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EFECTO DE MEJORADORES DE ADHERENCIA EN LA

ESTABILIDAD Y FLUJO MARSHALL DE MEZCLAS ASFÁLTICAS.

EFFECT OF ADHERENCE IMPROVERS ON MARSHALL STABILITY

AND FLOW OF ASPHALT MIXTURES.

Cristobal René Tacca-Cutipa 1,a, Wilfredo David Supo-Pacori 2,b,c

1Escuela Profesional de Ingeniería Civil, Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez.

Juliaca, Puno, Perú.

a Bachiller en Ingeniería Civil; b Docente; c Docente ordinario

RESUMEN

Se planteó como objetivo explicar el efecto de tres aditivos mejoradores de adherencia en la

estabilidad, flujo y la relación estabilidad/flujo Marshall de mezclas asfálticas en caliente

diseñadas con el método Marshall, empleando agregados de la cantera “Taya Taya” - San

Román, Puno, filler (puzolanas) de Arequipa y cemento asfáltico 120/150 PEN de la refinería

Conchán, Lima-Perú. Para dosis de aditivo mejorador de adherencia de 0,35, 0,6 y 0,35% la

estabilidad Marshall se incrementó en 2,8, 3,8 y 4,8% respectivamente; la variación de la

relación Estabilidad/Flujo Marshall de los especímenes con dosis de aditivo de 0,3 y 0,9%

fueron de 3300 a 3900 kg/cm, es decir; -5,7 y 11,5% del índice de rigidez de los especímenes

sin aditivo. Se concluye que; los tres aditivos mejoradores de adherencia analizados en dosis

de hasta 0,4% incrementan la estabilidad Marshall de la mezcla sin aditivo y que la relación

estabilidad/flujo para dosis de 0,3 a 0,9% no varía significativamente.

PALABRAS CLAVE: promotor de adherencia, concreto asfáltico, estabilidad-flujo Marshall.

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SUMMARY

The objective was to explain the effect of three adhesion-improving additives on the stability,

flow and the Marshall stability/flow ratio of hot asphalt mixtures designed with the Marshall

method, using aggregates from the "Taya Taya" quarry - San Román, Puno, filler

(pozzolanas) of Arequipa and asphalt cement 120/150 PEN of the Conchan refinery, Lima-

Peru. For dose of adhesion enhancing additive of 0.35, 0.6 and 0.35% Marshall stability was

increased by 2.8, 3.8 and 4.8% respectively; the variation of the Marshall Stability/Flow

relation of the specimens with additive doses of 0.3 and 0.9% was from 3,300 to 3,900 kg/cm,

that is to say; -5.7 and 11.5% of the stiffness index of the specimens without additive. It is

concluded that; the three adhesion-improving additives analyzed in doses of up to 0.4%

increase the Marshall stability of the mixture without additive and that the stability/flow ratio

for doses of 0.3 to 0.9% does not vary significantly.

KEYWORDS: adhesion promoter, asphalt concrete, Marshall stability/flow.

INTRODUCCIÓN

Desde la ejecución de las primeras obras viales de envergadura en la región Puno (a mediados

de los ’90, carretera Juliaca – Cusco) que sirvieron de laboratorio en cuanto al uso de mezclas

asfálticas en caliente a más de 3800 msnm, se ha observado un desarrollo importante en el uso

de tecnología del asfalto que posibilita afrontar los retos de construir pavimentos asfálticos a

estas altitudes.

En el Perú se siguen usando, para el diseño de mezclas y control en obra, los métodos

tradicionales como el método Marshall y el método Hveem, que presentan limitaciones de

todo método “empírico”, que consideran ensayos que no representan el comportamiento real

de los materiales involucrados, dejando de lado el aporte de la mecánica de los materiales

(Minaya, 2006, p. 1), se conoce también que la estabilidad y flujo Marshall no son suficientes

para examinar la fatiga y la resistencia a la deformación permanente de las mezclas asfálticas

(Ogundipe, 2016, p. 692) y que, los valores de módulo de rigidez obtenidos de las muestras

elaboradas por el método Superpave, superan en gran medida a los obtenidos de las probetas

Marshall (Montesinos & Reyes, 2010), pero se debe tomar en cuenta que las metodologías

más idóneas o actuales exigen sobre todo la adquisición de equipos y máquinas como

compactadores giratorios Superpave, cortadoras, hornos de envejecimiento de corto y largo

plazo, equipo de ensayo de ligantes, máquinas de ensayos universales triaxiales, entre otras

(Witczak & Sotil, 2005) que se vienen implementando muy lentamente en nuestro país.

Uno de los aspectos que es posible controlar con el método Marshall es el que se refiere a la

relación Estabilidad/Flujo (Kg/cm) o índice de rigidez, que las Especificaciones Técnicas para

Construcción de Carreteras en el Perú (Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú

[MTC], 2013, p. 569) recomiendan el menor valor de 1700 a 4000 Kg/cm para zonas de clima

frío.

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El cemento asfáltico en las zonas de clima frío (altitudes mayores a 3,800 msnm) está sujeta a

condiciones climáticas severas y hacen necesario el uso de productos que mejoren su

comportamiento tales como los aditivos mejoradores o promotores de adherencia, éstos se

comercializan en nuestro medio y poco se conoce de sus prestaciones, además se debe

considerar que la industria de construcción de carreteras, tiene como desafío actual el

desarrollo de productos más ecológicos, manteniendo el rendimiento y la durabilidad de las

mezclas asfálticas de impactos ambientales importantes tales como: reducción de

temperaturas de producción, disminución de combustible o el consumo de energía

(consecuentemente, disminución de costos) (Oliviero, Teltayev, & Angelico, 2017). Por otro

lado, es necesario mencionar que el problema de la adherencia entre agregado y cemento

asfáltico afectado negativamente por la humedad sigue siendo uno de los aspectos más

estudiados y se entiende como punto de partida de muchas fallas en el pavimento (Valentová,

Altman, & Valentin, 2016, pp. 769, 776).

El mercado ofrece una gran cantidad de variedades químicas de promotores de adhesión de

compuestos orgánicos de amina, como: aminas grasas, poli-aminas y derivados de amido-

amina (Oliviero et al., 2017). El uso del promotor de adherencia agregado-cemento asfáltico

basado en aminas demostró ser especialmente efectivo para mejorar de la resistencia al agua

con respecto a mezclas sin el aditivo (Cui, Blackman, Kinloch, & Taylor, 2014). Asimismo,

Reyes (2003) sostiene que no existen especificaciones relativas a los mejoradores de

adhesividad destinados a mejorar la resistencia al agua de las mezclas o la adhesividad

cemento asfáltico – agregado. Las aminas grasas, deben someterse a una evaluación

experimental en laboratorio, así como a una aprobación por parte de la supervisión o de la

entidad contratante.

Por tales razones en el presente trabajo de investigación se seleccionaron tres aditivos

promotores de adherencia agregado-cemento asfáltico para someterlos a pruebas de

estabilidad Marshall utilizando agregados de la Región Puno.

Trabajos futuros deben investigar la influencia de los vacíos de aire en la falla de adherencia.

Además, se deben recolectar agregados más representativos que tengan diferentes morfologías

para mejorar la efectividad y la precisión de la predicción (Hu y Qian, 2018, p. 30).

Otro problema a abordar en cuanto al comportamiento de las mezclas asfálticas en climas

fríos es la oxidación; considerada por lo general como factor principal de incremento del

endurecimiento y fragilización de estos, asociados a problemas con la fragilidad y

agrietamiento de la capa asfáltica en el pavimento. La tasa de endurecimiento es afectada por:

composición química del asfalto, la luz, las propiedades de los agregados y la temperatura

ambiente (Rondón, 2015, p. 247).

Principio de funcionamiento de los aditivos mejoradores de adherencia.

La mayor parte de los aditivos mejoradores de adherencia son compuestos amínicos, en el

momento en que estos compuestos son incorporados al ligante asfáltico, la cadena

hidrocarbonada de naturaleza hidrófoba se incorpora al seno del asfalto mientras que el

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segundo grupo amínico hidrófilo se sitúa en la superficie, cuando el asfalto con el aditivo

incorporado hace contacto con la humedad que contienen los áridos, el aditivo se hidroliza

(Botasso et al., 2011) (figura 1).

Fuente: (Botasso et al., 2011)

Figura 1. Reacción de las aminas en presencia de agua.

Ensayo Marshall

El ensayo Marshall se realiza en especímenes cilíndricos de 4 pulg. (102 mm) de diámetro y

2,5 pulg. (64 mm) de altura a una temperatura de 140 °F (60 °C) y una velocidad de carga de

2 pulg. (51 mm) por minuto. Se miden dos valores: la estabilidad, que es la carga requerida

para que falle el producto y el índice de flujo, que es la distorsión vertical en el momento del

fallo. Debido a la velocidad de carga muy rápida. La estabilidad es una medida de la cohesión,

mientras que el índice de flujo es una medida de la fricción interna (Huang, 2004, p. 294)

Tanto la gradación y los requisitos para mezclas de concreto asfáltico responden a las EG-

2013 del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú (MTC, 2013, p. 572).

El objetivo del presente abajo fue explicar el efecto de tres aditivos mejoradores de

adherencia en la estabilidad, flujo y la relación estabilidad/flujo Marshall de mezclas

asfálticas en caliente diseñadas con el método Marshall, empleando agregados de la cantera

“Taya Taya” - San Román, Puno, filler (puzolanas) de Arequipa y cemento asfáltico 120/150

PEN de la refinería Conchán, Lima-Perú.

MATERIAL Y MÉTODOS

Los materiales utilizados para la investigación fueron: agregados gruesos, agregados de arena,

arena de río, filler, cemento asfáltico y tres aditivos mejoradores de adherencia. Los

agregados gruesos y finos fueron recolectados de la cantera “Taya Taya” situada a orillas del

río Cabanillas, Provincia de San Román, Región Puno, Perú. El fiiler o llenante compuesto

por material aluminio-silíceo (ceniza volcánica o puzolana) obtenida de las canteras ubicadas

en la ciudad de Arequipa, Perú, el cemento asfáltico de grado 120/150 PEN producido por

Petro Perú, refinería Conchán, Panamericana Sur Km 26.5 Lurín y los aditivos mejoradores

de adherencia asfalto-agregado constituidos de aminas y derivado de amino grasas:

Aditivo mejorador de adherencia 01: Adhesol 3000

Aditivo mejorador de adherencia 02: Quimibond 3000

Aditivo mejorador de adherencia 03: Radicote

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La mezcla de los agregados y llenante después de calculados los porcentajes de participación

presentan la siguiente curva granulométrica (gráfico 1):

Gráfico 1. Curva granulométrica-combinación de agregados, para MAC-2.

Se evaluó el efecto de tres aditivos mejoradores de adherencia sobre la estabilidad y flujo

Marshall de una mezcla asfáltica en caliente. Esto se logró determinando en primer lugar el

contenido óptimo de cemento asfáltico según el método Marshall especificado en la norma

MTC E 504 que hace referencia a las normas ASTM-D6926 y ASTM-D6927. Luego de

obtenido el óptimo contenido de cemento asfáltico, se prepararon un total de 39 especímenes

cilíndricos de mezcla asfáltica distribuidos en: Tres del grupo de control (Gc) y 36 en los

grupos experimentales (Ge) para cada uno de los aditivos analizados en dosis de 0,3, 0,5, 0,7

y 1,0%.

El aditivo mejorador de adherencia se incorpora a la mezcla en caliente a 130 – 140 °C

mezclando con espátula durante 15 minutos, manteniendo la temperatura de mezcla con

estufa. La aceptabilidad de los resultados del diseño Marshall se ajusta a lo establecido en la

norma ASTM D-6927.

RESULTADOS

El contenido óptimo de cemento asfáltico de la mezcla es de 6.4% según el método Marshall,

con el que se cumple con las especificaciones de calidad establecidas en las EG-2013 del

MTC (2013) (gráfico 2, tabla 1).

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Gráfico 2. Diseño de mezcla asfáltica en caliente, método Marshall

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Tabla 1. Diseño de mezcla asfáltica en caliente (MAC-2) sin aditivo MA

Los especímenes con el aditivo mejorador de adherencia 01, 02 y 03 en dosis de: 0,35, 0,6 y

0,35% alcanzan valores de estabilidad Marshall de: 1062; 1050 y 1040 Kg respectivamente,

es decir; la estabilidad de la mezcla sin aditivo se incrementa en 2,8, 3,8 y 4,8% (la mezcla sin

el aditivo presenta una estabilidad promedio de 1,012 Kg). Para 0,80% de contenido de los

aditivos 1 y 3 los valores de estabilidad son menores al promedio de la mezcla sin aditivo

(gráfico 3).

Gráfico 3. Efecto del aditivo mejorador de adherencia en la estabilidad Marshall.

El comportamiento del flujo Marshall en los especímenes sin aditivo presentaron un valor

promedio de 2,92 mm, los especímenes con el aditivo 1 muestran una tendencia creciente para

contenidos mayores a 0,50%, contrario a lo que se evidencia con el aditivo 3. El espécimen

con el aditivo 2 presenta un valor pico del flujo de 3,1 mm, para dosis de 0,3% y para dosis

mayores a 0,7% es menor al promedio de la mezcla sin aditivo (gráficos 4 y 5).

ÍNDICE

RIGIDEZ

(kg/cm)

6.4 2.332 1140 2 87 14.8 3 3900

MIN. 815 3 65 14 2 1700

MAX. ----- 5 ----- 4 4000

CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE CUMPLE

V.M.A.

(%)

FLUJO

(0.25 mm)

RESULTADO

ESP. TEC.

CONDICIÓN

%

CEMENTO

ASF.

DENS.

(gr/cm3)

ESTAB.

(kg-f)

VACIOS

(%)

% VACIOS

LLENOS

C.A.

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Gráfico 4. Efecto del aditivo mejorador de adherencia en el flujo Marshall.

Gráfico 5. Efecto del aditivo mejorador de adherencia en la relación Estabilidad/Flujo

Marshall.

La variación de la relación Estabilidad/Flujo Marshall (índice de rigidez) de los especímenes

con dosis de aditivos mejoradores de adherencia entre 0,3 y 0,9% van de 3300 a 3900 kg/cm,

es decir; -5,7% y 11,5% del índice de rigidez de los especímenes sin aditivo.

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DISCUSIÓN

Para dosis de 0,3–1,0% de los aditivos mejoradores de adherencia analizados el flujo en los

especímenes es afectado de diferente forma para cada aditivo y presenta valores siempre,

dentro del rango establecido para este tipo de mezclas (2 a 3.6mm) como indica el (MTC,

2013, p. 570), para los aditivos 2 y 3 en dosis de 0,5 a 1,0% el flujo tiende a disminuir como

se había observado también en (Curco y León, 2013), sin embargo ocurre lo contrario con el

espécimen con el aditivo 01 en donde el flujo se incrementa levemente.

Considerando los requisitos para mezclas de concreto asfaltico (MTC, 2013, p. 570) para

zonas de clima frío, el aditivo mejorador de adherencia 02 es el que mejor resultado ofrece

con dosis de 0.3% reduciendo la relación estabilidad/flujo por debajo de los valores de mezcla

sin aditivo.

CONCLUSIONES

Los tres aditivos mejoradores de adherencia analizados incrementan la estabilidad Marshall de

la mezcla asfáltica sin aditivo en 2,8 a 4,8% para dosis de aditivo entre 0.3 y 0,4%.

El flujo Marshall varía en función al tipo de aditivo, éste puede incrementarse o disminuir

para contenidos del 0,3 al 1,0% de aditivo mejorador de adherencia.

La relación estabilidad/flujo Marshall para dosis de 0,3 a 0,9% de los tres aditivos

mejoradores de adherencia analizados no es afectada significativamente, presentando valores

dentro del rango aceptable de 1700 a 4000 Kg/cm del índice de rigidez o relación

estabilidad/flujo Marshall.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Botasso, H., Rebollo, O., Soengas, C., Balige, M., Bisio, A., & Berardo, A. (2011).

Metodología para la evaluación en la incorporación de promotores de adherencia en

cementos asfálticos. Presentado en XVI Congreso Iberolatinoamericano del Asfalto

(CILA), Rio de Janeiro, Brasil.

2. Cui, S., Blackman, B. R. K., Kinloch, A. J., & Taylor, A. C. (2014). Durability of asphalt

mixtures: Effect of aggregate type and adhesion promoters. International Journal of

Adhesion and Adhesives, 54, 100-111. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2014.05.009

3. Curco, C., & León, B. (2013). Influencia de aditivos mejoradores de adherencia en la

resistencia de hormigones asfálticos diseñados con agregados provenientes de las

canteras de Pintag y Guallabamba( Tesis de pregrado para optar el título profesional de

Ingeniero Civil). Universidad de las Fuerzas Armadas, Sangolquí, Ecuador. Recuperado de

http://repositorio.espe.edu.ec/jspui/handle/21000/7606.

4. Hu, J., & Qian, Z. (2018). The prediction of adhesive failure between aggregates and

asphalt mastic based on aggregate features. Construction and Building Materials, 183, 22-

31. doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.06.145.

5. Huang, Y. (2004). Pavement analysis and design [Análisis y diseño de pavimentos] (2nd

ed). Upper Saddle River, NJ: Pearson/Prentice Hall.

6. Minaya, S. (2006). Comportamiento mecánico de mezclas asfálticas tipo SUPERPAVE y

SMA (Tesis de maestría en ingeniería civil, mención en ingeniería geotécnica). Universidad

Nacional de Ingeniería, Lima, Perú. Recuperado de

http://cybertesis.uni.edu.pe/handle/uni/2441.

7. Montesinos, C., & Reyes, P. (2010). Comparación de módulos de rigidez por tensión

indirecta utilizando método de compactación Marshall y Superpave para el diseño de

mezclas asfálticas (Tesis para optar el título profesional de Ingeniero Civil, Pontificia

Universidad Católica del Ecuador, Quito, Ecuador). Recuperado de

http://repositorio.puce.edu.ec:80/xmlui/handle/22000/2697.

8. Ministerio de Transportes y Comunicaciones. (2013). Manual de Carreteras:

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción EG-2013. Lima, Perú: Dirección

General de Caminos y Ferrocarriles, Ministerio de Transportes y Comunicaciones.

61

Efecto de Mejoradores de Adherencia en la… Cristobal René Tacca Cutipa

9. Ogundipe, O. M. (2016). Marshall stability and flow of lime-modified asphalt concrete.

Transportation Research Procedia, 14, 685-693. doi:

https://doi.org/10.1016/j.trpro.2016.05.333

10. Oliviero, C., Teltayev, B., & Angelico, R. (2017). Adhesion promoters in bituminous road

materials: A review. Applied Sciences, 7(5), 524. doi: https://doi.org/10.3390/app7050524

11. Reyes L., F. A. (2003). Diseño racional de pavimentos. (1ra. edición). Bogotá, Colombia:

Centro Editorial Javeriano.

12. Rondón, H. A. (2015). Pavimentos materiales, construcción y diseño. Bogotá: Ecoe

Ediciones.

13. Valentová, T., Altman, J., & Valentin, J. (2016). Impact of asphalt ageing on the activity of

adhesion promoters and the moisture susceptibility. Transportation Research Procedia, 14,

768-777. doi: https://doi.org/10.1016/j.trpro.2016.05.066.

14. Witczak, M., & Sotil, A. (2005). Últimos avances de superpave: buscando un ensayo que

acompañe al método. Lima : Universidad San Ignacio de Loyola Recuperado de:

http://repositorio.usil.edu.pe/handle/123456789/1505.

Correspondencia:

Cristóbal René Tacca Cutipa

renetacca0@gmail.com

51930312970

Fecha de recepción: 3/09/2018

Fecha de aceptación: 5/11/2018