Evaluación del impacto del uso de RAP en las propiedades de mezclas asfálticas tibias con tecnología de espumado.
Los procesos de «fresado» se hacen de manera rutinaria en las actividades asociadas al mantenimiento de vías que cuentan con una capa de rodadura de concreto asfáltico. Este proceso deja como «material de residuo» todo el concreto asfáltico retirado o RAP por sus siglas en inglés (Reclaimed Asphalt...
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| Institution: | Escuela Colombiana de Ingeniería |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Trabajo de grado - Maestría |
| Language: | Español |
| Published: |
Escuela Colombiana de Ingeniería
2021
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://repositorio.escuelaing.edu.co/handle/001/1561 |
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| Summary: | Los procesos de «fresado» se hacen de manera rutinaria en las actividades asociadas al mantenimiento de vías que cuentan con una capa de rodadura de concreto asfáltico. Este proceso deja como «material de residuo» todo el concreto asfáltico retirado o RAP por sus siglas en inglés (Reclaimed Asphalt Pavement), el cual en países como Estados Unidos se ha venido reutilizando desde 1996, llegando al punto de poder ser utilizado en la elaboración de nuevas mezclas asfáltica que cumplan con las especificaciones y las propiedades exigidas para conformar capas asfálticas en una estructura de un pavimento nuevo o rehabilitado. Sin embargo, esta no es una práctica común en Colombia, en donde en el mejor de los casos se utiliza este material para la conformación de bases estabilizadas o de manera más sistemática para mezclas asfálticas frías en capas de relleno, reduciendo considerablemente los beneficios medioambientales y económicos que se podrían obtener al hacer uso de este material en capas de base asfáltica o de rodadura de la estructura de pavimento.
Con el objetivo principal de determinar el efecto que tiene el RAP en las mezclas asfálticas y basándose en metodologías de investigaciones realizadas en países que se encuentran a la vanguardia en el aprovechamiento del RAP, se procedió a realizar mezclas asfálticas tibias con espumado a las cuales se les agregaron diferentes cantidades de RAP, partiendo del 40% que corresponde al máximo permitido por el ARTÍCULO 462 del capítulo 4 de la normativa INVIAS y superando este umbral, particularmente en concentraciones del 50% y 60%.
El comportamiento expuesto por estas mezclas frente a los esfuerzos de tracción indirecta y susceptibilidad a la humedad fue comparado con el desempeño presentado por una mezcla tibia con espumado sin RAP y el de una mezcla caliente tradicional.
Los ensayos realizados se centraron en comprobar el contenido de asfalto óptimo sugerido por el proveedor de las mezclas asfálticas, mediante pruebas de estabilidad/flujo. Una vez se comprobó el cumplimiento de los valores de estabilidad y flujo, así como de vacíos con aire de la mezcla, se procedió a caracterizar el RAP obtenido, determinando la granulometría que aportan sus agregados y la cantidad y proporción de agregados vírgenes que se debían adicionar para cumplir con la franja granulométrica de una mezcla MDC-19.
Los agregados vírgenes junto con el RAP fueron calentados a las temperaturas propuestas para estimar su compactabilidad mediante el parámetro «N92», que corresponde a la cantidad de giros que debe realizar el «Superpave Giratory Compactor» (SGC) para que la mezcla alcance el 92% de su gravedad específica máxima (Gmm). Esto significa que, a mayor cantidad de giros requeridos por el SGC, la compactabilidad de la mezcla es menor, puesto que se requiere de un esfuerzo mayor para lograr que la mezcla alcance la densidad deseada.
Una vez determinadas las temperaturas de mezcla y compactación, así como el contenido de asfalto y granulometría de la mezcla, se procedió con la elaboración y compactación de las tres (3) briquetas necesarias para cada ensayo (tracción indirecta en condición seca y húmeda). Todos los ensayos se realizaron para los 5 tipos de mezclas propuestos, a saber, una mezcla caliente de control (MC), una mezcla tibia con espumado (MT), una mezcla tibia con espumado y 40% de RAP (MT40), una mezcla tibia con espumado y 50% de RAP (MT50) y por último una mezcla tibia con espumado y 60% de RAP (MT60). Todas las mezclas tibias anteriormente mencionadas fueron fabricadas con las condiciones de temperatura y concentración de agua establecidas como óptimas para la elaboración de la espuma de asfalto, y con la temperatura de agregados determinada como la más adecuada en los ensayos de compactabilidad.
Posteriormente se planteó la elaboración de mezclas tibias con espumado compactadas a una temperatura de agregados inferior, conservando los parámetros establecidos para la espuma de asfalto, estas mezclas incluyeron 50% de RAP (MT50-135) y 60% de RAP (MT60-135). Todas las mezclas mencionadas anteriormente, con una granulometría que cumpla con los valores promedio estipulados en la especificación INVIAS para una mezcla tipo MDC-19, aclarando que existe cierta incertidumbre en la granulometría dada la variabilidad del RAP. Así mismo, los ensayos planteados con miras a determinar la resistencia a la tensión indirecta y susceptibilidad a la humedad de las mezclas analizadas (INV-E-725-13 – «Evaluación de la susceptibilidad a agua de las mezclas de concreto asfáltico utilizando la prueba de tracción indirecta»), fueron realizados cumpliendo con los periodos, procedimientos y temperaturas de acondicionamiento establecidos en su respectiva norma de ensayo INVIAS.
Al lograr reducir las temperaturas de calentamiento de los agregados entre 20°C y 40°C para la fabricación de las mezclas tibias con espumado en comparación con la mezcla caliente tradicional, según Dinis-Almeida & Afonso (2015) se consigue ahorrar entre 1 y 2 litros de combustible por tonelada de concreto asfáltico fabricado, esto se traduce en una disminución de entre 2 a 7 kg CO2 que dejan de trasladarse a la atmósfera. Por otro lado, es importante tener en cuenta que, según Zaumanis et al. (2016), la utilización de contenidos de RAP comprendidos entre 40% y 60% representan un ahorro de alrededor de 15 a 30 dólares por tonelada de mezcla fabricada, así mismo, según Lyubarskaya et al. (2017), la inclusión de por lo menos 40% de RAP en las mezclas asfálticas se traduce en un ahorro de 6.8 dólares por tonelada de asfalto en los costos de rehabilitación de la capa de rodadura.
La mezcla tibia con espumado y mayor contenido de RAP (60%) presentó la menor susceptibilidad a la humedad, alcanzando un valor de TSR igual al 89%, muy similar a los de las mezcla tibia con 50% de RAP (TSR 87%) y superando ampliamente al de la mezcla caliente de control (TSR82%). Por otro lado, la mezcla caliente de control fue la que mayor cantidad de trabajo requirió para llegar al fallo requiriendo 1992 kgxmm, superando a la mezcla tibia con 60% de RAP (1737 kgxmm) y a la mezcla tibia con 50% de RAP (1553 kgxmm), destacando que, si bien las mezclas con mayor contenido de RAP soportaron esfuerzos máximos mayores, exhibieron una mayor rigidez y menor capacidad de deformación antes del fallo. La mezcla tibia con espumado y sin RAP tuvo el más bajo desempeño en todos los parámetros evaluados.
Al reducir la temperatura de elaboración de las mezclas tibias con espumado y RAP se redujo considerablemente su desempeño a nivel general, generando incumplimiento en los valores de susceptibilidad al agua requeridos por la normativa aplicable, esto estableció un límite inferior en la temperatura de fabricación de estas mezclas para la presente investigación, puesto que al utilizar una temperatura de calentamiento de agregados inferior a 140°C, las resistencias tanto a la tensión indirecta de las mezclas fabricadas, se redujo entre un 16% y 20% en condición seca y de 29% a 32% en condición húmeda.
Finalmente, con los resultados del estudio se puede considerar la elaboración de mezclas asfálticas tibias con espumado y concentraciones de RAP superiores al 60%, evaluando aspectos tales como su resistencia a la fatiga y la reducción de costos en las labores de fabricación y compactación de las mezclas, determinando así el beneficio económico neto, puesto que como se pudo observar, las mezclas con RAP presentan menor resistencia la fatiga y compactabilidad, en comparación con una mezcla caliente tradicional.
The milling process it’s common in maintenance of asphaltic road activities. This process produce as “residual material” the removed asphalt concrete also known as RAP (Reclaimed Asphalt Pavement). This material has been used in countries like USA since 1996, reaching the point of being able to be used in the elaboration of new asphalt mixtures that meet the specifications and properties required to form asphalt layers in a new or rehabilitated pavement structure. However, this is not a common practice in Colombia, where this material is used for the conformation of stabilized bases or more often for cold asphalt mixtures in fill layers, considerably reducing the environmental and economic benefits that could be obtained by making use of this material in layers of asphalt or rolling base of the pavement structure.
With the objective of determining the effect of RAP has on asphalt mixtures and based on research methodologies carried out in countries that are at the forefront in the use of RAP, warm asphalt mixtures with foaming were carried out. They added different amounts of RAP, starting from 40% which corresponds to the maximum allowed by ARTICLE 462 of chapter 4 of the INVIAS regulation and exceeding this threshold, specifically in concentrations of 50% and 60%
The behavior exhibited by these mixtures when evaluating indirect tensile stresses and susceptibility to humidity was compared with the performance exhibited by a warm mix with no-RAP foaming and that of a traditional hot mix.
The tests carried out focused on verifying the optimum asphalt content suggested by the supplier of the asphalt mixtures, through stability / flow tests. Once compliance with the stability and flow values, as well as the air voids of the mixture, was verified, the RAP obtained was characterized, determining the granulometry provided by its aggregates and the amount and proportion of virgin aggregates that had to be added to comply with the granulometric range of an MDC-19 (dense hot mixture).
The virgin aggregates and the RAP were heated to the temperatures proposed to estimate their compactability using the parameter "N92", which represent the number of turns that the "Superpave Giratory Compactor" (SGC) must perform for the mixture to reach the 92 % of its maximum specific gravity (Gmm). This means that the higher the number of turns required by the SGC, the compactability of the mix is lower, since a greater effort is required to get the mix to reach the desired density.
Once the mixing and compaction temperatures had been determined, as well as the asphalt content and granulometry of the mixture, the three (3) specimens necessary for each test were elaborated and compacted. All tests were carried out for the 5 types of mixtures proposed, namely a control hot mix (MC), a warm mix with foaming (MT), a warm mix with foaming and 40% RAP (MT40), a mix warm with foaming and 50% RAP (MT50) and finally a warm mixture with foaming and 60% RAP (MT60). All the previously mentioned warm asphalt mixtures were manufactured with the conditions of temperature and water concentration established as optimal for the elaboration of the asphalt foam, and with the temperature of the aggregates determined as the most suitable in the compactability tests.
Subsequently, the elaboration of warm mixtures with foaming compacted at a lower aggregate temperature was proposed, keeping the parameters established for asphalt foam, these mixtures included 50% RAP (MT50-135) and 60% RAP (MT60-135). All the mixtures mentioned above, meet the average granulometry required in the INVIAS specification for an MDC-19 type mixture, clarifying that there is some uncertainty in the granulometry given the variability of the RAP. Likewise, the tests carried out with a view to determining the resistance to indirect tension and susceptibility to humidity of the mixtures analyzed (INV-E-725-13 – “Evaluation of the susceptibility to water of asphalt concrete mixtures using the test indirect traction”), were performed.
By reducing the heating temperatures of the aggregates between 20 ° C and 40 ° C for the manufacture of warm mixtures with foaming compared to the traditional hot mix, according to Dinis-Almeida & Afonso (2015), savings between 1 and 2 liters of fuel per ton of manufactured asphalt concrete, this means a reduction of between 2 to 7 kg CO2 that stops being transferred to the atmosphere. On the other hand, according to Zaumanis et al. (2016), the use of RAP contents between 40% and 60% represent a saving of around 15 to 30 dollars per ton of manufactured mixture, likewise, according to Lyubarskaya et al. (2017), the inclusion of at least 40% RAP in the asphalt mixtures translates into a savings of 6.8 dollars per ton of asphalt in the costs of rehabilitation of the wearing course.
The warm mix with foaming and the highest RAP content (60%) presented the least susceptibility to humidity, reaching a TSR (tensile strength ratio) value equal to 89%, very similar to those of the warm mix with 50% RAP (TSR 87%). and far exceeding that of the hot control mix (TSR82%). On the other hand, the hot control mixture was the one that required the greatest amount of work to reach failure, requiring 1992 kgxmm, beating the warm mixture with 60% RAP (1737 kgxmm) and the warm mixture with 50% RAP (1553 kgxmm), although the mixtures with higher RAP content supported higher maximum stresses, they exhibited greater rigidity and lower deformation capacity before failure. The warm mix with foaming and without RAP had the lowest performance in all the parameters evaluated.
By reducing the production temperature of the warm mixtures with foaming and RAP, their performance at a general level was considerably reduced, generating non-compliance in the values of susceptibility to water required by the applicable regulations, this established a lower limit in the manufacturing temperature of these mixtures for the present investigation, since when using a heating temperature of aggregates lower than 140 ° C, the resistances both to the indirect tension of the mixtures manufactured, were reduced between 16% and 20% in dry condition and 29% to 32% in wet condition.
Finally, with the results of the study, the elaboration of warm asphalt mixtures with foaming and RAP concentrations higher than 60% can be considered, evaluating aspects such as their resistance to fatigue and the reduction of costs in the manufacturing and compaction tasks of the mixtures, thus determining the net economic benefit, since the mixtures with RAP have less resistance to fatigue and compactability, compared to a traditional hot mix.
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| Physical Description: | 203 página |
