Influencia de los componentes del mástico en el comportamiento mecánico de mezclas asfálticas

Abstract

La elección de materiales y mezclas asfálticas es un aspecto crítico en la construcción y mantenimiento de infraestructuras viales. No se trata solo de una decisión técnica, sino de un factor clave que determina la durabilidad y el rendimiento a largo plazo de las carreteras. Una correcta selección de materiales y mezclas asfálticas puede asegurar no solo la capacidad de las vías para soportar cargas de tráfico y condiciones ambientales adversas, sino también su resistencia a las tensiones cíclicas y los daños por fatiga que pueden surgir con el tiempo. En este sentido, el diseño óptimo de las mezclas asfálticas se convierte en un elemento fundamental para garantizar la eficacia y longevidad de las estructuras viales. La presente tesis doctoral se centró en el desarrollo de una metodología de investigación que permitiera analizar de manera eficiente las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas, considerando diversas variables y factores influyentes. Esta metodología se basó en un enfoque de ejecución rápida que tenía como objetivo reducir la cantidad de material, tiempo y recursos necesarios para llevar a cabo los análisis. Esto, a su vez, no solo contribuiría a la eficiencia en el proceso de diseño y caracterización de mezclas asfálticas, sino que también sería una aproximación respetuosa con el medio ambiente, minimizando el uso de recursos naturales. El núcleo de esta metodología se basó en el uso del Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) y una configuración de flexión de tres puntos. Esta tecnología permitió una caracterización detallada de la respuesta mecánica de los morteros asfálticos, ofreciendo información crucial sobre aspectos como la rigidez, la ductilidad y la resistencia a la fatiga. La investigación se desarrolló en tres etapas distintas, cada una con objetivos específicos y enfoques diferenciados. En la primera etapa, se investigaron los efectos de diferentes tipos de rellenos activos y ligantes asfálticos. Se observó que la vida a fatiga aumentó al utilizar un ligante modificado con polímero, mientras que la deformación permanente y la capacidad portante se vieron menos afectadas al usar cemento en lugar de carbonato de calcio como relleno activo. En la segunda etapa, se evaluaron la resistencia a la fatiga, la trabajabilidad y la deformación de morteros asfálticos fabricados con diferentes proporciones de pavimento asfáltico recuperado (RAP). A pesar de que se ha investigado previamente el papel del mortero en las mezclas asfálticas, pocos estudios han analizado los impactos de la presencia de RAP. Los resultados revelaron que la inclusión de RAP reduce la trabajabilidad y ductilidad de los morteros asfálticos, pero también aumenta la rigidez, lo que contribuye a una mayor resistencia a la fatiga. El uso de rejuvenecedores resultó efectivo para contrarrestar los efectos negativos en la trabajabilidad y la ductilidad causados por el RAP, sin afectar la resistencia a la fatiga y la adherencia del material. La tercera etapa se enfocó en la susceptibilidad al agua de los morteros de mezcla asfáltica. Para garantizar la durabilidad de los materiales asfálticos, es esencial seleccionar materiales con baja susceptibilidad al daño por humedad. El estudio examinó la influencia del tipo de relleno activo y el contenido de ligante en la respuesta mecánica de los morteros asfálticos antes y después de la exposición al agua. Los resultados destacaron que el uso de cemento Portland en los morteros incrementa la rigidez, reduce la ductilidad y mejora la resistencia a la fatiga y la resistencia al agua en comparación con el carbonato de calcio. Además, se identificó un contenido óptimo de ligante asfáltico basado en los resultados de fatiga, ya que un contenido excesivo compromete la resistencia a la fatiga y un contenido insuficiente afecta negativamente la resistencia a la fatiga y la susceptibilidad a la humedad. En resumen, esta metodología innovadora permite optimizar el diseño de materiales asfálticos al proporcionar una comprensión más profunda de las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas, lo que a su vez contribuye a la mejora del desempeño y la durabilidad de las infraestructuras viales.

Adequate materials selection together with an asphalt mixtures optimal design plays a fundamental role in the performance, durability and functionality of pavement roads, therefore of transport infrastructure. To date, a significant amount of research has been carried out with aim of achieving optimal mix designs, that guarantee adequate performance of pavement through the study of the mechanical behavior of asphalt mixtures and binders. However, despite the important role of mastic and mortar in the mechanical properties of asphalt mix, less research has been carried out to date, being this the main motivation of this doctoral thesis. Therefore, the main objective was to stablish a fast execution methodology that required less material for the study and analysis of asphalt mixtures mechanical properties. Thus, helping simplifying the design and characterization process by using fewer resources, time and materials. A new analysis methodology is presented based on a rapid execution experiment by using the Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) and a three-point bending configuration, that allowed to characterize the mechanical response of asphalt mortars in terms of stiffness, ductility, and fatigue. The study consisted of three phases varying the mastic components, such as type of asphalt binder, type of active filler or recycled material (RAP), to analyze the mechanical response. The first study considered mastics with different types of fillers and asphalt binders. It was observed fatigue life increased by using a polymer-modified binder, while permanent deformation and higher bearing capacity were lesser affected by using cement instead of calcium carbonate as active filler. On the second phase, resistance to fatigue, workability and deformation of mastic were analyzed by using different proportions of reclaimed asphalt pavement (RAP). As a main result, it was shown that RAP causes an increase in stiffness, therefore inducing an elastic response and in consequence an increase in fatigue life, which could compensate for the loss of ductility. This aspect, together with the low sensitivity to water, shown when using Portland cement as an active filler, would allow the production of higher RAP content asphalt materials, with a long-term mechanical performance similar to that of conventional mixtures. In addition, the use of rejuvenators, effectively corrects the negative impact on workability and ductility caused by RAP, without affecting the fatigue resistance and the material adhesion/cohesion. Third and final phase consisted on study the water susceptibility of the mastic. Results indicated that Portland cement provides a higher, degree of stiffness, lower ductility and better fatigue and water resistance, compared to calcium carbonate. Also, it was possible to establish an optimum asphalt content based on fatigue results. Higher asphalt contents reduced the action of the water, but compromised the fatigue resistance, in contraposition, lower asphalt contents leaded to poorer performance in both fatigue and water resistance. Finally, the proposed methodology allows mastic characterization as a tool to optimize the design of asphalt mixtures.