

RESULTADOS• Energía Superficial Total Agregados Energía Superficial Libre

Cemento Asfaltico

Modificado: Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009

Modificado: Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009

• Calculo del Trabajo de Adhesión (WA)

𝑊𝐴𝐿𝑆 = 2 𝛾𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿𝑊 + 2 𝛾+ ∗ 𝛾− + 2 𝛾− ∗ 𝛾+

Investigación Agregado𝛾

(ergs/cm2)𝛾^LW 𝛾^AB

Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009

Caliza (Texas) 271 152 119Granito (Oklahoma)

425,18 56,35368,8

3Cuarcita (Arkansas)

200,07 60,86139,2

1Arenisca (Oklahoma)

104,98 62,46 42,52

Caliza (Ohio) 111,15 58,01 53,14

Cely-Leal N. 2014

Arenisca (Mondoñedo)

80,05 65,85 14,20

Arenisca (Alto La Laguna)

102,39 78,61 23,78

Caliza (Rio Coello)

110,52 80,06 30,46

Investigación Cemento Asfaltico 𝛾(ergs/cm2) 𝛾^LW 𝛾^ABÁlvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009

Apiay 10,09 6,24 4,55

Barrancabermeja 12,06 7,24 4,82

Cely-Leal N. 2014 Barrancabermeja 10,88 8,99 1,88

TRABAJO DE ADHESIONLIQUIDO AGREGADO WLS

Asfalto 60-70 Cantera 1 59,08Asfalto 60-70 Cantera 2 67,73Asfalto 60-70 Cantera 3 70,92

RESULTADOS• Ejemplo de Calculo del Trabajo de Adhesión (WA)

γL^LW γL^+ γL^-

FORMAMIDA 6,204836823 1,516575089 6,292853089

ETHYLEN GLYCOL 5,385164807 1,385640646 6,8556546

DESIONIZED WATER 4,669047012 5,049752469 5,049752469

Matriz B

FORMAMIDA 55,7638943

ETHYLEN GLYCOL 47,59784511

DESIONIZED WATER 70,97092703

Matriz x

RAIZ(CANTERA 1 LW) 8,114713218 CANTERA 1 LW 65,8485706

RAIZ(CANTERA 1 -) 7,498218551 CANTERA 1 - 56,22328145

RAIZ(CANTERA 1 +) -0,946818313 CANTERA 1 + 0,896464918

𝛾^LW = 65,8485706

𝛾^AB = 14,19890128

𝛾 CANTERA 1 = 80,04747189

Calculo de la Energia superficial de los Liquidos sobre Agregado 1

Matriz A

𝑆𝐿 = 𝛾 = 𝛾𝐿𝑊+𝛾 = 𝛾𝐿𝑊+2 𝛾+ ∗ 𝛾−

ANALISIS DE LOS RESULTADOS

Fenómeno Referencia Resultado

Afectaciónporhumedad

Tan & Guo (2013) demuestran elefecto adverso de humedad en laadhesión en las mezclas asfálticas. Lacaliza es la más sensible a la humedad

Perdida del material asfaltico enmas de 60%

Índice deDaño porHumedad

Bhasin et al. (2006):IDH mayores a 1,5: altamenteresistentes al daño por humedad.IDH entre 0,5 y 1,5: mezclas deresistencia media al daño porhumedad.IDH inferior a 0,5: altamentesusceptibles al daño por humedad.

Los agregados pétreosestudiados, usados en la regiónpara mezclas asfálticas, sonaltamente susceptibles al dañopor humedad, con los siguientesvalores:Arenisca de Mondoñedo: 0,361Arenisca del Alto la Laguna:0,410Caliza del Rio Coello: 0,421

CONCLUSIONESLos tres agregados estudiados se clasificaron como muy susceptibles a la

humedad (IDH).

El agregado del Alto la Laguna, tuvo el comportamiento más uniforme al ser

sometido a los ensayos BBS con un valor promedio de tracción de arranque

alto y menor perdida de ligante asfaltico al estar condicionado; y además, el

trabajo adhesivo en la interface fue relativamente alto, por lo que, en

comparación con los otros agregados estudiados fue el de mejor

comportamiento al ser afectado por la humedad.

RECOMENDACIONES

Los resultados mostrados anteriormente justifican la necesidad de

seleccionar cuidadosamente los materiales de pavimentación de

forma que la unión asfalto-agregado genere altos valores de trabajo

de adhesión en estado seco comparado con el trabajo de adhesión

húmedo, para así, buscar baja susceptibilidad al debilitamiento de

dicha unión por acción del agua.

Fredy Alberto Reyes Lizcano, Ing, Mscs , PhD. Profesor Titular Ingeniería Civil UniversidadJaveriana, Grupo CECATA [email protected], (57) 1 320 8320 Ext. 5270, BogotáColombia.

Nestor Cely Leal, Ing, MsC. Grupo CECATA. [email protected], (57) 1 320 8320 Ext.5270, Bogotá Colombia.

Ana Sofía Figueroa Infante, Ing, mSc, PhD, Profesor Asociado. Grupo [email protected]. Universidad de la Salle, (57) 1 3535360 Ext 2532 BogotáColombia.

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