Estudio de la adhesión y cohesión de tres tipos de agregados pétreos utilizados en Bogotá – Colombia con asfalto 60 – 70.
Fredy Alberto Reyes Lizcano, Ing, M.Sc., PhD.
Nestor Cely Leal, Ing, M.Sc.
Ana Sofía Figueroa Infante, Ing, M.Sc., PhD.
PROBLEMA
Figura 2. Estancamiento del
agua sobre la superficie del
asfalto.
Fuente Propia, 2013
Stripping
El efecto de la humedad
Escaso mantenimient
o a las vías
Comportamiento frágil de las mezclas
asfálticas por las bajas
temperaturas
Figura 3. Falla adhesiva y cohesiva en la interacción asfalto agregadoFuente: GUTIERREZ A. 2008
Con ésta investigación sepretende contribuir a lasolución de una parte delproblema general conocidocomo “stripping” y un agenteexterno muy influyente comolo es el agua.
JUSTIFICACIÓN
Teoría Mecánica
Teoría QuímicaTeoría
Termodinámica
Ishai y Craus (1977)
OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL:
• Determinar la adhesión y cohesión para tres tipos de agregados pétreos usualmenteutilizados en las mezclas asfálticas para Bogotá con asfalto 60 – 70 Barranca, en estado seco yhúmedo.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1. Medir el comportamiento adhesivo y cohesivo de la interacción entre el asfalto 60 – 70Barranca, con tres tipos de agregados usando el ensayo PATTI, en condiciones secas yhúmedas.
2. Establecer el comportamiento de humectabilidad y energía superficial libre del asfalto 60 –70 con los agregados pétreos analizados.
3. Determinar el mejor comportamiento adhesivo y cohesivo del conjunto asfalto y agregado encondiciones secas y húmedas.
Teoría Termodinámica de la Adhesión
Ligante asfalticoFuerzas físicas en la interface (ESL)
Superficie del agregado
Figura 4. Creación de la nueva superficie de área entre dos materiales (“A” y “B”). Fuente: Bhasin A. 2006
Cálculo del Trabajo de Adhesión (WA)
𝑊𝐴𝐿𝑆 = 2 𝛾𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿𝑊 + 2 𝛾+ ∗ 𝛾− + 2 𝛾− ∗ 𝛾+
Teoría Termodinámica de la Adhesión
Teoría que explica el fenómeno de Energía Superficial Libre y Mojabilidad
La teoría de adsorción termodinámica afirma que la adhesión se produce en condiciones desuficiente humectación.
Fuente: Fuente: Zapata Ferrero I. 2011
1 + cos θ 𝛾𝐿
= 2 ∗ 𝛾𝑆𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿
𝐿𝑊 + 𝛾𝑆+ ∗ 𝛾𝐿
−+ 𝛾𝑆− ∗ 𝛾𝐿
+
Fuente: Van Oss, et al. 1988
Ang
Teoría Termodinámica de la Adhesión
Fuente: Bhasin A. 2006
Parámetro Energía Superficial Total
Ligante Asfáltico
La energía total de la superficiees típicamente en el intervalo de10 a 45 ergios / cm2.
Agregados
La energía total de la superficiees típicamente en el intervalo de50 a 400 ergios / cm2, aunque lamagnitud del componente debase es significativamentemayor.
• Teoría que explica el fenómeno de Energía Superficial Libre:
𝜸𝑳 ∗ 𝟏 + 𝒄𝒐𝒔𝜽
= 𝟐 ∗ 𝜸𝑺𝑳𝑾 ∗ 𝜸𝑳
𝑳𝑾 + 𝟐 ∗ 𝜸𝑺+ ∗ 𝜸𝑳
− + 𝟐 ∗ 𝜸𝑺− ∗ 𝜸𝑳
+
Goniómetro
1) Muestras
Vidrio, tres tipos de agregados pétreos y asfalto barranca 60-70.
2) Preparación de la muestra
Encender el horno a 150°C y colocar dentro el asfalto durante 1 hora aproximadamente.
Limpiar y preparar las rocas, inmediatamente después se colocan en el horno las rocas durante 1 hora a 60°C.
3) Ensayo
Colocar la gota de asfalto sobre la superficie (25°C) y realizar lectura inmediata (dif. Ángulo izq. y ángulo der. <
3%).
Colocar las gotas de referencia sobre la superficie (25°C) y realizar lectura inmediata (dif. Ángulo izq. y ángulo der. <
3%).
RESULTADOS GOTA SÉSIL
Tabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Humectabilidad)
Superficie PromedioDesviación
est. COVVidrio 163,192 12,655 0,078Cantera 1 (Arenisca) Mondoñedo 155,872 3,737 0,024Cantera 2 (Arenisca) Alto la Laguna 159,058 5,109 0,032Cantera 3 (Caliza) Rio Coello 161,893 4,030 0,025
150.0155.0160.0165.0
Cantera 1(Arenisca)
Mondoñedo
Cantera 2(Arenisca) Alto la
Laguna
Cantera 3 (Caliza)Rio Coello
An
gulo
de
la g
ota
so
bre
la
su
pe
rfic
ie
Tipo de superficie
Ensayo de la Gota Sésil(Humectabilidad)
RESULTADOS GOTA SÉSILTabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Formamida)
Superficie Promedio Desviación est. COV
Vidrio 42,679 0,228 0,53%
Cantera 1 (Arenisca) Mondoñedo 19,285 1,758 9,12%
Cantera 2 (Arenisca) Alto la Laguna 23,615 3,370 14,27%
Cantera 3 (Caliza) Rio Coello 32,677 6,736 20,61%
Lamina de asfalto 105,176 1,387 1,32%
Tabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Etilenglicol)
Superficie Promedio Desviación est. COV
Vidrio 34,550 0,943 2,73%
Cantera 1 (Arenisca) Mondoñedo 10,606 1,122 10,58%
Cantera 2 (Arenisca) Alto la Laguna 22,082 2,464 11,16%
Cantera 3 (Caliza) Rio Coello 33,711 2,361 7,00%
Lamina de asfalto 103,999 1,381 1,33%
Tabla Resumen Ensayo Gota Sésil (Agua Desionizada)
Superficie Promedio Desviación est. COV
Vidrio 26,331 1,091 4,14%
Cantera 1 (Arenisca) Mondoñedo 18,178 1,033 5,68%
Cantera 2 (Arenisca) Alto la Laguna 26,740 1,607 6,01%
Cantera 3 (Caliza) Rio Coello 30,648 2,042 6,66%
Lamina de asfalto 103,877 0,854 0,82%
DENSIDAD TOTAL DISPERSA POLAR POLAR+ POLAR-
FORMAMIDE 1,128 48 29 19 1,92 47
ETHYLEN GLYCOL
1,113 57,5 38,5 19 2,3 39,6
DESIONIZED WATER
0,9987 72,8 21,8 51 25,5 25,5
Fuente: Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009
1 + cos θ 𝛾𝐿
= 2 ∗ 𝛾𝑆𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿
𝐿𝑊 + 𝛾𝑆+ ∗ 𝛾𝐿
−+ 𝛾𝑆− ∗ 𝛾𝐿
+
Fuente: Van Oss, et al. 1988
2. Se medirá el comportamiento adhesivo y cohesivo de la interacción entre elasfalto 60 – 70, con los tres tipos de agregados usando el ensayo PATTI, encondiciones secas y húmedas.
TOMADO: MOISTURE SENSITIVITY OF HOT MIX ASPHALT (HMA) MIXTURES IN NEBRASKA
PATTIEquipo para Medir Cohesión y Adherencia
Bitumen Bond Strength (BBS) test equipment.
BBS Test
1) Muestras Vidrio, tres tipos de agregados pétreos y asfalto barranca 60-
70
2) Preparación de la muestra
Encender el horno a 150°C y poner dentro el asfalto durante 1 hora aproximadamente.
25 gotas de asfalto por material y condición, el peso de cada muestra es 0,40 gr + o - 0,05.
Limpiar y preparar las rocas, inmediatamente después se colocan en el horno las rocas durante 1 hora a 60°C.
Realizar cada montaje y preparar para el ensayo (Condiciones seca y húmeda)
3) Ensayo
Tener una presión de aire de 100 ± 0,02 psi
Ensayar cada montaje estaca-asfalto-agregado
RESULTADOS BBS Test
𝑃𝑂𝑇𝑆 =𝐵𝑃 𝑥 𝐴𝑔 − 𝐶
𝐴𝑃𝑆
Donde:• BP= Presión calculada con el PATTI (psi)• Ag= Área de contacto después del ensayo (in2)• C= Constante del pistón = 0,286 Lbs• Aps= Área del pistón (in2) = 0,4869 in2
BBS TEST
Condición Seca
Condición Húmeda
RESULTADOS BBS Test
Superficie
Condición Seca Condición Húmeda
% Perdida de Asfalto Promedio
Modo de Falla% Perdida de Asfalto
PromedioModo de
Falla
Agregado 1 (Arenisca) FuenteMondoñedo
98,60% Falla Cohesiva 96,72%Falla
Cohesiva
Agregado 2 (Arenisca) Fuente Alto La Laguna
94,92% Falla Cohesiva 92,40%Falla
Cohesiva
Agregado 3 (Caliza) Fuente Rio Coello
88,60% Falla Cohesiva 40,00%Falla
Adhesiva
0.00000.50001.00001.50002.0000
Vidrio (superficieneutra)
Cantera 1(Arenisca) Fuente
Mondoñedo
Cantera 2(Arenisca) Fuente
Alto La Laguna
Cantera 3 (Caliza)Fuente Rio Coello
BBS Test
Estado Seco (Mpa) Estado Humedo (Mpa)
RESULTADOSASTM – C 127 Método de Ensayo Normalizado para Determinar la Densidad, la Densidad Relativa (Gravedad Específica), y la Absorción de Agregados Gruesos
ABSORCIÓN AGREGADO GRUESO
Cantera 1 (Mondoñedo)
Cantera 2 (Alto La Laguna)
Cantera 3 (Rio Coello)
Roca Saturada Superficialmente Seca (gr)
1722,7 2141,9 937,3
Roca Saturada Sumergida (gr) 1022,8 1260,5 595,2
Roca Seca en Horno (gr) 1666,7 2072,9 933,9
Absorción (%) 3,36% 3,33% 0,36%
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 =𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑜 − 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜
𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜
0.00% 2.00% 4.00%
1
% Absorción
Can
tera
Absorción (%)
RESULTADOS• Calculo de la Energía Superficial Total
1 + cos𝜃 ∗ 0,5 ∗ 𝛾𝐿 = 𝛾𝑆𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿𝐿𝑊 + 𝛾𝑆+ ∗ 𝛾𝐿− + 𝛾𝑆− ∗ 𝛾𝐿+
RESUMEN ENERGIA SUPERFICIAL LIBRE
CANTERACOMPONENTE (ergs/cm2) 𝛾^𝐴𝐵(ergs/cm2) 𝛾^LW(ergs/cm2) 𝛾 ergs/cm2)
ASFALTO 60-70ASFALTO + 9,111
1,885676132 8,998 10,88326082ASFALTO - 0,098
CANTERA 1 MONDOÑEDO
(ARENISCA)
CANTERA 1 + 56,22314,19890128 65,849 80,04747189
CANTERA 1 - 0,896
CANTERA 2 ALTO LA LAGUNA (ARENISCA)
CANTERA 2 + 50,44023,7836799 78,607 102,3910967
CANTERA 2 - 2,804CANTERA 3 RIO
COELLO (CALIZA)CANTERA 3 + 52,161
30,45981273 80,060 110,5195474CANTERA 3 - 4,447
RESULTADOS• Energía Superficial Total Agregados Energía Superficial Libre
Cemento Asfaltico
Modificado: Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009
Modificado: Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009
• Calculo del Trabajo de Adhesión (WA)
𝑊𝐴𝐿𝑆 = 2 𝛾𝐿𝑊 ∗ 𝛾𝐿𝑊 + 2 𝛾+ ∗ 𝛾− + 2 𝛾− ∗ 𝛾+
Investigación Agregado𝛾
(ergs/cm2)𝛾^LW 𝛾^AB
Álvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009
Caliza (Texas) 271 152 119Granito (Oklahoma)
425,18 56,35368,8
3Cuarcita (Arkansas)
200,07 60,86139,2
1Arenisca (Oklahoma)
104,98 62,46 42,52
Caliza (Ohio) 111,15 58,01 53,14
Cely-Leal N. 2014
Arenisca (Mondoñedo)
80,05 65,85 14,20
Arenisca (Alto La Laguna)
102,39 78,61 23,78
Caliza (Rio Coello)
110,52 80,06 30,46
Investigación Cemento Asfaltico 𝛾(ergs/cm2) 𝛾^LW 𝛾^ABÁlvarez-Lugo A., Caro-Spinel S. 2009
Apiay 10,09 6,24 4,55
Barrancabermeja 12,06 7,24 4,82
Cely-Leal N. 2014 Barrancabermeja 10,88 8,99 1,88
TRABAJO DE ADHESIONLIQUIDO AGREGADO WLS
Asfalto 60-70 Cantera 1 59,08Asfalto 60-70 Cantera 2 67,73Asfalto 60-70 Cantera 3 70,92
RESULTADOS• Ejemplo de Calculo del Trabajo de Adhesión (WA)
γL^LW γL^+ γL^-
FORMAMIDA 6,204836823 1,516575089 6,292853089
ETHYLEN GLYCOL 5,385164807 1,385640646 6,8556546
DESIONIZED WATER 4,669047012 5,049752469 5,049752469
Matriz B
FORMAMIDA 55,7638943
ETHYLEN GLYCOL 47,59784511
DESIONIZED WATER 70,97092703
Matriz x
RAIZ(CANTERA 1 LW) 8,114713218 CANTERA 1 LW 65,8485706
RAIZ(CANTERA 1 -) 7,498218551 CANTERA 1 - 56,22328145
RAIZ(CANTERA 1 +) -0,946818313 CANTERA 1 + 0,896464918
𝛾^LW = 65,8485706
𝛾^AB = 14,19890128
𝛾 CANTERA 1 = 80,04747189
Calculo de la Energia superficial de los Liquidos sobre Agregado 1
Matriz A
𝑆𝐿 = 𝛾 = 𝛾𝐿𝑊+𝛾 = 𝛾𝐿𝑊+2 𝛾+ ∗ 𝛾−
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
Fenómeno Referencia Resultado
Afectaciónporhumedad
Tan & Guo (2013) demuestran elefecto adverso de humedad en laadhesión en las mezclas asfálticas. Lacaliza es la más sensible a la humedad
Perdida del material asfaltico enmas de 60%
Índice deDaño porHumedad
Bhasin et al. (2006):IDH mayores a 1,5: altamenteresistentes al daño por humedad.IDH entre 0,5 y 1,5: mezclas deresistencia media al daño porhumedad.IDH inferior a 0,5: altamentesusceptibles al daño por humedad.
Los agregados pétreosestudiados, usados en la regiónpara mezclas asfálticas, sonaltamente susceptibles al dañopor humedad, con los siguientesvalores:Arenisca de Mondoñedo: 0,361Arenisca del Alto la Laguna:0,410Caliza del Rio Coello: 0,421
CONCLUSIONESLos tres agregados estudiados se clasificaron como muy susceptibles a la
humedad (IDH).
El agregado del Alto la Laguna, tuvo el comportamiento más uniforme al ser
sometido a los ensayos BBS con un valor promedio de tracción de arranque
alto y menor perdida de ligante asfaltico al estar condicionado; y además, el
trabajo adhesivo en la interface fue relativamente alto, por lo que, en
comparación con los otros agregados estudiados fue el de mejor
comportamiento al ser afectado por la humedad.
RECOMENDACIONES
Los resultados mostrados anteriormente justifican la necesidad de
seleccionar cuidadosamente los materiales de pavimentación de
forma que la unión asfalto-agregado genere altos valores de trabajo
de adhesión en estado seco comparado con el trabajo de adhesión
húmedo, para así, buscar baja susceptibilidad al debilitamiento de
dicha unión por acción del agua.
Fredy Alberto Reyes Lizcano, Ing, Mscs , PhD. Profesor Titular Ingeniería Civil UniversidadJaveriana, Grupo CECATA [email protected], (57) 1 320 8320 Ext. 5270, BogotáColombia.
Nestor Cely Leal, Ing, MsC. Grupo CECATA. [email protected], (57) 1 320 8320 Ext.5270, Bogotá Colombia.
Ana Sofía Figueroa Infante, Ing, mSc, PhD, Profesor Asociado. Grupo [email protected]. Universidad de la Salle, (57) 1 3535360 Ext 2532 BogotáColombia.
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