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Fabricación en laboratorio de mezcla asfáltica drenante y su relación

 costo-beneficio respecto con capas densas utilizadas 

en calles de la ciudad de Guayaquil

Manufacturing in laboratory the draining asphalt mix and their cost-benefit

relation with dense layers used in streets of the city of Guayaquil

 

Universidad de Guayaquil

(Ecuador)

Ing. Francisco Javier Córdova Rizo

jacori1956@hotmail.com

Ing. Carlos Mora Cabrera

ing.carlos_mora@hotmail.com

 

 

 

 

Resumen

          El presente trabajo de investigación presenta una solución a la problemática de las zonas mal drenadas en la ciudad de Guayaquil. Este documento da detalles de los procedimientos que se realizan para la fabricación de capas de rodadura con mezclas asfálticas drenantes, usando el Método Cántabro y utilizando materiales del medio, para introducirlas en la estructura del pavimento de las calles de Guayaquil y luego determinar la relación costo-beneficio institucional con relación al pavimento denso. La modalidad de la investigación es un estudio de tesis con planteamiento de hipótesis, consulta bibliográfica, de campo, descriptiva y de proyecto. El marco teórico, estuvo constituido por fundamentación teórica sobre pavimento, articulados, rígidos, asfalto, composición química, ensayo de penetración, ductilidad, polímeros, mezcla asfáltica, diseño de mezclas drenantes. En tal virtud, se propone la fabricación de una mezcla drenante o permeable con asfalto nacional modificados y los beneficios que genera su aplicación con relación a los costos que implica su implementación sobre los pavimentos existentes o nuevos de las calles de la ciudad de Guayaquil como solución a las zonas mal drenadas.

          Palabras clave: Mezcla asfáltica drenante. Costo-beneficio. Capas densas.

 

Abstract

          This research paper presents a solution to the problem of poorly drained areas in the city of Guayaquil. This paper presents details of the procedures performed to manufacturing wearing courses with draining asphaltic mixtures using the Cantabrian method and using local materials to put them into the pavement structure of the streets of Guayaquil and then determine the cost/institutional benefit relating to the dense pavement. The research method is a thesis presenting hypotheses in logical mode and the type of investigation is bibliographical, in field, descriptive and project feasibility in the context of scientific research; the Cantabrian method was used for draining asphaltic mixtures in laboratory. The theoretical framework consists of theoretical foundation about pavement, articulated, rigid, asphalt, chemical composition, penetration test, ductility, polymers, asphaltic mixture, draining asphalt design, Cantabrian method and legal base. Therefore, the manufacturing of draining or permeable asphaltic mixtures using modified Ecuadorian asphalt is proposed as a solution for poorly drained areas in the existing or new pavements of the streets of Guayaquil, and the benefits of their application compared to the costs of its implementation is also analyzed.

          Keywords: Draining mix asphalt. Benefit-cost. Dense layers.

 

Recepción: 11/10/2015 - Aceptación: 13/11/2015

 

 
EFDeportes.com, Revista Digital. Buenos Aires, Año 20, Nº 210, Noviembre de 2015. http://www.efdeportes.com/

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Introducción

    Las condiciones específicas de tránsito, clima y seguridad que requieren las calles y vías que son exigencias del tráfico actual (Nicholas, Garber y Lester, 2004), hacen que el diseño de las mezclas asfálticas tenga como objetivo lograr propiedades idóneas para el tránsito vehicular (Anderson, 1981; Morales, 2006; Neira, 2011).

    Se ha tomado, como base para el diseño de capa asfáltica drenante, que es un complemento dentro de la estructura del pavimento, ya que se colocan encima (sobre) de un pavimento denso (de una capa de rodadura de mezcla densa).

    La capa drenante con propiedades diferentes a las capas densas se transforman en un costo adicional en la construcción del pavimento.

    En las propiedades adquiridas por construcción (en estas estructuras de pavimento drenante), están la permeabilidad, la porosidad y la mezcla, que deben cumplir los requisitos de durabilidad y estabilidad correspondientes, que exige la norma INEN.

    El uso de polímeros, facilita la construcción de este tipo de mezcla asfáltica drenante, sin embargo, la comercialización de estos polímeros con la acreditación para su uso no está muy difundido en el país.

    El objetivo de la mezcla drenante en capas de pavimento, es que permite usar la permeabilidad de la capa para recoger agua, que se ubica encima de la misma, luego conducirla a sitios donde no produzcan daño civil. La conducción, almacenamiento y disposición final no es motivo de esta investigación.

    El beneficio de la permeabilidad de la mezcla asfáltica drenante, es que permite conocer el volumen de agua en metros cúbicos por minutos, por metro cuadrado de pavimento, que drena la carpeta.

    Al utilizar mezclas asfálticas drenantes, como carpeta de rodadura en pavimentos de calles mal drenadas, que sufren de inundación por las precipitaciones pluviales por una, dos o más horas, se consigue optimizar la evacuación de estas aguas, logrando la optimización del periodo de vida de la estructura del pavimento y del servicio del tráfico vehicular.

    Usando bibliografía internacional, el Método de Cántabro es uno de los métodos versátiles para la elaboración de mezclas asfálticas drenantes, las mismas que en laboratorio tienen que cumplir requisitos mediante normas INEN, españolas.

    Al realizar los ensayos de mezclas, usando materiales de la localidad, el asfalto nacional, polímeros de la localidad, equipos nacionales de laboratorio, mano de obra local, todos deben cumplir las mencionadas normas INEN

    La experimentación en laboratorio, va a permitir conocer los parámetros que requiere esta metodología o tecnología de construcción y los indicadores que más resalten usando asfaltos nacionales.

    Una vez establecida la mezcla drenante, elaborar los costos de la estructura del pavimento asfáltico drenante, va a ser en todo caso mayor que el pavimento denso. (2)

    El pavimento son estructuras, constituidas por capas de diversos materiales seleccionados, superpuestas, colocadas y compactadas sobre la superficie del terreno (Benítez y Calero, 2014), su estructura está diseñada especialmente para la circulación del tráfico automotor, por lo que es una solución económica y eficaz. Existen varios tipos de pavimentos dependiendo del material de construcción y de la forma como reciben y controlan las cargas de los vehículos:

    Esta investigación, trata de establecer la relación beneficio-costo (3) en la aplicación de pavimento asfálticos drenantes, fabricadas a partir de la mezcla drenante en laboratorio.

    Partiendo del análisis del comportamiento, a nivel de laboratorio de las mezclas drenantes elaboradas con piedra, arenas de canteras de la localidad con asfalto nacional, aplicando el Método de Cántabro, dan resultados y se determinan las ventajas y desventajas de este procedimiento.

    Para el logro del objetivo planteado, se inicia con la revisión de los diferentes tipos de asfaltos, antecedentes y una breve reseña histórica, acerca del uso de mezclas de tipo drenantes en la construcción de pavimentos.

    Es importante puntualizar, que el objetivo fundamental del presente documento es establecer la relación beneficio – costo de la aplicación de mezclas drenantes fabricados con asfalto nacional, partiendo del análisis en el laboratorio del comportamiento de las mezclas asfálticas drenantes, de sus ventajas y desventajas, de las características de los materiales utilizados para el diseño, los mismos que deben cumplir determinadas normas, establecimiento de la diferencia entre asfalto modificado y sin modificar y la determinación de los porcentajes de polímero y asfalto óptimo para el diseño de estas mezclas.

Estudios adyacentes

Cuadro N° 1. Ensayos en muestra de cemento asfáltico en refinería

Fuente: Petroecuador. Ensayos de calidad (2013) – Esmeraldas Ecuador. Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    También se ha conseguido información de pruebas a muestras de cemento asfáltico, efectuadas externamente por la Dirección de Obras Públicas del Municipio de Quito y por la Constructora Herdoíza Crespo (Cuadro Nº 2).

Cuadro N° 2. Ensayos por la constructora Herdoíza

Fuente: Constructora Herdoíza – Pruebas de cemento asfáltico Quito - Ecuador

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Información sobre ensayos efectuados por la M.I. Municipalidad de Guayaquil, a muestras de cemento asfáltico peruano. Cuadro 3.

Cuadro N° 3. Ensayos en muestra de cemento asfáltico en refinería Esmeraldas de Petroecuador

Fuente: Petroecuador (2013) Ensayos de muestra de cemento – Esmeraldas Ecuador. Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Como se observa en los gráficos 4 y 5 el comportamiento del cemento asfáltico nacional e importado es bastante variable, por tanto, se concluye que para elaborar mezclas asfálticas y más aun con mezclas drenantes, es necesario emplear un modificador para que sus propiedades no varíen tanto y obtener un ligante modificado, con aditivos que aseguren un buen comportamiento mecánico, ya que el uso de polímeros en nuestro medio, requiere mayor investigación respecto a sus propiedades físicas y mecánicas, siendo los aditivos los más comunes y fáciles de conseguir.

    Propiedades del asfalto, que resumen los resultados de los ensayos de calidad efectuados a varias muestras de asfalto tanto nacional como importado. Grafico 6.

Gráfico N° 4. Ensayos de penetración

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Como se aprecia la tendencia o media móvil de los resultados de los ensayos en cuanto a la propiedad evaluada, muestra un comportamiento del asfalto nacional siempre dentro del rango establecido, por el tipo de asfalto 60-80 que usualmente se utiliza en la construcción de pavimentos flexibles, mientras que en el asfalto importado, la tendencia o media móvil, apunta a un comportamiento al límite inferior de la especificación para este tipo de asfaltos, es decir, se caracteriza por ser un poco “más duro” (Gráfico 7).

Gráfico 5. Punto de ablandamiento (°C)

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    En esta propiedad, solo tenemos reportes de ensayos realizados en muestras del asfalto importado. Se puede observar que dentro de la tendencia o media móvil de los resultados se tienen valores fuera de normas para la especificación considerada para un asfalto tipo 60-70.

Gráfico 6. Viscosidad cinemática (csp)

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    En los resultados obtenidos en muestras del asfalto nacional, se observa valores fuera de normas dentro de la tendencia o media móvil de todos los ensayos efectuados, encontrándose contrariamente una tendencia o media móvil más homogénea dentro de normas en los resultados de ensayos en muestras del asfalto importado Gráfico 7.

Gráfico 7. Punto de inflamación (°C)

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Como se observa en el gráfico 8, solo se tienen resultados de ensayos efectuados únicamente al asfalto importado, siendo la tendencia o media móvil de los resultados obtenidos a estar dentro de normas para un asfalto de característica 60-70.

Gráfico 8. Ductilidad (cms)

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Como se observa en esta propiedad existen solo dos resultados efectuados al asfalto nacional, que muestran valores al límite de la especificación, mientras que la tendencia a los varios ensayos realizados al asfalto importado, se observa una tendencia o media móvil con valores siempre dentro de normas.

    Los valores especificados, para el control de calidad de cementos asfálticos sin modificar en las especificaciones de INVIAS, son las siguientes:

Cuadro 4. Valores

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Se realizan pruebas de laboratorio, empleando asfalto nacional modificado con aditivo, el cual es comúnmente utilizado por las plantas productoras de este material para mejorar la adherencia entre los agregados y el asfalto, logrando con ello que la película de asfalto se mantenga recubriendo al agregado durante su vida útil.

    Es importante el control del ligante en toda operación de mezclas asfálticas, ya que su comportamiento está asociado comúnmente a fallas en la capa de rodadura, sin embargo el proceso constructivo de este tipo de mezclas, son también causa del deterioro prematuro de este tipo de mezclas.

    Consecuencias o defectos observados comúnmente en un pavimento flexible elaborado con mezclas de tipo densas:

Cuadro 5. Defecto y alcance de fallas en asfalto

Fuente: Thenoux et al, 2003

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

Metodología básica a emplear

    En cuanto a lo que se describe de la investigación explicativa, esta es la que cuantifica o implanta relaciones entre las variables dependientes y la independiente para saber la estructura y los elementos que intervienen en el proceso, además de que busca la relación causa-efecto que se establece entre estas, buscando una o varias soluciones coherentes para el problema de investigación planteado, sobre la elaboración de una mezcla drenante o permeable en el laboratorio con asfalto nacional modificado y los beneficios que genera su aplicación con relación a los costos que implica su implementación sobre los pavimentos existentes o nuevos de las calles de la ciudad de Guayaquil.

    La metodología implementada en la presente investigación, para lograr establecer una relación del costo de elaboración y el beneficio que se tendrá para los usuarios si a un pavimento construido para las calles en la ciudad de Guayaquil, que tenga como capa de rodadura una carpeta elaborada con mezcla asfáltica densa impermeable y otro pavimento que además de las capas convencionales de su estructura como lo son el mejoramiento, base y carpeta de rodadura con mezcla asfáltica densa se coloque sobre esta otra capa final, pero elaborada esta vez con mezcla asfáltica drenante o permeable, es la siguiente:

  1. Determinar la estructura del pavimento, materiales de la mezcla densa de la capa de rodadura, costo global de las capas y de la capa de rodadura de las calles del sector Nº 1, ubicado en la Parroquia Ximena, Guasmo Sur de la Ciudad de Guayaquil, para la que se utilizó información de la consultoría vial efectuada por el suscrito para esta entidad Municipal.

  2. Procedimiento técnico para diseñar una mezcla asfáltica drenante con asfalto nacional modificado y sin modificar, aplicando el método Cántabro, valoración de la mezcla.

Diseño de la estructura de un pavimento flexible en la ciudad de Guayaquil

    Dentro de la metodología planteada en la presente investigación, para una mejor comprensión del funcionamiento estructural y de comodidad para el usuario de los pavimentos de las calles de la ciudad, ubicadas en sectores llanos o bajos en la actualidad, tomaremos las consideraciones técnicas de suelo, trafico, materiales y clima utilizados para el diseño del pavimento flexible con el método AASHTO 1993 de la consultoría realizada por el suscrito para la M.I. Municipalidad de Guayaquil del proyecto “Estudios y diseños definitivos del proyecto de pavimentación de calles de hormigón asfáltico, en el sector 1, parroquia Ximena, sector Guasmo Sur”.

    El objetivo de la institución, es configurar un circuito vial sobre el que se orientará el tráfico a los sistemas que se están modernizando y mejorando, para que la movilización vehicular sea fluida y además cuente con alternativas que descongestionen el área de influencia de las soluciones viales en construcción y obras viales que están asignadas a estas zona, tales como los Sistema de Transporte Masivo Metrovía, Troncales, Rutas Alimentadoras, y sus accesos que orientarán el tráfico a zonas alternas, donde los tiempos de origen y destino sean menores.

Diseño básico a implementar

    Presentado en un gráfico la relación de los valores de C.B.R. con los porcentajes calculados, en la curva resultante se determina el C.B.R. de diseño, que en este caso es de 1,75% aprox.

Gráfico 9. C.B.R. de diseño

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

  • Módulo resilente subrasante = 1500 x CBR = 2625psi. (SN)=3,02

Tráfico

    Realizado por medio de aforos de conteos manuales, en donde se obtuvo la información requerida para realizar los análisis de tráfico y la posterior obtención de los ESAL’s para las calles del proyecto. La determinación del número de repetición acumuladas de cargas por ejes simple equivalente de 8.2 toneladas durante el período de diseño (W 8.2).

  • T.P.D. (Tráfico promedio diario inicial) = 300 vehículos

  • Periodo de diseño = 10 años

  • % Distribución direccional = 50%

  • % Veh. Pesados en carril de diseño = 100%

  • Tasa de crecimiento anual prom. = 2,407 %

  • Factor de crecimiento promedio = 11,290

  • Ejes acumulados en periodo de diseño = 149.961

  • Módulo resilente subrasante (SN) = 3,02

Materiales

  • Mejoramiento C.B.R = 20 %

  • Base clase I C.B.R = 80 %

Espesores de capa del diseño calculado

    Aplicando las ecuaciones consideradas por el método ASSHTO-93, da como resultado la siguiente estructura de pavimento para los parámetros anteriormente señalados.

Gráfico 10. Estructura de pavimento

Fuente: OO.PP.MM. del Municipio de Guayaquil

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

Costos de rubros principales de la estructura del pavimento con rodadura de mezcla densa

    Rubros que intervienen en la estructura de un pavimento con capa de rodadura elaborado con mezcla asfáltica densa o impermeable.

Cuadros 6

El costo del pavimento con rodadura de mezcla asfáltica densa por m²

    El valor de $. 16,694 dólares americanos, corresponde a lo que se invertiría por cada m² de estructura de pavimento construido en el proyecto de las calles del sector # 1.

Análisis del costo de los materiales componentes de un m³ de mezcla asfáltica densa

    El método Marshall, utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½”) y 102 mm (4”) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado (ASTM D1559). Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados.

    La estabilidad del espécimen de prueba, es la máxima resistencia en N (lb) que un espécimen estándar desarrollará a 60 ºC cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100”) que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad.

    El cuadro 6 muestra los parámetros de control de la mezcla diseñada.

Cuadro 7. Parámetros de control

 

Cuadro 8. Valores en porcentaje del aporte de cada material utilizado para elaborar 1 m3 de mezcla asfáltica.

    El cuadro 8 detalla la conformación en porcentaje de los materiales necesarios para elaborar 1 m3 de mezcla asfáltica. En el cuadro se presenta, la valoración de los materiales arriba detallados de acuerdo al precio en el mercado de la construcción local. Estos valores constan en el presupuesto de la consultoría vial realizada para el proyecto Municipal del sector Nº 1 (Parroquia Ximena, Guasmo Sur), el cual fue aprobado por el Departamento de Obras Públicas Municipales del Municipio de la ciudad de Guayaquil.

Cuadro 9

Fuente: Municipalidad de Guayaquil – Departamento de Obras Públicas Presupuesto del Proyecto vial- Parroquia Ximena Guasmo Sur – Guayaquil - Ecuador

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    El valor de $. 88.59 dólares americanos es la inversión que realiza la fábrica de mezcla asfáltica, utilizando todos los elementos necesarios para producir un metro cúbico del material bituminoso denso.

Análisis de los resultados

    En resumen, los parámetros resultantes de los ensayos efectuados a mezclas de agregados con asfalto modificado con aditivo, siguiendo la metodología de cántabro fueron los siguientes:

Cuadro 10. Parámetros Resultantes de Ensayos

Fuente: Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación

Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo

    Por tanto, la mezcla ensayada asegura el cumplimiento de las dos premisas fundamentales en el diseño de mezclas porosas (drenantes) que son resistencia a la disgregación y permeabilidad. Se ha demostrado además, que el uso de polímeros en estas mezclas puede ser opcional, ya que al asfalto nacional únicamente se lo mezcló con un aditivo usualmente utilizado para mejorar la adherencia en la fabricación de mezclas asfálticas densas.

    Es necesario por tanto, verificar durante la producción masiva de este tipo de mezclas la granulometría de diseño, así como la calidad del o los agregados utilizados en las MAD, así también la calidad del cemento asfáltico para evitar variaciones significativas que provocarán posteriormente superficies o tramos deficientes.

    El análisis costo-beneficio, cuya expresión matemática no es sino la creación de la función en valores actuales de costo y la función beneficio, su relación u sustracción, es una forma de medir la rentabilidad de un proyecto, especialmente en lo referente a lo social, como es el caso de las vías versus fenómenos que afectan como es la inundación de calles, carreteras, donde el costo de la vida no justifica ningún valor económico.

    Mediante los estudios de la rentabilidad económica, lo que se busca es conocer si se logran los objetivos fijados y comparar con la alternativa propuesta. El problema principal radica en la cuantificación de los logros alcanzados por nuestra alternativa y el peso de cada uno de los objetivos sobre el total de los que se van a valorar

Conclusiones

    Las mezclas de tipo drenantes analizadas en el presente trabajo fueron realizadas empleando únicamente aditivo para mejorar la adherencia del cemento asfáltico al agregado y el polímero no fue empleado debido a la incertidumbre en su comportamiento y su escaso o nula existencia en el mercado local.

    Los resultados de los diversos ensayos realizados cumplen las exigencias establecidos en el método de diseños de mezclas drenantes desarrollada por Cántabro, de muy buena y probada aplicación en España. Por tanto es factible construir con nuestro asfalto y agregados, esta tecnología para mejorar las estructuras de pavimento flexibles con capa de rodadura conformadas actualmente por mezclas de tipo densas.

    El costo por m2 de la estructura de pavimento flexible considerando la colocación de una capa de mezcla drenante como capa de rodadura es algo superior a los pavimentos flexibles con capa de rodadura conformada por mezclas densas, sin embargo la preservación de la capa de rodadura densa al colocar la mezcla drenante justifica la inversión inicial algo mayor que esta genera.

    Se ha demostrado en el presente trabajo, que este tipo de mezclas funcionaron únicamente con el uso del aditivo mejorando la adherencia que actualmente se utiliza en la elaboración de mezclas asfálticas de tipo densas, lo cual abarata su costo final ya que el uso de polímeros encarece notablemente el costo de mezclas drenantes.

    La compactación de este tipo de mezclas, se lleva a cabo con rodillos lisos (8-12 Ton.) sin emplear vibración, a la temperatura mínima que refleje la carta de viscosidad del asfalto utilizado para este fin, por tanto se confeccionaron las briquetas de control empleando 50 golpes por cara, con el martillo utilizado en el ensayo Marshall convencional.

    Efectuar pruebas de permeabilidad in situ, de la mezcla drenante para verificar que los vacíos de la mezcla se encuentren interconectados entre sí y con ello garantizar el correcto funcionamiento del drenaje a través de la estructura de la mezcla drenante. Se debe abrir al tráfico con la mezcla suficientemente fría.

    El empleo de mezclas drenantes como técnica alternativa en la conservación de los pavimentos flexibles actuales y de nueva construcción, se manifiestan en que no permite que el agua lluvia quede en la superficie de rodadura y además sirve como una capa de “alivio” donde fisuras existentes o en formación en la capa asfáltica densa no se reflejen en la superficie, por tanto la expectativa del periodo de vida de diseño de estructuras de pavimentos flexibles, se incrementa con esta tecnología.

    Si tenemos en consideración que el éxito del análisis costo-beneficio, está ligado a su función como ayuda de decisiones, por la institución encargada del mantenimiento y construcción de las obras de la ciudad

Indicador costo / beneficio

    R = 1’239.300,00 USD / 2’400.000,00 USD = 0.52

    Si el proyecto de pavimento asfáltico drenante dura 5 años, la relación costo beneficio es mayor a 2, lo cual significa un indicador positivo para la inversión de la alternativa propuesta.

    Del análisis de la relación costo-beneficio, efectuado a la alternativa propuesta de mezcla asfáltica drenante versus los pavimentos con mezcla asfáltica densa y tomando en consideración que el impacto que se produce en Guayaquil cuando hay lluvias que impiden el paso o buena circulación a través del tiempo y considerando el número de vehículos en circulación en 5 años es 200 % veces superior a la inversión realizada, demuestra que esta propuesta es técnica y económicamente rentable.

Bibliografía

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