ÓSCAR JAVIER REYES^*, JHON FREDY RINCÓN^**

^* Ingeniero Civil y Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de Los Andes. Docente Asociado y director Grupo de Investigación Geotecnia. Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá, Colombia. oscar.reyes@unimilitar.edu.co

^** Ingeniero Civil. Ingeniero Auxiliar de Investigación, Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá, Colombia. fredy.rincon@umng.edu.co

Artículo recibido 17-II-2009. Aprobado 18-VI-2009

Discusión abierta hasta diciembre de 2009

El objetivo principal de esta investigación fue determinar el efecto en la resistencia a tracción indirecta de reemplazar el relleno mineral por cemento, cal y ceniza volante con diferentes porcentajes. El estudio se inició con la caracterización de los materiales (agregados, asfaltos, cal, cemento y ceniza volante), seguido de la determinaci ón del porcentaje óptimo de asfalto mediante el método Marshall. Se seleccionaron para el estudio la granulometría MD10 y el asfalto con penetración 60/70, así mismo se sustituyó el relleno mineral en porcentajes de 0, 25, 50, 75 y 100. Se encontró que existe un incremento en la resistencia del 58 % al reemplazar el 100 % de relleno mineral por cal, del 22 % al sustituir el 50 % de relleno por ceniza volante y el 5 % al reemplazar el 75 % por cemento. Con respecto a la deformación de las probetas, para todos los porcentajes de sustitución de cal y cemento, la mezcla soporta mayor deformación para la carga máxima, mientras para el reemplazo de ceniza volante, sólo al 100 % de reemplazo aumenta la deformación con la carga máxima.

The main objective of the research was to determine the effect in the indirect tension strength when replacing mineral filler by cement, lime, and ash at different percentages. Materials were first characterized (aggregates, asphalt, lime, cement and fly ash). Then, using the Marshall method, was determined the optimum percentage of asphalt. Gradation m10 and asphalt with penetration 60/70 was chosen for the study, similarly, mineral filler was replaced on the percentages of 0, 25, 50, 75, 100. Strength was increased 58 % by substituting 100 % of mineral filler for lime, from 22 % to replace 50 % filler by fly ash, and 5 % by 75 % replacing cement, were the main findings of this study. In addition, it was found in relation to the deformation test, for all percentages of replacement of lime and cement, the mixture supports higher deformation to the maximum load. Whereas that, for replacement of fly ash, only 100 % replacement of the deformation increased with the maximum load.

O objetivo principal desta pesquisa foi determinar o efeito na resistência à tração indireta de substituir o recheado mineral por cimento, cal e cinza volante a diferentes percentagens. O estudo se iniciou com a caracteriza ção dos materiais (áridos, asfaltos, cal, cimento e cinza volante), seguido da determinação da percentagem ótima de asfalto mediante o método Marshall. Selecionou-se para o estudo a granulometria MD10 e o asfalto com penetração 60/70, assim mesmo se substituiu o recheado mineral às percentagens de 0, 25, 50, 75 e 100. Encontrou-se que existe um aumento na resistência de 58 % ao substituir 100 % supérfluo mineral por cal, de 22 % ao substituir 50 % de recheado por cinza volante e 5 % ao substituir 75 % por cimento. Com relação à deformação das provetas, para todas as percentagens de substituição de cal e cimento, a mistura suporta maior deformação para a carga máxima, enquanto para a substituição de cinza volante, só a 100 % de substituição aumenta a deforma ção com a carga máxima.

El pavimento flexible es una estructura que se diseña mediante la realización de varios cálculos y modelos matemáticos, pero como complemento a éstos los ensayos de laboratorio desempeñan un papel importante, pues se encargan de evaluar las propiedades de los materiales que se van a usar para el desarrollo de una estructura, y, a su vez, garantizan que se cumpla con los requisitos impuestos por las especificaciones técnicas. Una de las principales propiedades mecánicas que se evalúan en el laboratorio es la resistencia máxima que soporta una mezcla asfáltica antes de fallar, y para medirla se utiliza un método simple y representativo del comportamiento del pavimento flexible, como es el ensayo de tracci ón indirecta o más comúnmente llamado ensayo brasileño (Bianchetto, Miró y Pérez, 2007).

El ensayo a tracción indirecta por compresión diametral consiste en someter una muestra cilíndrica a una carga lineal a compresión estática o dinámica, en dos generatrices opuestas. Dado el desarrollo del plano determinado por las generatrices de aplicación de la carga, mediante un cálculo sencillo se pueden obtener la resistencia a tracción, la deformación y el módulo de rigidez del material ensayado (Subarroca y Ortiz, 2005).

Una de las propiedades principales de las mezclas asfálticas es su capacidad para deformarse sin llegar a la rotura, absorbiendo esfuerzos elevados y cíclicos. Este comportamiento de resistencia al corte con sus dos componentes, la cohesión y la fricción, se observa en las mezclas asfálticas, siendo los áridos la estructura friccionante, y la cohesión, la mezcla de asfalto con las partículas finas o relleno mineral. En este artículo se presentan los resultados de la investigación de modificar el relleno natural de la mezcla asfáltica por cemento, cal o ceniza volante en diferentes porcentajes, con el objetivo de determinar su influencia en la resistencia, cohesión y adherencia.

Una probeta cilíndrica de pavimento a temperaturas bajas se comporta como un material elástico y lineal, por lo que es posible hacerle un análisis teórico de las distribuciones de los esfuerzos (Martí- nez, 2000). Tomas W . Kennedy y W . Ronald H udson (1968) explican los esfuerzos que se originan cuando una probeta es ensayada diametralmente como la composición de dos planos principales de esfuerzos, uno vertical y otro horizontal. La magnitud del esfuerzo vertical es variable (figura 1a), mientras que la del esfuerzo a tracción es uniforme en casi todo su plano (figura 1b).

El análisis de rotura de probetas cilíndricas de mezclas asfálticas sometidas a compresión diametral muestra que la fisura inicial ocurre cuando el esfuerzo horizontal de tracción desarrollado en el plano vertical de la carga alcanza el valor de la resistencia a tracción del material.

Las probetas de pavimento se comportan como un sólido elástico ideal a temperaturas bajas; en el caso de las mezclas asfálticas la falla se da por rotura o por tracción; por consiguiente, la ecuación que describe la resistencia a la tracción indirecta es:

donde: S_t: resistencia a la rotura por tracción indirecta

P _máx.: carga máxima o carga de rotura

t : espesor de la probeta de la probeta

d: diámetro de la probeta

Para el ensayo se utiliza una placa curva de carga de apoyo de 20 mm de ancho y a lo largo de la muestra, cuya función es reducir los esfuerzos de compresión vertical, para que la probeta no falle en los puntos de carga debido a los esfuerzos de compresi ón (figura 2), sino que lo haga por el esfuerzo de tracción desde el centro de la probeta. Se tiene como resultado la distribución de esfuerzos que muestra la figura 3 (Moreno, 2005).

En la figura 4 se presenta el diagrama de la metodolog ía empleada en la investigación, empezando por la selección de la granulometría, tipo de asfalto y caracterización de los materiales. Con la ayuda del método Marshall, se determinó el porcentaje óptimo de asfalto mediante el análisis de estabilidad, densidad y flujo (INVIAS, 1997); (Asphalt Institute, 1996). A continuación con este valor, se hicieron los reemplazos de relleno por cal, cemento y ceniza volante con diferentes porcentajes (25, 50, 75 y 100) (Reyes y Camacho, 2004). Por último, se realizaron los ensayos de tracción indirecta a 15 º C según norma UNE-EN-12697-23.

3.1 Selección de granulometría y tipo de asfalto

La granulometría usada en la investigación corresponde a la denominada MD10 en su parte media (figura 5) y es la empleada para la construcción de pavimentos en la ciudad de Bogotá, según las especificaciones del Instituto de Desarrollo Urbano (IDU, 2006) y el asfalto utilizado lo produce la refinería de Barrancabermeja.

3.2 Caracterización del material granular y el asfalto

El material granular se caracterizó realizando los ensayos de laboratorio que aparecen en la tabla 1.

El asfalto se caracterizó aplicando los ensayos de laboratorio que aparecen en la tabla 2.

Los pesos específicos de los tres materiales que se usaron como reemplazo de relleno natural fueron:

Cemento 2,83 t/m³ Ceniza volante 2,18 t/m³ Cal 2,52 t/m³

El porcentaje óptimo de asfalto determinado con el ensayo Marshall fue de 6,0, obtenido del análisis de las curvas de estabilidad (figura 6), densidad (figura 7) y flujo (figura 8).

Los resultados de la resistencia máxima alcanzada a tracción indirecta para las muestras modificadas con cal, cemento y ceniza volante a diferentes porcentajes se presentan en la figura 9.

De las figuras 9 y 10 se observa que al sustituir el relleno natural por cal y ceniza volante, la resistencia de las muestras sube sin importar el porcentaje sustituido, alcanzando incrementos máximos entre el 58 % y 22 % respectivamente. En el caso del cemento, se presentan solo incrementos de resistencia del orden del 5 % para el reemplazo del 75 % y del 2 % para el reemplazo del 50 %.

De otra parte, en las figuras 11, 12 y 13 se observan las curvas de desplazamiento contra resistencia de las muestras ensayadas.

De la figura 11 se observa que la probeta con relleno mineral soporta menor desplazamiento que las muestras con reemplazo con cal, evidenciando que, al introducir cal a la muestra, la mezcla asfáltica gana ductilidad, lo que se ve representado en soportar magnitudes mayores impuestas por el tráfico. Adicionalmente, se observa que se gana resistencia en el reemplazo de llenante mineral. Las sustituciones más favorables en deformación fueron las de 25 % y 50 %, y en resistencia, las de 75 % y 100 %.

De la figura 12 se puede concluir que al reemplazar el relleno por ceniza volante al 100 %, la mezcla asfáltica soporta mejor las deformaciones e incrementa su resistencia. Para el caso del resto de porcentajes de reemplazo (25, 50 y 75), la resistencia de las muestras aumenta, pero disminuye su deformaci ón, haciéndolas más susceptibles de fallos por fragilidad.

De la figura 13 se puede determinar que, para todos los reemplazos de relleno natural por cemento, la deformación de las mezclas aumenta, presentándose el mayor valor para el 100 % de reemplazo. Es importante resaltar que, aunque el incremento en resistencia no es significativo o en oportunidades disminuye con la sustitución, la capacidad para soportar deformaciones mejora en forma sustancial al introducirle cemento.

De los resultados obtenidos de los ensayos hechos a las muestras con reemplazo de relleno natural por cal, cemento y ceniza volante, se puede concluir que:

La resistencia a la tracción indirecta de la mezcla asfáltica con granulometría MD-10 aumenta al sustituir el relleno natural por cal, cemento o ceniza volante.

El incremento máximo en la resistencia de la mezcla se obtuvo cuando se reemplaza el 100 % del relleno natural por cal.

Existe mayor ductilidad de la mezcla al reemplazar el relleno natural por cemento o cal en los diferentes porcentajes estudiados.

Para el caso del reemplazo del 100 % de relleno natural por ceniza volante, la deformación y resistencia aumentan, haciendo que la mezcla sea más dúctil y resistente a los esfuerzos del tráfico.

Para los reemplazos de relleno natural por cemento en todos los porcentajes estudiados, aunque no exista un incremento significativo en la resistencia máxima, la deformación aumenta, haciendo que la mezcla sea más dúctil y, por ende, más resistente a la fatiga.

La resistencia de la mezcla aumenta para altos reemplazos de relleno natural por cal (50 al 100 %) y para reemplazos medios (50 y 75 %) por cemento y ceniza volante.

Del análisis conjunto de la resistencia y la ductilidad de la mezcla, se puede establecer que los mejores comportamientos se producen cuando hay un reemplazo de relleno natural por cal, sin importar el porcentaje utilizado. Sin embargo, para cada material utilizado en el estudio, los óptimos ocurren cuando se reemplaza el 50 % de relleno natural por cal, seguido de la sustitución del 100 % por ceniza volante y, por último, el 25 % de cemento.

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