79 b) Preparación de muestra (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2016) 1. Agregado fino. La muestra de agregado fino se lava bien sobre un tamiz de 300mm (No. 50); se seca hasta peso constante, a una temperatura de 110 – 5 °C (230 –9°F) y se separa en las diferentes fracciones por medio de un tamizado realizado de la siguiente manera: Se hace primero una separación aproximada, por medio de una serie de los tamices indicados. De cada una de las fracciones obtenidas de esta forma se separa la suficiente cantidad de muestra para poder obtener 100 g, después de tamizar sobre el correspondiente tamiz hasta rechazo (en general, son suficientes unos 110 g). Las partículas de agregado fino que quedan encajadas en la malla del tamiz, no se emplean en la preparación de la muestra. Las muestras de 100 g, de cada una de las fracciones, después del tamizado final, se pesan y colocan por separado en los recipientes para ensayo. 2. Agregado grueso. La muestra de agregado grueso se lava bien, se seca hasta peso constante, a una temperatura de 110 – 5 °C (230 – 9 °F) y se separa en las diferentes fracciones indicadas en el numeral 4.2, por tamizado hasta rechazo. La cantidad requerida de cada una de estas fracciones, se pesa y se coloca, por separado, en los recipientes para ensayo. En el caso de las fracciones con tamaño superior a 19 mm (¾"), se cuenta también el número de partículas. Cuando son rocas deberán ser rotas en fragmentos uniformes, se pesaran 100 gr, de c/u. La muestra de ensayo pesará 5000 gr. – 2%. La muestra será bien lavada y secada antes del ensayo. c) Procedimiento (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2016) 1. Inmersión de las muestras en la solución. Las muestras se sumergen en la solución de sulfato de sodio o de magnesio, durante un periodo no menor de 16 horas ni mayor de 18 horas, de manera que el nivel de la solución quede por lo menos 13 mm por encima de la muestra. El recipiente se cubre para evitar la evaporación y la contaminación con sustancias extrañas. Las muestras sumergidas en la solución, se mantienen a una temperatura de 21 ±1 °C (70± 2 °F), durante todo el tiempo de inmersión. 2. Secado de las muestras, posterior a la inmersión. Después de 6.1, la muestra se saca de la solución dejándola escurrir durante 15±5 minutos y se la introduce en el horno, cuya temperatura se habrá regulado previamente a 110 ± 5 °C (230 ± 9 °F). Se secan las muestras 80 hasta peso constante a la temperatura indicada. Durante el periodo de secado se sacan las muestras del horno, enfriándolas a la temperatura ambiente, y se pesan a intervalos de tiempo no menores de 4 horas ni mayores de 18 horas. Se puede considerar que se ha alcanzado un peso constante, cuando dos pesadas sucesivas de una muestra, difieren menos de 0.1 g en el caso del agregado fino, o menos de 1.0 g en el caso del agregado grueso. Una vez alcanzado el peso constante, se sumergen de nuevo las muestras en la solución. 3. Número de ciclos. El proceso de inmersión y secado de las muestras se prosigue, hasta completar el número de ciclos que se especifiquen. d) Cálculos (Ministerio de Transportes y Comunicaciones, 2016) 1. Después de terminado el último ciclo y de que la muestra se haya enfriado, se lava hasta que quede exenta de sulfato de sodio o de magnesio, lo cual se reconoce en las aguas de lavado por la reacción al contacto con cloruro bárico (BaCl2) Durante el lavado se debe evitar someter las partículas a impactos y frotamientos que puedan facilitar su fracturamiento o desgaste. 2. Después de eliminar todo el sulfato de sodio o de magnesio, cada fracción de la muestra se seca hasta peso constante, a una temperatura de 110 – 5 °C (230 – 9 °F), y se pesa. Se tamiza el agregado fino sobre los mismos tamices en que fue retenido antes del ensayo, y el agregado grueso sobre los tamices indicados a continuación, según el tamaño de las partículas. Tabla 27: Tamices para ensayos en agregado grueso después de eliminar sulfatos 81 2.2.8. Ensayos para evaluar el comportamiento de mezclas asfálticas S.M.A. 2.2.8.1 Parámetros volumétricos de mezclas compactadas Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asfálticas son las relaciones volumétricas entre el ligante asfáltico y los agregados. Las propiedades volumétricas más importantes de una mezcla compactada de pavimento son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un índice del probable comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio. Según (Minaya Gonzáles & Ordóñez Huaman, Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas, 2003) cualquier método de diseño de mezclas asfálticas simula en el laboratorio la densidad de campo de las mezclas HMA luego de la densificación producida por el tráfico. Luego el comportamiento mecánico es evaluado mediante las propiedades volumétricas. Es necesario entender las definiciones y procedimientos analíticos de la evaluación de las relaciones peso-volumen, para seleccionar la mezcla adecuada. Estas definiciones se aplican tanto a especímenes compactados en laboratorio como a muestras no disturbadas que fueron extraídas en el campo. 2.2.8.1.1 Gravedad Específica Bulk de la combinación de agregados (G o Gsb) Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y filler, todos tienen diferentes gravedades específicas, la gravedad específica bulk de la combinación de agregados se calcula usando: 𝑃1 + 𝑃2 + … + 𝑃𝑛 G o 𝐺𝑠𝑏 = 𝑃1 𝑃+ 2 𝑃 + ⋯ + 𝑛𝐺1 𝐺2 𝐺𝑛 G: Gravedad especifica promedio G1, G2,..., Gn: Valores de gravedad especifica por fracción 1, 2,…, n P1, P2,…, Gn: Porcentaje en pesos de la fracción 1, 2,..., n 82 La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil determinarlo actualmente. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es mínimo. 2.2.9.1.2 Gravedad Específica Teórica Máxima Rice (Gmm) (Minaya Gonzáles & Ordoñez Huaman, "Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos" Volumen I, 2001) 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑠 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑛𝑜 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑠 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Figura 22: Vacíos en agregado recubierto de asfalto Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) La gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) se calculan de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. 83 En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla: 100 𝐺𝑚𝑚 = % 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 % 𝑔𝑟𝑢𝑒𝑠𝑜 % 𝑓𝑖𝑛𝑜 % 𝑓𝑖𝑙𝑙𝑒𝑟 𝐺 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 + 𝐴 + 𝐵 + 𝑠𝑎 𝐶 Siendo: 𝐺 +𝐺 𝐴 = 𝑠𝑏 𝑠𝑎, Para el agregado grueso. 2 𝐺 +𝐺 𝐵 = 𝑠𝑏 𝑠𝑎, Para el agregado fino. 2 𝐺 +𝐺 𝐶 = 𝑠𝑏 𝑠𝑎, Para el filler. 2 Donde Gsb: Gravedad Específica Bulk Gsa: Gravedad Específica Aparente 2.2.8.1.3 Gravedad Específica Bulk De Mezclas Compactadas (Gmb) Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) Determine la gravedad especifica bulk de cada espécimen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen. • Pesar el espécimen al aire. • Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua. • Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. • Calcular el volumen restando el peso del espécimen SSD en el aire y el peso del espécimen SSD sumergida. La fórmula empleada será: 𝑊𝐷 𝐺𝑚𝑏 = 𝑊𝑆𝑆𝐷 − 𝑊𝑠𝑢𝑏 Donde: Gmb: Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada 84 WD: Peso del espécimen al aire WSSD: Peso del especímen en su condición SSD en el aire Wsub: Peso del espécimen sumergido 2.2.8.1.4 Vacíos en el Agregado Grueso en la condición Seco-Rodillado (VCADRC) Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) Los vacíos de agregado grueso obtenido por el peso unitario seco rodillado, VCADRC, se define como el porcentaje de vacíos de aire dentro de una muestra de agregado grueso compactado. Figura 23: Vacíos en Agregado Grueso, VCADRC Para determinar los vacíos en el agregado grueso se propusieron diferentes métodos, pero el más popular es el Unit Weight and Voids in Aggregate normalizado por AASHTO T19. Cuando se calcula la densidad seco-rodillado de la fracción de agregado grueso, el VCADRC de la fracción se determina usando la siguiente ecuación: 𝐺𝑐𝑎Ɣ𝑤 − Ɣ𝑠 𝑉𝐶𝐴𝐷𝑅𝐶 = ( ) 100 𝐺𝑐𝑎Ɣ𝑤 Donde: VCADRC: Vacíos en el agregado grueso en la condición seco-rodillado Ɣs: Peso Unitario de la fracción de agregado grueso en la condición seco-rodillado (Kg/m3) Ɣw: Peso Unitario del agua (998 Kg/m 3) Gca: Gravedad Específica Bulk del agregado grueso 85 2.2.8.1.5 Vacíos de Agregado Grueso en Mezcla (VCAmezcla) Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) los vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, se definen como el porcentaje de vacíos de aire más el contenido de asfalto efectivo y el agregado fino. El asfalto absorbido se considera como parte del volumen ocupado por el agregado grueso. Figura 24: Vacíos del Agregado Grueso en Mezcla, VCAmezcla 𝐺𝑚𝑏 𝑉𝐶𝐴𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 100 − ( ) ∗ 𝑃𝐺 𝐶𝐴 𝑐𝑎 Donde: VCAmezcla: Vacíos de Agregado Grueso en Mezcla. Gca: Gravedad Especifica Bulk del Agregado Grueso. Gmb: Gravedad Especifica Bulk de la mezcla. PCA: Porcentaje en peso de agregado grueso en mezcla. 2.2.8.1.6 Vacíos en el Agregado Mineral (VMA) Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) los vacíos en el agregado mineral o VMA, es el volumen de vacíos entre los agregados (gruesos y finos) de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla. 86 Figura 25: Vacíos en el Agregado Mineral, VMA 𝐺𝑚𝑏 𝑉𝑀𝐴 = 100 − ( ) ∗ 𝑃𝑠 𝐺𝑠𝑏 Donde: VMA: Vacios en el agregado mineral. Gmb: Gravedad Especifica Bulk de la mezcla. Gsb: Gravedad Especifica Bulk de la combinación de Agregados. Ps: Porcentaje de Agregado en la mezcla. 2.2.8.1.7 Porcentaje de Vacíos de aire en Mezclas Compactadas (Va) Según (Minaya Gonzáles & Ordóñez Huaman, Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas, 2003) los vacíos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consiste de los pequeños espacios de aire entre las partículas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada puede determinarse usando: 𝐺𝑚𝑏 𝑉𝑎 = (1 − ) ∗ 100 𝐺𝑚𝑚 Donde: Va: Porcentaje de Vacíos de aire en Mezclas Compactadas. Gmm: Gravedad Especifica Teórica Máxima de la mezcla. Gmb: Gravedad Especifica Bulk de la mezcla. 2.2.8.2 Ensayo De Escurrimiento Según (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) el ensayo de escurrimiento se realiza en mezclas propensas al escurrimiento como las mezclas S.M.A., debido al alto porcentaje de filler en su distribución 87 granulométrica. Con este método es posible la cantidad de material escurrido de una muestra de mezcla asfáltica no compactada a elevadas temperaturas, comparables a aquellas usadas durante la producción, almacenamiento, transporte y colocación. Según la norma AASHTO T305 el escurrimiento de la mezcla es aquella porción del material que se separa de la muestra y se deposita fuera de la cesta durante el ensayo. El ensayo consiste en colocar cierta cantidad de mezcla asfáltica (1200 ± 200 gr) en una cesta puesta sobre una bandeja. El conjunto se lleva al horno por una hora a diferentes temperaturas. La sensibilidad al escurrimiento es más importante en mezclas S.M.A. que en mezclas convencionales de gradación densa. La prueba desarrollada para este propósito NCAT está destinada a simular condiciones donde la mezcla se encuentre durante la producción, almacenaje, transporte y colocación. El escurrimiento es la porción de la mezcla (finos y cemento asfaltico) que se separa y fluye hacia abajo a través de la mezcla como principal fuente tendremos a la norma (NAPA - National Asphalt Pavement Association, 2002) . Figura 26: Aparato para ensayo de Escurrimiento Según (NAPA - National Asphalt Pavement Association, 2002) las normas AASHTO T305, “Determination of draindown characteristics in uncompacted asphalt mixtures”, o ASTM D6390 que han sido adaptadas a partir del procedimiento NCAT, deben ser usadas. Los aspectos esenciales del ensayo consisten en colocar una muestra de la mezcla en una cesta, colocar la cesta sobre una placa que se coloca en un horno durante una hora y medir la masa del material que pasa a través de la cesta y se junta en el plato. Esta masa se expresa entonces como un porcentaje de la muestra inicial. La prueba debe realizarse a dos temperaturas. Una de las temperaturas debe ser la temperatura de producción prevista de la planta de asfalto y la 88 segunda temperatura debe ser 15°C por encima de la primera temperatura. Las muestras duplicadas deben realizarse por lo tanto requiriendo así un mínimo de 4 muestras. La evaluación del escurrimiento a temperaturas altas (+15°C) proporciona información sobre la sensibilidad de la mezcla S.M.A. a las fluctuaciones de temperatura de la planta. a) Muestra (ASTM International, 2012) 1. Numero de muestras. Para cada muestra ensayada las características de escurrimiento deberán ser determinadas a dos diferentes temperaturas. Las dos temperaturas deberán ser las previstas por la planta de producción, así como 10°C por encima. Para cada temperatura, dos muestras deben ser ensayadas. Por lo que, para una mezcla asfáltica, se tiene un mínimo de cuatro muestras para ser ensayadas. 2. Secar el agregado a peso constante y tamizar hasta obtener la cantidad apropiada para la preparación de especímenes asfalticos usando método Marshall. 3. Determine la temperatura de la planta de producción para la mezcla a ensayar, dependiendo de las especificaciones, el diseño de mezcla, o las recomendaciones del proveedor de asfalto. 4. Coloque la cantidad de cada fracción requerida para producir muestras completas de la mezcla con un peso de 1200 ±200 g. en diferentes bandejas. Las fracciones de agregado deben combinarse hasta llegar a la gradación requerida. Colocar el agregado en un horno a una temperatura que no exceda la temperatura establecida en el punto 1. 5. Calentar el asfalto a la temperatura establecida en el punto 1. 6. Colocar el agregado calentado en la bandeja, agregar el agente estabilizador (algunos tipos de agentes estabilizantes como las fibras o algunos polímeros son colocados directamente al agregado antes de mezclarlo con el asfalto). Vigorosamente mezclar los agregados secos. Formar un cráter en el medio de la mezcla del agregado y coloque la cantidad de asfalto requerido según el diseño de mezcla. A este punto, la temperatura del agregado y el asfalto debe ser la temperatura determinada en el punto 1. Mezclar el agregado (y agente estabilizante) y asfalto rápido hasta que el agregado este completamente revestido. 89 b) Procedimiento (ASTM International, 2012) 1. Pesar la cesta vacía (PESO A), colocar la muestra de mezcla asfáltica sin compactar lo más rápido posible. Colocar la muestra completa en la cesta. No compactar o modificar la muestra después de colocar a la cesta. Determine el peso de la cesta más la muestra con una aproximación de 0.1 g. (PESO B). 2. Determine y anote el peso de un plato u otro recipiente con una aproximación de 0.1 g. a temperatura ambiente (PESO C). Coloque la cesta sobre el contenedor y coloque el conjunto dentro del horno a la temperatura determinada en el punto 1. Después de que la mezcla este en el horno por 1h ± 5 min retire la cesta y el recipiente del horno y deje enfriar a temperatura ambiente. Determine y anote el peso del recipiente más el material escurrido con una aproximación de 0.1 g (PESO D) Fuente: (ASTM International, 2012) Figura 27: Montaje de la cesta de alambre (sin escala) c) Cálculos (ASTM International, 2012) 1. Calcular el porcentaje de mezcla que escurrió con una aproximación del 0.1% como indica: 𝐷 − 𝐶 Escurrimiento (%) = 𝑥 100 B − A 90 Donde: A: Peso de la cesta de alambre vacía. B: Peso de la cesta de alambre y muestra. C: Peso del recipiente vacío. D: Peso del recipiente más material escurrido. 2.2.8.3 Ensayo De Estabilidad Y Flujo Marshall Según (MTC E 504 - Manual de Ensayo de Materiales, 2016): a) Muestras Preparación de especímenes mezclados y compactados en laboratorio b) Procedimiento 1. Se ensayarán un mínimo de 03 especímenes que tendrán el mismo tipo de agregado, calidad y gradación, el mismo tipo y cantidad de filler, y la misma fuente de ligante, grado y cantidad. Además, tendrán la misma preparación: temperatura, compactación y enfriamiento. 2. Los especímenes deberán enfriarse a temperatura ambiente después de la compactación. Durante el enfriamiento serán colocados sobre una superficie suave y plana. Se determinará el peso específico bulk de cada espécimen por el método D2726. Los pesos específicos bulk de los especímenes para cada contenido de ligante estarán dentro de ± 0,020 del promedio tal como se indica en D 6926. 3. Medir el espesor de los especímenes de acuerdo a MTC E 507. 4. Los especímenes podrán acondicionarse para su ensayo tan pronto alcancen la temperatura ambiente. Los ensayos se completarán dentro de las 24 h de haberse compactado los especímenes. Llevar los especímenes a la temperatura especificada por inmersión en agua de 30 a 40 min. O colocarlos en horno de 120 a 130 min. 5. Mantener el baño u horno a 60 ± 1 ºC para cemento asfáltico, 49 ± 1 ºC para alquitrán con caucho y 38 ± 1 ºC para alquitrán. 6. Llevar los especímenes preparados con asfalto líquido a temperatura colocándolos en el baño de aire por 120 a 130 min. Mantener el baño de aire a 25 ± 1ºC. 7. Limpiar completamente las líneas guías y el interior de las superficies del cabezal antes de ejecutar el ensayo. Lubricar las líneas guías de tal manera que el segmento superior del cabezal se deslice libremente sobre ellas. El cabezal deberá estar a temperatura de 20 a 40ºC. 91 Si se emplea el baño de agua, limpiar el exceso de agua del interior de los segmentos del cabezal. 8. Remover un espécimen del agua, horno o baño de aire (en caso del baño de agua remover el exceso con una toalla) y colocarlo en el segmento inferior del cabezal. Colocar el segmento superior sobre el espécimen y colocar el conjunto completo en la máquina de carga. Si se usa, colocar el fluxómetro en posición sobre una de las líneas guías y ajustarlo acero mientras se sostiene firmemente contra el segmento superior del cabezal mientras el ensayo se está ejecutando. 9. El tiempo desde la remoción del espécimen del baño a la determinación de la carga máxima no debe exceder los 30 segundos. Aplicar la carga al espécimen por medio de una razón constante de 50 mm/min. Hasta que la carga decrezca según lo indique el dial de carga. Registrar la máxima carga indicada en la máquina de carga o convertirla de la lectura máxima del dial micrómetro como estabilidad Marshall. Liberar el fluxómetro o anotar la lectura del dial micrómetro en el instante en que la máxima carga empieza a decrecer. El valor del flujo normalmente se da en unidades de 0,25 mm. Este procedimiento pueda que requiera de dos personas para concluir el ensayo y registrar los datos fuente de la siguiente figura es de Fuente: (Minaya Gonzáles & Ordoñez Huaman, 2001) . Figura 28: Maquina de estabilidad Marshall con anillo de carga 2.2.8.4 Ensayo de resistencia de mezclas asfálticas compactadas al daño inducido por humedad (Minaya Gonzales & Ordóñez Huamán, Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos. Segunda Edición, 2006) Inicialmente pensado para evaluar la resistencia a la tracción de especímenes de 92 concreto cemento bajo cargas estáticas, es un ensayo de rotura donde al espécimen en posición horizontal se le aplica una carga progresiva, con una velocidad de deformación de 0.8±0.1 mm/s. El ensayo fue adaptado por el investigador Schmidt da Chevron, California, para mezclas asfálticas con carga repetida. Se aplica carga diametral en especímenes Marshall, induciendo un estado de compresión relativamente uniforme a lo largo del plano diametral vertical. Este tipo de carga origina esfuerzos de tensión perpendiculares a la dirección de la carga aplicada (a lo largo del eje diametral vertical) que al final causa la falla en el espécimen. Figura 29: Ensayo de tracción indirecta durante carga (Huang, 1996) (izq.), espécimen de prueba para ensayo de compresión diametral (der.) Según (MTC E 522 - Manual de Ensayo de Materiales, 2016): Preparación de Especímenes Mezclados y Compactados en Laboratorio a) Muestra Preparación de Especímenes Mezclados y Compactados en Laboratorio 1. Hacer al menos seis especímenes para cada ensayo, la mitad para que sea ensayado en seco y la otra mitad para que sea ensayado después de su saturación parcial y acondicionamiento húmedo con un ciclo de congelamiento – deshielo. 2. Especímenes de 100 mm de diámetro por 63,5 ± 2,5 mm de espesor o 150 mm de diámetro por 95 ± 5 mm de espesor deben ser empleados si se presentan en la mezcla agregados mayores a 25 mm. 3. Preparar mezclas en bachadas lo suficientemente grandes para fabricar al menos tres especímenes o alternativamente preparar una bachada lo suficientemente grande como para 93 hacer un espécimen a la vez. Si se prepara una bachada para varios especímenes, separarla en cantidades de un solo espécimen antes de colocarlas en el horno. 4. Después de mezclar, la mezcla será colocada en un recipiente con un área superficial de 48,400 a 129,000 mm2 en su base y una profundidad aproximada de 25 mm y será enfriada a temperatura ambiente por 2 ± 0,5 horas. Luego la mezcla será colocada en un horno a 60 ± 3º C por un espacio de 16 ± 1 horas para su curado. Los recipientes serán colocados en las repisas del horno para permitir la circulación de aire bajo el recipiente si es que las repisas no son perforadas. 5. Después del curado, colocar la mezcla en un horno por 2 horas ± 10 minutos a la temperatura de compactación ± 3º C antes de la compactación. Compactar los especímenes de acuerdo al método MTC E 504. La mezcla será compactada a 7,0 ± 0,5% vacío de aire. Este nivel de vacíos puede ser obtenido al ajustar el número de golpes de MTC E 504; regulando la presión de pie, el número de golpes, el nivel de carga o alguna combinación dada en MTC E 504. El procedimiento exacto debe ser determinado experimentalmente para cada mezcla antes de compactar el espécimen para cada grupo (ver Nota 2). Nota 2. Debido al elevado contenido de vacíos y a la inestabilidad de los especímenes, asegúrese de que cada espécimen esté adecuadamente enfriado y estable antes de removerlo de su molde. 6. Después de remover de los moldes, el espécimen debe ser almacenado por 24 ± 3 horas a la temperatura ambiente. b) Pre acondicionamiento de especímenes 1. Un subgrupo será ensayado en seco, y el otro se saturará parcialmente al vacío, sometido a congelamiento y embebido en agua tibia antes de su ensayo. 2. El subgrupo seco será almacenado a temperatura ambiente 24 ± 3 hrs. Al final del periodo de curado los especímenes serán cubiertos con plástico o colocados dentro de bolsas plásticas gruesas a prueba de goteo. Los especímenes luego serán colocados en un baño de agua 25 ± 0.5 ºC por 2 horas ± 10 minutos con un mínimo de 25 mm de agua por encima de su superficie. Luego, ensayar los especímenes como se indicará. 3. Colocar el espécimen en el contenedor de vacío soportado un mínimo de 25 mm por encima de la base del contenedor por medio de un espaciador perforado. Llenar el contenedor con agua potable a la temperatura ambiente de tal forma que los especímenes tengan al menos 25 mm de agua encima de su superficie. 94 Dejar el espécimen sumergido en agua por corto tiempo (aproximadamente entre 5 a 10 minutos). 4. Cubrir cada uno de los especímenes saturados con una cubierta plástica. Colocar cada espécimen envuelto en una bolsa plástica conteniendo 10 ± 0,5 ml de agua, y sellar la bolsa. Colocar las bolsas plásticas conteniendo los especímenes en la congeladora a una temperatura de -18º ± 3º C por un mínimo de 16 horas. Remover los especímenes de la congeladora. 5. Colocar los especímenes en un baño con agua potable a 60 ± 1º C por 24 ± 1 horas. Los especímenes deben tener un mínimo de 25 mm de agua encima de su superficie. Tan pronto como sea posible después de su colocado en el baño de agua, remover la película plástica y las bolsas de cada espécimen. 6. Después de 24 ± 1 horas en el baño de agua de 60 ± 1º C, remover los especímenes y colocarlos luego en un baño de agua a 25 ± 0.5 ºC por 2 horas ± 10 minutos. Los especímenes deben tener un mínimo de 25 mm de agua por encima de su superficie. Puede ser necesario adicionar hielo al baño de agua para prevenir que la temperatura de esta se eleve por encima de los 25ºC. No más de 15 minutos serán requeridos para que el agua del baño alcance los 25 ± 0.5 ºC. Remover los especímenes del baño de agua, y ensayarlos como se describirá en breve. c) Procedimiento 1. Determinar el esfuerzo de tensión indirecta de los especímenes secos y acondicionados a 25 ± 0.5 ºC. 2. Remover los especímenes del baño de agua de 25 ± 0.5 ºC y determinar su espesor (t’) por MTC E 507. Colocarlo entre las cintas de carga de acero y luego colocar el conjunto entre las dos placas de apoyo de la máquina de ensayo. Se debe tomar cuidado de tal forma que la carga sea aplicada a lo largo del diámetro del espécimen. Aplicar la carga a los especímenes por medio de una razón constante de movimiento del cabezal de la máquina de ensayo, a 50mm (2 pulg) por minuto. 3. Registrar el esfuerzo a compresión máximo obtenido en la máquina de ensayo y continuar cargando hasta que aparezca una fisura vertical. Remover el espécimen de la máquina y abrirlo por la fisura. Inspeccionar su interior para evidenciar si hay agregados figurados o fracturados, visualmente estimar el grado aproximado del daño por la humedad en una escala del 0 al 5 (con 5 como el de mayor desprendimiento). 95 d) Cálculos Calcular el esfuerzo a tensión como sigue: Según (AASHTO, s.f.) Unidades SI: 2000 𝑃 𝑆𝑡 = 𝜋 ∗ 𝑡 ∗ 𝐷 Donde: St: Esfuerzo a la tensión, KPa. P: Carga máxima, N. t: Espesor del espécimen, mm. D: Diámetro del espécimen, mm. 𝑆2 Razon del Esfuerzo a Tensión (TSR) = 𝑆1 Donde: S1: Promedio del esfuerzo a la tensión del subgrupo seco, KPa. S2: Promedio del esfuerzo a la tensión del subgrupo condicionado, Kpa 2.3. Hipótesis 2.3.1. Hipótesis General Las propiedades físico – mecánicas de una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra de celulosa comercial, con respecto a una mezcla asfáltica S.M.A. con celulosa de fibra natural de bagaso de caña de azúcar, serán similares. 2.3.2. Sub hipótesis Sub Hipotesis N°1: Los parámetros volumétricos de una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra natural de caña de azúcar, es similar a una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra de celulosa comercial. 96 Sub Hipotesis N°2: La sensibilidad a la humedad de una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra natural de caña de azúcar es similar a una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra de celulosa comercial. Sub Hipotesis N°3: La estabilidad y el flujo de una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra natural de caña de azúcar es similar a una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra de celulosa comercial. Sub Hipotesis N°4: El escurrimiento de asfalto de una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra natural de caña de azúcar es similar a una mezcla asfáltica S.M.A. con fibra de celulosa comercial. 2.4. Definicion de Variables 2.4.1. Variables Independientes X : Mezcla Asfaltica S.M.A con fibra. X1 : Fibra Celulosa Comercial Diseño de mezcla asfáltica conformada por agregados, asfalto, filler y fibra de celulosa comercial en pellets (CELULOSE CELUCAU CAJ-91) . X2 : Fibra de Celulosa Elaborada con Fibra Natural de Caña de Azucar. Diseño de mezcla asfáltica conformada por agregados, asfalto, filler y fibra de celulosa natural elaborado a partir de moliendo de bagaso de caña de azúcar. 2.4.1.1.Indicadores de Variables Independientes X1 : Fibra Celulosa Comercial - Porcentaje en peso de fibra de celulosa comercial Porcentaje (%) X2 : Fibra de Celulosa Elaborada con Fibra Natural de Caña de Azucar. - Porcentaje en peso de fibra de celulosa natural elaborados con bagaso de caña de azúcar. Porcentaje (%) 97 2.4.2. Variables Dependientes Y : Propiedades Fisico-Mecanicas Y1: Parametros Volumetricos Viene hacer las relaciones volumétricas entre el ligante asfaltico y los agregados, que nos proporcian un índice de probable comportamiento de la mezcla durante su vida útil del firme. Y2 : Sensibilidad a la Humedad Se da mediante el ensayo de tracción indirecta, para su suceptibilidad al humedecimiento se mide la resistencia a la tracción antes y después de saturar el espécimen, se calcula la resistencia a la tracción retenida como un porcentaje de la resistencia a la tracción original Escurrimiento es la sensibilidad de drenado de la mezcla asfáltica. Y3 : Estabilidad y Flujo Marshall La estabilidad se define como la capacidad de la mezcla para resistir los desplazamientos y deformación. El valor del flujo es la deformación vertical total del espécimen sometido a la máxima carga, punto en el cual la carga empieza a decrecer Y4 : Escurrimiento Es la sensibilidad de drenado de la mezcla asfáltica. 2.4.2.1.Indicadores de variables dependientes Y 1 : Parametros Volumetricos - Valores de Densidad Porcentaje (%) Y 2 :Sensibilidad a la Humedad - Valores de Traccion Indirecta Kpa(kilo Pascales) Y 3 : Estabilidad y Flujo Marshall - Estabilidad (kg) Flujo (0.01 pulg.) Y 4 : Escurrimiento - Porcentaje de Escurrimiento 98 2.4.3. Cuadro de operacionalizacion de variables 98 99 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA 3.1. Metodología de la Investigación 3.1.1. Enfoque de la investigación Según (Monje Álvarez, 2011), La investigación científica, desde el punto de vista cuantitativo, es un proceso sistemático y ordenado que se lleva a cabo siguiendo determinados pasos. Planear una investigación consiste en proyectar el trabajo de acuerdo con una estructura lógica de decisiones y con una estrategia que oriente la obtención de respuestas adecuadas a los problemas de indagación propuestos. Pese a tratarse de un proceso metódico y sistemático, no existe un esquema completo, de validez universal, aplicable mecánicamente a todo tipo de investigación. No obstante, si es posible identificar una serie de elementos comunes, lógicamente estructurados, que proporcionan dirección y guía en el momento de realizar una investigación, los cuales se pueden organizar en fases y etapas. Según (Hernandez Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2010), Usa la recolección de datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y el análisis estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías. De esta manera el enfoque de esta investigación es cuantitativo ya que en este trabajo de investigación se siguen los siguientes pasos, Según (Hernandez Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2010). El investigador realiza los siguientes pasos: a) Plantea un problema de estudio delimitado y concreto. Sus preguntas de investigación versan sobre cuestiones específicas. b) Una vez planteado el problema de estudio revisa lo que se ha investigado anteriormente. A esta actividad se le conoce como la revisión de la literatura. c) Sobre la base de la revisión de la literatura construye un marco teórico (la teoría que habrá de guiar su estudio). d) De esta teoría deriva hipótesis (cuestiones que va a probar si son ciertas o no). e) Somete a prueba las hipótesis mediante el empleo de los diseños de investigación apropiados. Si los resultados corroboran la hipótesis o son congruentes con estas se aporta evidencia en su favor. Si se refutan, se descartan en busca de mejores explicaciones y nuevas hipótesis. f) Para obtener tales resultados el investigador recolecta datos numéricos de los objetos, fenómenos o participantes, que estudia y analiza mediante procedimientos estadísticos. 100 3.1.2. Nivel o alcance de la investigación Nivel Descriptivo Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las características y los perfiles de procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir, miden, evalúan o recolectan datos sobre diversos conceptos (variables), aspectos, dimensiones o componentes del fenómeno a investigar. En un estudio descriptivo se selecciona una serie de cuestiones y se mide o recolecta información sobre cada una de ellas, para así (valga la redundancia) describir lo que se investiga. (Hernandez Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2006). Nivel correlacional La investigación correlacional tiene como propósito mostrar o examinar la relación entre variables o resultados de variables. De acuerdo con este autor, uno de los puntos importantes respecto a la investigación correlacional es examinar relaciones entre variables o sus resultados, pero en ningún momento explica que una sea la causa de la otra. En otras palabras, la correlación examina asociaciones, pero no relaciones causales, donde un cambio en un factor influye directamente en un cambio en otro. (Bernal Torres, 2010). La presente investigación es DESCRIPTIVA con connotaciones CORRELACIONALES debido a que se pretende medir o recoger información de manera sobre las variables, con el fin de indicar como se relacionan las variables medidas presentes en la investigación de una nueva tecnología que usa materiales que se pueden aplicar a nuestra realidad, pero que se tiene poco conocimiento de este. 3.1.3 Método de investigación Consiste en un procedimiento que parte de unas aseveraciones en calidad de hipótesis y busca refutar o falsear tales hipótesis, deduciendo de ellas conclusiones que deben confrontarse con los hechos (Bernal Torres, 2010) El procedimiento que se sigue es hipotético-deductivo el cual inicia con la formulación de las hipótesis derivadas de la teoría, continúa con la operacionalización de las variables, la recolección, el procesamiento de los datos y la interpretación. Los datos empíricos constituyen la base para la prueba de las hipótesis y los modelos teóricos formulados por el investigador. (Monje Álvarez, 2011). 101 En la presente investigación se usa el método HIPOTÉTICO DEDUCTIVO porque partimos de una hipótesis la cual vamos a demostrar mediante una serie de pasos los cuales nos permite deducir relaciones entre las variables que permiten demostrar la hipótesis. 3.2. Diseño de la Investigación 3.2.1. Diseño Metodológico Diseño experimental Según (Hernandez Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2010) Se refiere a un estudio en el que se manipulan intencionalmente una o más variables independientes (supuestas causas-antecedentes), para analizar las consecuencias que la manipulación tiene sobre una o más variables dependientes (supuestos efectos-consecuentes), dentro de una situación de control para el investigador. El diseño de la presente tesis es EXPERIMENTAL debido a que se tiene grupo de estudio patrón que estará conformado por mezclas asfálticas S.M.A. con fibra de celulosa comercial y un grupo de estudio experimental que estará conformado por mezclas asfálticas S.M.A. elaboradas con fibra natural de caña de azúcar. 102 3.2.2. Diseño De Ingeniería Figura 30: Diseño de Ingenieria 103 3.3. Población y Muestra 3.3.1. Población 3.3.1.1. Descripción de la población Según (Monje Álvarez, 2011) la población o universo es el conjunto de objetos, sujetos o unidades que comparten la característica que se estudia y a la que se pueden generalizar los hallazgos encontrados en la muestra (aquellos elementos del universo seleccionados) para ser sometidos a la observación. La definición de la población para un proyecto de investigación responde a la necesidad de especificar el grupo al cual son aplicables los resultados del estudio. La población está conformada por especímenes de mezcla asfáltica (sueltas y compactadas), sin adición de fibra y adicionados con fibra de celulosa Comercial y Fibra natural de caña de azúcar elaborada de bagazo de caña de azúcar. 3.3.1.2 Cuantificación de la población Se considera a la población igual a la muestra por lo que la población consta de 102 especímenes asfalticos 66 muestras compactadas y de 36 mezclas no compactadas. 3.3.2. Muestra 3.3.2.1 Descripción de la muestra Según (Monje Álvarez, 2011) Cuando el universo está compuesto por un número relativamente alto de unidades resulta imposible o innecesario examinar cada una de las unidades que lo componen. En tal caso se procede a extraer una muestra, o sea, un conjunto de unidades, una porción del total que represente la conducta del universo total. Al emplear una muestra se busca lograr que, observando una porción relativamente reducida de unidades, se puedan obtener conclusiones semejantes a las que se lograría se estudiara el universo total. Cuando la muestra refleja en sus unidades lo que ocurre en el universo, se llama muestra representativa. La muestra está conformada por especímenes asfalticos, representados por, especímenes compactados y especímenes sueltos, siendo estos especímenes sin adición de fibra, con adición de fibra de celulosa Comercial y con adición de fibra natural de caña de azúcar. Los especímenes serán elaborados con agregados, tanto grueso como fino, de la cantera de Caicay sector Paucartambo, cemento portland Tipo IP (YURA) como filler, cemento asfaltico Pen 85/100 (TDM), fibra de celulosa comercial (CAJ-91) y fibra natural de caña de azúcar. . 104 3.3.2.2 Cuantificación de la muestra La cuantificación de la muestra se considera 38 especímenes asfalticos compactados sin agente estabilizante, para la determinación de la gradación y porcentaje de asfalto optimo, 4 especímenes asfalticos sueltos sin agente estabilizante, para la determinación del escurrimiento, 32 especímenes asfalticos sueltos con agente estabilizante (0.3%, 0.35%, 0.4% y 0.45%, respecto al peso total de la mezcla), para la determinación del escurrimiento, 6 especímenes asfalticos compactados con agente estabilizante para la determinación de sus parámetros volumétricos, 10 especímenes asfalticos compactados con agente estabilizante para determinar la estabilidad y el flujo Marshall, y 12 especímenes asfalticos compactados con agente estabilizante para la determinación de Susceptibilidad a la Humedad. Tabla 28: Cantidad de muestras de mezclas asfálticas S.M.A. a realizar 3.3.2.3 Método de muestreo En las muestras No Probabilísticas, la elección de los elementos no depende de la probabilidad, sino de causas relacionadas con las características de la investigación o de quien hace la muestra. Aquí el procedimiento no es mecánico, ni con base en fórmulas de probabilidad, sino que depende del proceso de toma de decisiones de una persona o de un grupo de personas y, 105 desde luego, las muestras seleccionadas obedecen a otros criterios de investigación. Elegir entre una muestra probabilística o una no probabilística depende de los objetivos del estudio, del esquema de investigación y de la contribución que se piensa hacer con ella. (Hernandez Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2006) Por lo expuesto anteriormente el método de muestreo es dirigido, intencional o no probabilístico, no se efectúa mediante normas probabilísticas de selección, por lo tanto, en sus procesos intervienen opiniones y criterios personales del investigador, la obtención de las muestras de especímenes asfalticos se dio tomando como referencia las normas MTC, AASHTO, ASTM y NAPA. 3.3.2.4 Criterios de evaluación de la muestra • Especímenes asfálticos elaborados mediante criterios de diseño SMA. Este diseño de mezclas se rige por las normas: AASHTO MP 8-05 “Specification for Designing Stone Matrix Asphalt” AASHTO PP 41-02(2004) “Practice for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)” detallado en (Sanchez Sabogal, 2009). • La confección de las probetas para mezclas Stone Mastic Asphalt (S.M.A.), se rigen por lo indicado en el método Marshall descrito en la norma de Ensayo MTC E 504. • Especímenes asfálticos compactados S.M.A., mediante compactación por 50 Golpes en cada cara. • Especímenes asfálticos compactados S.M.A. sin agente estabilizante para obtención de gradación óptima y porcentaje de asfalto óptimo. • Especímenes asfálticos sueltos S.M.A. sin fibra, con fibra de celulosa Comercial y fibra natural de caña de azúcar para determinación del escurrimiento. • Especímenes asfalticos compactados S.M.A. con agente estabilizante para determinación de: Parámetros Volumétricos, Estabilidad y Flujo Marshall y Sensibilidad a la humedad. • Especímenes asfálticos compactados S.M.A. que no presenten grandes irregularidades en alguna de sus caras • Se realizan y evalúan las mezclas mediante normas MTC, AASHTO Y ASTM. 3.3.3. Criterios de inclusión • La fibra de celulosa empleada en las mezclas asfálticas se denomina “Fibra Celulosa Comercial” obtenida a través de la Empresa Mineração Vale do Juquiá - Brasil. 106 • El agente estabilizante elaborado en esta investigación se denomina “Fibra natural de caña de azúcar” y se obtendrá mediante un proceso de molienda mecánica. • El cemento asfáltico se eligió por recomendación de la planta de asfalto de la municipalidad del Cusco siendo este el PEN 85/100 plus y provisto por la empresa TDM Asfaltos. • El cemento asfaltico para mezclas S.M.A. es como mínimo 6%, por lo cual para la determinación del contenido de asfalto optimo se consideran incrementos porcentuales de asfalto del 0.5%, realizando el diseño con 4 diferentes porcentajes (6%, 6.5%, 7%, 7.5%). • Los agregados (gruesos y finos) se eligieron por la calidad que presentan, siendo extraído de la cantera de Caicay – Sector Paucartambo y siendo facilitados por la empresa CONCRETOS PRIMAVERA. • El filler que se eligió para la presente tesis, es el Cemento Portland Tipo IP de la empresa Yura. • El Tamaño Máximo Nominal para el diseño es de ¾” (19 mm). • Se hacen 3 gradaciones en base al TMN verificando que estén dentro de los límites de la curva granulométrica. • La mezcla asfáltica es en Caliente. • Las probetas cilíndricas de asfalto son de altura nominal de 64 mm y 102 mm de diámetro aproximadamente. • La aplicación del agente estabilizante se realiza durante el proceso de mezclado, posterior a la mezcla de los agregados con el asfalto. • El agente estabilizante se coloca en seco. • El agente estabilizante debe ser como mínimo 0.3% por recomendación de normativa. • El agente estabilizante (fibra de celulosa Comercial) se coloca en diferentes porcentajes (0.3%, 0.35%, 0.4%, 0.45%, respecto al peso total de la mezcla) y el agente estabilizante (Fibra natural de caña de azúcar elaborada de bagazo de caña de azúcar) se coloca en un porcentaje base (0.3% respecto al peso total de la mezcla) para luego determinar diferentes porcentajes en base al resultado obtenido con el porcentaje base (0.3%). • El agente estabilizante tiene que esparcirse por toda la mezcla de manera homogénea. • La temperatura mínima de mezclado será 135°C. • Los agregados y el agente estabilizante deberán ser calentados a temperatura similar previa al proceso de mezclado con el asfalto. 107 • Las mezclas asfálticas compactadas SMA, deben cumplir con %Va ~4, VCAmezcla