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Estudio de la permeabilidad de mezclas asfálticas para presas.

Analysis on the permeability of asphalt mixtures for use in dams.



Alberto GAXIOLA1; Alexandra OSSA1; José GONZALEZ1; Osvaldo FLORES1; Jorge Luis ALMARAL2

1Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México

2 Facultad de Ingeniería Mochis, Universidad Autónoma de Sinaloa

RESUMEN: En la construcción de una presa de almacenamiento se requiere contar con un elemento impermeable ya sea en el núcleo o en la cara de la misma. Para tal efecto, se han utilizado distintos sistemas y materiales con el propósito de cumplir con la baja permeabilidad requerida, los sistemas más comunes han sido los núcleos de arcilla y las caras de concreto. En ocasiones y principalmente por cuestiones económicas otras alternativas han surgido con desempeños altamente satisfactorios y competitivos, un ejemplo de esto es la utilización de núcleos y caras de concreto asfáltico. El concreto asfáltico es un material fabricado con agregados pétreos y asfalto en proporciones que se dosifican a discreción, variando estas proporciones se pueden controlar gran cantidad de parámetros físicos, entre ellos la permeabilidad. El presente trabajo muestra la influencia del contenido de asfalto, la distribución granulométrica y calidad de agregados en la permeabilidad de una mezcla asfáltica a utilizarse en barreras impermeables de presas.



ABSTRACT: In a storage dam construction an impervious element is required either in the core or face thereof. For this purpose, have been used different systems and materials in order to meet the required low permeability, the more common systems has been clay cores and concrete facings. Occasionally and mainly due to economic reasons other alternatives have emerged with highly satisfactory and competitive performance, an example of this is the use of asphaltic concrete cores and faces. Asphaltic concrete is a material made of mineral aggregate and asphalt in proportions dosed at will, varying these proportions can be controlled large number of physical parameters, including permeability. This paper shows the influence of asphalt content, the particle size distribution and quality of aggregates in the permeability of an asphaltic mixture to be used in waterproof barriers of dams.



  1. INTRODUCCIÓN.

La finalidad principal de una presa de almacenamiento es contener el agua para sus diversos fines (e.g. abastecimiento de agua, control de inundaciones, generación de electricidad), por ello, una de las características más importantes que el terraplén debe cumplir con el fin de evitar pérdidas de agua y daños en el mismo es tener una permeabilidad baja. En presas de enrocamiento, se han utilizado tradicionalmente corazones de arcilla o caras de concreto hidráulico como elemento impermeable. Sin embargo, desde hace varias décadas como alternativas de elemento impermeable en este tipo de estructuras se ha utilizado en algunos países los núcleos y barreras externas de concreto asfáltico. Wang y Hoeg (2009) presentan una extensa lista de características que hacen de una presa con núcleo de asfalto una alternativa muy competitiva dentro de las opciones existentes, la gran mayoría de estas propiedades las comparten las presas con cara de concreto asfáltico, estas ventajas incluyen:

  • Alta resistencia al agrietamiento provocado por sismos.

  • La propiedad de auto sellar grietas que eventualmente se puedan presentar durante la ocurrencia de sismos o diferenciales de asentamiento, debido al comportamiento visco-elástico que presenta el concreto asfáltico.

  • La posibilidad de llevar a cabo la construcción de la presa de manera ininterrumpida incluso en temporada de lluvias sin que se comprometa la calidad del elemento impermeable.

  • Las presas con núcleo de asfalto no requieren una alta calidad del agregado.

  • Pueden ser construidas sobre un cimiento compresible.

El uso del concreto asfáltico para presas inicialmente surgió como elemento impermeabilizante en zona aguas arriba del enrocamiento. Anteriormente, este tipo de barreras se construían mediante la aplicación de diferentes capas de concreto asfáltico de un mismo tipo. De acuerdo a Creegan y Monismith (1996), en la actualidad esta práctica se ha sustituido por la aplicación de varias capas asfálticas cada una con diferente composición y función. En términos generales, una cara de concreto asfáltico se compone por una capa externa impermeable apoyada sobre una capa drenante la cual a su vez esta cimentada sobre una capa asfáltica impermeable adicional, tal como se indica en la figura 1.

Por otro lado, para el caso de presas con núcleo de concreto asfáltico este elemento comúnmente se construye con un espesor mínimo de 0.5 m y no mayor de 1.0 m a menos que ciertas condiciones especiales lo exijan, por ejemplo, regiones en extremo sísmicas o la construcción sobre suelos altamente compresibles (Hoeg, 1993). Sin embargo, en presas con núcleo de concreto asfaltico de gran altura, han sido utilizados espesores en la parte superior del núcleo del orden de 0.4 m. Por otra parte, de acuerdo a la literatura se han utilizado espesores de núcleo en el fondo de hasta 1.2 m, como es el caso de la presa High Island East en Hong Kong cuya altura es de 105 m. La figura 2 muestra la sección típica de una presa con núcleo de asfalto.





Figura 1. Secciones típicas de caras de concreto asfáltico.



Figura 2. Sección típica de una presa con núcleo de concreto asfáltico.




Debido al proceso de elaboración y a los materiales de los cuales se compone el concreto asfáltico, es posible controlar diversas propiedades de la mezcla compactada, las características se modifican cambiando el tipo de agregado, la granulometría, el contenido de asfalto y/o el nivel de compactación. La impermeabilidad de los elementos de concreto asfáltico de presas usualmente se logra con contenidos de vacíos de aire en la mezcla compactada menores al 3% y con el uso de granulometrías densas.

    1. Mezclas asfálticas utilizadas en presas.

Hoeg (1993) recomienda que la distribución granulométrica de los agregados pétreos a utilizarse en la elaboración de mezclas asfálticas destinadas para la construcción de barreras impermeables de presas, se obtenga mediante la ecuación de Fuller (ec. 1). Así mismo, el porcentaje de asfalto óptimo de la mezcla deberá ser ligeramente superior al que se usaría para la elaboración de concreto asfáltico utilizado en la construcción de carreteras, de esta manera se podrá alcanzar con cierta facilidad valores de permeabilidad aptos para este tipo de estructuras.






(1)

donde: pi= Acumulado que pasa, en decimal, para el diámetro de partícula Di; Di= Diámetro de la partícula; Dmáx= Tamaño máximo del material; n= Valor asociado a la forma de la curva.

Cabe mencionar, que dependiendo del valor que tome el exponente n de la ecuación (1) se podrán obtener mezclas asfálticas con características diferentes. De acuerdo al Instituto del Asfalto (2001), la granulometría que provoca que la mezcla alcance la máxima densidad corresponde a un valor del exponente n=0.45, es decir, si se elabora una mezcla utilizando granulometrías de Fuller en las que se varíe el exponente n y se mantengan constantes el resto de las variables, a medida que el exponente elegido se acerque a 0.45 el valor de la densidad de la mezcla aumentará. En mezclas destinadas a la construcción de barreras impermeables se puede utilizar un valor distinto de n sustentando el cambio mediante pruebas de laboratorio donde se garantice una permeabilidad baja. La figura 3 muestra curvas de Fuller elaboradas con diferentes valores del exponente n.

Una manera distinta de mostrar la granulometría de una mezcla asfáltica consiste en graficar en el eje de las abscisas el tamaño de partícula elevado a la potencia de 0.45, de tal forma que la curva de Fuller para n=0.45 queda como se muestra en la figura 4, en la que esta distribución de tamaños toma la forma de una recta.

La principal característica que debe cumplir la mezcla es una permeabilidad baja, el boletín ICOLD 32a (1982) indica que para garantizar la permeabilidad baja de una mezcla asfáltica utilizada en presas, esta debe cumplir con un coeficiente k máximo de 10-7 cm/s. Sin embargo, de acuerdo a esta misma referencia en la construcción de barreras impermeables es común encontrar permeabilidades que varían entre 10-8 y 10-9 cm/s.


Figura 3. Gráficas de Fuller.

Figura 4. Curva de Fuller, el eje indica que el tamaño de partícula se eleva al exponente 0.45.

  1. ETAPA EXPERIMENTAL.

Esta fase de la investigación se centró en encontrar una dosificación de agregados pétreos y asfalto con la cual se lograra obtener especímenes de concreto asfáltico con características de permeabilidad compatibles con las de las barreras impermeables de presas, específicamente de los núcleos. Para tal efecto se elaboraron catorce diferentes mezclas asfálticas variando el contenido de asfalto, la distribución granulométrica del agregado y el tipo del mismo. Una vez compactadas se probaron en el permeámetro de carga constante del Laboratorio de Mecánica de Suelos del Instituto de Ingeniería.


    1. Elección del asfalto y agregado a utilizar.

Durante el desarrollo de la presente investigación, se tomó la decisión de utilizar un agregado pétreo de buena calidad, en la experiencia del Laboratorio de Vías Terrestres del Instituto de Ingeniería, donde se sustentan con distintas pruebas de laboratorio la calidad de los materiales pétreos de diversas fuentes, resalta el basalto proveniente del banco “Atlipac” (km 1.8 carretera México-Puebla), que en este caso es la fuente de agregados elegida (agregado 1).

Con el fin de comparar el efecto que tienen las características físicas del agregado en la permeabilidad de la mezcla, se utilizaron dos tipos de agregado adicionales. El primero de estos materiales corresponde al basalto utilizado por la Planta de Asfalto Gobierno del Distrito Federal para la elaboración de mezclas asfálticas (Agregado 2) y el segundo corresponde a una combinación de residuos de construcción y demolición y material de la mencionada Planta de Asfalto (Agregado 3). Dichos agregados, presentan visualmente una porosidad más elevada que el material procedente del banco “Atlipac”. La figura 5 muestra una imagen de los agregados mencionados, donde se aprecia claramente que el agregado 2 es marcadamente más vesicular que el agregado 1, en la tabla 1 se presenta la caracterización mecánica de los agregados. Todos los agregados se sometieron a un proceso de cribado y solo aquellos de origen pétreo fueron lavados, todo esto con el fin de separarlos en tamaños.

El asfalto utilizado corresponde al asfalto PEMEX EKBÉ, cuya clasificación SUPERPAVE corresponde a PG 64-22, mismo que actualmente es utilizado por la planta de asfaltos del Distrito Federal, que en donación proporcionó este material.


Figura 5. Agregados utilizados para elaborar las mezclas que se probaron en el permeámetro de carga constante.


Tabla 1. Caracterización del agregado pétreo.




Agregado 1

Agregado 2

Agregado 3(*)

Método

% de absorción de agua

1.61

3.81

6.64

ASTM C 127 y ASTM C 128

Desgaste Los Ángeles (%)

16

22

28

ASTM C 131

Intemperismo acelerado (%)

1

1

12

ASTM C 88

Angularidad del agregado grueso (%)

100

100

100

ASTM D 5821

Angularidad del agregado fino (%)

42

70

65

ASTM C 1252

Partículas alargadas y planas

-

28

25

M.MMP.4.04.005/08

Equivalente de arena (%)

64

64

54

ASTM D 2419

(*) 60% de agregado 2 y 40% de residuos de construcción y demolición



    1. Elaboración de probetas de concreto asfáltico.

De la experiencia en el diseño de mezclas asfálticas con propósitos carreteros adquirida en el Laboratorio de Vías Terrestres se sabe que el porcentaje de asfalto óptimo de las mezclas elaboradas con agregado 1 es del orden de 6.3%, por este motivo se determinó utilizar como punto de partida de esta investigación un contenido de asfalto de 6.5% el cual como se mostrará más adelante fue variando en función de los resultados obtenidos

Un dato de importancia fundamental en el diseño de mezclas asfálticas es el nivel de compactación. El compactador utilizado en la presente investigación se denomina “compactador giratorio Superpave” y se muestra en la figura 6, en este equipo el nivel de compactación se mide con el número de giros que imprime el compactador a la mezcla asfáltica. Inicialmente el nivel de compactación utilizado en esta investigación fue de 100 giros, mismo que se puede alcanzar en campo y corresponde al nivel especificado en carreteras de tránsito elevado. Se decidió elegir el compactador giratorio de entre las distintas opciones disponibles para la compactación de las mezclas, debido a que este equipo realiza este proceso mediante amasado del material de manera similar al proceso que se lleva a cabo en campo, lo cual difiere de la compactación por impacto tipo Marshall.

En esta investigación se fabricaron probetas de concreto asfaltico 15 cm (6”) de diámetro y 20 cm de altura, a las que se les extrajo un núcleo de 10 cm (4”) de diámetro, esto buscando cumplir con una relación altura/diámetro de 2. Las características granulométricas, parámetros de permeabilidad, vacíos y porcentaje de asfalto de las mezclas con las que fueron elaborados los especímenes de concreto asfáltico se muestran en la Figura 9 y Tabla 2.
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Figura 6. Compactador giratorio SUPERPAVE.




    1. Pruebas de permeabilidad.

Con el fin de evaluar las características hidráulicas de los especímenes de concreto asfaltico, se llevaron a cabo pruebas de permeabilidad de carga constante utilizando el permeámetro ubicado en el laboratorio de Mecánica de Suelos del Instituto de Ingeniería, mismo que se muestra en la figura 7. Este permeámetro permite medir permeabilidades con precisión hasta de un orden de 10-9 cm/s, con cargas hidráulicas de trabajo que pueden alcanzar hasta 3.0 kg/cm2 y presiones de confinamiento de hasta 5.0 kg/cm2.
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Figura 7. Permeámetro de carga constante.

De las probetas de concreto asfáltico de 10 cm de diámetro y 20 cm de altura, se cortaron pastillas de 25 mm de espesor. La elección del espesor de la probeta se hizo procurando que la altura de la misma fuera al menos de dos veces el tamaño máximo del agregado, 12.5 mm en este caso. Una imagen de una de las probetas utilizadas en el ensayo de permeabilidad aparece en la figura 8.
c:\users\agaxiolah@iingen.unam.mx\desktop\cam00259.jpg

Figura 8. Probeta para ensayo de permeabilidad.



      1. Etapa 1.

Se llevaron a cabo pruebas de permeabilidad partiendo de la granulometría de Fuller y variando el contenido de asfalto desde un porcentaje alto (6.5%) hasta un porcentaje bajo (5.5%). Lo anterior, con el fin de verificar el cambio de permeabilidad en este rango de contenidos de asfalto e identificar la sensibilidad de la permeabilidad con este parámetro, se utilizó en estas mezclas el agregado 1.

Adicionalmente, se elaboraron dos mezclas con características granulométricas diferentes, una de ellas con agregado 2, que comparado con el agregado 1 es notablemente más poroso; la segunda dosificación se llevó a cabo con material de la planta de asfalto del Distrito federal y un 40% de residuos de construcción y demolición, este agregado presenta una porosidad mayor a cualquiera de los utilizados con anterioridad en esta investigación.




      1. Etapa 2

Se elaboraron una serie de mezclas en las que se varió la granulometría, partiendo desde una mezcla totalmente abierta hasta la mezcla correspondiente a la curva de Fuller. Esto con el fin de visualizar y comprender la forma en que se modifica la permeabilidad de la mezcla en función de la granulometría. Cabe mencionar que en esta etapa se mantuvo constante el contenido de asfalto (6.0% con respecto al total de la mezcla) y el nivel de compactación (50 giros).


  1. PRESENTACIÓN Y ANALISIS DE RESULTADOS.

Los resultados de las pruebas de permeabilidad se resumen en la tabla 2, la figura 9 presenta las distintas granulometrías utilizadas en la elaboración de las probetas ensayadas.



Tabla 2. Resultados de las pruebas de permeabilidad realizadas a mezclas asfálticas.

Mezcla número.

Tipo de agregado

Granulometría

% de asfalto1

Número de Giros.

% de vacíos de aire

Coeficiente de permeabilidad k (cm/s)

Observaciones.

Etapa 1.




I

Agregado 1

Fuller n=0.45.

6.5

100

0.0

< 10-9

No se observó flujo de agua.

II

Agregado 1

Fuller n=0.45

6.3

100

0.0

< 10-9

No se observó flujo de agua.

III

Agregado 1

Fuller n=0.45

6.0

50

0.0

< 10-9

No se observó flujo de agua.

IV

Agregado 1

Fuller n=0.45

5.5

50

0.0

< 10-9

No se observó flujo de agua.

V

Agregado 2

Fuller n=0.45

6.0

50

No se registró

2.0 x 10-9




VI

Agregado 3

Densa2

7.5

100

No se registró

4.2 x 10-5




Etapa 2.




VII

Agregado 1

1

6.0

50

19.99

No se registró




VIII

Agregado 1

2

6.0

50

15.59

1.8 x 10-5




IX

Agregado 1

3

6.0

50

6.62

1.1 x 10-5




X

Agregado 1

4

6.0

50

5.08

5.6 x 10-6




XI

Agregado 1

5

6.0

50

0.54

< 10-9

No se observó flujo de agua.

XII

Agregado 1

6

6.0

50

1.36

4.1 x 10-6




XIII

Agregado 1

7

6.0

50

1.15

< 10-9

No se observó flujo de agua.

XIV

Agregado 1

8

6.0

50

0.86

1.7 x 10-6




1 Con respecto al total de la mezcla.

2 Granulometría densa, material de la planta de asfalto del Distrito Federal y 40% de residuos de construcción y demolición.

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Figura 9. Curvas granulométricas utilizadas en la elaboración de probetas que se probaron en permeámetro de carga constante.





Luego de revisar los resultados presentados en la tabla 2 y figura 9, se llegó a las siguientes conclusiones:

  • Las mezclas elaboradas con la granulometría de Fuller (mezclas I a V) y con un contenido de asfalto de entre 5.5% y 6.5%, cumplen ampliamente con los requerimientos de permeabilidad para las barreras de presas, fácilmente se alcanzan permeabilidades menores que 10-9 cm/s.

  • La reducción del nivel de compactación (100 a 50 giros) en probetas de concreto asfáltico elaboradas con granulometrías de Fuller para n=0.45 no produce cambios significativos en la permeabilidad del material, tal como lo indican los resultados de las mezclas (I a IV).

  • Los resultados de las pruebas de permeabilidad de las mezclas (mezclas III y V) indican que la porosidad del agregado pétreo utilizado en la elaboración de una mezcla asfáltica interviene en la permeabilidad de la misma.

  • En la medida en que la granulometría del agregado pétreo de la mezcla se hace más abierta, la permeabilidad aumenta. Sin embargo, se localizó una zona granulométrica en la cual pese a mantener constantes los niveles de compactación y contenidos de asfalto, al realizar pequeños cambios en la forma de la granulometría, especialmente en la parte fina, se obtienen cambios en la permeabilidad de hasta 4 ordenes, como es el caso de las mezclas XII y XIII.




  1. AGRADECIMIENTOS.

Los autores desean agradecer a la Planta de Asfalto del Gobierno del Distrito Federal, a las empresas Concretos Reciclados S.A. de C.V. y PINFRA S.A. de C.V. la donación de los materiales utilizados en esta investigación.
  1. REFERENCIAS.


Creegan, P. y Monismith, C. (1996). “Asphalt Concrete Water Barriers for embankment Dams”. American Society of Civil Engineers. ISBN 0-7844-0141.

Wang, W. y Hoeg, K. (2009). “The asphalt core embankment dam: a very competitive alternative”. The 1st International Symposium on Rockfill Dams Paper Chengdu, China.

Hoeg, K. (1993). “Asphaltic concrete cores for embankment dams. Experience and practice”. Norweigian geotechnical institute. ISBN 82-546-0163-1: 57 p.

ICOLD (1982). “Bituminous concrete facings for earth and rockfill dams”. Boletin 32 a: 25 p.



Instituto del Asfalto (2001). “Superpave mix design”. Superpave series No. 2 (SP-2). 3er. Ed: 32-33.


SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.



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