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Influencia de la adición de polvo de caucho reciclado en el diseño de mezclas asfálticas usando el método Marshall, Trujillo, 2022. Línea de Investigación Transporte Autores Cabanillas Paucar, Gianela Milagros Sánchez Rodas, Mitzi Alexandra Asesor Ing. Farfán Córdova, Marlon G. TRUJILLO – PERÚ 2022
1. Título Influencia de la adición de polvo de caucho reciclado en el diseño de mezclas asfálticas usando el método Marshall, Trujillo, 2022. 2. Equipo Investigador: 2.1. Autores: Cabanillas Paucar, Gianela Milagros Sánchez Rodas, Mitzi Alexandra 2.2. Asesor: Ing. Farfán Córdova, Marlon G. 3. Tipo de Investigación: 3.1. De acuerdo a la orientación o Finalidad: Básica 3.2 De acuerdo a la técnica de contrastación: Explicativa (Experimental) 4. Línea de Investigación: Transporte 5. Unidad Académica: Escuela Profesional de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería Universidad Privada Antenor Orrego 6. Institución y Localidad donde se desarrollará el Proyecto: En la Provincia de Trujillo, La Libertad. 7. Duración total del proyecto: 7.1. Fecha de Inicio: septiembre 2022 7.2. Fecha de Término: noviembre 2023 8. Horas semanales dedicadas al proyecto: 10 horas
10. Recursos: 10.1. R. Humanos: Investigadores Principales: Cabanillas Paucar, Gianela Milagros Sánchez Rodas, Mitzi Alexandra Asesor Especialista: Asesor Metodológico: Ing. Farfán Córdova, Marlon G. 10.2. Materiales: - Laptops - Útiles de escritorio - Memoria USB - Libros - Calculadoras 11. Presupuesto: PARTIDA CANTIDAD PARCIAL TOTAL BIENES Memoria USB 1 S/ 35.00 S/ 35. Folder manila 2 S/ 1.00 S/ 2. Lapiceros 2 S/ 2.50 S/ 5. Lápiz 2 S/ 1.00 S/ 2. Laptop 1 S/ 2, 050.00 S/ 2,050. Calculadora 2 S/ 70.00 S/ 140. SUBTOTAL S/ 2,234. SERVICIOS Impresiones ½ Millar S/ 18.90 S/ 18. Movilidad 2 S/ 200.00 S/ 400. Internet 200 horas S/ 0.15 S/ 30. SUBTOTAL S/ 448. TOTAL S/ 2,682.
12. Financiamiento: 12.1. Con recursos propios: Autofinanciado 12.2. Con recursos externos: No se contará con financiamiento externo. **II. PLAN DE INVESTIGACIÓN
¿De qué manera influye la adición de polvo de caucho reciclado en el diseño de mezclas asfálticas usando el método Marshall, Trujillo, 2022? 1.3. Justificación: Esta investigación se justifica teóricamente porque se realiza con el propósito de profundizar una alternativa, ya existente, sobre el uso del polvo de caucho reciclado, como solución sostenible al desecho de neumáticos que provoca un gran problema ambiental, cuyos resultados de eficacia podrían sistematizarse en una propuesta, para ser incorporado en mezclas asfálticas mediante el método de Marshall. Se justifica metodológicamente, ya que la evaluación de eficacia se realizará mediante ensayos de laboratorio. Una vez demostrado la eficacia de dicha investigación, podrá ejecutarse con mayor frecuencia para dar solución a uno de los problemas que desata la contaminación ambiental. Esta investigación se justifica socialmente porque queremos que los municipios consideren como propuesta la adición de polvo de caucho reciclado en el diseño de mezclas asfálticas en caliente usando el método Marshall, con el fin de mejorar las circunstancias de vida de la población local. Desde la perspectiva práctica, se encuentra la necesidad de mejorar las propiedades de las mezclas asfálticas mediante la adición de un aditivo que mejora la resistencia al agrietamiento debido principalmente al tráfico rodado, la ejecución principalmente es la introducción de este producto reciclado.
2. Objetivos 2.1. Objetivo general Determinar la influencia de la adición de polvo de caucho reciclado en el diseño de mezclas asfálticas usando el método Marshall, Trujillo, 2022. 2.2. Objetivos específicos a) Determinar el porcentaje de contenido óptimo de asfalto para el diseño de mezclas asfálticas en caliente con la adición de polvo de caucho reciclado. b) Determinar la durabilidad y estabilidad para la adición de polvo de caucho al 3.5%, 4.5% y 5.5% en las briquetas de mezclas asfálticas.
c) Determinar el porcentaje de polvo de caucho que genera mayor flujo de estabilidad en el diseño de la mezcla asfáltica en caliente. d) Comparar el desempeño de una mezcla asfáltica convencional con el de una mezcla asfáltica modificada con polvo de caucho.
3. Antecedentes 3.1. Internacionales Ortiz (2016) tuvo como objetivo, diseñar mezclas asfálticas de una forma diferente aplicando el método Marshall, para restablecer las características mecánicas, como la resistencia y la firmeza, y también para reducir las proporciones de vacíos en las mezclas mediante el uso de diferentes porcentajes de caucho. Utilizó el método Marshall para desarrollar mezclas asfálticas que contengan caucho, lo que permitió lograr un óptimo contenido de betún para una mezcla específica de agregados. Comparó los diseños de prueba mediante la trituración de briquetas, teniendo en cuenta la estabilidad, la porosidad, las propiedades de resistencia al flujo y a la intemperie, y el peso de los vehículos de tránsito. Además, evaluó sus propiedades mediante pruebas preliminares tales como análisis de tamaño de partículas, rango de tamaño de partícula del Asphalt Institute, diseño de mezcla asfáltica, entre otros. Los resultados mostraron que con caucho SBR al 20% nos da 2700 lbs. de estabilidad al 5.92% de asfalto, con 15% da una estabilidad de 2500 lbs. al 6.5%, asimismo, con el 10% se obtiene una estabilidad de 2475 lbs. al 6.34%. Con los valores obtenidos, pudo concluir que el asfalto modificado, con adición de caucho SBR, puede soportar cargas máximas, más altas que el asfalto convencional, debido a su mayor estabilidad. Agudelo y Martínez (2019) evaluaron las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas modificadas con GCR y CA en condiciones de envejecimiento a corto y largo plazo. Los diseños de mezclas se realizaron utilizando el método Marshall y pruebas de laboratorio para evaluar la respuesta del material a la carga monótona y la carga cíclica. Para el envejecimiento a menor plazo, las mezclas se prepararon y se mantuvieron
la malla N°200), con límite líquido igual a 7.58%. De acuerdo a los resultados, se encontró que el valor de la resistencia axial fue mayor para el porcentaje de adición de caucho del 0.5% en comparación con el porcentaje de carga de caucho del 0.25, 0.75 y 1%, lo que permitió comprender que la temperie a la que se realiza la degradación del caucho es relevante. Además, estos valores son superiores a los establecidos en la norma peruana, por lo que, se llegó a concluir que el polvo de caucho reciclado, utilizado como modificador de mezclas asfálticas en caliente, contribuye a la mejora de sus propiedades mecánicas. Portocarrero (2019) determinó el efecto del caucho regenerado en una mezcla asfáltica en frío para la rehabilitación de capas asfálticas. El autor preparó 38 briquetas en el laboratorio, de las cuales 27 se utilizaron para precisar el contenido óptimo de betún y 9 con 1%, 2.5% y 3.5% de caucho en peso de árido de caucho por lo que, se optó por la prueba de muestreo no probabilístico según elección del propio autor, considerando 3 briquetas hechas de 3.5% de caucho como ejemplo. Los resultados mostraron que perfecciona las circunstancias de firmeza y fluidez, incluso con el uso regular, muestra una mayor adherencia al recubrimiento, por lo que se debe considerar, en la normativa, la adición de 3.5% en peso de árido de caucho, con el fin de contribuir con el ambiente. El estudio concluyó que el polvo de caucho reciclado presenta una mejora en el comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica, utilizada para la reparación de las capas de asfalto. Gamarra y Odría (2020) determinaron cómo la adición de caucho reciclado en la subestructura incide en el diseño del pavimento flexible de la Av. María Parado de Bellido, en Comas, 2020. Para ello, se realizó una calicata de metro y medio de profundidad, luego trasladaron las muestras al laboratorio de ASCELIS para determinar el comportamiento físico y mecánico del suelo. También hicieron pruebas de granulometría, humedad, límite de Atterberg, compactación y CBR para las muestras de suelo con 10% al 30% de caucho. Además, diseñaron un pavimento flexible estándar y uno con la adición del 10%, 20% y 30% de caucho triturado de 2.5 mm. y,
luego elaboraron un presupuesto con varias alternativas para cada mezcla, teniendo en cuenta que el número de estructura propuesto deberá ser mayor o igual al de estructura requerido. Los resultados mostraron que la cantidad óptima de caucho en el diseño final del pavimento flexible fue del 20%, por lo que concluyeron que es más económico utilizar un 20% de caucho en la subestructura. 3.3. Locales Como antecedentes locales tenemos a Soto (2018) quien determinó el efecto de los niveles de adición de caucho de neumáticos reciclados sobre los parámetros Marshall en una mezcla asfáltica en caliente. Para estas mezclas lograron un diseño de áridos de piedra triturada de ¾” al 40%, arena triturada de ⅜” al 40% y de ⅜” al 20%, teniendo en cuenta la clasificación MAC-2 diseñada para la determinación intensiva del tamaño de partículas. En cuanto al cemento bituminoso PEN 60-70, se encontró que el óptimo contenido de betún es de 5.8%. Además, se detalló que el material especificado cumple con todos los requisitos del Manual de Carreteras del MTC. Después de determinar el óptimo contenido de betún, el investigador mezcló en seco el caucho de neumático con la mezcla asfáltica a una temperatura de 170°C y 2h, respectivamente. Sus resultados mostraron que la relación óptima de caucho es del 1%, lo que permite mejorar las mezclas asfálticas según el método Marshall. De esta manera, concluyó que las empresas de pavimentación se benefician positivamente, ya que al ser un material reciclado se traduce en menores costos de compra del producto y por ende menores costos durante el período de mantenimiento. Castillo y Martínez (2022) evaluaron el efecto de la adición de caucho recuperado en el comportamiento mecánico y volumétrico de las mezclas asfálticas en caliente. Para ello, realizaron ensayos de mecánica de suelos y mezclas asfálticas estándar en caliente y estándar con partículas de neumáticos reciclados según los parámetros de Marshall, con la finalidad de mejorar las características físicas, mecánicas y volumétricas de los pavimentos flexibles, es decir, darles una mayor vida útil. Elaboraron 25 briquetas de control, 5 con cada porcentaje de asfalto (desde 4% hasta
El pavimento flexible es un conjunto de capas de material que sirve de soporte y superficie portante a las cargas del tráfico. Durante su diseño, debe poder distribuir las cargas en la superficie de tal manera que las tensiones y deformaciones admisibles no se excedan ni en el subsuelo ni en las capas individuales. Además, la capa superior de la estructura debe ser impermeable, antideslizante y resistente al desgaste de los neumáticos (Nikolaides, 2015). 4.1.1.1. Estructura Vías (2020) presenta la siguiente secuencia de capas que presentan los pavimentos flexibles: ● Capa de rodadura: Consiste en una mezcla de agregado granular (grava y/o arena) y agregado bituminoso (betún), la cual se puede dosificar y diseñar según el método Marshall y el método Superpave. Su objetivo fundamental es transportar cargas de tráfico horizontal y vertical. Cuando su espesor supera los 10 cm, se suele dividir en capa superficial y capa intermedia. ● Base: Material granular (triturados, arena y material fino) constituido por partículas de diferentes tamaños, las cuales deben tener una determinada granulometría y distribución según especificaciones técnicas. Su trabajo es absorber la mayor parte del esfuerzo vertical. ● Sub-base: Es la capa más profunda y tiene características similares al fondo, con casi la misma composición (cascajo, arena y finos), pero con diferente granulometría. Su función, al igual que la cimentación, es absorber las cargas residuales de fuerzas verticales más allá de los pisos anteriores, al mismo tiempo que les proporciona una base plana. 4.2. Mezclas asfálticas Las mezclas asfálticas son también llamados aglomerantes que consisten en agregados de piedra y aglutinantes de hidrocarburos, por lo que, se cubren con losas contínuas utilizadas en la construcción de carreteras (Padilla, 2004). Por lo general, se producen en plantas de mezclas, pero, también se pueden producir in situ (Macas y Mendez, 2022).
Estas mezclas bituminosas, se aplican en la construcción de pavimentos, terminales aéreas, solados industriales, etc. Además, son utilizadas para aceras de niveles bajos con tráfico pesado (Padilla, 2004). 4.2.1. Tipología de las mezclas asfálticas 4.2.1.1. Mezclas asfálticas en caliente Este tipo de mezcla es producida en caliente con cemento asfáltico y piedra en plantas dosificadoras fijas o móviles, dotadas con los equipos necesarios, para calentar los agregados de la mezcla (Delgado, 2020) a una temperatura elevada alrededor de los 150°C. Pueden ser utilizadas en obras de carreteras, vías urbanas, así como también, en terminales aéreas para capas de desgaste y subcapas de pavimento. Son producidas a base de betún, aunque, en ciertas situaciones, se utiliza asfalto modificado que puede variar del 3% al 6% en volumen de árido pétreo (Padilla, 2004). Dependiendo de la viscosidad del aglutinante, se aplica un calentamiento adicional a los áridos para que el betún no se enfríe al tener contacto con estos. La puesta en obra se lleva a cabo a una temperatura muy por encima de la del ambiente, de lo contrario, estos componentes no se podrán distribuir correctamente o, incluso, compactar (Chilcon y Ramirez, 2018). 4.2.1.2. Mezclas asfálticas en frío Son mezclas de emulsiones asfálticas, utilizadas principalmente en la construcción y mantenimiento de caminos secundarios. A menudo, se recomienda sellar con lechada asfáltica para retrasar el envejecimiento de las mezclas abiertas en frío (Padilla, 2004). Por otro lado, Chilcon y Ramirez (2018) plantean que “el aglomerante frecuenta ser una emulsión asfáltica ya que, en algunas ocasiones, aún utilizan asfalto líquido y, el pavimentado se lleva a cabo a temperatura ambiente”. (p.44) 4.2.2. Propiedades de las mezclas asfálticas:
Como capa resistente al desgaste de pavimentos de alto rendimiento, las mezclas asfálticas modificadas con polímeros se utilizan principalmente para proporcionar a los usuarios de carreteras una vida útil más larga, alta resistencia al tráfico y un pavimento cómodo. 4.2.4. Consideraciones en el diseño mezclas asfálticas Los criterios para lograr una mezcla satisfactoria se basan en requisitos mínimos de estabilidad, fluidez, densidad y contenido de vacíos. ➢ El agregado pétreo debe cubrirse con losas de asfalto adecuadas y apropiadas para permitir que el proceso de compactación transcurra sin alteración. ➢ El espesor de la losa asfáltica que recubre el árido es un factor importante que ajusta el comportamiento de la mezcla a través de parámetros de estabilidad y dureza. ➢ Es importante tener en cuenta la trabajabilidad y la impermeabilidad, ya que la mezcla debe ser impermeable para evitar que el agua penetre en la capa subyacente, evitando así la pérdida de capacidad portante. ➢ Debe tenerse en cuenta las características del tránsito (tipo, intensidad y frecuencia de la carga del tráfico). 4.3. Polvo de caucho reciclado Este componente proviene de neumáticos que ya no se utilizan o han llegado al final de la vida útil de algún coche, recordando que se utilizan para construir pistas, incorporar canchas de césped artificial, y mejorar el rendimiento de las mezclas asfálticas (Purizaca y Tolentino, 2022). Se caracteriza por ser un material en forma de gránulos (aproximadamente 4 mm) o polvo (gránulos más pequeños) que, dependiendo del tamaño de los gránulos, tienen aplicaciones posteriores. El tamaño de los gránulos se puede seleccionar en la máquina para que
produzca gránulos adecuados para el uso previsto (Gestión de Neumáticos Usados, 2017). 4.4. Asfalto El betún es un material que se produce naturalmente en depósitos naturales o de la destilación de petróleo crudo. Este es un componente negro, pegajoso, sólido o semisólido, dependiendo de los cambios de temperatura en el área, razón por la cual el betún se vuelve blando y líquido cuando se calienta lo suficiente como para cubrir las partículas de áridos añadidos durante la preparación de la mezcla preparada (Ortiz, 2016). El asfalto es un material altamente impermeable, viscoso y cohesivo, capaz de soportar altas cargas transitorias y fluir bajo cargas sostenidas. La composición química de este betún se compone principalmente de diversos hidrocarburos (compuestos moleculares de hidrógeno y carbono) con algunas trazas de azufre, oxígeno, nitrógeno entre otros (Guamanquispe, 2017). 4.4.1. Características del asfalto La Universidad de las Américas (s.f.) destaca algunas de las características que presenta el asfalto: ● Consistencia: describe la resistencia del material y depende de la temperatura. A temperaturas elevadas, se considera definido el término viscosidad (mayor temperatura, menor viscosidad). ● Durabilidad: Capacidad de mantener sus propiedades a lo largo del tiempo y bajo la influencia de agentes de envejecimiento. ● Viscosidad: Esta es una propiedad de un líquido que tiende a resistir su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los líquidos de alta viscosidad tienen mayor resistencia al flujo que los líquidos de baja viscosidad y los líquidos de baja viscosidad fluyen fácilmente.
En estas mezclas, el cemento asfáltico y la mampostería se utilizan en plantas mezcladoras estacionarias o móviles con el equipo necesario para calentar los componentes de la mezcla (Delgado, 2020). Pavimento flexible: El Ministerio de Transportes y Comunicaciones [MTC] (2013), afirma que un pavimento flexible se compone de capas situadas por encima de la calzada que soportan y distribuyen las cargas generadas por el tráfico de vehículos; a la inversa, el pavimento optimiza la seguridad y el confort cuando está formado por las demás capas que componen la estructura.
6. Hipótesis La adición de polvo de caucho reciclado generará mayor resistencia y aumentará la durabilidad de las mezclas asfálticas en caliente mediante el diseño Marshall. 7. Variables. Operacionalización de variables VARIABLE DEFINICIÓN CONCEPTUAL DEFINICIÓN OPERACIONAL DIMENSIONES INDICADORES INSTRUMENTOS Polvo de caucho reciclado (Variable independi ente) El polvo de caucho es el componente que se obtiene del proceso de reciclaje de las llantas. (Orellana Y Solano, 2020) Se adiciona para mejorar el diseño de la mezcla asfáltica y garantizar su estabilidad, además de beneficiar al ambiente. No tiene dimensiones
8. Materiales y métodos 8.1. Material 8.1.1. Población Para la investigación, la población serán las mezclas asfálticas compuestas por cemento asfáltico, arena gruesa, piedra triturada y polvo de caucho reciclado, que se obtiene de la trituración de llantas, las cuales se ensayarán en 4 briquetas, con el uso de 4 contenidos de asfalto por cada diseño de mezcla según el Manual de Ensayo de Materiales del MTC, en el apartado Marshall. 8.1.2. Muestra Respecto a la muestra, estará constituida por 32 briquetas en total, de las cuales, las 16 briquetas iniciales serán con agregado convencional y las 16 restantes para los ensayos con polvo de caucho reciclado, en diferentes proporciones. % Cemento Asfáltico N° de briquetas % Polvo de caucho N° de briquetas 4.5% 4 0% 4 5% 4 3.5% 4 5.5% 4 4.5% 4 6% 4 5.5% 4 TOTAL 16 briquetas TOTAL 16 briquetas 8.2. Métodos 8.2.1. Diseño de contrastación La investigación es de tipo cuantitativa según su enfoque, básica según su finalidad, explicativa según su nivel de alcance, transversal según temporalidad, y de laboratorio. Presenta el siguiente esquema: G1 X O G2 X2 O G3 X3 O G4 X4 O
