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TENDENCIA EN EL CONTROL DE CALIDAD DE UNA MEZCLA ASFÁLTICA MEDIANTE UN ENSAYO
MECÁNICO
Pedro Limón Covarrubias 10 de Abril de 2015
Gobierno del Estado de México
Diciembre 2010
Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Planteamiento general
• En la construcción de una carretera, las mezclas bituminosas en caliente constituyen las capas con mayores exigencias dentro de la estructura de un firme. Hay muchas etapas involucradas y actividades diferentes que entran en el proceso de construcción de un firme con mezcla bituminosa en caliente. Su diseño, elaboración, colocación y compactación son procesos complicados, donde intervienen diferentes factores que definirán la calidad final de la capa.
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Evaluación de la calidad durante la producción
• Propiedades volumétricas
– Lavado de mezcla: Granulometría y contenido de betún
– Densidad de la mezcla bituminosa compactada
– Contenido de huecos
• Propiedades mecánicas
– Estabilidad flujo Marshall
– Adhesividad
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Evaluación de la calidad durante la ejecución
• Ejecución
– Medición de espesor
– Medición de temperatura
– Densidad Marshall
• Acabado
– Medición de IRI
– Medición de la rugosidad
– Entre otros
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Uso de un ensayo mecánico (I)
• Asimismo, en el momento de tomar la decisión de aceptar o rechazar la capa, empleando únicamente el control de densidades sobre el producto final, se desconoce su capacidad resistente. La evaluación de esta propiedad, mediante algún tipo de ensayo, permitiría estudiar el comportamiento del firme y de la capa construida, y analizar la posibilidad de su aceptación, penalización o rechazo, de acuerdo a la calidad obtenida.
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Uso de un ensayo mecánico (II)
• Para ello, se ha estudiado un procedimiento de control basado en la determinación del módulo resiliente de la mezcla bituminosa colocada, según las normas NLT-360/91, ASTM D-4123 y la nueva norma Europea, a 20 ºC, UNE-EN 12697-26 ANEXO C.
• Puesto que los ensayos pueden realizarse sobre testigos extraídos del firme para el control de densidades, no supone ninguna actuación suplementaria; además, al ser un ensayo no destructivo, los testigos extraídos pueden ser utilizados para alguna otra prueba adicional.
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Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Objetivos de la tesis
1. Establecer el ensayo de módulo resiliente como un método de control de calidad de las mezclas bituminosas al momento de su ejecución.
2. Encontrar la relación entre el ensayo de módulo resiliente y el ensayo de fatiga en la ejecución de mezclas bituminosas.
3. Determinar valores de módulo resiliente para aceptación, penalización, rechazo y estímulo de una mezcla bituminosa al momento de su ejecución.
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Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Control de calidad
Control en planta (producción de la mezcla)
- Calidad de los materiales pétreos (c/1000 m3)
a) Granulometría
b) Adherencia
c) Forma de la partícula
d) Equivalente de arena
e) Azul de metileno
Control de calidad Control en planta (producción de la mezcla)
Tamaño nominal del material pétreo mm (in)
Designación Abertura
mm
37,5
(1-1/2’’)
25
(1’’)
19
(3/4’’)
12,5
(1/2’’)
9,5
(3/8’’)
Porcentaje que pasa
2” 50 - - - - -
1 ½” 37,5 ± 5 - - - -
1” 25 ± 5 ± 5 - - -
¾” 19 - ± 5 ± 5 - -
1/2” 12,5 - - ± 5 ± 5 -
3/8” 9,5 - - - ± 5 ± 5
4 4,75 - - - - ± 5
8 2.36 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3
16 1,18 - - - - -
30 0,60 - - - - -
50 0,30 - - - - -
100 0,15 - - - - -
200 0,075 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5 ± 1.5
Control de calidad
Control en planta (producción de la mezcla)
Característica Norma Especificación
Desgaste Los Ángeles, % ASTM C131 30 máx. (capas estructurales)
25 máx. (capas de rodadura)
Partículas alargadas, % ASTM D 4 791 3 a 1 %, 15 máx.
Partículas lajeadas, % ASTM D 4791 3 a 1 %, 15 máx.
Adherencia con el asfalto,
% de cubrimiento
Recomendación AMAAC
RA – 08 / 2008 90 mín.
Característica Norma Especificación
Equivalente de arena,%
ASTM D 2419
50 min. (capas estructurales)
55 min. (capas de rodadura)
Azul de metileno, mg/g Recomendación AMAAC RA-
05/2008
15 máx. (capas estructurales)
12 máx. (capas de rodadura)
Control de calidad
Control en planta (producción de la mezcla)
Calidad de asfalto cada auto-tanque
a) Punto de reblandecimiento
b) Recuperación elástica por torsión
c) Viscosidad
Control de calidad
Ensaye
Asfaltos Tipo I y II Asfaltos Tipo III
Asfalto Base Asfalto Base
AC10 AC20 AC30 AC10 AC20 AC30
Punto de
reblandecimiento por
anillo – esfera, (º C)
Mín. 50 55 60 50 50 60
Recuperación
Elástica por Torsión,
%
Máx. 20 25 30 20 20 25
Viscosidad
Rotacional tipo
Haake
Mín.
Máx.
600
3000
800
3500
1000
4000
3500
7500
1000
4000
1250
4500
Control de calidad
Control en planta (producción de la mezcla)
Fabricación de mezcla conforme a la fórmula de trabajo (c/250 m3)
a) Contenido de asfalto
b) Granulometría
c) Propiedades volumétricas
Control de calidad
Control en planta (producción de la mezcla)
•En el contenido optimo de asfalto, la desviación máxima permisible con respecto al diseño aprobado es de ± 0,3 % con respecto al peso de la mezcla.
Rueda de Hamburgo y TSR
• La mezcla Protocolo AMAAC debe cumplir con los ensayos de TSR y rueda de Hamburgo, este ensayo se debe realizar cada Km colocado.
- Susceptibilidad a la humedad (TSR): 80% mínimo
- Rueda de Hamburgo: Deformación máxima de 10mm.
Control de calidad en la puesta en obra
La preparación de la superficie existente exige que se compruebe la
regularidad superficial de la capa subyacente. Si la superficie está constituida por una mezcla bituminosa, se debe ejecutar un riego de adherencia, si es granular o tratado con conglomerantes hidráulicos, se ejecuta un riego de imprimación.
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Transporte
• Es la etapa en la que la mezcla es trasladada de la central de fabricación a la extendedora por medio de camiones. Es inevitable el enfriamiento de la mezcla por efecto en la temperatura ambiente y el viento. También es importante evitar la segregación de la mezcla durante la carga y la descarga de los camiones, y para ello se debe mantener una altura mínima de descarga y evitar la formación de pilas cónicas de material, haciendo que el camión se mueva lentamente o esparciendo la mezcla lateralmente en la caja.
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Colocación
Durante el proceso de extendido de la mezcla bituminosa se debe: • Verificar que no exista ninguna imperfección en la superficie de
colocación. • Comprobar que exista riego de adherencia sobre la capas asfáltica
subyacente. • Vaciar cuidadosamente y de manera continua la mezcla bituminosa
sobre la extendedora. • Verificar que las planchas de la extendedora se encuentren calentadas
adecuadamente. • Controlar el espesor de mezcla que se está colocando.
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Compactación
• La compactación debe realizarse de manera continua y sistemática, si la mezcla ha sido extendida en tres franjas, al compactar cada una de éstas, se ha de superponer la zona de compactación al menos quince centímetros.
• Deben mantenerse limpios los elementos de compactación y en lo posible húmedos.
• Los cambios de dirección de los compactadores deben hacerse sobre una superficie ya compactada y los cambios de sentido deben hacerse con mucha suavidad.
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Control del producto terminado
• Control de espesor
• Compacidad
• Acabado
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Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Factores que afectan al módulo resiliente (I)
• Nivel de Esfuerzo
• Frecuencia de carga
• Contenido de betún
• Tipo de árido
• Contenido de huecos
• Tipo de betún
• Tipo de ensayo
• Temperatura de ensayo
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Factores que afectan al módulo resiliente “Tipo
de betún” (III)
Módulo resiliente vs Contenido de modificadores
del betún
0
2000
4000
6000
Mó
du
lo r
esil
ien
te
(MP
a)
Mezcla convencional Mezcla con caucho
Mezcla con caucho fino 2,5% Mezcla con caucho fino 3,0%
Mezcla con caucho fino 3,5%
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Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Plan de trabajo
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ENSAYO DE MÓDULO
RESILIENTE
Elaboración de
probetas
Sensibilidad
del ensayo
Extracción de
testigos
Estudio de la
compacidad
Valores representativos de módulo
resiliente por tipo de mezcla
Efecto del módulo en la
fatiga de la mezcla
CONCLUSIONES Y
PROPUESTAS
Efectos de ejecución
deficiente mediante
análisis estructural
Estudio del efecto
de diferentes
variables
Estudio comparativo
probetas-testigos
Sensibilidad del ensayo
Composición de la mezcla: • Contenido de ligante • Tipo de ligante • Naturaleza y calidad del árido • Granulometría • Tamaño máximo del árido
Elaboración de las probetas • Energía de compactación • Temperatura de compactación • Tipo de compactación • Altura de la probeta
Ejecución del ensayo • Temperatura de ensayo • Frecuencia de aplicación de carga • Inmersión de probetas en agua
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Sensibilidad del ensayo “Composición” (I)
Efecto del contenido de betún
0
1000
2000
3000
4000
5000
5´5 (1%Menor) 6´5 (Óptimo) 7´5 (1%Mayor)
Contenido de betún (%)
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a)
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Sensibilidad del ensayo “Composición” (II)
Efecto del tipo de Betún
0
1000
2000
3000
4000
5000
PG 58-22 PG 64-22 PG 70-22 PG 76-22 PG 82-22
Tipo de betún
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a)
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Sensibilidad del ensayo “Composición” (III)
Efecto del tipo de Árido
0
1000
2000
3000
4000
5000
Calizo Basalto Granito
Tipo de árido
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a)
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Sensibilidad del ensayo “Elaboración” (I)
Efecto de la energía y temperatura de compactación
0
1000
2000
3000
4000
5000
40ºC menor 20ºC menor Temperatura
óptima
Temperatura de compactación
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a)
35gpc
50 gpc
75 gpc
100 gpc
125gpc
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Sensibilidad del ensayo “Elaboración” (II)
Módulo resiliente vs Densidad
35gpc 50gpc
75gpc100gpc
125gpc
75gpc
50gpc
35gpc
2000
2500
3000
3500
4000
2.100 2.150 2.200 2.250 2.300 2.350
Densidad (g/cm3)
Mó
du
lo r
es
ilie
nte
(MP
a)
40ºC menor Temp. óptima
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Sensibilidad del ensayo “Ejecución del ensayo” (I)
Efecto de la temperatura de ensayo
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
5ºC 20ºC 40ºC
Temperatura de ensayo
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a)
PG-58
PG-64
PG-70
PG-76
PG-82
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Análisis experimental (I)
Composición de la mezcla:
• Contenido de ligante (A)
• El tipo de betún (B)
• La granulometría (C)
• El tamaño máximo de árido (D)
• El tipo de árido (E)
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Análisis experimental (II)
Gráfico de probabilidad normal
B
AB
C
A0
20
40
60
80
100
-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
Valor estimado
Po
rcen
taje
de p
rob
ab
ilid
ad
no
rmal
Pedro Limón Covarrubias 42
Análisis experimental (III)
Elaboración de la mezcla:
• Altura de probeta (A)
• Energía de compactación (B)
• Temperatura de compactación (C)
• Tipo de compactación (D)
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Análisis experimental (IV)
Gráfico de probabilidad normal
D A C B
0
20
40
60
80
100
-300 -100 100 300 500 700 900
Valor estimado
Po
rcen
taje
de p
rob
ab
ilid
ad
no
rmal
Pedro Limón Covarrubias 44
Análisis experimental (V)
Ejecución del ensayo:
• Acondicionamiento de las probetas (A)
• Frecuencia de carga (B)
• Temperatura de ensayo (C)
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Análisis experimental (VI)
Gráfico de probabilidad normal
C
0
20
40
60
80
100
-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000
Valor estimado
Po
rcen
taje
de p
rob
ab
ilid
ad
no
rmal
Pedro Limón Covarrubias 46
Análisis de testigos “Obra 3” (I)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450
DENSIDAD (g/cm3)
MÓ
DU
LO
RE
SIL
IEN
TE
(M
Pa) TESTIGOS PROBETAS
Pedro Limón Covarrubias 47
Análisis de testigos “Obra 4” (II)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450
DENSIDAD (g/cm3)
MÓ
DU
LO
RE
SIL
IEN
TE
(M
Pa) TESTIGOS PROBETAS
Pedro Limón Covarrubias 48
Análisis de testigos “Obra 5” (III)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450
DENSIDAD (g/cm3)
MÓ
DU
LO
RE
SIL
IEN
TE
(M
Pa) TESTIGOS PROBETAS
Pedro Limón Covarrubias 49
Análisis de testigos “Obra 7” (IV)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450
DENSIDAD (g/cm3)
MÓ
DU
LO
RE
SIL
IEN
TE
(M
Pa) TESTIGOS PROBETAS
Pedro Limón Covarrubias 50
Análisis de testigos “Obra 10” (V)
0
1000
2000
3000
4000
5000
1.850 1.950 2.050 2.150 2.250 2.350 2.450
DENSIDAD (g/cm3)
MÓ
DU
LO
RE
SIL
IEN
TE
(M
Pa) TESTIGOS PROBETAS
Pedro Limón Covarrubias 51
Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Cálculo de la vida del firme (I)
o Tráfico T1: 1999 – 800 vehículos pesados por día.
o Explanada: E3
o Módulo de compresibilidad (Ev2): 300 Mpa
o Coeficiente de Poisson
- mezcla bituminosa: 0,35
- zahorra artificial: 0,40
- explanda: 0,45
o Software utilizado: DISPAV-5
Pedro Limón Covarrubias 56
Capa Espesor
(cm)
Mezcla bituminosa 25
Zahorra artificial 25
Cálculo de la vida del firme (II)
Pedro Limón Covarrubias 57
Vida en millones de ejes equivalentes vs
Temperatura de compactación
Mr = 3752 MPa
Mr = 2980 MPa
0
20
40
60
80
100
105 145
Temperatura de compactación (°C)
Mil
lon
es d
e e
jes
eq
uiv
ale
nte
s
Cálculo de la vida del firme (III)
Pedro Limón Covarrubias 58
Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de
ejecución de la mezcla
Mr = 3498 MPaMr = 3594 MPa
0
20
40
60
80
100
Probetas de planta Testigos de obra
Probetas vs Testigos
Mil
lon
es d
e e
jes
eq
uiv
ale
nte
s
Cálculo de la vida del firme (IV)
Pedro Limón Covarrubias 59
Vida en millones de ejes equivalentes vs lugar de
ejecución de la mezcla
Mr = 1170 MPa
Mr = 4827 MPa
0
20
40
60
80
100
Probetas de planta Testigos de obra
Probetas vs Testigos
Mil
lon
es d
e e
jes
eq
uiv
ale
nte
s
Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Criterios de control (I)
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Porcentaje de compacidad vs Módulo resiliente
para las variables de elaboración y composición
0
1000
2000
3000
4000
5000
85 90 95 100
Porcentaje de compacidad (%)
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a)
PG 58-22
PG 64-22
PG 70-22
PG 76-22
PG 82-22
Calizo
Granito
Gran. Inferior
Gran. Superior
TMN 1/2"
TMN 1"
Criterios de control (II)
Pedro Limón Covarrubias 62
Módulo resiliente vs Módulo retenido para las
variables de elaboración y composición
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 20 40 60 80 100
Módulo retenido (%)
Mó
du
lo r
esil
ien
te (
MP
a) PG 58-22
PG 64-22
PG 70-22
PG 76-22
PG 82-22
Calizo
Granito
Gran. Inferior
Gran. Superior
TMN 1/2"
TMN 1"
Criterios de control (III)
Pedro Limón Covarrubias 63
Porcentaje de compacidad vs Módulo retenido
para las variables de elaboración y composición
0
20
40
60
80
100
85 90 95 100
Porcentaje de compacidad (%)
Mó
du
lo r
ete
nid
o (
%)
Verificación del control de calidad propuesto (II)
Control de calidad a partir de valores mínimos de relación entre módulos:
• Bonificación: Obra 3
• Aceptación: Obras 2, 4, 8, 10 y 11
• Penalización: Obras 1, 6 y 9
• Rechazo: Obras 5 y 7
Control de calidad a partir de valores mínimos de compacidad de acuerdo a Normativa Española:
• Aceptación: Obras 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 11
• Penalización: Obras 7 y 8
• Rechazo: Obras 5 y 9
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Verificación del control de calidad propuesto (III)
Control de calidad a partir de valores mínimos de compacidad de acuerdo a Normativa Mexicana:
• Aceptación: Obras 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10 y 11
• No aceptación (*): Obras 5 y 9
(*) No se menciona “Penalización” porque la actual Normativa Mexicana no considera este concepto cuando una mezcla bituminosa no alcanza los valores mínimos establecidos de porcentaje de compacidad.
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Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Control de calidad de mezclas bituminosas
4. El módulo resiliente en mezclas bituminosas
5. Estudio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de calidad de una mezcla bituminosa
6. Evaluación del efecto producido por la falta de calidad en la ejecución
7. Determinación de criterios para el control de calidad
8. Conclusiones y futuras líneas de investigación
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Conclusiones (I)
1.- La determinación del módulo resiliente de las mezclas bituminosas permite determinar un parámetro relacionado con su cohesión. El módulo depende de la granulometría de la mezcla y de su compacidad, del tipo de árido y del tipo y contenido de betún, siendo estos factores los que determinan la calidad de la mezcla.
2.- El ensayo para la determinación del módulo resiliente, a 20 °C, es suficientemente sensible para detectar variaciones en el módulo de las mezclas cuando se modifican las proporciones de sus componentes.
Pedro Limón Covarrubias 69
Conclusiones (II)
3.- Con respecto a las condiciones de ejecución, se ha evaluado el efecto de una compactación a bajas temperaturas, habiéndose observado que en esas condiciones, es posible conseguir una adecuada compacidad, aumentando suficientemente la energía de compactación, pero provocando a su vez una importante disminución en el valor de módulo resiliente, lo que supone una reducción de la calidad de la mezcla. 4.- Los resultados obtenidos sobre testigos obtenidos de las diferentes obras analizadas han demostrado que el módulo resiliente está relacionado con la compacidad de la mezcla, permitiendo de este modo conocer la calidad de una mezcla no sólo a través de sus propiedades volumétricas, sino también de sus propiedades mecánicas. Por ello, el actual método de control debe ser complementado con un ensayo que evalúe alguna propiedad mecánica, como es el módulo resiliente.
Pedro Limón Covarrubias 70
Conclusiones (III)
5.- El módulo resiliente está relacionado con la resistencia a fatiga de la mezcla. A partir de los módulos y de las leyes de fatiga obtenidas sobre testigos, y bajo determinadas hipótesis de cálculo, ha sido posible evaluar el efecto producido por la disminución del módulo en la vida del firme. 6.- Es posible mejorar el control de calidad habitualmente empleado, mediante el ensayo de módulo resiliente, ya que el actual parámetro de control de calidad, la densidad de referencia, no otorga una información concreta sobre el comportamiento de una mezcla bituminosa después de su colocación y compactación.
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Líneas futuras de investigación
1.- Realizar un análisis más detallado del efecto de las variables de composición de las mezclas bituminosas sobre el módulo resiliente, ya que sólo se han estudiado betunes y áridos de la Republica Mexicana. 2.- Llevar a cabo un estudio más amplio de la aplicación del ensayo de módulo resiliente en el control de la ejecución de las mezclas bituminosas a través de los criterios propuestos para comprobar si los rangos establecidos en este estudio son los adecuados para aceptar o rechazar una obra, ya que hasta el momento sólo se han estudiado mezclas utilizadas en la Republica Mexicana. 3.- Corroborar con mayor número de mezclas, tanto de laboratorio como de campo, la relación entre el módulo resiliente y el desempeño a fatiga, especialmente a distintas temperaturas.
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