Criterio ingenieril para la selección del tipo de mezcla asfáltica

Uno de los pasos más importantes luego de diseñar la estructura de un pavimento flexible es seleccionar el tipo de mezcla asfáltica para las capas de base, intermedia o de rodamiento, cualquiera que sea el requerimiento. Es este el momento sublime en el que una necesidad estructural, expresada por ejemplo como coeficiente estructural de 0.45, o como módulo elástico en carga monotónica a 60^oC de 150.000 psi (1000 MPa), se transforma en un huso granulométrico de especificación para mezclas asfáltica COVENIN Tipo IV, INVEAS M19, Superpave 19-mm, o mencione Ud. la especificación de su país. Siempre quedará la duda en la mente intranquila de cualquier ingeniero curioso de cómo se compadece la especificación por tipo de mezcla y la necesidad estructural.

Entre los criterios más comunes para seleccionar el tipo de mezcla asfáltica se encuentran:

• La función que tendrá la capa en la estructura del pavimento, ya sea rodamiento, intermedia o base.
• Nivel de tránsito a servir, alto, medio, bajo.
• Permeabilidad o impermeabilidad deseada para la mezcla. 

Todos estos criterios, ampliamente extendidos y aceptados, están regularmente dados en tablas de recomendación de husos granulométricos que, según la experiencia, han resultado con comportamiento satisfactorio.

En Venezuela se utilizan tradicionalmente mezclas en los husos granulométricos COVENIN Tipo III (tamaño máximo de 12.5 mm), para rodamientos, y Tipo IV (tamaño máximo de 19 mm), para capas intermedias y bases. En fechas recientes, el Ministerio de Transporte está solicitando en sus contratos de rehabilitación mezclas con husos INVEAS M12 y M19, en sustitución de los tipos III y IV, respectivamente, y cumpliendo su misma función. A pesar de que estas funciones son las recomendadas en las especificaciones, es muy frecuente encontrar opiniones de selección en las que se prefieren las mezclas Tipo IV o M19 para tránsito pesado porque “tienen más piedra”, o también la preferencia de mezclas Tipo III o M12 en el rodamiento porque es impermeable ya que “es más fina”.

La pre selección del tipo de mezclas referenciada en husos granulométricos tiene la ventaja de que es tradicional, simple y aceptada. Pero la fuerte desventaja es la que podría resultar de la disponibilidad de agregados. Por ejemplo en Venezuela, en los estados Yaracuy y Lara (centro) la disponibilidad y variabilidad del agregado pétreo es tal que las plantas productoras de mezcla asfáltica podrían preparar virtualmente cualquier tipo de mezcla. Al contrario, en estados como Zulia y Falcón (occidente), o regiones llaneras (tierras bajas), la disposición de agregado pétreo es muy limitada, al punto que en el estado Zulia no se fabrica mezcla Tipo IV sino Tipo III. Precisamente esta situación está creando muchos problemas para cumplir los contratos en la actualidad cuando se trabaja bajo régimen de emergencia vial. Atendiendo al rigor del requerimiento contractual, si en el Zulia no hay agregado para preparar mezcla Tipo IV (o M19), habría que traerlo de otra región, con el consiguiente aumento de precio por el acarreo.

Para evitar estos inconvenientes, proponemos en este artículo uno criterio de selección basado en propiedades ingenieriles de la mezcla asfáltica en vez del criterio empírico basado en husos granulométricos. Una capa de mezcla asfáltica en el pavimento es un componente estructural como en cualquier otro caso de la ingeniería civil. Materiales como el concreto Pórtland, por ejemplo, son especificados según su módulo elástico de forma indirecta a través de la resistencia nominal, f’c. O, bien, el acero es especificado por su resistencia de cedencia, fy. ¿Por qué la mezcla asfáltica, siendo un componente estructural, no se especifica por propiedades ingenieriles?

Las propiedades ingenieriles más resaltantes de la mezcla asfáltica compactada son:

• La resistencia, módulo elástico en carga monotónica, el módulo elástico en carga cíclica, la resistencia a la deformación plástica (ahuellamiento), y la resistencia a la fatiga por carga repetida.
• La permeabilidad
• La textura superficial (fricción superficial). 

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En el caso de la resistencia, como hemos dicho antes, en países que están en el top 50 del ranking mundial de carreteras es típico conseguir entre sus especificaciones la evaluación de todas estas características de la resistencia, así como la medición de la textura superficial con fines de evaluar el riesgo de deslizamiento.

Con ayuda de la tecnología RAMCODES se pueden incorporar el módulo elástico en carga monotónica y la permeabilidad como parámetros de referencia para la selección del tipo de mezcla. A continuación les presentaré un ejercicio sobre las normas venezolanas para evaluar los valores ingenieriles derivados de las especificaciones venezolanas INVEAS 2004.

Resistencia: En el artículo sobre la comparación entre mezclas INVEAS y COVENIN se estableció que, con base en los valores más desfavorables de especificación y usando el modelo RAMCODES (que usa la estabilidad y el flujo Marshall para producir un valor de módulo elástico en carga monotónica y referenciado a 60^oC), las primeras son por lo menos dos veces más resistentes que las segundas. Las normas INVEAS tienen límites de valores Marshall dependiendo del nivel de tránsito a servir. En la siguiente tabla se resumen estos límites y el valor de módulo estimado para cada uno de ellos.

Tabla 1. Valores de módulo de elasticidad para mezcla asfáltica estimados para INVEAS 2004.

	Nivel de tránsito
	Alto	Medio	Bajo
ESAL’s	> 20 millones	2 a 20 millones	< 2 millones
Golpes/cara Marshall	75	75	50
Estabilidad (lb)	2200	1800	1600
Flujo (1/100”)	8-14	8-14	8-16
E en carga monotónica, a 60oC, psi	117500	96108	74750
E en carga monotónica, a 60oC, MPa	810	663	515

Nota: Los valores de módulo elástico son módulos tangentes.

El lector de este artículo verá que los valores de módulo elástico que aparecen en los últimos renglones de esta tabla son los mínimos para cada nivel de tránsito e independientemente de cualquier huso granulométrico o tipo. Es decir, una mezcla asfáltica M12 podría perfectamente ser usada para tránsito alto siempre y cuando cumpla con el módulo mínimo (valores más desfavorables de estabilidad y flujo) que establece la especificación.

Permeabilidad: Siempre se habla de que una mezcla es permeable o impermeable, pero pocas veces se define el criterio para considerarlo. Por ejemplo, Cooley et. al, 2001, del Centro Nacional de Tecnología del Asfalto de los EEUU define el término permeabilidad crítica como el valor límite de este parámetro más allá del cual se considera que la mezcla es permeable. Para mezclas INVEAS M12 la permeabilidad crítica sería 120x10^-5 cm/s, mientras que para las M19 es 150x10^-5 cm/s. Es interesante saber que estos valores coinciden con los límites de permeabilidad entre arcilla limosa (impermeable) y arena fina (permeable) expresados en los libros de mecánica de suelos. Utilizando el modelo RAMCODES que asocia la gradación de la mezcla y los vacíos de aire de la mezcla compactada (Sánchez-Leal, F.J., 2007, Gradation chart for asphalt mixes: development, ASCE Journal of Materials in Civil Engineering), y las especificaciones INVEAS 2004 se pudieron estimar los valores de permeabilidad de la mezcla compactada a 8% de vacíos de aire (%Gmm=92), que es el límite máximo normativo.

Tabla 2. Valores de permeabilidad estimados para mezclas asfálticas INVEAS 2004.

Mezcla	n	Dmax (mm)	G/S	k a 8% de vacíos (x10-5 cm/s)
M12 límite fino	0.34	9.4	0.34	16
M12 límite grueso	0.57	11.6	0.73	101
M19 límite fino	0.33	14.4	0.59	56
M19 límite grueso	0.54	18.4	1.20	473

En esta tabla se puede ver que la recomendación de utilizar mezcla M12 para capas impermeables es correcta. Sin embargo, dentro del huso de M19 no todas las combinaciones granulométricas aceptadas producirán una mezcla permeable; sería materia de verificar la permeabilidad de su mezcla M19 con el modelo RAMCODES, o bien, compactarla a un grado mayor. Conclusión, los husos granulométricos no deben ser limitante para la selección por permeabilidad pues se podría rechazar una mezcla impermeable creyéndola equivocadamente permeable.

Las tablas 1 y 2 pueden ser utilizadas efectivamente por los proyectistas de pavimentos para “traducir” más adecuadamente sus diseños y requerimientos en especificaciones de diseño de mezcla asfáltica. Por ejemplo, un diseñador podría verificar y luego especificar su estructura de pavimentos considerando una carpeta impermeable y con módulo elástico de 810 MPa.

Para cerrar este artículo que se me ha extendido un poco más de lo normal, lo que deseo resaltar, y tal como fue demostrado con este ejemplo con la norma venezolana INVEAS, es que las propiedades ingenieriles (y de calidad de agregado) de la mezcla asfáltica no son fuertemente dependientes—como se cree—del huso granulométrico. Urge entender, en consecuencia y ante la evidencia, que el huso granulométrico no debe ser un condicionante para aceptar o rechazar un diseño de mezcla asfáltica. Más bien, parámetros ingenieriles como la resistencia y la permeabilidad son más adecuados y objetivos para definir la calidad de una mezcla asfáltica como parte de la estructura del pavimento. Esto que acabo de describir lo llamó F.N. Hveem “diseño libre” en 1942, que se define como producir una mezcla con tantas propiedades ingenieriles requeridas como sea posible, usando los agregados locales.

Una anécdota que viene mucho a este caso me la cuentan colegas mexicanos aquí en Cancún, durante el 8vo Congreso Mexicano del Asfalto (Agosto, 2013). Varias concesionarias españolas tienen trabajos de construcción o rehabilitación de tramos carreteros en México. Algunas de ellas están teniendo problemas con las supervisiones (inspecciones) porque las mezclas asfálticas que están utilizando están fuera de los husos granulométricos mexicanos. Para defenderse, los ingenieros españoles tienen el fuerte argumento de que, pese a no cumplir con los husos granulométricos mexicanos, las mezclas asfálticas construidas cumplen con todos los valores mínimos de características en el nivel 1 de diseño, y con los siguientes tres niveles de desempeño (ahuellamiento, módulo elástico y fatiga) en el Protocolo de la Asociación Mexicana del Asfalto.

Muchos saludos para todos, espero sus comentarios que para mí son muy valiosos y me ayudan a seguir estudiando este apasionante mundo de los geomateriales.

Freddy J. Sánchez-Leal

@saintloyal   @ramcodes