Influencia del agua en el fenómeno de stripping en mezclas asfálticas: estudio sobre el ligante¹

Influence of Water on Asphalt Mixture Stripping: A Study on Asphalt Binders²

Influência da água no fenômeno de stripping em misturas asfálticas: estudo sobre o ligante³

¹ Este artículo se deriva de un proyecto de investigación denominado Desarrollo de un método de ensayo acelerado para evaluar el envejecimiento de mezclas asfálticas, registrado en la Universidad Católica de Colombia, número PIC 158C, y en la Universidad Militar Nueva Granada, con el número DIS 406.
² Submitted on: March 4, 2010. Accepted on: July 27, 2010. This article results from the research project called Development of an Accelerated Test Method for assessing Asphalt Mixture Aging, recorded in the Universidad Católica de Colombia, registration number PIC 158C, and Universidad Militar Nueva Granada, with registration number DIS 406.
³ Data de recepção: 4 de março de 2010. Data de aceitação para publicação: 27 de julho de 2010. Este artigo deriva-se de um projeto de pesquisa denominado Desenvolvimento de um método de ensaio acelerado para avaliar o envelhecimento de misturas asfálticas, registrado na Universidade Católica da Colômbia, número PIC 158C, e na Universidade Militar Nueva Granada, com o número DIS 406.
⁴ Ingeniero civil, Universidad Francisco de Paula Santander, Bogotá, Colombia. Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá Colombia. Profesor de la Facultad Ingeniería Civil, Universidad Católica de Colombia, Bogotá, Colombia. Correo electrónico: harondon@ucatolica.edu.co.
⁵ Ingeniero civil, Universidad Francisco de Paula Santander, Bogotá, Colombia. Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. Profesor de la Facultad Ingeniería, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia. Correo electrónico: luis.moreno@unimilitar.edu.co.

Fecha de recepción: 4 de marzo de 2010. Fecha de aceptación para publicación: 27 de julio de 2010.

Resumen

Uno de los principales daños de mezclas asfálticas in situ ocurre cuando se separa el ligante asfáltico del agregado pétreo debido a la presencia de agua. Este fenómeno se identifica con el nombre de stripping. A pesar del alto número de investigaciones realizadas, este fenómeno y las causas que lo generan no han sido totalmente entendidas e identificadas. El artículo presenta los resultados de un estudio experimental ejecutado con el fin de evaluar la influencia que tiene el ligante asfáltico en el fenómeno, debido sólo al efecto del agua. Para tal fin se realizaron ensayos de resistencia bajo carga monotónica en tracción indirecta sobre dos mezclas de concreto asfáltico fabricadas con dos ligantes diferentes (CA 80-100 y CA 60-70). Como conclusión general se reporta que la interface ligante asfáltico-agregado pétreo se afecta por el cambio en la consistencia que experimentan los cementos asfálticos en presencia del agua.

Palabras clave: Desprendimiento, mezclas asfálticas, efecto del agua, cemento asfáltico.

Abstract

A mayor distress on asphalt mixtures occur due to the physical separation of asphalt cement and the aggregate produced by adhesion failure. This phenomenon is called stripping. The causes that produce stripping are not yet fully understood. This paper describes the influence of asphalt cement on stripping which is due only to water effect. Indirect strength tensile tests were performed on two hot asphalt mixtures with two different asphalt cements (AC 80-100 and AC 60-70). There is a change of consistency in asphalt cement when it is saturated with water, and this change affects asphalt cement-granular aggregate connection.

Key words: Stripping, asphalt mixture, water effect, asphalt cement.

Resumo

Um dos principais problemas que as misturas asfálticas sofrem in situ ocorre quando o ligante asfáltico se separa do agregado pétreo devido à presença de água. Este fenômeno identifica-se com o nome de stripping. Apesar do alto número de pesquisas realizadas, este fenômeno e as causas que o produzem ainda não foram totalmente entendidas e identificadas. O artigo apresenta os resultados de um estudo experimental executado com o fim de avaliar a influência que o ligante asfáltico possui no fenômeno, devido só ao efeito da água. Para tal fim realizaram-se testes de resistência sob carga monotônica em tração indireta sobre duas misturas de concreto asfáltico fabricadas com dois ligantes diferentes (CA 80-100 e CA 60-70). Como conclusão geral reporta-se que a interface ligante asfáltico-agregado pétreo se afeta pela mudança na consistência que experimentam os cimentos asfálticos na presença de água.

Palavras-Chave: Desprendimento, misturas asfálticas, efeito da água, cimento asfáltico.

Introducción

Los principales factores que afectan la durabilidad de las mezclas asfálticas, asumiendo que se encuentran bien construidas, son la edad de envejecimiento y el daño por humedad (Airey, 2003). Es decir, una mezcla asfáltica debe ser diseñada y construida no sólo para que resista las cargas impuestas por el tránsito, sino también la acción del medio ambiente. Cuantificar la influencia del ambiente en el comportamiento de este tipo de material no es una tarea fácil. La forma como se realiza actualmente es separando cada uno de los componentes que lo conforman (agua, aire, temperatura y rayos ultravioleta) y evaluando la influencia de cada uno de ellos (desde el punto de vista mecánico y químico) de manera separada sobre el ligante y las mezclas (Kemp y Predoehl, 1981; Welborn, 1984; Kim et al., 1987; Shiau et al., 1991; Bishara, Robertson y Mahoney, 2000; Bocci y Cerni, 2000; Brown y Scholz, 2000; Khalid y Walsh, 2000; Khalid, 2002; Airey, 2003; Said, 2005; Shen, Amirkhanian y Tang, 2006).

Además, por lo general estos estudios utilizan ensayos y equipos (p. ej., hornos para ensayo de película delgada del tipo TFOT o rotatorios RTFOT, microondas) que no pueden reproducir totalmente la influencia de cada uno de los componentes del ambiente en las propiedades mecánicas y reológicas de las mezclas y los ligantes asfálticos (Jemison et al., 1991; Choquet y Verhasselt, 1992; Kuppens et al., 1997; Verhasselt, 1997). Incluso la mayor parte de las investigaciones combinan estos ensayos y equipos para intentar evaluar cómo cambian las propiedades de estos materiales cuando experimentan condiciones reales del ambiente (Jemison et al., 1991; Migliori y Corté, 1998; Montepara, 1999; Montepara y Giuliani, 2000; Airey, 2003). En conclusión, se reporta que estas metodologías de ensayo tienen como limitación principal que aún son incapaces de reproducir las condiciones reales a las cuales están expuestas las mezclas asfálticas in situ.

Uno de los principales modos de daño de mezclas asfálticas en presencia de agua es el efecto de separación del ligante asfáltico con el agregado pétreo (Majildzadeh y Brovold, 1968; Lottman y Jonson, 1971; Kandhal, Lubold y Roberts, 1989; Mohamed, 1993; Amirkhanian y Williams, 1993; Williams y Miknis, 1998; Bagampadde, Isacsson y Kiggundu, 2005; Mallick, Pelland y Hugo, 2005; Caro et al., 2008; Kringos et al., 2008a y 2008b; Mohammad, Khattak y Kyatham, 2008; Kassem et al., 2009). Este fenómeno fue identificado en la década de los treinta (Caro et al., 2008) y la literatura de referencia lo denomina stripping.

Peterson (1982) y Stuart (1986) sugieren que el stripping ocurre por reacción química entre el asfalto y el agregado. De manera similar, Bagampadde et al. (2005) mencionan que la calidad del agregado y la composición mineralógica es uno, de entre tantos factores, que afectan la magnitud de este fenómeno. Kanitpong y Bahia (2008) reportan que la adherencia entre el ligante y el agregado pétreo es fuertemente dependiente de la mineralogía de este último material. Lu y Harvey (2006a y 2006b) demostraron que la edad del pavimento tiene una alta influencia en el daño por humedad.

Las causas que generan este fenómeno son complejas, ya que involucran aspectos físicos, químicos, mecánicos y termodinámicos. El estado del conocimiento en esta área radica en que a pesar del alto número de investigaciones realizadas, el fenómeno de stripping y las causas que lo generan no han sido totalmente entendidas e identificadas (Mohamed, 1993; Bagampadde et al., 2005).

Las mezclas asfálticas están compuestas básicamente de cuatro materiales: agregado pétreo, ligante asfáltico, aire y agua. Por lo general, los estudios consultados sobre el fenómeno de stripping evalúan la influencia del tipo y de la mineralogía del agregado pétreo. Lo anterior, debido a que ha sido tradicional pensar que este fenómeno ocurre cuando el agua penetra entre la superficie del agregado y la película de asfalto, y debido a la mayor afinidad del agua con el pétreo, la unión se rompe.

Muy poca atención se presta a la influencia del ligante, debido a que es de amplio conocimiento que el asfalto es un material impermeable que reacciona muy poco ante la presencia de agentes químicos externos; sin embargo, el agua presenta como uno de sus componentes químicos esenciales oxígeno y otros compuestos capaces de generar cambios en las propiedades químicas y físicas del asfalto, a largo plazo (p. ej., oxidación y endurecimiento), en especial cuando la interconexión ligante-pétreo es muy delgada. A pesar de lo anterior, ningún estudio de los consultados reporta si el ligante asfáltico cambia sus propiedades tan sólo por la presencia de agua, y si estos cambios influyen en el fenómeno de stripping.

Por lo anterior, se ejecutó una fase experimental tendiente a analizar la influencia del ligante asfáltico en el fenómeno de stripping, a fin de evaluar el efecto del agua, es decir, no se tuvieron en cuenta el efecto que puede causar el aire y los cambios de temperatura o la combinación aire-agua-temperatura, tal como ocurre in situ. Para tal fin, se sumergieron en agua durante seis meses láminas muy delgadas (4 mm de espesor) de cemento asfáltico tipo CA 80-100 y CA 60-70.

Cada mes se retiraban del agua algunas láminas para fabricar mezclas asfálticas del tipo densas y gruesas en caliente MDC-2 y MGC-0 (de acuerdo con las especificaciones del Instituto Nacional de Vías [Invías], 2007a) y se midió la resistencia que experimentaban en tracción indirecta bajo carga monotónica a través del ensayo de Marshall. Estos resultados se compararon con aquellos obtenidos sobre mezclas asfálticas sumergidas en agua, pero fabricadas con concreto asfáltico sin sumergir, es decir, fabricadas de la forma tradicional.

Se optó por utilizar mezclas de concreto asfáltico tipo MDC-2 y MGC-0, debido a que son las más utilizadas en Colombia para conformar capas de rodadura y bacheos, respectivamente, y son las que se encuentran sometidas de manera directa a las condiciones del ambiente. A las láminas de cemento asfáltico sumergidas se les realizaron ensayos de penetración para medir si la consistencia del ligante variaba cuando era sumergida en agua.

1. Metodología

1.1 Caracterización de materiales

El agregado pétreo empleado en la elaboración de las mezclas asfálticas para el ensayo de Marshall (llamadas briquetas) procede de la cantera de Subachoque (Cundinamarca, Colombia). A estos materiales se les realizaron los siguientes ensayos, siguiendo las especificaciones del Invías (2007b): análisis granulométrico de agregados gruesos y finos (INV. E-213), peso específico y absorción de agregados finos (INV. E-222), peso específico y absorción de agregados gruesos (INV. E-223), resistencia al desgaste de los agregados (tamaños menores de ¾") por medio de la máquina de Los Ángeles (INV. E-218), desgaste microdeval (INV. E-238), pérdida en ensayo de solidez (INV. E-220), partículas fracturadas (INV. E-227), ensayo para medir el equivalente de arena (INV. E-133) e índices de alargamiento y aplanamiento (INV. E-230). Los resultados de estos ensayos se presentan en la Tabla 1 y se observa que los valores cumplen con los requisitos mínimos de calidad exigidos por las especificaciones del Invías (2007a) para fabricar mezclas tipo MDC-2 y MGC-0, a fin de usarlas en capas de rodadura y bacheo, respectivamente.

A los cementos asfálticos se les realizaron los ensayos típicos que exigen las especificaciones del Invías (2007a) para caracterizarlos: penetración, viscosidad, ductilidad, solubilidad en tricloroetileno, contenido de agua, punto de ablandamiento y ensayos al residuo luego del ensayo de película delgada en horno rotatorio (RTFOT, por su sigla en inglés) (tablas 2 y 3).

Luego de llevar a cabo los ensayos al agregado pétreo y a los cementos asfálticos se fabricaron seis briquetas (compactadas a 75 golpes por cara) para cada porcentaje de asfalto entre 4,5% y 6,5%, con el fin de realizar el diseño de Marshall (INV. E-748 [Invías, 2007b). Esto con el objeto de determinar el contenido óptimo de asfalto de las mezclas MDC-2 y MGC-0. Además, para cumplir con las especificaciones del Invías (2007a) y fabricar las mezclas asfálticas se modificó la granulometría original de los agregados, tomando como referencia los valores promedios en porcentajes de la franja granulométrica que exige la especificación para la elaboración de las briquetas del ensayo de Marshall. Los cálculos obtenidos del ensayo con los asfaltos CA 80-100 y CA 60-70 están registrados en las tablas 4, 5, 6 y 7.

Los porcentajes óptimos de cemento asfáltico, de acuerdo con los datos de las tablas 4 y 5, son de 5,3% y 5,6% para el caso de las mezclas MDC-2 fabricadas con CA 80-100 y CA 60-70, respectivamente. Para las mezclas MGC-0 estos contenidos fueron de 5,5% y 5% cuando el ligante utilizado era CA 80-100 y CA 60-70, respectivamente. En estos porcentajes se están cumpliendo los requisitos mínimos exigidos por las especificaciones del Invías (2007a) para MDC-2 y tránsitos tipo NT1 o NT2 (bajos y medios volúmenes de tránsito, respectivamente).

1.3 Ensayos para evaluar el objetivo del proyecto

Como se mencionó, el fenómeno de stripping es la separación del agregado pétreo del ligante debido a la presencia de agua en la mezcla asfáltica, lo que disminuye su resistencia bajo carga monotónica y cíclica. Es decir, este fenómeno ocurre en la interconexión ligante-agregados pétreos. Para entender el efecto que genera el agua en el ligante asfáltico y la influencia de este último en el stripping, se compararon dos fases experimentales ejecutadas de la siguiente forma:

• Inicialmente fueron fabricadas y sumergidas en agua, durante seis meses, mezclas asfálticas tipo MDC-2 y MGC-0 con los contenidos óptimos de CA 80-100 y CA 60-70, obtenidos del diseño de Marshall. Estas muestras se sometieron mensualmente al ensayo de Marshall para evaluar la resistencia bajo carga monotónica en tracción indirecta. Por cada mezcla y tipo de concreto asfáltico eran fabricadas y ensayadas 10 muestras. El objetivo de estos ensayos fue medir la disminución típica que experimentan en su resistencia las mezclas cuando son saturadas de agua. El agua utilizada era potable y provenía de la red de acueducto.

• En una segunda fase, láminas de CA 80-100 y CA 60-70 con espesor de 4 mm fueron sumergidas en agua durante seis meses. Las láminas de concreto asfáltico se pusieron sobre recipientes de aluminio de área rectangular (40×30 cm) y espesor de 1 cm. Cada mes eran retiradas las láminas del agua con el fin de fabricar mezclas asfálticas tipo MDC-2 y MGC-0 con los contenidos óptimos de CA 80-100 y CA 60-70 obtenidos del diseño de Marshall. Antes de fabricar las mezclas, la superficie de las láminas de concreto asfáltico eran cuidadosamente secadas con estopa y permanecían a la temperatura ambiente del laboratorio durante un día. Luego se separaban de su soporte aplicando calor con soplete a la parte posterior del recipiente de aluminio. El calor no se aplicaba de manera directa al concreto asfáltico, con el fin de evitar su envejecimiento (endurecimiento) por oxidación. La temperatura posterior del recipiente de aluminio se aumentaba hasta obtener una consistencia fluida del asfalto (temperatura cercana al punto de ablandamiento). Las mezclas elaboradas con estos ligantes eran sometidas al ensayo de Marshall y, de manera similar a la fase 1, eran fabricadas 10 muestras por tipo de mezcla y concreto. A las láminas se les realizaron ensayos de penetración (Invías, 2007b [ASTM D-5]) cada tres meses con el fin de evaluar el cambio en la consistencia que experimentaban cuando eran sumergidas en agua.

Los resultados de la fase 2 se compararon con los de la fase 1 para analizar la influencia que tiene el concreto asfáltico en el fenómeno de stripping cuando se evalúa tan sólo el efecto del agua.

2. Resultados

En las figuras 1 y 2 se presentan los resultados de los ensayos de Marshall ejecutados sobre las mezclas MDC-2 y MGC-0, respectivamente. Durante seis meses se midió mensualmente la evolución de la resistencia bajo carga monotónica en tracción indirecta de las mezclas en el estado de falla (relación E/F entre la estabilidad E y el flujo F). En las figuras esta relación se normaliza con el valor alcanzado en el diseño de Marshall (estado inicial [E/F]_o), con el fin de observar fácilmente el incremento o la disminución porcentual de este parámetro.

En las figuras 1 y 2 se observa una disminución típica de la resistencia de las mezclas cuando se sumergen en agua. Para el caso de las mezclas MDC-2 (Figura 1), la mayor disminución se obtiene en los dos primeros meses (alrededor de 40%) y luego alcanza una fase en la cual el tiempo de sumersión afecta muy poco la resistencia de las mezclas. Adicionalmente, se observa que la tasa de disminución de la resistencia en este tipo de mezcla es independiente del tipo de concreto asfáltico utilizado. Una tendencia similar experimentan las mezclas MGC-0 (Figura 2), pero se observa que la disminución de la resistencia es mayor cuando se fabrican con CA 80-100 (disminuye un 41% en comparación con el 19% que experimentan las mezclas fabricadas con CA 60-70).

Cuando las mezclas se fabrican utilizando láminas de concreto asfáltico sumergidas en agua, el comportamiento es contrario al reportado. Se observa una tendencia a aumentar la resistencia mecánica de las mezclas con el tiempo de sumergimiento de las láminas en agua y este aumento es dependiente del tipo de mezcla analizada (granulometría del agregado pétreo) e independiente del tipo de concreto asfáltico. El mayor incremento en la resistencia (entre 32% y 35%) la adquieren las mezclas del tipo MDC-2 en el tercer mes de exposición de las láminas al agua. Para el caso de las mezclas MGC-0, la tasa de incremento es menor; pero en el sexto mes aún no ha cesado el aumento en resistencia (12%-18%).

Los resultados sugieren que el concreto asfáltico, en presencia solamente de agua, cambia sus propiedades, ya que aumenta la resistencia mecánica de las mezclas. Lo anterior conduce a pensar que la conexión ligante-pétreos en una mezcla asfáltica se puede romper (fenómeno de stripping), debido a que el concreto, por la sola presencia del agua se vuelve rígido, lo que conlleva una contracción del ligante sin cambio de volumen y, por lo tanto, separación con el agregado. Una representación esquemática e idealizada del fenómeno se presenta en la Figura 3.

Con el fin de evaluar si el ligante cambia sus propiedades en presencia del agua, se realizaron ensayos de penetración a los concretos asfálticos de las láminas sumergidas. En la Figura 4 se observa que los CA 80-100 y CA 60-70 adquieren una consistencia más rígida en presencia del agua, lo que ayuda a entender el aumento en rigidez de las mezclas observado en las figuras 1 y 2.

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