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Evaluación de Fibras de Celulosa en Mezclas SMA

Tesis UDEC12
by

daniel rammsy

on 5 December 2012

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Transcript of Evaluación de Fibras de Celulosa en Mezclas SMA

Motivación Estas, se desarrollaron como respuesta a las rigurosas exigencias en invierno por el paso de neumáticos con clavos. El concepto base de la SMA es obtener una matriz de alta calidad, con un fuerte entrecruzamiento de agregados, y llena con un mortero de alta calidad (mastic) que contiene roca pulverizada (polvo de roca), llenante (filler), ligante (asfalto) y aditivos estabilizadores (fibras de celulosa). Poder darle una aplicabilidad
orientada a los Materiales de la
Construcción PROBLEMAS FUNCIONALES
Los pavimentos deben mantener sus características funcionales en el tiempo, y si existen problemas de estructura, hay que reemplazar la capa afectada, pudiendo considerarse otras soluciones. Alumno: Daniel Rammsy E.
Profesor Patrocinante: Dr. Manuel Meléndrez Poder solucionar la problemática Vial,
aplicando innovadoras soluciones tecnológicas Solución: Las mezclas SMA Stone Mastic Asphalt (SMA)
Consiste de material triturado de alta calidad con un tamaño máximo de partícula (agregados minerales de gradaciones abiertas),
Rocas finamente trituradas
Polvo(llenante)
Betumen del grado adecuado
Aditivos estabilizadores.
Los finos, preferiblemente,deben ser compuestos en 100% de material triturado. Stone Mastic Asphalt (SMA) corresponde a un diseño Alemán que fue desarrollado en ese país hace 40 años, y es la capa superficial de asfalto de elevada calidad que es utilizada en muchos países del mundo. Con el aumento de carga y volumen del tráfico, SMA es un material ideal para cumplir los requisitos de las autopistas, hoy y en el futuro Pero que es lo que hace a la SMA,
diferente de las mezclas convencionales Se trata de un concepto totalmente distinto al de las mezclas tradicionales, densamente graduadas y elaboradas a elevadas temperaturas NUESTRA REALIDAD HOY Sistema Oriente-Poniente:

Av.Kennedy(4)
Costanera Norte(5) Sistema Norte-Sur:

General Velásquez(1)
Norte-Sur(2) Sistema Américo Vespucio:

Américo Vespucio Sur(3)
Américo Vespucio Norte(6) PROBLEMA URBANO?? EL ABSURDO SEGUIR HACIENDO LO MISMO , ESPERANDO OBTENER RESULTADOS DISTINTOS. SOLUCIONES TÉCNICAS

La utilización de las mezclas tradicionales, implica
generalmente mayores tiempos de intervención, producto
de los mayores volúmenes, molestias a los usuarios
y los costos asociados que ello involucra. Las soluciones hoy en día están dadas por las
conocidas como capas delgadas, como son los micro-
aglomerados discontinuos en caliente, y las mezclas
en estudio las SMA. ALTERNATIVAS TECNICAS

Para la realización de dichas técnicas se requieren productos diferentes, áridos de mejor calidad, cementos asfálticos modificados, y la incorporación de fibras de celulosa

Equipos de colocación tradicionales MEZCLAS STONE MASTIC
ASPHALT (SMA) Son mezclas de granulometría discontinua
con empleo de áridos de mejor calidad, 100% chancado, bajo % de lajas y forma cúbica.
Alto contenido de Filler, mayor a 10%
Uso de asfaltos modificados
(químicamente o con elastómeros)
Contenido de asfalto superior al 6%
Uso de aditivos estabilizadores
(Fibras de Celulosa). Que son las SMA?? Curva granulométrica Discontinua Que son las SMA?? Son mezclas muy estables
Resistentes a esfuerzos repetidos.
Formadas por estructuras granulares con alto contacto inter-particular.
Mezcla rellena de un mastic, rico en ligante y altos contenidos de filler.
Contenido de vacíos mayores a las mezclas tradicionales entre 10 y 15%
Incorporación de Fibras de Celulosa con la finalidad de prevenir el escurrimiento (Draindown), debido al mayor contenido de asfalto. DISTINTAS GRANULOMETRIAS Tamaño máximo 10 mm, se emplean en capas Finas en espesores entre 15 y 25 mm.

Tamaño máximo 12.5 mm, se emplean en capas en espesores entre 20 y 40 mm.

Su empleo depende del tipo de tránsito y objetivo. CONCEPTOS
1.- Diseño de Textura Superficial
2.- Diseño de Estructura Interna
3.- Espesor; Tamaño Máximo del agregado
4.- Relación Volumétrica
5.- Escurrimiento

Resultado:
Estructura granular autoportante + mastic rico
en ligante, polvo y fibras Textura Superficial Micro-textura
Coeficiente de Pulimento Acelerado
Macro-textura
Granulometría y Tamaño Máximo Profundidad/relieve RESULTADO: Adecuada Fricción MACRO-TEXTURA MACRO-TEXTURA POSITIVA MACRO-TEXTURA NEGATIVA ESQUEMA DE LA SMA MEZCLA TRADICIONAL V/S SMA Mezcla Tradicional SMA Muestras extraídas de terreno, SMA v/s Mezcla Tradicional Funcionamiento de las SMA EVALUACIÓN DE FIBRAS DE CELULOSA EN
MEZCLAS SMA Concepción, Diciembre 2012 APLICABILIDAD DE LAS MEZCLAS Concesiones Urbanas Como surge la idea de innovar en estas mezcla SMA ?? LA CLAVE ES Como se aprecia visualmente?? Materiales componentes de la SMA Pero cual es la diferencia más importante en relación a las mezclas tradicionales?? La incorporación de la fibras de celulosa Conozcamos algo más de esta fibra Porqué Fibra de Celulosa? Se adiciona como medida de prevención del escurrimiento (Draindown).
Que es el Draindown?
Es similar a una lechada asfáltica, el cual impide que la mezcla tenga una buena calidad estructural, produciendo los “fat spots” o manchas en la superficie del pavimento.
Estas mezclas contienen un mayor porcentaje de asfalto mayor a 6%.
Lo que hace que el asfalto escurra de la mezcla una vez que este esta en proceso de colocación, transporte y compactación. Como esta fibra ayuda a evitar el
Draindown ?? Conocida también como agente estabilizante y espesante cuyo mejor exponente lo constituyen las fibras celulósicas.
El agente estabilizante juega un papel fundamental en la SMA:
Debe permitir maximar el contenido de ligante de manera de obtener una mezcla estable y de alta durabilidad aún bajo las peores condiciones de repetición de cargas y de clima adverso.
Es por ello que los mejores resultados se obtienen a partir del empleo de fibras
Estos materiales de muy pequeñas dimensiones –1100 micrones de largo por 45 micrones de diámetro, valores medios.
Textura rugosa, alta flexibilidad, inocuas a la salud y de carácter inerte frente al asfalto.
Por ello deben emplearse fibras de celulosa:
permiten la adición de la mayor cantidad de ligante asfáltico posible evitando el escurrimiento de la mezcla recién elaborada y almacenada, y la exudación en servicio. Como esta fibra ayuda a evitar el
Draindown ?? Al mismo tiempo las fibras de celulosa son las más ecónomicas del mercado.
Ni la incorporación de una cantidad extra de filler, el uso de polímeros o caucho granulado podrían superar la acción absorbente de las fibras.
Los polímeros sí modifican al asfalto y pueden emplearse cuando las características del proyecto así lo demanden, pero en ningún caso para reemplazar algún componente de la SMA.
Los polímeros no reemplazan a la acción de las fibras, sólo modifican las características del ligante base cuando ello es así requerido. Como esta fibra ayuda a evitar el
Draindown ?? •La utilización de estas fibras de celulosa, no modifica químicamente al asfalto, pero interviene en las propiedades físicas, permitiendo incrementar el contenido de este(asfalto).

Tiende a espesar o conferir una reología al asfalto, evitando que el mismo drene de la mezcla previo a la compactación.
.
Es por ello que considerando aspectos técnicos y costos, la fibra celulosa es considerada la mejor fibra puesto que ha dado los mejores resultados en la práctica que otras fibras (WONSON 1996). Como esta fibra ayuda a evitar el
Draindown ?? Finalmente debido a la estructura tridimensional de la fibra Celulosa, el asfalto mantiene una elevada viscosidad, impidiendo así el escurrimiento de este durante el almacenamiento, el transporte y la colocación de la mezcla.

Le confiere además una mayor concentración de asfalto en la mezcla, formando una película más espesa de ligante envuelta en los agregados, esto inhibe la oxidación, la penetración de la humedad, la separación y fisuración de la carpeta asfáltica.

La capacidad de absorción de esta fibra, está en el rango de 10 a 12 veces más que la de su propia masa, es debido a esta propiedad que la mezcla puede obtener altos porcentajes de contenido asfáltico bien sea en el uso de mezclas SMA, open graded friction course (OGFC) y asfalto poroso (PA). Como esta fibra ayuda a evitar el
Draindown ?? Adsorción de betún en la superficie de la fibra y la matriz Como esta fibra ayuda a evitar el
Draindown ?? Pero que se entiende realmente por Estabilizadores o Inhibidores de Drenaje Corresponde a un aditivo para incorporar a una mezcla SMA con la finalidad de poder prevenir al asfalto o (mastic) de un posible drainage-off.

Además de ayudar en la retención del asfalto sobre el agregado, los Estabilizadores pueden también mejorar propiedades del asfalto mismo, del mastic, o de la mezcla.(Behbahani et al. (2009). Características de los Aditivos absorbentes de asfalto (fibras de celulosa) Debe poseer un adecuado poder de absorción de binder. Esta corresponde a la propiedad más relevante

Capacidad para actuar sin debilitar la mezcla. El estabilizador no debe crear planos de deslizamiento y debe ser capaz de reducir la fuerza de los granos entrelazados. Fibras de Celulosa (hilos), imagen al microscopio ampliación de 100x (Foto cortesía de Jan B. Krol, Warsaw Technical University) Estabilizadores más comunes, como productos de la Celulosa Fibras sueltas, en la forma de hilos de celulosa de forma irregular.

Pellets (gránulos) granulados, productos sin un agente de unión (ligante, binder).

Productos granulados, cilindro en forma de gránulos que consisten en hilos recubiertos con binder bituminoso, o con algún otro agente (por ejemplo, cera o plástico). Estabilizadores más comunes,como
productos de la Celulosa Fibras sueltas peletizadas (Pelletized Loose Fibers) Fibras sueltas peletizadas formadas. (foto de cortesía de J. Rettenmaier & Sohne GmbH + Co. KG, Germany.) Fibras Granuladas (Granulated Fibers) Fibras Granuladas hechas de Celulosa recubiertas con asfalto). Fibras de celulosa suelta (Loose Cellulose Fibers). Fibras de Celulosa suelta. (foto de cortesía de J. Rettenmaier & Sohne GmbH + Co. KG, Germany.). Pero en que forma usar la fibra ?? Las fibras sueltas según investigaciones pueden ser mejor distribuidas en una mezcla, además de requerir una cantidad menor de ellas (en comparación con las fibras granuladas) que son necesarias para lograr un efecto similar.
Sus desventajas residen en la absorción de agua. Las fibras sueltas peletizadas en su forma hacen que la dosificación de la mezcla de la SMA durante la producción sea más fácil. Las fibras granuladas por lo general contienen las mismas fibras como fibras sueltas, excepto que estas han sido recubiertas con un porcentaje de asfalto.
El recubrimiento con asfalto la hace más resistente al agua (es decir, menos sensible a la humedad Pero en que forma usar la fibra ?? De los resultados obtenidos, y en relación a lo que se ha hecho en Chile, la forma a utilizar sería la de las Fibras Granuladas Conozcamos un poco más de los materiales que componen la SMA Como se ha mencionado, la SMA, es una mezcla en caliente tipo "gap-graded" a la que se le adiciona fibra de celulosa, y que contiene una proporción muy elevada de agregados dentro de un "mastic" rico en ligante (asfalto). Conozcamos un poco más de los materiales
que componen la SMA La Mezcla SMA es una mezcla que consiste de dos partes un agregado grueso que proporciona una estructura estable (un buen contacto agregado-agregado) ó esqueleto

y un mastic a base de arenas, filler, fibras de celulosa y cemento asfáltico, principalmente con asfalto modificado. Comparación de la estructura mineral Stone Mastic Asphalt / Hormigón Asfáltico Conozcamos un poco más de los materiales
que componen la SMA ESQUELETO DE PIEDRA MINERAL
La fracción del agregado grueso de la mezcla SMA se define como la fracción del agregado combinado y mezclado que se retiene en tamiz de 4,75 mm (Nº 4 ASTM).
La fracción gruesa de agregado para las mezclas SMA se define en función del tamaño máximo nominal (TMN) de la mezcla. De tal manera que para las mezclas SMA con TMN de 12.5 y 19 mm. (1/2 y ¾ in.), el agregado grueso se define como la fracción retenida en el tamiz No. 4 (4.75 mm.), y para las mezclas con TMN de 9.5 mm. (3/8 in.), el agregado grueso se define como la fracción retenida en el tamiz No. 8 (2.36 mm.).

En la siguiente tabla 4.2 se encuentran los requisitos de calidad que deben cumplir los agregados gruesos que se utilizan en la fabricación de mezclas SMA. Conozcamos un poco más de los materiales
que componen la SMA La siguiente tabla muestra la granulometría de los agregados basada en la norma alemana ZTV Asphalt – StB 01. Los límites granulométricos, incluyendo el relleno mineral deberán estar comprendidos dentro de los
siguientes valores: Conozcamos un poco más de los materiales
que componen la SMA AGREGADOS FINOS
Se define como la fracción del agregado combinado y mezclado que pasa por el tamiz de 4,75 mm (Nº 4 ASTM).
Para las mezclas SMA, el agregado fino se define como el material que pasa por el tamiz No. 8 (2.36 mm.) para un TMN de la mezcla de 9.5 mm. (3/8 in.) ó Nº 4 (4.75 mm.) para las mezclas con TMN de 12.5 y 19 mm. (1/2 y ¾ in.).
Los requisitos de calidad que deberá cumplir el agregado fino utilizado en las mezclas SMA, se encuentran enunciados en la Tabla 4.3. Conozcamos un poco más de los materiales
que componen la SMA FILLER:
El relleno es la fracción del agregado fino que predominantemente pasa por el tamiz de 0,075 mm (Nº 200 ASTM). Este puede ser comprimido de roca triturada u otros minerales tales como: la cal hidratada y el cemento Portland.

ASFALTO
Estas mezclas tienen un contenido de asfalto entre un 6,5% a un 8% referido a la mezcla. El asfalto en la mezcla graduada y hueca es estabilizado durante los procesos de mezcla, el transporte y la compactación a través de la añadidura de un aditivo estabilizador.
Dependiendo de las características del tráfico el asfalto a utilizar se especifica de la siguiente manera:

TIPO DE TRÁFICO PENETRACIÓN O GRADO DE DUREZA •Tráfico Regular 80 décimas de mm
•Tráfico Pesado 65 décimas de mm. Obteniéndose el material siguiente. MASTIC STONES SMA Guía general usada en la SMA. Resultados obtenidos de Investigaciones con las SMA Según experiencias de países (Europa y EEUU), donde se ha aplicado esta mezcla se tienen los siguientes resultados. Resultados obtenidos de Investigaciones
con las SMA En Chile el Laboratorio Nacional de Vialidad(LNV), comenzó realizando todos los estudios relacionados con las SMA, los que fueron enmarcados dentro del programa de Innovación Tecnológica. Entre los años 2002-2003, en conjunto con Autopista Central se realizo un tramo experimental, donde se pudieron evaluar sus características tales como mezcla asfáltica, en términos de parámetros superficiales y otros. Aplicación SMA Autopista Central Fibra utilizada: Fibra de celulosa Mathiesen S.A.C. Resultados obtenidos de Investigaciones
con las SMA Comentarios Las SMA presentan: Mayor durabilidad por mayor porcentaje de asfalto.
Mayor estabilidad por el tipo de agregado.
Mayor resistencia a la fatiga por el Mastic Asfáltico.
Mayor resistencia al envejecimiento por el tipo de asfalto.
Mayor vida útil.
Menor índice de ruido y mejores propiedades friccionales, brindando de una mayor seguridad al usuario. Objetivos Generales •Evaluar el comportamiento de las Fibras de Celulosa en las mezclas SMA, sus ventajas, desventajas y características, de manera tal que su evaluación en este tipo de mezclas minimice el problema principal de escurrimiento (Draindown) a que se ven enfrentadas esta mezclas dada su mayor incorporación de porcentaje asfalto. •A través de una revisión de la literatura, analizar el comportamiento de las Fibras de Celulosa en las mezclas SMA.

•Caracterizar a las Fibras para su incorporación a las mezclas, teniendo en cuenta sus características, ventajas y desventajas.

•En base a resultados experimentales realizados por investigadores, poder evaluar el comportamiento de las mezclas SMA con Fibra de Celulosa.

•Poder evaluar la mejor alternativa de incorporación de las fibras de celulosa a este tipo de mezclas

•Analizar las ventajas/desventajas de las mezclas SMA frente a las mezclas convencionales.

•Realizar una descripción de los problemas que pueden sufrir los pavimentos asfálticos, y que pueden ser subsanados aplicando esta tecnología. Objetivos Específicos Conclusiones Conclusiones Conozcamos algo del asfalto Definición:
Material resinoso de origen orgánico, de color negro y propiedades impermeabilizantes y ligantes. Es un material termoplástico, es decir, disminuye su viscosidad al ser sometido a calor. Conozcamos algo del asfalto Conozcamos algo del asfalto Corresponde a un material compuesto base asfáltica, en donde las propiedades de estos materiales son irreproducibles en un solo tipo de material. Sus propiedades serán las que en definitiva determinen la resistencia a la temperatura de trabajo, a la adherencia (asfalto-agregado), a la fatiga, y a los efectos externos medioambientales Dentro de estos materiales se encuentra el asfalto que corresponde a un material compuesto particulado, donde la matriz corresponderá al material aglutinante (asfalto), y las partículas estarán representadas por los agregados pétreos, y relleno mineral. Conozcamos algo del asfalto En la figura, siguiente se ilustra como se aprecia un material compuesto reforzado por partículas, en contraste con una estructura inadecuada (a) mezcla asfáltica ideal. (b) mezcla asfáltica inadecuada La SMA es una mezcla de excelentes desempeño a largo plazo, específicamente debido a su alta resistencia a la deformación permanente bajo tráfico pesado. La cantidad y calidad de los agregados(materiales) son esenciales. La granulometría discontinua del agregado es importante para poder obtener un esqueleto de piedras (skeleton minerals) altamente resistente lo que redunda en la alta estabilidad de la SMA evitando deformaciones permanantes. Con el mayor contenido de ligante asfáltico(asfalto), ayuda en la reducción del envejecimiento y agrietamiento, por lo tanto prolonga su vida útil. Para una buena homogeneidad de la mezcla, evitar la segregación y el escurrimiento (Draindown) del ligante asfáltico, es que se usan las fibras de celulosa como aditivo estabilizador. Esta mezcla debe ser colocada y compactada a temperaturas mayores que las mezclas convencionales, ya que el entrelazado ente las partículas de agregado se rigidiza en exceso a temperaturas menores. Mayor durabilidad por el mayor porcentaje de asfalto Mayor estabilidad por el tipo de agregado Mayor resistencia a la fatiga por el Mastic Asfáltico Mayor resistencia al envejecimiento por el tipo de asfalto Mayor vida útil Menor índice de ruido y mejores propiedades friccionales, brindando de una mayor seguridad al usuario La presente revisión bibliográfica da una revisión general de las investigaciones realizadas sobre las mezclas Stone Mastic Asphalt. El mantenimiento de los puntos importantes de los estudios llevados a cabo, los materiales de la SMA con su composición, particularidades de estas mezclas han sido abordadas. En la medida que el rendimiento de las mezclas SMA se basen principalmente en el contacto del esqueleto de agregado grueso piedra sobre piedra, los ligantes bituminosos tendrán una menor influencia en la resistencia de la mezcla. Sin embargo a partir de estudios realizados se ha observado que si se utilizan aglutinantes más rígidos en la mezcla mejora las propiedades de la mezcla en términos de las características de deformación. Los investigadores se han centrado principalmente en los usos de la fibra de celulosa y otros materiales en la SMA, y en las particularidades que hay que considerar para tener un conocimiento a cabalidad de cómo se forman y funcionan estas mezclas. El rendimiento de la mezcla Stone Mastic Asphalt se evalúa en términos de propiedades características, draindown, Marshall, características a la fatiga y la susceptibilidad a la humedad. En general se puede decir que las mezclas SMA tienen ventajas sobre las mezclas convencionales y es necesario crear conciencia de que las cosas se pueden hacer bien.
Desde el punto de vista de un productor de mezcla SMA, la eficiencia de la estabilización es un factor decisivo. Pero hay un punto de suma importancia, la calidad de un estabilizador debe ser constante a lo largo de todo el periodo de uso. Si la calidad es variable, podemos encontrarnos frente a la interrogante, ¿qué pasó?, ésta fibra de celulosa no es tan buena como lo que solía ser. Esta calidad variable a menudo resulta en manchas de grasa (fat spots) en la superficie compactada de la SMA. Si bien el hecho de que estas mezclas tenga incorporado a la celulosa como principal componente de sus materiales, hacen la diferencia con respecto a las mezclas tradicionales. Se hace un barrido desde las deformaciones presentes en las carreteras, como una manera de saber a qué se ve enfrentado el terreno frente a las solicitaciones de carga producto del tráfico y poder entregar una solución constructiva con mayores ventajas frente a las mezclas convencionales y que son las SMA.
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