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FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA Tema 8. Mezclas Especiales

Autor: Francisco José Lucas Ochoa

www.eadic.com

FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA Unidad II. Mezclas Bituminosas en Caliente. TEMA 8. MEZCLAS ESPECIALES INDICE: 1. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………………3 2. MEZCLAS ADAPTADAS AL CAMBIO CLIMÁTICO: MEZCLAS TEMPLADAS Y MEZCLAS SEMICALIENTES ……………………………………6 2.1 SISTEMAS PARA CONSEGUIR REDUCIR LA TEMPERATURA DE FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS …………………………………………………………………5 2.2 OBJETIVOS………………………………………………………………6 2.3 DESCRIPCIÓN DE LAS MEZCLAS SEMICALIENTES ……………7 2.4 DESCRIPCIÓN DE LAS MEZCLAS TEMPLADAS…………………13 3. MEZCLAS ESPECIALES ANTIFISURAS. MEZCLAS SMA…………………19 3.1 MEZCLAS SMA (STONE MASTIC ASPHALT) ……………………21 3.2 PROYECTO R.E.R ……………………………………………………22 3.3 ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA FISURACIÓN ………………29 3.4 ENSAYO R.E.R…………………………………………………………22 3.5 OTRAS MEZCLAS RESISTENTES A LA FISURACION. LA ARENA – BETÚN……………………………………………………………32 4. MEZCLAS DE ALTO MÓDULO…………………………………………………33 5. MEZCLAS PIGMENTABLES……………………………………………………36 5.1 ALMACENAMIENTO DEL LIGANTE…………………………………36 5.2 FABRICACIÓN DE LA MUESTRA……………………………………37 5.3 PUESTA EN OBRA DE LA MEZCLA ………………………………37 5.4 CUIDADOS DE LIMPIEZA ……………………………………………38 5.5 GAMA DE CALIDADES ………………………………………………38 5.6 APLICACIONES DE LAS MEZCLAS PIGMENTABLES …………39 6. MEZCLAS EN CALIENTE CON ADICIÓN DE CAUCHO……………………40

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UNIDAD II. Mezclas Bituminosas en caliente. Tema 8. Mezclas Especiales.

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1. INTRODUCCIÓN A lo largo del presente módulo, hemos podido ver la tipología de mezclas bituminosas calientes más comunes de uso en España en carreteras. Así, este grupo las componen las mezclas de granulometría continua fabricadas con betunes de penetración convencionales. También por su ya extendido uso desde hace más de una década, y paralelamente al desarrollo de los betunes modificados estables al almacenamiento, podría considerarse común el empleo de mezclas drenantes y mezclas discontinuas, en su empleo en capas de rodadura, cuya misión fundamental radica en la mejora de la funcionalidad de esta capa que está en contacto directo con el tráfico rodado. En este tema, abordaremos aquellas mezclas, que ya sea por sus características, o por su tipología, o por su funcionalidad, o por los componentes que las integran, especialmente el ligante empleado, pueden ser consideradas como especiales. Estas mezclas, no necesariamente tienen que estar normalizadas en los pliegos oficiales de las administraciones de carreteras, pero no por ello hay que obviar su existencia, y mucho menos, su funcionalidad. La mayoría de las mismas, están sometidas a largos períodos de prueba, en las que se analiza tanto su comportamiento, como su puesta en obra y así como la idoneidad para las que fueron diseñadas. Responden básicamente a importantes avances en I+D, tanto en el campo de los ligantes bituminosos como en el propio campo de las mezclas bituminosas. Ya nos acercamos a estas mezclas en el Tema 4, de la Unidad 1, sobre Ligantes especiales de última generación. En este tema desarrollaremos las mezclas bituminosas en caliente a las que dan lugar más específicamente, e incorporemos alguna más derivadas de composiciones granulométricas de mezcla menos convencionales y de uso no tan extendido, diseñadas para cumplir objetivos específicos, más allá de la función esencial de cualquier mezcla bituminosa en pavimentos de carreteras, como es la de servir de estructura al propio firme de la estructura de la carretera

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2. MEZCLAS ADAPTADAS AL CAMBIO CLIMÁTICO: MEZCLAS TEMPLADAS Y MEZCLAS SEMICALIENTES

SABÍAS

QUE ... Pocas veces una técnica relacionada con las mezclas asfálticas ha despertado tanto interés en los últimos años como las Mezclas a Bajas Temperaturas y la principal razón es la concienciación que se está experimentando para el cumplimiento con el Protocolo de Kyoto en cuanto a reducción de emisiones en todas las industrias. La problemática planteada a nivel mundial sobre el Cambio Climático, las emisiones de CO2, las energías alternativas ante la posible disminución de las reservas de las energías fósiles han hecho que desde los diferentes actores relacionados con la construcción y conservación de carreteras se estén tomando medidas para que esta industria sea lo menos perjudicial con el Medio Ambiente, conllevando al mismo tiempo una reducción en el consumo energético. Esta concienciación ha llevado a los fabricantes de mezclas asfálticas, a las Administraciones de Carreteras y a las empresas fabricantes de ligantes hidrocarbonados a recomendar y poner a punto una serie de productos y técnicas de fabricación con las que podamos trabajar las mezclas asfálticas a unas temperaturas, más bajas que las convencionales, impensables hace unos años. Veremos a lo largo del artículo en qué consiste esta técnica y los diferentes aditivos que podemos utilizar para conseguir poder trabajar a 20ºC-30ºC por debajo de las mezclas convencionales Cada vez son más las implicaciones de las empresas en todos los temas relacionados con el Ahorro Energético, Disminución de Emisiones, Salud Laboral, etc., de tal forma que en cualquier tipo de industria se mira con lupa cualquier producto o técnica capaz de "atacar" al Medio Ambiente y la Seguridad de las personas. Ante esta situación ha surgido en la tecnología de las mezclas asfálticas un amplio abanico de posibilidades para poder fabricarlas en unas condiciones más favorables en cuanto a reducción de consumo energético y emisiones de

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gases de efecto invernadero. Nos referimos a la aparición de betunes aditivados que nos permiten reducir la temperatura habitual hasta en 40 ºC Veremos de qué ahorro energético estamos hablando según tipos de aditivos, cuales son las que reducen más las emisiones de gases que contribuyen al efecto invernadero o aquellas que reducen los riesgos laborales. Estamos en un proceso que no tiene vuelta atrás pero que tendremos que valorar detenidamente en cada caso no sólo desde le punto de vista económico sino también desde el punto de vista ambiental. Serán las diferentes Administraciones de Carreteras quienes deberán impulsar estas técnicas con proyectos nuevos que permiten su uso. 2.1.

SISTEMAS PARA CONSEGUIR REDUCIR LA TEMPERATURA DE FABRICACIÓN

Y

PUESTA

EN

OBRA

DE

LAS

MEZCLAS

ASFÁLTICAS.

PARA REFLEXIONAR La gran inquietud e interés que ha despertado la reducción de la temperatura de fabricación de las mezclas asfálticas, con el consiguiente ahorro energético y la disminución de emisiones de gases con influencia negativa en el denominado "efecto invernadero", ha dado lugar a una serie de productos, técnicas de fabricación nuevas e incluso recuperación de otras antiguas, como las mezclas asfálticas con emulsión bituminosa, que por su carácter ecoeficaz pueden, en un futuro no lejano, recuperar parte de su protagonismo para ciertas carreteras

Esta disminución del consumo energético y de emisiones puede conseguirse por diferentes vías:

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•

Aditivación del betún.

•

Espumación del betún.

•

Incorporación de materiales específicos en el proceso de mezclado.

•

Modificando las técnicas de fabricación de las mezcla.

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•

Mezclas con emulsión bituminosa en plantas en caliente. Mezclas templadas.

•

Mezclas en frío.

•

Reciclado de pavimentos

Como puede apreciarse las mezclas con las que podemos disminuir el consumo energético y la tasa de emisiones son las denominadas: •

Mezclas Semicalientes (100ºC < TºC < 140ºC)

•

Mezclas Templadas (60ºC < TºC < 100ºC)

•

Mezclas en Frío (TºC: Temperatura ambiente)

2.2.

OBJETIVOS

Los objetivos que conseguiremos fabricando con este tipo de mezclas son: a) MEDIOAMBIENTALES: •

Ahorro energético.

•

Disminución de las emisiones de gases.

b) DE SEGURIDAD: •

Mejores condiciones de trabajo, seguridad y salud laboral.

•

Ausencia/disminución de partículas en suspensión.

c) DE CALIDAD:

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•

Mezclas más uniformes (menor segregación).

•

Mejor trabajabilidad (juntas, compactación...).

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•

Menor envejecimiento de los ligantes.

d) ECONÓMICOS: •

Menor gasto en conservación de las instalaciones.

•

Ampliación de la temporada/jornada de aplicación.

•

Almacenamiento en silos por mayor periodo de tiempo

2.3.

DESCRIPCIÓN DE LAS MEZCLAS SEMICALIENTES

a) Mezclas Semicalientes mediante Aditivación del betún (Secas, sin incorporación de agua al sistema) Quizás una de las maneras más fáciles de trabajar para el fabricante de mezclas asfálticas sea la de disponer de un betún, ya preparado, con el que poder fabricar este tipo de mezclas sin necesidad de actuar sobre la planta, salvo en lo relativo a disminuir la temperatura de los áridos entre 20ºC y 50ºC. Contamos con diferentes tipos de aditivos, algunos sujetos a patentes, que actúan sobre la viscosidad del betún o bien en la interfase betún/áridos como •

Aditivos químicos

•

Ceras

Dentro de los aditivos químicos encontramos productos que con pequeñas proporciones, 0,2 % - 0,3 % s/b, y sin modificar la viscosidad del betún ni sus características empíricas y reológicas actúan en la interfase betún/áridos aumentado la fluidez de la mezcla. En general la incorporación en el betún de estos productos es fácil, lográndose con una pequeña agitación o incluso diluyendo en línea durante la carga de cisternas. Hay otros aditivos compuestos por mezclas de ceras parafínicas sintéticas, resinas de hidrocarburos, polímeros termoplásticos e inhibidores de oxidación de los denominados químicos que sí modifican la viscosidad del betún lo que nos permite poder manejar éste a menor temperatura, permitiendo la compactación de la mezcla incluso por debajo de los 100ºC. También es posible incorporar estos aditivos por vía seca con un equipo móvil de dosificación automático en la planta asfáltica. Otros productos con los que es posible reducir la viscosidad del betún son las Ceras. Dentro de éstas hay diferentes tipos: Naturales, parafínicas, no parafínicas 100 % sintéticas, no parafínicas parcialmente sintéticas, amidas de ácidos grasos, de polietileno, etc.

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Con ellas conseguimos bajar la viscosidad del ligante y por tanto la temperatura durante el proceso de mezclado y compactación unos 20ºC, manteniendo la viscosidad original a temperatura de servicio.

En el gráfico nº 1 se puede apreciar la disminución de la viscosidad del betún con aditivo respecto a un B 60/70 convencional. Se observa que a partir de 90ºC hay un cambio de tendencia en la curva de viscosidad, gracias al cual podemos trabajar la mezcla a temperaturas más bajas b) Ventajas medioambientales de las Mezclas Semicalientes Dependiendo de los tipos de aditivos utilizados podemos horquillar algunos valores de ahorro energético y disminución de emisiones entre los siguientes: 160ºC – 175ºC

100ºC – 130ºC

Mezcla Caliente

Mezcla Semicaliente

Temperatura de gases ºC

66,0

50,0

- 25 %

CO2

2,12

1,59

-20 %, -25 %

NOx

26,8

21,5

-15 %, -25 %

CO

217,0

152,0

-25 %, -30 %

SO2 Polvo (mg/m3) cubierto

-15 %, -20 % 168

COV

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Diferencia

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-80 %, -90 % -18 %, -22 %

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Según el cuadro anterior se aprecia un ahorro importante de energía y una disminución considerable no sólo de las emisiones de gases sino también del polvo generado en la planta. c) Estudio de las Mezclas Semicalientes Secas en el laboratorio Los ensayos para el diseño de estas mezcla en el laboratorio serán los mismos que los utilizados para las mezclas convencionales: Sensibilidad al agua, Deformaciones plásticas, huecos, densidades, etc. Habrá que tener en cuenta a la hora de fabricar las probetas la temperatura recomendada de fabricación y compactación para acercarse lo más posible a las condiciones de obra. La compactadota Giratoria nos da una buena información de la compacidad alcanzada según los ciclos y las temperaturas de compactación. Los resultados deben ser, como mínimo, similares a los obtenidos con los betunes convencionales a las temperaturas habituales, 160ºC, de fabricación. En este tipo de mezclas y como consecuencia de la variación de la viscosidad, en algunos casos, del betún aditivado y, por tanto de su manejabilidad las probetas Marshall deben fabricarse a diferentes temperaturas de mezclado y compactación con la curva teórica obtenida en el laboratorio y el % de betún necesario. d) Fabricación y puesta en obra de las mezcla Semicalientes Secas Una vez realizado el estudio en el laboratorio se debe poner a punto la planta para adaptar los quemadores a la temperatura que queramos calentar los áridos que será la temperatura final, aproximada, de la mezcla. Los aditivos deben incorporarse al betún, preferentemente, en los puntos distribuidores para que la disolución sea homogénea. El transporte a obra se realiza en transporte convencional a la temperatura que recomienda el fabricante

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La maquinaría utilizada en la compactación es la convencional con rodillo metálico con vibración en ambos rodillos y un compactador de neumáticos. En el extendido en obra se comprobará en un tramo de ensayo previo, la temperatura mínima a la que podemos compactar para conseguir unas características de mezcla de acuerdo con lo obtenido en el laboratorio en cuanto a % de huecos y densidades. Se debe hacer un control de calidad, lo más exhaustivo posible sobre todo en las primeras obras siendo conveniente realizar ensayos y comprobaciones de: •

Temperatura de mezclado en planta

•

% de ligante, granulometría y huecos

•

Módulo, fatiga, deformaciones plásticas

•

Recuperación de ligante para ver cómo queda tras el extendido

•

Evolución de la temperatura de compactación y de las densidades in situ

•

Extracción de testigo para su estudio

e) Mezclas Semicalientes mediante la adición de pequeñas cantidades de agua (Húmedas) Existe un grupo de mezclas semicalientes, que emplean para reducir la temperatura de fabricación y extensión, pequeñas cantidades de agua en su composición. Se diferencian así de las mezclas Semicalientes secas, que no contienen en su composición y agua, y de las mezclas templadas, que emplean en su composición emulsión bituminosa. Las mismas el autor ha tenido a bien dejarlas en un apartado, debido a que la mayoría de estás técnicas corresponden a técnicas patentadas, especialmente de origen francés. •

Mediante el empleo de fílleres hidrofílicos:

Aunque no es el único, el más difundido es la zeolita (aluminosilicato). Su uso es conocido desde mediados de los 90 en Alemania. Actualmente las zeolitas sintéticas más conocidas son las denominadas Aspha-min, que emplea Eurovía y advera de PQ Corporation

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Esta zeolita sintética contiene en su forma cristalina alrededor de un 20-25% de agua, por lo que al añadirse en pequeñas proporciones, 0,3% s/a a los áridos calientes alrededor de 130º, justo antes del proceso de envuelta, liberan el agua en forma de vapor. Se produce pues un efecto de espumado, aumentando el volumen del ligante, lo que permite la envuelta a temperaturas más bajas de las habituales. Con este sistema conseguimos reducir la temperatura de aplicación de la mezcla entre 20º-30ºC, lo que puede suponer un ahorro de 1 a 3 litros de fuel por tonelada de mezcla, lo que puede representar un 20-30% del consumo total de una mezcla a 160ºC. •

Mediante la incorporación de áridos húmedos al mezclador

El método más difundido es el de mezclado secuencial con espumación inducida mediante el empleo de áridos húmedos. Este procedimiento es conocido como LEA (Low Energy Asphalt), y está patentado por por el grupo francés Appia-Eiffage. A su vez, este método tiene tres versiones diferentes. El método EBE, la primera variante del LEA, consiste en secar y calentar a unos 140º los áridos gruesos y parte de las arenas. A continuación se envuelven con todo el betún que se inyecta a 170º. Posteriormente se añade el resto de la fracción fina, fría y humedad, induciéndose la espumación que facilita la envuelta de la arena fría llegándose a una temperatura final de unos 100ºC y manteniendo la mezcla una humedad residual que facilita la manejabilidad necesaria para la puesta en obra. Otra variante de este método es el EBT, en el que se calienta todo el árido hasta los 100º, lo que supone que no está totalmente seco. No obstante puede incorporarse agua para llevar el sistema a una humedad del orden de 1-1,5%, que asegure la posterior espumación. A continuación se introduce el betún a 170º y se forma la espuma que permite la envuelta. La mezcla producida termina a unos 95º y manteniendo la mezcla una humedad residual que facilita la manejabilidad necesaria para la puesta en obra. Para finalizar este grupo de técnicas, el EBT-2, se trata de una variante de la anterior, que seca los áridos gruesos y parte de la arena hasta unos 130-º50º. A continuación se introduce la arena húmeda de forma que la mezcla se sitúa a unos 100º. Se incorpora el betún a 170º, formándose la espuma que permite la envuelta. En principio estos sistemas pueden ser utilizados en cualquier tipo de planta, continua o discontinua, a las que deberá adaptarse una línea para la introducción del agua. No obstante, debe tenerse en cuenta que para ellos, es preciso poder regular los quemadores para poder ajustar las temperaturas de

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los áridos bastante por debajo de las temperaturas habituales de trabajo. La temperatura final de la mezcla es inferior a 100ºC y presenta un aspecto similar a una mezcla en caliente convencional pero sin emisión de humo.

CURIOSIDADES A destacar la buena trabajabilidad de estas mezclas en el extendido y sobre todo en la formación de las juntas, uno de los aspectos más críticos en la ejecución de firmes bituminosos. La energía de compactación será algo superior a la convencional para lograr expulsar el agua residual. Se consigue con un aumento de pasadas con el compactador de neumáticos. Al terminar su puesta en obra, las mezclas tienen características mecánicas cercanas a sus valores definitivos, y su humedad residual es inferior a 0,5% •

Incorporación directa de espuma betún

Se trata de una técnica antigua, en torno a los años 50, bastante actualizada en algunos países como Sudáfrica y Canadá, pero que en Europa, y más concretamente en España es una técnica que continúa casi en un período de experimentación. La espuma es otra posibilidad que tenemos de aplicar un betún en carretera a temperaturas más bajas de las usuales a las que aplicamos las mezclas en caliente, y que hasta ahora se ha utilizado preferiblemente en reciclado de firmes y en estabilizaciones de suelos, en sistemas que podríamos considerar mezclas en frío El proceso de espumación es aparentemente simple y se produce al inyectar a presión, agua en cantidades pequeñas, aproximadamente el 2% en el betún caliente. A la salida del conducto, el betún se expansiona aumentando su volumen unas 15 veces, produciéndose la espumación

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de éste con la que fácilmente se consigue envolver los áridos. La efectividad del proceso de espumación se valora a través de 3 parámetros: la tasa de expansión máxima, que corresponde a la máxima expansión volumétrica, la relación de expansión, que es la relación existente entre el volumen máximo alcanzado por la espuma y el inicial del betún después de un tiempo definido, y por último la vida media, que es el tiempo en segundos que tarda la espuma en perder el 50% del volumen máximo alcanzado. Valores típicos de este último parámetro suele estar entre los 40-60 gs. Mide la estabilidad de la espuma. Estos parámetros se verán influenciados por la naturaleza del betún (parece que funcionan mejor los nafténicos y parafínicos), la temperatura de este durante el proceso, el porcentaje de agua añadida y los aditivos eventualmente utilizados en agua y/o betún. Cuanto mayor sea el tiempo de expansión, conseguiremos que la mezcla con los áridos sea mejor.

CURIOSIDADES Se ha podido ver que la adición de cal hidratada o de cemento mejora considerablemente la resistencia al agua de estas mezclas fabricadas con espuma betún

2.4.

DESCRIPCIÓN DE LAS MEZCLAS TEMPLADAS

Como ya se ha indicado, estamos ante procedimientos en los que las mezclas se producen sin llegar a calentar los áridos por encima de los 100º y que se colocan en obra, normalmente entre los 60º y 90ºC. En este caso, no existe una variedad de soluciones tan amplia como en el caso de mezclas semicalientes, y de hecho la experiencia española se concentra en las mezclas templadas en las que el ligante empleado es una emulsión. Así, podríamos diferenciar las mezclas templadas de las mezclas semicalientes húmedas en las que para las primeras es necesario que el ligante empleado sea emulsión bituminosa, y en las segundas pequeñas aportaciones de agua. Establecer la diferenciación de ambos tipos de mezclas por la temperatura de los áridos, a priori parece arriesgada, debido a que hay que hacer una clara diferenciación, entre las mezclas templadas de granulometría abierta y las mezclas templadas con granulometría cerrada, uno de los grandes retos de la industria de fabricación de mezclas asfálticas. Este último tipo de mezclas, aspiraría a mejorar los inconvenientes de puesta en servicio de las mezclas

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tradicionales en frío, es decir, mejoraría ostensiblemente los tiempos de curado respecto a aquellas, e igualmente tendrían las buenas características d e módulo que se les requiere a las mezclas en caliente. Para ello es necesario el empleo de emulsiones especiales, de alta concentración de betún y de penetración del betún residual reducida. Este tipo de emulsiones requieren procesos de fabricación específicos, y un alto conocimiento de las tecnologías de fabricación de emulsiones, que como vimos en el Tema 3 Emulsiones bituminosas, es un proceso complejo en el que interviene la química decisivamente. Las temperaturas que requieren los áridos para este tipo de mezclas templadas cerradas, en algunos casos pudiera situarse por encima de los 100º, para asegurar una correcta envuelta con los áridos. Es por ello, que considerar como único elemento de discriminación la temperatura de los áridos para diferenciar mezclas templadas de mezclas semicalientes, especialmente las húmedas, quizá no sea lo más adecuado. Haciendo un poco de historia, las mezclas templadas con emulsión bituminosa son mezclas que se empezaron a utilizar en los años 80 en algunas zonas geográficas especialmente húmedas para paliar los problemas de curado de las mezclas abiertas en frío y para la reparación de mezclas drenantes en caliente. Se obtienen realizando la envuelta en una planta convencional de caliente, con áridos a una temperatura entre 85º-110º, y una emulsión bituminosa como ligante. El objetivo es conseguir de una forma fácil y sin modificaciones en la planta, una mezcla que compagine como hemos dicho, parte de las ventajas de las mezclas en frío y de las mezclas en caliente. •

De las mezclas en caliente

Poder fabricarse en las planta en caliente con un mayor control de las dosificaciones que en las plantas de mezclas en frío. Lograr una cohesión inicial importante disminuyendo los tiempos de maduración gracias al diseño específico de la emulsión. Conseguir envueltas al 100% como consecuencia de la temperatura de fabricación y mayor limpieza de los áridos. Alcanzar mezclas con unas características mecánicas prácticamente idénticas al ensayo Cantabro para las mezclas drenantes y en el módulo dinámico para reciclados y mezclas cerradas.

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•

De las mezclas en frío

Disponer de mezclas más flexibles y considerar sus almacenabilidad Disminuir el consumo de combustible en la fabricación de la mezcla Reducir considerablemente las emisiones de gases a la atmósfera. El proceso en principio no precisa de ninguna modificación en la planta de aglomerado en caliente. Sí tendrá que añadirse un tanque para la emulsión, preferiblemente calorifugado para mantener a cierta temperatura la emulsión en caso de almacenarse la misma. También será necesaria una manguera desde dicho tanque al mezclador, con la única precaución que la emulsión no debe pasar por ningún conducto de la planta calorifugado a la temperatura del betún (>100º) A diferencia de las mezclas en frío, la rotura de la emulsión se produce en el interior del mezclador al contacto con los áridos calientes. La manejabilidad queda garantizada por la baja viscosidad del ligante respecto a una mezcla en caliente y una cierta humedad residual de la mezcla. Como hemos comentado, hay que hacer una división de este tipo de mezclas templadas, en mezclas templadas abiertas y mezclas templadas cerradas. Más allá de que como hemos visto en esta unidad, la granulometría condiciona la funcionalidad de la mezcla, la tecnología asociada a unas u otras es completamente diferente, así como su fabricación y puesta en obra. a) Mezclas abiertas templadas El huso granulométrico más utilizado es el que correspondería, aproximadamente con el PA-11, aunque también se han empleado granulometrías correspondientes a los antiguos AF-10 y AF-12, incrementando ligeramente el cernido por el tamiz 2 mm. En cuanto al ligante se trata habitualmente de emulsiones de rotura media, siendo adecuado la modificación de la misma Para su diseño en laboratorio, además de los ensayos típicos para las mezclas en frío, los combinaremos con los ensayos típicos de las mezclas drenantes, realizándose las pérdidas en húmedo y en seco tras el ensayo cántabro después de un proceso de curado en estufa 48 h a 75ºC y, de no producirse escurrimiento, continuar el curado durante 5 días a 90ºC, y posteriormente

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dejándolas enfriar antes de romper en el Cántabro. Las pérdidas no deben ser superior a 20% en seco y a 30% tras inmersión. Los contenidos de emulsión habituales para este tipo de mezclas se sitúan entre el 6,5 y el 7%. b) Mezclas templadas cerradas Hasta fechas muy recientes, no se han empezado a valorar muy a fondo las posibilidades de esta técnica con granulometrías cerradas. La tendencia ha sido emplear granulometrías del tipo S con una emulsión sin fluidificantes que no condicionara la compactación y las primeras horas de servicio de la mezcla. Desde el punto de vista operacional, como hemos referido en el presente capítulo, las dos tendencias son: •

Calentar el árido por debajo de los 100º

•

Calentar el árido por encima de los 100º

En el primer caso, efectivamente se tratará de una mezcla templada ya que la mezcla saldrá por debajo de 100º. En el segundo caso, con el árido a 110º120º, y una emulsión a 70º-80º, la mezcla saldrá necesariamente por encima de los 100º, produciéndose una espumación encubierta con el agua de la emulsión parecida a los sistemas semicalientes con aportación de pequeñas cantidades de agua o húmedos. Más allá de la denominación de las técnicas, que requerirá de la supervisión de las instancias técnicas de las administraciones responsables de carreteras, lo fundamental para el alumno será conocer la existencia de estas técnicas, como se desarrollan y como se aplican Con estas mezclas, la temperatura de extendido debe ser siempre superior a los 60ºC para garantizar su manejabilidad. Aquí la fórmula de trabajo deberá contemplar la granulometría de la mezcla, el porcentaje de la emulsión, estabilidad Marshall, porcentaje de huecos, densidad y las deformaciones plásticas. En la fabricación de estas mezclas se están detectando inconvenientes, próximos a resolverse. Estos inconvenientes fundamentalmente se basan en contar con mecheros que trabajen a bajos regímenes de calentamiento, elementos de los que no todas las plantas de mezclas en caliente disponen. Adicionalmente, un punto crítico

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de la fabricación de estas mezclas, consiste en la extracción de la totalidad del fíller de recuperación. La posible humedad de las arenas y las bajas temperaturas de trabajo, no permiten que este proceso clave en la calidad de las mezclas bituminosas de una manera controlada, que condiciona posteriormente la relación fíller/betún, así como un posible deterioro de los filtros de mangas por humedad en obras de gran envergadura, si no se dan las necesarias condiciones conservación y mantenimiento. Estos inconvenientes, han quedado resueltos por el diseño de plantas específicas para la fabricación de estas mezclas, aunque se trabaja en el desarrollo de modificaciones en las plantas convencionales en caliente que minimicen estos efectos, dada la enorme acogida y futuro con el que cuentan estas mezclas. En dicho sentido, hay que destacar la puesta en marcha en el merado de mezclas bituminosas, por parte de la empresa General de Estudios S.L. ha sido pionera, con la colaboración de las empresas de fabricación y distribución de plantas Framepasa y EMSA, y con el apoyo de la Junta de Andalucía integrando el desarrollo de las mismas en el Proyecto MAT+

Planta de fabricación específica de mezclas templadas abiertas y cerradas. Propietario GENERAL DE ESTUDIOS S.L.

c) Otros sistemas de mezclas templadas Además de la experiencia española descrita sobre las mezclas templadas con emulsiones, podemos encontrar otros desarrollos. El primero de ellos, muy similar a lo mencionado, es el procedimiento ECOMAC, desarrollado por SCREG. Consiste en el calentamiento hasta 50-60º de una mezcla previamente fabricada en frío. El sistema requiere un consumo muy bajo de energía.

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Otro desarrollo es el procedimiento LEAB, empleado fundamentalmente en Holanda para reciclados hasta 50% de RAP (material procedente del fresado de carreteras envejecidas). Se emplea en planas continuas donde los áridos vírgenes se calientan hasta los 95º, se incorporan por el anillo el RAP que se ha calentado separadamente hasta unos 110ºC y finalmente se incorpora al betún, al que instantes antes se le ha añadido un aditivo para mejorar la envuelta, facilitar la espumación y mejorar la trabajabilidad de la mezcla. Finalmente es preciso comentar que existen desarrollos a caballo entre las mezclas semicalientes y las templadas en las que los áridos se calientan a 100ºC. Uno de ellos sería el proceso LEA EBT del grupo APPIA que ya hemos comentado y otro el procedimiento EVOTHERM, desarrollado por la compañía WESTVACO que utiliza como ligante una emulsión modificada bifásica con alta concentración de betún, en torno al 70%, el cual lleva un paquete de tensoactivos para facilitar la envuelta a baja temperatura y aumentar la trabajabilidad. La mezcla se fabrica en una planta en caliente calentando áridos a 120-130º. Se produce una evaporación del agua para la cual hay que prever un sistema de salida. La mezcla puede compactarse hasta los 75ºC y se consiguen reducciones de energía del orden del 50% y de emisiones por encima del 60%

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3. MEZCLAS ESPECIALES ANTIFISURAS. MEZCLAS SMA Si bien en el Tema 16 Deterioro en firmes bituminosos y conservación, analizaremos más específicamente unos de los mayores problemas de los firmes bituminosos como es el de la fisuración, abordaremos inicialmente este campo en este capítulo con la aparición de mezclas bituminosas encaminadas a resolver parcialmente o minimizar este pernicioso efecto para las carreras como es el de la fisuración no controlada. La fisuración de un firme puede ser tanto un síntoma de su deterioro como también causa del mismo. En efecto, cuando un firme empieza a perder su capacidad portante y se inicia el agotamiento por fatiga de alguna de sus capas, una de las primeras manifestaciones de ello es la aparición de una cierta fisuración en la superficie del firme, generalmente son grietas producidas en alguna de las capas inferiores que se han reflejado en la capa de rodadura. Esta fisuración crece de manera progresiva con el paso del tráfico. En este caso es necesario iniciar una actuación de rehabilitación del firme de acuerdo con los criterios recogidos normalmente en una Norma de Rehabilitación de Firmes. En España existe una Norma de ámbito nacional, aplicable en principio a las carreteras de la Red del Estado, que es la Norma 6.3 IC sobre rehabilitación de firmes. Existen documentos similares en algunas Comunidades Autónomas de aplicación en el ámbito de sus carreteras que tienen en cuenta las características y materiales propios de la zona. Respecto a la Norma 6.3 IC establece unos criterios para evaluar el estado del firme (determinación de la deflexión de cálculo) y en función de la categoría de tráfico pesado define unos espesores mínimos de refuerzo con mezcla bituminosa para los firmes flexibles, semiflexibles y semirrígidos. En el caso de los pavimentos de hormigón, entre las opciones de rehabilitación esta la utilización de mezcla bituminosa para su recrecido. En este caso exige la adopción de las medidas necesarias para evitar la aparición de grietas de reflexión en la superficie., limitando los movimientos verticales y horizontales de las juntas y de las grietas. El control de los movimientos verticales se puede realizar en losas aisladas mediante inyección de lechadas bajo ellas o, cuando es generalizado, mediante la rotura controlada y asentamiento del firme existente. Los movimientos horizontales existen siempre y son producidos por los cambios de temperatura ambiente. Para su control se puede utilizar la técnica

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de la rotura controlada y asentamiento del firme existente o bien utilizando alguno de los denominados sistemas antirreflexión de fisuras. Los espesores de recrecidos mínimos son los siguientes

La Norma indica que los espesores exigidos para los tráficos tipo T32 y T4 pueden ser insuficientes para evitar la reflexión de grietas a la capa de rodadura durante la vida útil del firme. En ocasiones la fisuración aparece no por agotamiento del firme sino como reflejo de la juntas y grietas existentes en las capas inferiores tratadas con conglomerantes hidráulicos (suelo cemento, grava cemento, hormigón magro, etc.). Estas grietas se reflejan a través de las distintas capas bituminosas que se encuentran por encima de la capa tratada y llegan hasta la capa de rodadura. A través de estas grietas empieza a entrar agua en el firme, que ha perdido su impermeabilidad inicial, y se produce un deterioro progresivo y rápido de las capas inferiores que pierden su capacidad portante y se alcanza rápidamente el agotamiento del firme. Así pues, la utilización de capas de base tratadas con conglomerantes hidráulicos produce unos firmes con una elevada capacidad portante y con un coste relativamente bajo respecto a otras técnicas de pavimentación de resultados análogos. El problema que presentan es la aparición de una fisuración por retracción, tanto de fraguado como térmica, que puede reflejarse en las capas superiores, incluso hasta la capa de rodadura, produciendo dos efectos indeseables: perdida de la impermeabilidad del firme e incomodidad para la rodadura de los usuarios. Es bien conocido que el uso de cualquier aglomerado asfáltico que contenga un elevado contenido de ligante le confiere al pavimento dos mejoras importantes: una mayor durabilidad y una mayor flexibilidad. La mayor

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durabilidad se produce porque al tener un contenido mayor de ligante, cada partícula de árido esta recubierta por una película del mismo más gruesa, que la mantiene íntimamente unida por mas tiempo a la matriz asfáltica y hace que la mezcla bituminosa sea mucho mas resistente a los agentes y condiciones adversos que afectan a la vida del pavimento: una película de mayor espesor de ligante ofrecerá mayor resistencia a los agentes externos que otra de menor espesor y recubrimiento. Existen numerosos estudios que concluyen en garantizar que la vida útil de las mezclas depende fundamentalmente del espesor de la película de ligante, repercutiendo directamente con un significativo menor coste económico por años de uso y por tanto de menores intervenciones de conservación necesarias. La mayor flexibilidad puede ser negativa para la capacidad portante del firme, pero mejora sensiblemente el comportamiento anti reflexión de grietas de las capas inferiores y mejora el comportamiento a fatiga de la capa formada por este tipo de mezcla. Han existido y existen, numerosas iniciativas para evaluar el problema, y así diseñar las mezclas y/o sistemas más adecuados para minimizar el mismo. En el presente capítulo, nos centraremos en las mezclas SMA o Stone Mastic Asphalt. Las mismas no están especificadas aún a nivel de España, pero son de gran empleo en Europa. Estas mezclas, relacionadas con su capacidad para resistir a la fisuración, están siendo estudiadas en un proyecto de investigación cuyo consorcio está integrado por 3 empresas, REPSOL, ELSAN-OHL Y RETTENMAIER, cuyas claves del trabajo se expondrán a continuación 3.1.

MEZCLAS SMA (STONE MASTIC ASPHALT)

La familia de las mezclas bituminosas tipo SMA (Stone Mastic Asphalt) recogidas en la Norma UNE EN 13108-5 se caracterizan por permitir un mayor contenido de ligante que las mezclas convencionales de la familia de los Hormigones Bituminosos, tipo AC (Norma UNE EN 13108-1) y que las mezclas de granulometría discontinua, de la familia BBTM (Norma UNE EN 13108-2). Como gran diferencial sobre el resto de mezclas, destacar que SMA permite una dosificación discontinua con áridos de alta calidad, formando un esqueleto mineral que aporta suficiente estabilidad mecánica por fricción interna, unido a un elevado contenido de ligante (valor orientativo mínimo del 6,50% s/m, normal o modificado) y de reducido contenido de huecos facilitando su función impermeable. Para facilitar este alto contenido de ligante sin riesgo de deformaciones plásticas y sin escurrimiento, es indispensable utilizar estabilizadores del tipo de las fibras de celulosa.

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La vida útil de este tipo de mezclas bituminosas, según diversos estudios realizados, es aproximadamente un 50% mayor que la de las mezclas convencionales (tipo AC) y hasta un 100% mas que la de las mezclas tipo PA (porosas) y BBTM 3.2.

PROYECTO R.E.R.

a) Descripción Las Empresas REPSOL S.A., RETTENMAIER IBERICA S.L. y ELSAN S.A., han realizado un trabajo de investigación cuyo objetivo ha sido el diseño y puesta a punto de mezclas bituminosas en caliente de la familia de las SMA (Norma UNE EN 13108-5) con una elevado dotación de ligante, utilizando un betún modificado de altas prestaciones o de alta viscosidad (ver tema 4 ligantes especiales) y con la incorporación de fibras de celulosa, que presenten una elevada flexibilidad, de manera que permitan retrasar la reflexión de grietas de retracción de las capas inferiores y que alarguen sensiblemente la vida útil del firme con ellas construido. Se diseñan, inicialmente, dos mezclas que respondan a las características siguientes: •

Mezclas tipo SMA con un contenido bajo de huecos en mezcla, entre el 3 y 6%, con tamaño máximo del árido de 22 milímetros, para ser utilizadas en capas de base o intermedias.

•

Mezclas tipo SMA con un contenido de huecos en mezcla entre el 6 y el 8%, con tamaño máximo del árido de 11 milímetros, para ser utilizadas en capa de rodadura. En el desarrollo del trabajo de investigación se ha acordado diseñar también una mezcla fina para ser utilizada en capas de base o intermedia.

El trabajo se ha estructurado en las fases siguientes:

22

•

Selección y caracterización de los materiales a utilizar.

•

Definición de los tipos de mezclas SMA y de las características que deberán cumplir.

•

Diseño teórico de las mezclas.

•

Ensayos de caracterización de las mismas. Se realizan, en principio, los ensayos siguientes:

•

Calculo de densidad y huecos (UNE EN 12697-6 y 12697-8).

•

Ensayo Marshall (UNE EN 12697-34).

•

Ensayo de escurrimiento (UNE EN 12697-18, método Schellenberg y método de la cesta).

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•

Sensibilidad al agua (UNE EN 12697-12) .

•

Deformación en pista (UNE EN 12697-22).

•

Rigidez (UNE EN 12697-26, anexo C).

•

Fatiga (UNE EN 12697-24).

•

Evaluación de la resistencia a la reflexión de grietas. Definición y puesta a punto de un nuevo ensayo de fisuración que permita evaluar el comportamiento tanto de una sola mezcla como de varias capas juntas formadas por diferentes mezclas bituminosas.

b) Materiales utilizados ARIDO Como árido grueso se han utilizado las fracciones 5/12 y 12/20 de una milonita procedente de Almonacid (Toledo), que presenta un Desgaste Los Ángeles de 12 y un valor del CPA entre 53 y 57. Como árido fino se ha utilizado una arena 0/2 caliza y como polvo mineral un fíller calizo de aportación. LIGANTE Como ligante se va a utilizar un betún suministrado por REPSOL S.A. que responde a la denominación BM-3f y cuyas características (según Normas NLT y Normas UNE) son las siguientes •

BM-3f MÉTODO ENSAYO

NORMA NLT

RESULTADO

ESPECIFICACIÓN FICHA COMERCIAL REPSOL* Mín.

Máx. 70

Penetración, 1/10 mm

124

67

55

Punto de reblandecimiento en agua, °C

125

78,2

75

Ductilidad a 5 °C, cm.

126

36

30

Retorno elástico a 25 °C, %.

329

88

75

Estabilidad al almacenamiento a 165 °C:

328

Diferencia de penetraciones,1/10mm

124

6

10

Diferencia de Anillo y Bola, °C.

125

3,2

5

1,0

ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE PELÍCULA FINA A 163 °C:

23

Variación de masa, %.

185

-0,06

Penetración retenida, % P.O.

124

67

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MÉTODO ENSAYO

NORMA NLT

RESULTADO

ESPECIFICACIÓN FICHA COMERCIAL REPSOL*

Variación del Anillo y Bola, °C.

125

9

-5

Ductilidad a 5 °C, cm.

126

20

15

+10

*Excepto las especificaciones indicadas en el ensayo de ductilidad antes y después del envejecimiento TFOT son las especificadas actualmente en el PG-3 para el BM-3c.

MÉTODO ENSAYO

NORMA UNE

RESULTADO

ESPECIFICACIÓN FICHA COMERCIAL REPSOL* Mín.

Máx. 70

Penetración, 1/10mm.

1426

67

55

Punto de reblandecimiento en agua, °C.

1427

77,6

75

Cohesión fuerza ductilidad a 5 °C, J/cm2.

13589

5,9

3

Retorno elástico a 25 °C, %.

13398

92

75

Estabilidad al almacenamiento a 165 °C:

13399

Diferencia de penetraciones,1/10mm.

1426

4

10

Diferencia de Anillo y Bola, °C.

1427

1,0

5

1,0

ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE PELÍCULA FINA Y ROTATORIA A 163 °C:

Variación de masa, %.

12607-1

-0,03

Penetración retenida, % P.O.

1426

68

60

Variación del Anillo y Bola, °C

1427

7

-5

+10

2157

-

-

1123

-

-

548

-

-

135ºC Viscosidad dinámica, mPa·s

150ºC 170ºC

13302

FIBRA Se ha utilizado una fibra de celulosa suministrada por la Empresa Rettenmaier Ibérica S.L. que se corresponde con la que distribuyen con la denominación comercial VIATOP PREMIUN. c) Mezclas diseñadas y caracterización de las mismas A partir de las granulometrías de los áridos utilizados y con el ligante y la fibra previstos, se han diseñado las tres mezclas siguientes:

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•

MEZCLA SMA 16 (BASE)

La dotación de materiales y la curva granulométrica son las siguientes

(*) Porcentaje calculado sobre el peso total de áridos

Con una dotación de ligante del 7% en peso de árido, se han realizado todos los ensayos de caracterización de la mezcla, obteniéndose los resultados que se recogen en el cuadro siguiente:

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•

MEZCLA SMA 11 (RODADURA)

La dotación de materiales y la curva granulométrica son las siguientes:

(*) Porcentaje calculado sobre el peso total de áridos

Con una dotación de ligante del 8% en peso de árido, se han realizado todos los ensayos de caracterización de la mezcla, obteniéndose los resultados que se recogen en el cuadro siguiente:

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FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

•

MEZCLA SMA 11 (INTERMEDIA)

La dotación de materiales y la curva granulométrica son las siguientes:

(*) Porcentaje calculado sobre el peso total de áridos

Con una dotación de ligante del 7,5% en peso de árido, se han realizado todos los ensayos de caracterización de la mezcla, obteniéndose los resultados que se recogen en el cuadro siguiente:

Por ultimo, sobre las tres mezclas diseñadas y estudiadas, se han realizado ensayos de fatiga a 4 puntos, según la UNE EN 12697-24, a 20ºC y 30 Hz.

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Los valores obtenidos para la deformación a un millón de ciclos y las correspondientes rectas de regresión que relacionan logarítmicamente el número de ciclos y la deformación son los siguientes:

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MEZCLA

µ6 (µm)

SMA 16 BASE

314

SMA 11 BIN

457

SMA 11 SURF

498

RECTA DE REGRESION

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PARA REFLEXIONAR Así pues, son mezclas con unos módulos de rigidez bajos comparados con las mezclas bituminosas en caliente convencionales (tipo AC según la UNE EN 13108-1) pero con un extraordinario comportamiento a fatiga

3.3.

ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA FISURACION

El ultimo paso del trabajo de investigación consiste en comprobar el comportamiento que estas mezclas presentan formando parte de las capas de un firme y su comportamiento antirreflexión de grietas existentes en las capas inferiores del mismo, tratadas con conglomerantes hidráulicos. Existen varios ensayos que evalúan el comportamiento de una capa de mezcla bituminosa en cuanto a impedir o retrasar el reflejo de una fisura, situada en su cara inferior, a la cara superior de la misma. La mayoría de estos ensayos evalúan de distintas maneras y en condiciones diferentes, el comportamiento de una probeta de una mezcla bituminosa, que se esta ensayando, para evitar o retrasar la reflexión de una grieta existente en la citada probeta. Es muy conocido y de reconocida solvencia el ensayo que desde 1987 desarrolla el LCPC francés en el Laboratorio de Autun. En este caso ensaya una probeta formada por una capa del procedimiento anti remonte de fisura que se esta estudiando y una capa de mezcla bituminosa en caliente patrón del tipo BBSG 0/10 de la antigua terminología francesa. El esquema del ensayo es el siguiente:

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En España recientemente y dentro del Proyecto Fénix de investigación, se ha puesto a punto el denominado Ensayo Fénix para la evaluación de la resistencia a la fisuración en mezclas bituminosas. El procedimiento del ensayo consiste en someter a media probeta cilíndrica, fabricada con el procedimiento Marshall o con el compactador giratorio, con una fisura inducida de 6 mm. de longitud, a un esfuerzo de tracción con una velocidad de desplazamiento constante de 1mm./minuto. El ensayo se realiza a una temperatura determinada. Este ensayo también evalúa la resistencia a la fisuración de una mezcla determinada

FIGURA SACADA DE LA COMUNICACIÓN Nº 23 PRESENTADA EN LA IV JORNADA NACIONAL DE ASEFMA POR GONZALO VALDÉS, RAMÓN BOTELLA Y FÉLIX PÉREZ.

Por ultimo, se esta poniendo a punto una norma europea que una vez adoptada en España será la UNE EN 12697-44 para evaluar la resistencia a la propagación de una grieta en una mezcla bituminosa. En principio trabaja también sobre media probeta y nuevamente evalúa solo el comportamiento de una mezcla determinada.

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Ante esta situación, en el trabajo de investigación se ha planteado la necesidad de desarrollar un nuevo ensayo, que permita evaluar el comportamiento de resistencia a la fisuración tanto de una capa de mezcla única como de un conjunto de capas que forman habitualmente la parte bituminosa del firme. El objetivo de este ensayo es poder comparar el comportamiento de distintas secciones de firme bituminoso ante la reflexión de grietas. Se han construido probetas formadas por las capas de mezclas convencionales necesarias para conseguir el espesor que, según la normativa vigente, es necesario construir para colocar sobre firmes que en sus capas inferiores presentan agrietamiento, por la existencia de capas con materiales tratados con conglomerantes hidráulicos o bien sobre antiguos pavimentos de hormigón envejecidos que es necesario rehabilitar. Por otro lado se han preparado probetas mediante capas formadas por las mezclas tipo SMA diseñadas en este proyecto de investigación, definiendo los espesores de las mismas que son necesarios para conseguir el mismo comportamiento, en cuanto a resistencia a la fisuración, que con la solución de la normativa vigente. Finalmente se valorará la reducción de espesor que se obtiene, sin olvidar la mejora que se obtiene, en cuanto a vida útil del firme, por el mejor comportamiento a fatiga de estas mezclas tipo SMA diseñadas. 3.4.

ENSAYO RER

Al inicio del Proyecto de Investigación y una vez definidas las características que debería reunir el ensayo que se quería poner a punto, se solicitó la colaboración de la Empresa Mecánica Científica S.A., especialista en el diseño de equipos de ensayo para mezclas bituminosas. A principio de 2010 el dispositivo estaba ya diseñado y construido y se inició el proceso de calibración, ajuste y definición de su forma de funcionamiento. El dispositivo puede situarse dentro de una cámara climática como la que se utiliza para los ensayos de modulo de rigidez o de fatiga, lo que permite regular la temperatura de realización del ensayo.

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Actualmente se han iniciado los ensayos con este nuevo dispositivo y con el que realiza el ensayo recogido en la Norma UNE EN 12697-44 (en vías de aprobación definitiva). Los resultados serán objeto de una próxima comunicación una vez se disponga de todos los resultados finales 3.5.

OTRAS MEZCLAS RESISTENTES A LA FISURACIÓN. LA ARENABETÚN

Existe otro grupo de mezclas resistentes a la fisuración, algo más especiales, en lo relativo a su concepción. Un procedimiento sencillo consiste en la colocación de una capa delgada (1,5-2,5 cm) de una mezcla muy fina tipo arena-betún sobre la superficie fisurada y recubrirla con otra mezcla para rodadura

Esquema de una capa de arena-betun

Concentracion de tensiones Recrecido asfáltico

Arena-betun: * Ligante: BM4 (9,5-11% s/arido)

Soporte fisurado

Arena-betun

* Arido: arena 0/3 o 0/5 * Espesor: 1,5-2 cm.

El tipo de betún utilizado debe presentar unas características muy buenas desde el punto de vista se su elasticidad y su capacidad de recuperación para soportar las importantes deformaciones que se producen en el contacto con la base fisurada y no ser excesivamente blando para evitar problemas de deformaciones. Suele ser habitual emplear el tipo BM-4. Este procedimiento es más eficaz en los casos de reparación que en los de firme de nueva construcción, es decir, cuando la arena-betún se coloca sobre una mezcla asfáltica y no sobre un material hidráulico. En la experiencia española esta técnica ha dado buenos resultados en los casos en los que la base hidráulica no presenta movimientos verticales significativos (hormigón con pasadores, p.e.) y los gradientes térmicos diarios y estacionales, responsables de los movimientos horizontales, no son extremos.

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4. MEZCLAS DE ALTO MÓDULO Si bien no hicimos referencia a los betunes llamados de alto módulo en el tema de ligantes especiales, sí lo hicimos cuando hablamos de los betunes convencionales, refiriéndonos a los mismos en base a su especificación de grado o penetración (13/22 en la antigua denominación española y 15/25 en la nueva denominación europea). Ello se debe, a que este tipo de betunes, son obtenidos sin ningún tipo de paquete de aditivos o componentes adicionales al betún, como pueda ser el caso de la fabricación de un betún modificado, o una emulsión, o cualquiera de los ligantes especiales que hemos visto durante el curso. La obtención de un betún de máxima dureza, sin tener que recurrir a la oxidación del mismo o la adición de aditivos que desagreguen los asfaltenos, requiere de la destilación de crudos específicos (o al menos una cesta de crudos adecuada), con requisitos de destilación bastante severos, condiciones que no siempre se dan en todas las refinerías. El empleo de un betún de alto módulo (15/25) en mezclas bituminosas, le aporta a la mezcla un módulo de rigidez mucho mayor que el que le conferiría a la mezcla un betún de mayor penetración o más blando. Constituyen las llamadas mezclas de alto módulo. Así las recoge la instrucción de carreteras del Ministerio de Fomento, cuando indica que: En las secciones cuyo espesor total de mezcla bituminosa en caliente según el catálogo sea igual o superior a 25 cm y cuya explanada sea de categoría E3 o E2, se podrá estudiar la posibilidad de emplear mezclas bituminosas de alto módulo (MAM) de las especificadas en el artículo 542 del PG-3, pudiendo reducirse como consecuencia el espesor de las capas de base. En síntesis, únicamente se podrá contemplar el mencionado empleo en las secciones denominadas 0031, 0032, 031, 121, 131 y 221. Las mezclas bituminosas de alto módulo se proyectarán exclusivamente en las capas de base (si bien el PG-3 amplía su empleo a capas intermedias),

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manteniéndose por tanto los espesores de la capa de rodadura y de la intermedia. La reducción del espesor como consecuencia del empleo de mezclas bituminosas de alto módulo deberá ser convenientemente justificada y en ningún caso será superior al veinte por ciento (20%) de dicho espesor. Si acudimos al referido articulo 542 de mezclas bituminosas, indica que para mezclas bituminosas de alto módulo, el tipo de ligante hidrocarbonado a emplear será un BM-1 en el caso de tráficos T00 y T0, y para los tráficos T1 y T2 el referido 15/25 (B13/22). Se introduce pues, un nuevo ligante que ya vimos en la unidad de betunes modificados, como es el BM-1, cuyo rango de penetraciones, se sitúa entre 1530. Sin duda, esta acertada decisión de la Dirección Técnica de la Dirección General de Carreteras del Mº de Fomento, obedece a que para las vías con mayores niveles de tráfico, la rigidez de las mezclas de alto módulo convencionales, pudieran afectar en exceso a la durabilidad del firme, y se obliga al empleo de betunes modificados duros para paliar este efecto. La flexibilidad que le aportará a la mezcla este tipo de ligante, irá sin duda en beneficio de la durabilidad del mismo. Según el propio artículo, para la formulación de las mezclas en caliente de alto módulo, se empleará el huso correspondiente a una AC 22 S (antigua S-20).

Este tipo de mezclas, podrán ir colocadas tanto en capa intermedia (inferior a la capa de rodadura) como en capa de base (inferior a la capa intermedia). Así, si es colocada en capa intermedia, deberá tener un espesor entre 6-10 cm con una dotación mínima de gigante de 4,5% s/m, y si va en capa de base tendrá entre 7-13 cm y una dotación mínima s/m de 4,75%, con las pertinentes correcciones si fuera necesario en función de la densidad del los áridos

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FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

Respecta a las características adicionales que el propio PG-3 en su artículo 542 solicita para estas mezclas. Hay que destacar, que el valor del módulo dinámico a 20ºC, según el anexo de la norma UNE-EN 12697-26 no debe ser inferior a 11.000 MPa, valor exactamente igual al solicitado con la anterior normativa y ensayo NLT correspondiente. Debido a las diferencias entre los ensayos NLT y UNE, este valor se está revisando. Respecto a la resistencia a fatiga, el mayor inconveniente de este tipo de mezclas, debido precisamente a su elevada rigidez, se limita a 100 microdeformaciones según el ensayo UNE-En 12697-24 para 1 millón de ciclos. El resto de condicionantes, en lo relativo a fabricación y ejecución de la mezcla, son similares a los correspondientes a las mezclas convencionales fabricadas con betunes convencionales

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FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

5. MEZCLAS PIGMENTABLES Vimos en el tema 4 correspondiente a ligantes especiales, un tipo de betunes, los betunes sintéticos, que en esencia no correspondía a un tipo de betunes obtenido directamente de la destilación del crudo, sino que se formulaba en base a diferentes componentes obtenidos de diferentes procesos de refinería, como son las resinas, los polímeros y los aceites. La cualidad fundamental de este tipo de gigantes, recordemos que a la cualidad fundamental de conglomerar o unir áridos, está la cualidad de ser pigmentables, ya que no tienen el color negro característico de los betunes asfálticos. Si adicionalmente, emulsionamos estos betunes sintéticos con agua, dará lugar a emulsiones sintéticas, igualmente pigmentable, dada la no aportación de color del agua al ligante. Ambos productos, con tecnologías como le lector podrá comprender completamente diferentes, dan lugar a dos tipos de mezclas especiales: •

Tecnología en caliente: Mezclas bituminosas pigmentables

•

Tecnología en frío: Lechadas bituminosas pigmentables.

Existe adicionalmente toda una serie de productos asociados a estos materiales, en el mercado minorista para pequeñas actuaciones o reparaciones localizadas, que obviaremos. Respecto a las lechadas bituminosas pigmentables, serán desarrollados en el tema 9, correspondiente a la siguiente unidad, pues es necesario que el lector adquiera conocimientos relativos a la unidad de obra de las lechadas bituminosas previamente a la consideración de este tipo de lechadas especiales. Así pues, en este tema, nos centraremos en aquellas mezclas pigmentables, en las que es necesario el calentamiento de las mismas, para su fabricación y posterior puesta en obra 5.1.

ALMACENAMIENTO DEL LIGANTE

Almacenar de modo similar al de un betún convencional, procurando que la temperatura no sobrepase los 140 ºC.

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FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

En el caso de necesidad de almacenamiento prolongado del ligante en depósito de planta, sin empleo del mismo, éste conserva todas sus propiedades a temperatura ambiente. Para su empleo en planta y partiendo de temperatura ambiente, con una antelación de 20-24 horas a su empleo en planta de fabricación de mezcla, incrementar su temperatura a razón 6 ºC/hora, procurando evitar cambios bruscos de temperatura, hasta conseguir una temperatura de 140 ºC, ideal para su empleo 5.2.

FABRICACIÓN DE LA MEZCLA

La temperatura de la mezcla debe situarse entorno a 140 ºC. Las temperaturas de árido y ligante sintético deben fijarse lo más próximas posibles para evitar el choque térmico, procurando no sobrepasar, como se ha referido anteriormente, los 140º en la temperatura del ligante. El pigmento debe ser aportado en el mezclador, sobre la mezcla de árido-ligante. El contenido habitual de pigmento se sitúa entre 1% y 2% s/m. Se bajará el porcentaje de fíller s/m (aportación o recuperación) según fórmula de trabajo original sin pigmento el mismo porcentaje de pigmento que se vaya a emplear 5.3.

PUESTA EN OBRA DE LA MEZCLA

Se aconseja su empleo en capas delgadas -3/4 cm-, (antiguos IV-a, micros cerrados, D-8, D-12, etc.). Las características mecánicas de las mezclas fabricadas son similares a las conseguidas con betunes convencionales. La aplicación y extendido de mezcla se efectúa del mismo modo que una

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FIRMES BITUMINOSOS: CONCEPCIÓN, FABRICACIÓN Y PUESTA EN OBRA

mezcla convencional. Es necesario tener especial cuidado en las labores de compactación empleando el compactador de neumáticos, para conseguir una adecuada uniformidad de acabado 5.4.

CUIDADOS DE LIMPIEZA

El ligante sintético es traslúcido, por lo que es especialmente sensible a las manchas de restos de betún ubicados en depósitos de almacenamiento y tuberías, y en general durante el trasiego del producto. Es necesario tener limpios cisterna de almacenamiento y elementos de la planta en contacto con betún. Si no se tuviera un depósito limpio de betún o de uso exclusivo de este tipo de ligantes, se podría contemplar la descarga del producto durante la fabricación de la mezcla, directamente desde la cisterna de transporte del ligante. Se aconseja una línea independiente de trasiego de ligante sintético depósitobáscula y mezclador de planta. La amasadora de mezcla de la planta debe limpiarse realizando varias amasadas en blanco en caliente y posteriormente varias empleando ligante sintético sin adicionar pigmento. Los camiones de transporte de mezcla y la propia máquina extendedora deben someterse a limpieza empleando gasoil. Esto es de aplicación a todos los elementos auxiliares (palas, cepillos, rascadores, etc.). Tras el uso del mismo, se recomienda una limpieza de posibles restos de gasoil, que pudieran degradar la mezcla fabricada. 5.5.

GAMA DE CALIDADES

Los Ligantes Sintéticos Pigmentables fabricados presentar dos calidades, dependiendo del empleo que se le vaya a dar. Los básicos, son ligantes de fácil pigmentación con cualquier color, capaz de conseguir una luminosidad, permitiendo trabajar incluso sin adición de pigmento para permitir captar el color natural del árido empleado. Los de última generación son ligantes sintéticos pigmentable que, además de las prestaciones anteriormente citadas,

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presenta una mayor transparencia, lo que permite obtener tonalidades de color similares a las del pigmento y aporta una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla debido a sus propiedades reológicas. Evidentemente llevan asociados precios diferentes 5.6.

APLICACIONES DE LAS MEZCLAS PIGMENTABLES

Las mezclas pigmentables pueden ser utilizadas en cualquier pavimento, en el cual se quiera diferenciar su funcionalidad por el color, en pavimentos que requieran de unos condicionantes estéticos previamente proyectados, en pavimentos donde no se desee que el impacto visual del color negro afecte al paisaje, como pueda ser en zonas especialmente protegidas y se desee respetar el color natural del árido.

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•

Viales de parques y jardines

•

Carril bici

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Carril bus

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Zonas exclusivas de peatones

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Pistas deportivas

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Zonas protegida

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Zonas de seguridad

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Isletas y zonas diferenciadas de viales

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6. MEZCLAS EN CALIENTE CON ADICIÓN DE CAUCHO En la Unidad anterior en el tema correspondiente a ligantes especiales, nos referimos a los betunes que en su composición llevaban polvo de neumático procedente de la trituración de neumáticos fuera de uso. En el mismo, hacíamos referencia a aquellos ligantes especificados oficialmente por el Ministerio de Fomento para su empleo en sus carreteras, agrupados en 3 gamas de productos diferenciados: los betunes mejorados con caucho o BC, los betunes modificados con caucho o BMC y por último los betunes modificados con caucho de alta viscosidad, o BMAVC.

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Todos estos ligantes, se refieren a una técnica de incorporación del caucho a la mezcla vía húmeda, es decir, a través del propio betún que se convierte en el elemento vehicular que lleva el polvo de neumático en su matriz. La diferente tipología de mezclas que se pueden fabricar con este tipo de mezclas, ha sido mencionada en dicho capítulo, aunque que recordamos brevemente que: •

Betunes Mejorados BC. Para uso en mezclas similares a las mezclas que son fabricadas con betún convencionales, es decir, para mezclas cerradas del tipo AC S o D o G, y para las del tipo BBTM cuando los requerimientos de tráfico no sean altos.

•

Betunes modificados con caucho BMC: la misma tipología de mezclas que se emplean para los betunes modificados tradicionales con polímero, y que hemos visto durante este tema, es decir, mezclas discontinuas del tipo BBTM o mezclas drenantes del tipo PA

•

Betunes modificados con caucho de alta viscosidad: Este tipo de ligantes se emplean para aplicaciones muy específicas, que ya hemos referido en el presente tema cuando hemos hablado de mezclas antifisuras. Para ello es necesario el empleo de estructuras granulométricas lo suficientemente abiertas con un importante nº de huecos, que nos asegure poder dotarlas de la mayor cantidad posible de betún sin riesgo de escurrimiento a alta temperatura. Igualmente, se podría aplicar estos betunes, en mezclas igualmente de estructuras granulométricas críticas, que precisen de una mayor cohesión que si son fabricadas con betún modificado tradicionales con polímero, pero que debido a los importantes potenciales esfuerzos tangenciales que puedan requerir en superficie, sea necesario aumentar dicha cohesión.

En este capítulo, nos referiremos a otro tipo de mezclas que también contienen polvo de neumático procedente de la trituración de los neumáticos fuera de uso, pero en las cuales, la incorporación de este residuo, se produce directamente al mezclador de la planta, es decir, no vía betún, sino como si se tratara de un árido más. Es lo que se denomina incorporación por vía seca, y constituyen un tipo de mezclas que oficialmente el PG-3 denomina como mezclas en caliente con adición de caucho. Así, la orden circular 21/2007 las define como es aquella mezcla bituminosa la que se ha incorporado, por vía seca, polvo de caucho procedente de NFU. No obstante, si la fabricación de mezclas constituidas por ligantes fabricados con PNFU como hemos visto es de aplicación a todas las capas del firme, dependiendo evidentemente del tipo de tráfico pero extensivo a todos, con este tipo de mezclas parece que pueda haber algún tipo de dudas respecto a su empleo, ya que la propia orden circular, restringe su uso para empleo del

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mismo en carreteras de titularidad estatal. En carreteras con categorías de tráfico pesado T3 a T4, se podrán emplear en todo tipo de capas las mezclas bituminosas en caliente con adición de caucho (vía seca). Esto parece intuitivo pensar, pueda venir como consecuencia de que se hace necesario el tratamiento previo del polvo de neumático fuera de uso para que realmente aporte las cualidades reológicas a la mezcla, respecto al uso de betunes convencionales. Hay que tener en cuenta, que durante el proceso de fabricación de un betún modificad/mejorado con polvo de neumático, el polvo es sometido a temperatura, tiempo y cizalla, variables en principio necesarias con la tecnología actual para aprovechar las prestaciones que el polvo de neumático pudiera conferir a a la mezcla. En los procedimientos por vía seca el polvo se introduce directamente en el mezclador de la central de fabricación de mezclas bituminosas como si fuese un árido más. En el proceso por vía seca pueden diferenciarse dos técnicas, según el tamaño del polvo de caucho. La primera utiliza tamaños máximos elevados, de hasta 2 Mm. Omo la superficie específica del polvo es reducida y el período de interacción es limitado, no hay tiempo suficiente para que la maduración se desarrolle en todas las partículas más gruesas del polvo de caucho. Por tanto, el polvo de caucho funciona como un sistema de dos componentes, en el que las partículas más finas pudieran interaccionar con el betún a elevada temperatura y modificando su reología mediante un proceso similar a la vía húmeda. Por otro lado, las partículas más gruesas se comportan como un árido elastomérico dentro del esqueleto mineral de la mezcla bituminosa, aunque superficialmente también reacciona con el betún y se crea una interfase betún/caucho que cohesiona ambos materiales. En España, esta técnica se ha utilizado con dotaciones del 2% de polvo de caucho en peso en mezcla. La segunda técnica utiliza el polvo de caucho de menor tamaño (todo pasa por el tamiz de 0,5 Mm) y en menor proporción. El polvo de caucho más fino actúa

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como modificador del betún añadido al mezclador. Se puede considerar como intermedio entre la vía seca y la vía húmeda, y quizá sea algo menos crítico que la anterior técnica. En cualquier caso, en este sistema, como hemos referido anteriormente, se hace necesario un tiempo mínimo de maduración o de contacto del polvo con el betún y los áridos calientes, para que realmente haya una transferencia de propiedades, algo que en ocasiones es difícil de controlar y de conseguir

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