Introducción
Las condiciones específicas de tránsito, clima y seguridad que requieren las
calles y vías que son exigencias del tráfico actual (Nicholas, Garber y
Lester, 2004), hacen que el diseño de las mezclas asfálticas tenga como
objetivo lograr propiedades idóneas para el tránsito vehicular (Anderson,
1981; Morales, 2006; Neira, 2011).
Se ha tomado, como base para el diseño de capa asfáltica drenante, que es un
complemento dentro de la estructura del pavimento, ya que se colocan encima
(sobre) de un pavimento denso (de una capa de rodadura de mezcla densa).
La capa drenante con propiedades diferentes a las capas densas se transforman en
un costo adicional en la construcción del pavimento.
En las propiedades adquiridas por construcción (en estas estructuras de
pavimento drenante), están la permeabilidad, la porosidad y la mezcla, que
deben cumplir los requisitos de durabilidad y estabilidad correspondientes, que
exige la norma INEN.
El uso de polímeros, facilita la construcción de este tipo de mezcla
asfáltica drenante, sin embargo, la comercialización de estos polímeros con
la acreditación para su uso no está muy difundido en el país.
El objetivo de la mezcla drenante en capas de pavimento, es que permite usar la
permeabilidad de la capa para recoger agua, que se ubica encima de la misma,
luego conducirla a sitios donde no produzcan daño civil. La conducción,
almacenamiento y disposición final no es motivo de esta investigación.
El beneficio de la permeabilidad de la mezcla asfáltica drenante, es que
permite conocer el volumen de agua en metros cúbicos por minutos, por metro
cuadrado de pavimento, que drena la carpeta.
Al utilizar mezclas asfálticas drenantes, como carpeta de rodadura en
pavimentos de calles mal drenadas, que sufren de inundación por las
precipitaciones pluviales por una, dos o más horas, se consigue optimizar la
evacuación de estas aguas, logrando la optimización del periodo de vida de la
estructura del pavimento y del servicio del tráfico vehicular.
Usando bibliografía internacional, el Método de Cántabro es uno de los
métodos versátiles para la elaboración de mezclas asfálticas drenantes, las
mismas que en laboratorio tienen que cumplir requisitos mediante normas INEN,
españolas.
Al realizar los ensayos de mezclas, usando materiales de la localidad, el
asfalto nacional, polímeros de la localidad, equipos nacionales de laboratorio,
mano de obra local, todos deben cumplir las mencionadas normas INEN
La experimentación en laboratorio, va a permitir conocer los parámetros que
requiere esta metodología o tecnología de construcción y los indicadores que
más resalten usando asfaltos nacionales.
Una vez establecida la mezcla drenante, elaborar los costos de la estructura del
pavimento asfáltico drenante, va a ser en todo caso mayor que el pavimento
denso. (2)
El pavimento son estructuras, constituidas por capas de diversos materiales
seleccionados, superpuestas, colocadas y compactadas sobre la superficie del
terreno (Benítez y Calero, 2014), su estructura está diseñada especialmente
para la circulación del tráfico automotor, por lo que es una solución
económica y eficaz. Existen varios tipos de pavimentos dependiendo del material
de construcción y de la forma como reciben y controlan las cargas de los
vehículos:
Esta investigación, trata de establecer la relación beneficio-costo (3)
en la aplicación de pavimento asfálticos drenantes, fabricadas a partir de la
mezcla drenante en laboratorio.
Partiendo del análisis del comportamiento, a nivel de laboratorio de las
mezclas drenantes elaboradas con piedra, arenas de canteras de la localidad con
asfalto nacional, aplicando el Método de Cántabro, dan resultados y se
determinan las ventajas y desventajas de este procedimiento.
Para el logro del objetivo planteado, se inicia con la revisión de los
diferentes tipos de asfaltos, antecedentes y una breve reseña histórica,
acerca del uso de mezclas de tipo drenantes en la construcción de pavimentos.
Es importante puntualizar, que el objetivo fundamental del presente documento es
establecer la relación beneficio – costo de la aplicación de mezclas
drenantes fabricados con asfalto nacional, partiendo del análisis en el
laboratorio del comportamiento de las mezclas asfálticas drenantes, de sus
ventajas y desventajas, de las características de los materiales utilizados
para el diseño, los mismos que deben cumplir determinadas normas,
establecimiento de la diferencia entre asfalto modificado y sin modificar y la
determinación de los porcentajes de polímero y asfalto óptimo para el diseño
de estas mezclas.
Estudios
adyacentes
Cuadro
N° 1. Ensayos en muestra de cemento asfáltico en refinería
Fuente:
Petroecuador. Ensayos de calidad (2013) – Esmeraldas Ecuador. Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
También se ha conseguido información de pruebas a muestras de cemento
asfáltico, efectuadas externamente por la Dirección de Obras Públicas del
Municipio de Quito y por la Constructora Herdoíza Crespo (Cuadro Nº 2).
Cuadro
N° 2. Ensayos por la constructora Herdoíza
Fuente:
Constructora Herdoíza – Pruebas de cemento asfáltico Quito - Ecuador
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Información sobre ensayos efectuados por la M.I. Municipalidad de Guayaquil, a
muestras de cemento asfáltico peruano. Cuadro 3.
Cuadro
N° 3. Ensayos en muestra de cemento asfáltico en refinería Esmeraldas de
Petroecuador
Fuente:
Petroecuador (2013) Ensayos de muestra de cemento – Esmeraldas Ecuador.
Elaboración: Ing. Javier Córdova Rizo
Como se observa en los gráficos 4 y 5 el comportamiento del cemento asfáltico
nacional e importado es bastante variable, por tanto, se concluye que para
elaborar mezclas asfálticas y más aun con mezclas drenantes, es necesario
emplear un modificador para que sus propiedades no varíen tanto y obtener un
ligante modificado, con aditivos que aseguren un buen comportamiento mecánico,
ya que el uso de polímeros en nuestro medio, requiere mayor investigación
respecto a sus propiedades físicas y mecánicas, siendo los aditivos los más
comunes y fáciles de conseguir.
Propiedades del asfalto, que resumen los resultados de los ensayos de calidad
efectuados a varias muestras de asfalto tanto nacional como importado. Grafico
6.
Gráfico
N° 4. Ensayos de penetración
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Como se aprecia la tendencia o media móvil de los resultados de los ensayos en
cuanto a la propiedad evaluada, muestra un comportamiento del asfalto nacional
siempre dentro del rango establecido, por el tipo de asfalto 60-80 que
usualmente se utiliza en la construcción de pavimentos flexibles, mientras que
en el asfalto importado, la tendencia o media móvil, apunta a un comportamiento
al límite inferior de la especificación para este tipo de asfaltos, es decir,
se caracteriza por ser un poco “más duro” (Gráfico 7).
Gráfico
5. Punto de ablandamiento (°C)
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
En esta propiedad, solo tenemos reportes de ensayos realizados en muestras del
asfalto importado. Se puede observar que dentro de la tendencia o media móvil
de los resultados se tienen valores fuera de normas para la especificación
considerada para un asfalto tipo 60-70.
Gráfico
6. Viscosidad cinemática (csp)
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
En los resultados obtenidos en muestras del asfalto nacional, se observa valores
fuera de normas dentro de la tendencia o media móvil de todos los ensayos
efectuados, encontrándose contrariamente una tendencia o media móvil más
homogénea dentro de normas en los resultados de ensayos en muestras del asfalto
importado Gráfico 7.
Gráfico
7. Punto de inflamación (°C)
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Como se observa en el gráfico 8, solo se tienen resultados de ensayos
efectuados únicamente al asfalto importado, siendo la tendencia o media móvil
de los resultados obtenidos a estar dentro de normas para un asfalto de
característica 60-70.
Gráfico
8. Ductilidad (cms)
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Como se observa en esta propiedad existen solo dos resultados efectuados al
asfalto nacional, que muestran valores al límite de la especificación,
mientras que la tendencia a los varios ensayos realizados al asfalto importado,
se observa una tendencia o media móvil con valores siempre dentro de normas.
Los valores especificados, para el control de calidad de cementos asfálticos
sin modificar en las especificaciones de INVIAS, son las siguientes:
Cuadro
4. Valores
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Se realizan pruebas de laboratorio, empleando asfalto nacional modificado con
aditivo, el cual es comúnmente utilizado por las plantas productoras de este
material para mejorar la adherencia entre los agregados y el asfalto, logrando
con ello que la película de asfalto se mantenga recubriendo al agregado durante
su vida útil.
Es importante el control del ligante en toda operación de mezclas asfálticas,
ya que su comportamiento está asociado comúnmente a fallas en la capa de
rodadura, sin embargo el proceso constructivo de este tipo de mezclas, son
también causa del deterioro prematuro de este tipo de mezclas.
Consecuencias o defectos observados comúnmente en un pavimento flexible
elaborado con mezclas de tipo densas:
Cuadro
5. Defecto y alcance de fallas en asfalto
Fuente:
Thenoux et al, 2003
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Metodología
básica a emplear
En cuanto a lo que se describe de la investigación explicativa, esta es la que
cuantifica o implanta relaciones entre las variables dependientes y la
independiente para saber la estructura y los elementos que intervienen en el
proceso, además de que busca la relación causa-efecto que se establece entre
estas, buscando una o varias soluciones coherentes para el problema de
investigación planteado, sobre la elaboración de una mezcla drenante o
permeable en el laboratorio con asfalto nacional modificado y los beneficios que
genera su aplicación con relación a los costos que implica su implementación
sobre los pavimentos existentes o nuevos de las calles de la ciudad de
Guayaquil.
La metodología implementada en la presente investigación, para lograr
establecer una relación del costo de elaboración y el beneficio que se tendrá
para los usuarios si a un pavimento construido para las calles en la ciudad de
Guayaquil, que tenga como capa de rodadura una carpeta elaborada con mezcla
asfáltica densa impermeable y otro pavimento que además de las capas
convencionales de su estructura como lo son el mejoramiento, base y carpeta de
rodadura con mezcla asfáltica densa se coloque sobre esta otra capa final, pero
elaborada esta vez con mezcla asfáltica drenante o permeable, es la siguiente:
-
Determinar
la estructura del pavimento, materiales de la mezcla densa de la capa de
rodadura, costo global de las capas y de la capa de rodadura de las calles
del sector Nº 1, ubicado en la Parroquia Ximena, Guasmo Sur de la Ciudad de
Guayaquil, para la que se utilizó información de la consultoría vial
efectuada por el suscrito para esta entidad Municipal.
-
Procedimiento
técnico para diseñar una mezcla asfáltica drenante con asfalto nacional
modificado y sin modificar, aplicando el método Cántabro, valoración de
la mezcla.
Diseño
de la estructura de un pavimento flexible en la ciudad de Guayaquil
Dentro
de la metodología planteada en la presente investigación, para una mejor
comprensión del funcionamiento estructural y de comodidad para el usuario de
los pavimentos de las calles de la ciudad, ubicadas en sectores llanos o bajos
en la actualidad, tomaremos las consideraciones técnicas de suelo, trafico,
materiales y clima utilizados para el diseño del pavimento flexible con el
método AASHTO 1993 de la consultoría realizada por el suscrito para la M.I.
Municipalidad de Guayaquil del proyecto “Estudios
y diseños definitivos del proyecto de pavimentación de calles de hormigón
asfáltico, en el sector 1, parroquia Ximena, sector Guasmo Sur”.
El
objetivo de la institución, es configurar un circuito vial sobre el que se
orientará el tráfico a los sistemas que se están modernizando y mejorando,
para que la movilización vehicular sea fluida y además cuente con alternativas
que descongestionen el área de influencia de las soluciones viales en
construcción y obras viales que están asignadas a estas zona, tales como los
Sistema de Transporte Masivo Metrovía, Troncales, Rutas Alimentadoras, y sus
accesos que orientarán el tráfico a zonas alternas, donde los tiempos de
origen y destino sean menores.
Diseño
básico a implementar
Presentado
en un gráfico la relación de los valores de C.B.R. con los porcentajes
calculados, en la curva resultante se determina el C.B.R. de diseño, que en
este caso es de 1,75% aprox.
Gráfico
9. C.B.R. de diseño
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Tráfico
Realizado
por medio de aforos de conteos manuales, en donde se obtuvo la información
requerida para realizar los análisis de tráfico y la posterior obtención de
los ESAL’s para las calles del proyecto. La determinación del número de
repetición acumuladas de cargas por ejes simple equivalente de 8.2 toneladas
durante el período de diseño (W 8.2).
-
T.P.D.
(Tráfico promedio diario inicial) = 300 vehículos
-
Periodo
de diseño = 10 años
-
%
Distribución direccional = 50%
-
% Veh.
Pesados en carril de diseño = 100%
-
Tasa
de crecimiento anual prom. = 2,407 %
-
Factor
de crecimiento promedio = 11,290
-
Ejes
acumulados en periodo de diseño = 149.961
-
Módulo
resilente subrasante (SN) = 3,02
Materiales
Espesores
de capa del diseño calculado
Aplicando
las ecuaciones consideradas por el método ASSHTO-93, da como resultado la
siguiente estructura de pavimento para los parámetros anteriormente señalados.
Gráfico
10. Estructura de pavimento
Fuente:
OO.PP.MM. del Municipio de Guayaquil
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Costos
de rubros principales de la estructura del pavimento con rodadura de mezcla
densa
Rubros
que intervienen en la estructura de un pavimento con capa de rodadura elaborado
con mezcla asfáltica densa o impermeable.
Cuadros
6
El
costo del pavimento con rodadura de mezcla asfáltica densa por m²
El
valor de $. 16,694 dólares americanos, corresponde a lo que se invertiría por
cada m² de estructura de pavimento construido en el proyecto de las calles del
sector # 1.
Análisis
del costo de los materiales componentes de un m³ de mezcla asfáltica densa
El
método Marshall, utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64
mm (2 ½”) y 102 mm (4”) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento
específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado (ASTM
D1559). Los dos aspectos principales del método de diseño son, la
densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los
especímenes compactados.
La
estabilidad del espécimen de prueba, es la máxima resistencia en N (lb) que un
espécimen estándar desarrollará a 60 ºC cuando es ensayado. El valor de
flujo es el movimiento total o deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100”)
que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga
durante la prueba de estabilidad.
El
cuadro 6 muestra los parámetros de control de la mezcla diseñada.
Cuadro
7. Parámetros de control
Cuadro
8. Valores
en porcentaje del aporte de cada material utilizado para elaborar 1 m3
de mezcla asfáltica.
El
cuadro 8 detalla la conformación en porcentaje de los materiales necesarios
para elaborar 1 m3 de mezcla asfáltica. En el cuadro se presenta, la
valoración de los materiales arriba detallados de acuerdo al precio en el
mercado de la construcción local. Estos valores constan en el presupuesto de la
consultoría vial realizada para el proyecto Municipal del sector Nº 1
(Parroquia Ximena, Guasmo Sur), el cual fue aprobado por el Departamento de
Obras Públicas Municipales del Municipio de la ciudad de Guayaquil.
Cuadro
9
Fuente:
Municipalidad de Guayaquil – Departamento de Obras Públicas Presupuesto
del Proyecto vial- Parroquia Ximena Guasmo Sur – Guayaquil - Ecuador
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
El
valor de $. 88.59 dólares americanos es la inversión que realiza la fábrica
de mezcla asfáltica, utilizando todos los elementos necesarios para producir un
metro cúbico del material bituminoso denso.
Análisis
de los resultados
En
resumen, los parámetros resultantes de los ensayos efectuados a mezclas de
agregados con asfalto modificado con aditivo, siguiendo la metodología de
cántabro fueron los siguientes:
Cuadro
10. Parámetros Resultantes de Ensayos
Fuente:
Ing. Javier Córdova Rizo – Investigación
Elaboración:
Ing. Javier Córdova Rizo
Por
tanto, la mezcla ensayada asegura el cumplimiento de las dos premisas
fundamentales en el diseño de mezclas porosas (drenantes) que son resistencia a
la disgregación y permeabilidad. Se ha demostrado además, que el uso de
polímeros en estas mezclas puede ser opcional, ya que al asfalto nacional
únicamente se lo mezcló con un aditivo usualmente utilizado para mejorar la
adherencia en la fabricación de mezclas asfálticas densas.
Es
necesario por tanto, verificar durante la producción masiva de este tipo de
mezclas la granulometría de diseño, así como la calidad del o los agregados
utilizados en las MAD, así también la calidad del cemento asfáltico para
evitar variaciones significativas que provocarán posteriormente superficies o
tramos deficientes.
El
análisis costo-beneficio, cuya expresión matemática no es sino la creación
de la función en valores actuales de costo y la función beneficio, su
relación u sustracción, es una forma de medir la rentabilidad de un proyecto,
especialmente en lo referente a lo social, como es el caso de las vías versus
fenómenos que afectan como es la inundación de calles, carreteras, donde el
costo de la vida no justifica ningún valor económico.
Mediante
los estudios de la rentabilidad económica, lo que se busca es conocer si se
logran los objetivos fijados y comparar con la alternativa propuesta. El
problema principal radica en la cuantificación de los logros alcanzados por
nuestra alternativa y el peso de cada uno de los objetivos sobre el total de los
que se van a valorar
Conclusiones
Las
mezclas de tipo drenantes analizadas en el presente trabajo fueron realizadas
empleando únicamente aditivo para mejorar la adherencia del cemento asfáltico
al agregado y el polímero no fue empleado debido a la incertidumbre en su
comportamiento y su escaso o nula existencia en el mercado local.
Los
resultados de los diversos ensayos realizados cumplen las exigencias
establecidos en el método de diseños de mezclas drenantes desarrollada por
Cántabro, de muy buena y probada aplicación en España. Por tanto es factible
construir con nuestro asfalto y agregados, esta tecnología para mejorar las
estructuras de pavimento flexibles con capa de rodadura conformadas actualmente
por mezclas de tipo densas.
El
costo por m2 de la estructura de pavimento flexible considerando la colocación
de una capa de mezcla drenante como capa de rodadura es algo superior a los
pavimentos flexibles con capa de rodadura conformada por mezclas densas, sin
embargo la preservación de la capa de rodadura densa al colocar la mezcla
drenante justifica la inversión inicial algo mayor que esta genera.
Se ha
demostrado en el presente trabajo, que este tipo de mezclas funcionaron
únicamente con el uso del aditivo mejorando la adherencia que actualmente se
utiliza en la elaboración de mezclas asfálticas de tipo densas, lo cual
abarata su costo final ya que el uso de polímeros encarece notablemente el
costo de mezclas drenantes.
La
compactación de este tipo de mezclas, se lleva a cabo con rodillos lisos (8-12
Ton.) sin emplear vibración, a la temperatura mínima que refleje la carta de
viscosidad del asfalto utilizado para este fin, por tanto se confeccionaron las
briquetas de control empleando 50 golpes por cara, con el martillo utilizado en
el ensayo Marshall convencional.
Efectuar
pruebas de permeabilidad in situ, de la mezcla drenante para verificar que los
vacíos de la mezcla se encuentren interconectados entre sí y con ello
garantizar el correcto funcionamiento del drenaje a través de la estructura de
la mezcla drenante. Se debe abrir al tráfico con la mezcla suficientemente
fría.
El
empleo de mezclas drenantes como técnica alternativa en la conservación de los
pavimentos flexibles actuales y de nueva construcción, se manifiestan en que no
permite que el agua lluvia quede en la superficie de rodadura y además sirve
como una capa de “alivio” donde fisuras existentes o en formación en la
capa asfáltica densa no se reflejen en la superficie, por tanto la expectativa
del periodo de vida de diseño de estructuras de pavimentos flexibles, se
incrementa con esta tecnología.
Si
tenemos en consideración que el éxito del análisis costo-beneficio, está
ligado a su función como ayuda de decisiones, por la institución encargada del
mantenimiento y construcción de las obras de la ciudad
Indicador
costo / beneficio
R = 1’239.300,00
USD / 2’400.000,00 USD = 0.52
Si el
proyecto de pavimento asfáltico drenante dura 5 años, la relación costo
beneficio es mayor a 2, lo cual significa un indicador positivo para la
inversión de la alternativa propuesta.
Del
análisis de la relación costo-beneficio, efectuado a la alternativa propuesta
de mezcla asfáltica drenante versus los pavimentos con mezcla asfáltica densa
y tomando en consideración que el impacto que se produce en Guayaquil cuando
hay lluvias que impiden el paso o buena circulación a través del tiempo y
considerando el número de vehículos en circulación en 5 años es 200 % veces
superior a la inversión realizada, demuestra que esta propuesta es técnica y
económicamente rentable.
Bibliografía
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Nicholas,
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Road
(2010). Plan y Diseño – Relación entre análisis de tráfico y la eficiencia
económica.
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