FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil Tesis Influencia de la adición de ceniza volante y fibra de carbono en las propiedades mecánicas de mezclas asfálticas en caliente para la provincia de Arequipa, 2022 Juan Aiquipa Apcho Tiarah Brigitte Arteaga Mantilla Dante Amilcar Quispe Huallpa Para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil Arequipa, 2024 Esta obra está bajo una Licencia "Creative Commons Atribución 4.0 Internacional" . INFORME DE CONFORMIDAD DE ORIGINALIDAD DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN A : Decano de la Facultad de Ingeniería DE : Ing. Juan José Bullón Rosas Asesor de trabajo de investigación ASUNTO : Remito resultado de evaluación de originalidad de trabajo de investigación FECHA : 16 de Enero de 2025 Con sumo agrado me dirijo a vuestro despacho para informar que, en mi condición de asesor del trabajo de investigación: Título: INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE CENIZA VOLANTE Y FIBRA DE CARBONO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE PARA LA PROVINCIA DE AREQUIPA, 2022 Autores: 1. Juan Aiquipa Apcho – EAP. Ingeniería Civil 2. Tiarah Brigitte Arteaga Mantilla – EAP. Ingeniería Civil 3. Dante Amilcar Quispe Huallpa – EAP. Ingeniería Civil Se procedió con la carga del documento a la plataforma “Turnitin” y se realizó la verificación completa de las coincidencias resaltadas por el software dando por resultado 19 % de similitud sin encontrarse hallazgos relacionados a plagio. Se utilizaron los siguientes filtros: • Filtro de exclusión de bibliografía SI x NO • Filtro de exclusión de grupos de palabras menores SI x NO Nº de palabras excluidas (en caso de elegir “SI”): 15 • Exclusión de fuente por trabajo anterior del mismo estudiante SI x NO En consecuencia, se determina que el trabajo de investigación constituye un documento original al presentar similitud de otros autores (citas) por debajo del porcentaje establecido por la Universidad Continental. Recae toda responsabilidad del contenido del trabajo de investigación sobre el autor y asesor, en concordancia a los principios expresados en el Reglamento del Registro Nacional de Trabajos conducentes a Grados y Títulos – RENATI y en la normativa de la Universidad Continental. Atentamente, La firma del asesor obra en el archivo original (No se muestra en este documento por estar expuesto a publicación) iv AGRADECIMIENTO A nuestros padres, nuestro sincero y eterno agradecimiento, pues en todo momento nos brindaron su apoyo espiritual, moral y financiero. A la Universidad Continental, por acogernos y darnos la oportunidad de pertenecer a esta prestigiosa casa de estudios. A nuestro asesor: Ing. Juan José Bullón Rosas que estuvo con nosotros guiándonos en todo momento y apoyándonos para la culminación de la presente tesis. A nuestros amigos, por el apoyo brindado durante la elaboración de esta tesis. v DEDICATORIA A Dios por darme la fuerza y sabiduría necesaria para continuar con este proceso de obtener uno de los anhelos más deseados profesionalmente. A mis padres, por su apoyo incansable, por su sacrificio y por confiar siempre en mí en cada paso trascendental que doy en la vida. A todas las personas que me han apoyado y han hecho que el trabajo se realice con éxito en especial a aquellos que nos abrieron las puertas y compartieron sus conocimientos. Juan A Dios, por llevarme de la mano a cada paso y ser el artífice detrás de todos mis logros. A mis padres, por todo lo valioso que significan para mí, por su inconmensurable apoyo que me ha permitido llegar a cumplir hoy un sueño más. A mis hermanas, por acompañarme y alentarme a lo largo del camino. A mis amados abuelitos Ángel y Nilda que hoy aplauden mis logros desde el cielo. Tiarah A Dios, por permitirme llegar hasta este punto. A mis padres y hermanos por ser mi fortaleza en cada instante de mi vida. A Lizbeth, mi compañera de vida por brindarme su paciencia y su apoyo incondicional. Dante vi ÍNDICE DE CONTENIDO AGRADECIMIENTO ................................................................................................................... iv DEDICATORIA ............................................................................................................................. v ÍNDICE DE CONTENIDO ........................................................................................................... vi ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................... ix ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. xi RESUMEN ........................................................................................................................... xiv ABSTRACT ............................................................................................................................ xv INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... xvi CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO .................................................................. 18 1.1. Planteamiento y formulación del problema ............................................................................ 18 Planteamiento del problema ................................................................................................ 18 Formulación del problema .................................................................................................. 20 1.2. Objetivos................................................................................................................................ 20 Objetivo general.................................................................................................................. 20 Objetivos específicos .......................................................................................................... 21 1.3. Justificación de la investigación............................................................................................. 21 Justificación teórica ............................................................................................................ 21 Justificación económica ...................................................................................................... 21 Justificación metodológica .................................................................................................. 22 Justificación social .............................................................................................................. 22 Justificación ambiental........................................................................................................ 22 1.4. Alcance de la investigación ................................................................................................... 22 1.5. Limitaciones de la investigación ............................................................................................ 22 1.6. Delimitaciones de la investigación ......................................................................................... 23 1.7. Hipótesis ................................................................................................................................ 23 Hipótesis general ................................................................................................................ 23 Hipótesis específica ............................................................................................................ 23 1.8. Variables ................................................................................................................................ 23 Variable independiente ....................................................................................................... 23 Variable dependiente .......................................................................................................... 24 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 26 2.1. Antecedentes de la investigación ........................................................................................... 26 vii Antecedentes internacionales .............................................................................................. 26 Antecedentes nacionales ..................................................................................................... 30 2.2. Bases teóricas ........................................................................................................................ 31 Marco normativo ................................................................................................................ 31 Pavimentos.......................................................................................................................... 32 2.2.2.1. Estructura de un pavimento .............................................................................................. 33 Tipos de pavimentos ........................................................................................................... 34 Funciones del pavimento .................................................................................................... 35 Pavimento asfáltico ............................................................................................................. 36 2.2.5.1. Estructura del pavimento asfáltico ................................................................................... 36 2.2.5.2. Propiedades mecánicas .................................................................................................... 37 Mezcla asfáltica en caliente ................................................................................................ 40 Ceniza volante .................................................................................................................... 40 2.2.7.1. Características .................................................................................................................. 41 2.2.7.2. Propiedades ...................................................................................................................... 42 Fibra de carbono ................................................................................................................. 44 Metodología Marshall en mezclas asfálticas en caliente ..................................................... 47 Desempeño por humedad en mezcla asfáltica .................................................................... 62 2.3. Definición de términos básicos .............................................................................................. 70 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA .............................................................................................. 72 3.1. Tipo de investigación ............................................................................................................. 72 3.2. Enfoque................................................................................................................................. 72 3.3. Diseño de investigación ......................................................................................................... 72 3.4. Población y muestra ............................................................................................................... 73 3.4.1. Población ............................................................................................................................ 73 3.4.2. Muestra .............................................................................................................................. 73 3.5. Técnicas e instrumentos de recolección y análisis de datos ................................................... 74 3.6. Procedimiento ........................................................................................................................ 74 CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 77 4.1. Presentación de resultados .................................................................................................. 77 4.1.1. Diseño de la mezcla asfáltica en caliente ............................................................................ 77 4.1.1.1. Análisis granulométrico de agregados ............................................................................. 77 4.1.1.2. Prueba estándar para determinar densidad específica, absorción de materiales ............... 84 4.1.1.3. Ensayo de Marshall .......................................................................................................... 84 viii 4.1.2. Combinación de agregados y cemento asfáltico para los tratamientos ................................ 88 4.1.3. Fibra de carbono y la ceniza volante en la estabilidad de la MAC ...................................... 94 4.1.4. Fibra de carbono y la ceniza volante en el flujo de la MAC ................................................ 98 4.1.5. Fibra de carbono y la ceniza volante en el porcentaje de vacíos de la MAC ..................... 102 4.1.6. Fibra de carbono y la ceniza volante en la resistencia al daño por humedad de la MAC ........................................................................................................................ 104 4.1.7. Estimación de costos de mezclas asfálticas convencional y con adición de ceniza volante y fibra de carbono. ............................................................................................... 107 4.2. Prueba de hipótesis .............................................................................................................. 108 4.2.1. Fibra de carbono y la ceniza volante en la estabilidad de la MAC .................................... 108 4.2.2. Fibra de carbono y la ceniza volante en el flujo de la MAC .............................................. 110 4.2.3. Fibra de carbono y la ceniza volante en el porcentaje de vacíos de la MAC ..................... 112 4.2.4. Fibra de carbono y la ceniza volante en la resistencia al daño por humedad de la MAC ........................................................................................................................ 114 4.3. Discusión ............................................................................................................................. 116 4.3.1. Fibra de carbono y la ceniza volante en la estabilidad de la MAC .................................... 117 4.3.2. Fibra de carbono y la ceniza volante en el flujo de la MAC .............................................. 118 4.3.3. Fibra de carbono y la ceniza volante en el porcentaje de vacíos de la MAC ..................... 119 4.3.4. Fibra de carbono y ceniza volante en la resistencia al daño por humedad del pavimento flexible ............................................................................................................ 120 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 123 5.1. Conclusiones ........................................................................................................................ 123 5.2. Recomendaciones ................................................................................................................ 125 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................ 126 ANEXOS .......................................................................................................................... 129 ix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.Operacionalización de variables ................................................................................ 25 Tabla 2. Características de las cenizas volantes ....................................................................... 42 Tabla 3. Requisitos para mezclas asfálticas en caliente ............................................................ 52 Tabla 4. Selección del tipo de cemento asfáltico ..................................................................... 52 Tabla 5. Especificaciones del cemento asfáltico clasificado por viscosidad ............................... 53 Tabla 6. Especificaciones del cemento asfáltico clasificado por penetración ............................. 53 Tabla 7. Rangos de temperatura de aplicación °C ................................................................... 54 Tabla 8. Gradación para mezcla asfáltica en caliente MAC ..................................................... 55 Tabla 9. Distribución de elaboración de especímenes para ensayos de estabilidad flujo y TSR .................................................................................................................... 56 Tabla 10. Muestra el número de golpes requeridos según sea el tránsito ................................... 59 Tabla 11. Distribución de elaboración de especímenes para ensayo de TSR .............................. 64 Tabla 12. Distribución de elaboración de especímenes para ensayo de inmersión – compresión. ........................................................................................................... 67 Tabla 13. Diseño de la investigación ...................................................................................... 72 Tabla 14. Número de tratamientos según el diseño de mezcla .................................................. 73 Tabla 15. Requerimientos para agregado grueso ..................................................................... 74 Tabla 16. Requerimientos para agregado fino ......................................................................... 75 Tabla 17. Granulometría del agregado grueso 1/2 ................................................................... 77 Tabla 18. Granulometría del agregado grueso 3/8 ................................................................... 79 Tabla 19. Granulometría del agregado fino............................................................................. 80 Tabla 20. Granulometría de ceniza volante ............................................................................. 81 Tabla 21. Análisis granulométrico de los agregados ................................................................ 82 Tabla22. Análisis granulométrico (ASTM C136) .................................................................... 83 Tabla 22. Resultados del ensayo de prueba estándar................................................................ 84 Tabla 23. Resultados granulométricos de mezclas asfálticas en caliente (MAC) ........................ 88 Tabla 24. Proporciones del diseño de mezclas asfálticas en caliente (MAC) convencional y con adición de ceniza volante y fibra de carbono ............................... 92 Tabla 25. Resultados del ensayo estabilidad por cada tratamiento ............................................ 94 x Tabla 26. Resultados vacíos de aire con porcentajes de CA óptimos ........................................ 98 Tabla 27. Resultados vacíos en el agregado mineral - VMA .................................................. 102 Tabla 28.Resultados vacíos en la mezcla asfáltica en caliente ................................................ 103 Tabla 29. Resultados del ensayo TSR por cada tratamiento ................................................... 104 Tabla 30. Resumen de resultados de pruebas de laboratorio ................................................... 105 Tabla 31. Costos de los tratamientos. ................................................................................... 107 Tabla 32. Análisis de varianza en estabilidad: % cemento asfáltico y tratamientos .................. 109 Tabla 33. Prueba de Duncan: estabilidad de MAC en bloques ............................................... 109 Tabla 34. Prueba de Duncan: estabilidad de MAC en tratamientos ......................................... 110 Tabla 35. Análisis de varianza en el flujo: % cemento asfáltico y tratamientos........................ 111 Tabla 36. Prueba de Duncan: flujo de MAC en bloques ........................................................ 111 Tabla 37. Prueba de Duncan: flujo de MAC en tratamientos .................................................. 112 Tabla 38. Análisis de varianza en el % de vacíos: % cemento asfáltico y tratamientos ............. 113 Tabla 39. Prueba de Duncan: vacíos en la MAC en bloques .................................................. 113 Tabla 40. Prueba de Duncan: vacíos en la MAC en tratamientos ............................................ 114 Tabla 40. Estadística de regresión: resistencia al daño por humedad ...................................... 115 Tabla 41. Análisis de varianza: resistencia al daño por humedad ............................................ 116 xi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Estructura de un pavimento ........................................................................................... 33 Figura 2. Estructura de un pavimento flexible .............................................................................. 34 Figura 3. Estructura de un pavimento rígido ................................................................................. 34 Figura 4. Estructura de un pavimento compuesto ......................................................................... 35 Figura 5. Pavimento asfáltico convencional ................................................................................. 36 Figura 6. Probetas en el ensayo de tracción. ................................................................................. 39 Figura 7. Ceniza volante (MEB). .................................................................................................. 41 Figura 8. Ceniza volante proveniente de la central termoeléctrica de Ilo ...................................... 41 Figura 9. Proceso del carbón pulverizado ..................................................................................... 43 Figura 10. Central termoeléctrica de Ilo........................................................................................ 44 Tomada de Pajuelo et al. (2018) ................................................................................................... 44 Figura 11. Fibra de carbono de dimensiones 1. 5x 0.2 cm ............................................................ 44 Figura 12. Fibra de carbono .......................................................................................................... 45 Figura 13. Proceso de obtención de la fibra de carbono ................................................................ 47 Figura 14. Equipo Marshall .......................................................................................................... 49 Figura 15. Estabilidad y flujo........................................................................................................ 49 Figura 16. Esquema - Marshall para mezcla asfáltica convencional ............................................. 50 Figura 17. Esquema - Marshall para mezcla asfáltica adicionada con ceniza volante y fibra de carbono ............................................................................................................. 51 Figura 18. Carta de viscosidad - temperatura CA 85/100PEN ...................................................... 54 Figura 19. Separación de agregado grueso mediante tamizado ..................................................... 57 Figura 20. Preparación de mezcla asfáltica convencional ............................................................. 58 Figura 21. Preparación de mezcla asfáltica adicionada con ceniza volante y fibra de carbono ..... 58 Figura 22. Equipos empleados para la compactación de muestras ................................................ 59 Figura 23. Especímenes recién compactados ................................................................................ 60 Figura 24. Especímenes parafinados ............................................................................................. 60 Figura 25. Inmersión de especímenes en baño de agua a 60°C ..................................................... 61 Figura 26. Colocación de espécimen en el molde Marshall .......................................................... 62 Figura 27. Muestras ensayadas ..................................................................................................... 62 63 Figura 28. Cabezal Lottman para ensayos de TSR........................................................................ 63 Figura 29. Esquema de elaboración de especímenes para ensayo de TSR .................................... 65 xii Figura 30. Máquina de compresión empleada para ensayo de inmersión – compresión ............... 67 Figura 31. Esquema de elaboración de especímenes para ensayo de inmersión – compresión ..... 69 Figura 32. Flujograma de procedimiento ...................................................................................... 76 Figura 33. Curva granulométrica del agregado grueso 1/2 ............................................................ 78 Figura 34. Curva granulométrica del agregado grueso 3/8 ............................................................ 79 Figura 35. Curva granulométrica del agregado fino ...................................................................... 80 Figura 36. Curva granulométrica de ceniza volante ...................................................................... 82 Figura 37. Curva granulométrica de ceniza volante ...................................................................... 84 Figura 38. Estabilidad vs % contenido de asfalto.......................................................................... 85 Figura 39.Vacíos vs % contenido de asfalto ................................................................................. 85 Figura 40. Flujo vs % contenido de asfalto ................................................................................... 86 Figura 41. V.M.A. vs % contenido de asfalto ............................................................................... 86 Figura 42. Relación polvo / asfalto. vs % contenido de asfalto ..................................................... 87 Figura 43. V.F.A. vs % contenido de asfalto. ............................................................................... 87 Figura 44. Peso unitario vs % contenido de asfalto....................................................................... 88 Figura 45. Curva Granulométrica de T0 ....................................................................................... 89 Figura 46. Curva Granulométrica de T1 ....................................................................................... 89 Figura 47. Curva Granulométrica de T2 ....................................................................................... 90 Figura 48. Curva Granulométrica de T3 ....................................................................................... 90 Figura 49. Curva Granulométrica de T4 ....................................................................................... 90 Figura 50. Curva Granulométrica de T5 ....................................................................................... 91 Figura 51. Curva Granulométrica de T6 ....................................................................................... 91 Figura 52. Proporciones del diseño de mezclas asfálticas en caliente (MAC) convencional y con adición de ceniza volante y fibra de carbono. ...................................................... 93 Figura 53. Resultados del ensayo estabilidad con 4.5% de cemento asfáltico............................... 95 Figura 54. Resultados del ensayo estabilidad con 5.0% de cemento asfáltico............................... 95 Figura 55. Resultados del ensayo estabilidad con 5.5% de cemento asfáltico .............................. 96 Figura 56. Resultados del ensayo estabilidad con 6.0% de cemento asfáltico............................... 96 Figura 57. Resultados del ensayo estabilidad con 6.5% de cemento asfáltico............................... 97 Figura 58. Resultados del ensayo estabilidad para tratamientos y % de cemento asfáltico ........... 97 Figura 59. Resultados del flujo en MAC con 4.5% de cemento asfáltico ..................................... 99 Figura 60. Resultados del flujo en MAC con 5.0% de cemento asfáltico ..................................... 99 Figura 61. Resultados del ensayo Estabilidad con 5.5% de cemento asfáltico ............................ 100 Figura 62. Resultados del flujo en MAC con 6.0% de cemento asfáltico ................................... 100 xiii Figura 63. Resultados del flujo en MAC con 6.5% de cemento asfáltico ................................... 101 Figura 64. Resultados del ensayo de flujo en MAC según tratamientos y % de cemento asfáltico ......................................................................................................... 101 Figura 65. Resultados del vacíos en el agregado mineral - VMA ............................................... 103 Figura 66. Resultados del vacíos en la mezcla asfáltica en caliente ............................................ 104 Figura 67. Resultados del ensayo TSR por cada tratamiento ...................................................... 105 Figura 68. Resumen de estabilidad en la MAC según tratamientos ............................................ 106 Figura 69. Resumen de flujo en la MAC según tratamientos ...................................................... 106 Figura 70. Resumen de vacíos, Vfa, VMA en la MAC según tratamientos ................................ 107 Figura 71. Costos de los tratamientos convencional y experimental. .......................................... 108 xiv RESUMEN La presente investigación busca determinar la influencia de la adición de ceniza volante y fibra de carbono sobre las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica. La metodología que se utilizó fue del tipo aplicada, nivel explicativo, diseño cuasi experimental. Los diseños de mezcla propuestos fueron de 4.5 %, 5 %, 5.5 %, 6 % y 6.5 % de C.A. trabajando con una muestra censal de 168 briquetas, los agregados fueron obtenidos de la cantera “La Poderosa”. Se utilizaron en la presente investigación, incorporaciones de 0.75 % y 0.85 % de cenizas volantes y fibra de carbono de 0.3 %, 0.45 % y 1.5 %. Los resultados evidenciaron que, en cuanto a la adición de la ceniza volante y la fibra de carbono sobre la estabilidad - flujo se visualiza tendencias crecientes, demostrando que el sexto tratamiento (T6) de 0.85 % de ceniza volante y 1.50 % de fibra de carbono ofrece el valor más alto de estabilidad con 1 066.67 kg. Asimismo, los resultados obtenidos mediante el ensayo Lottman, para evaluar la resistencia al daño por humedad y en el que se emplearon los porcentajes de cemento asfáltico óptimo previamente obtenido con el ensayo Marshall, evidencian que los mejores resultados se dan en el quinto tratamiento (T5) de 0.85 % de ceniza volante y 0.45 % de fibra de carbono, dando un valor de 90.7 % de resistencia al daño por humedad. Se concluye que todos los diseños propuestos (T1, T2, T3, T4, T5, T6) cumplen con los límites establecidos según el manual de carreteras EG – 2013 MTC; y que, a medida que se incrementa el uso de ceniza volante y fibra de carbono, estos proporcionan mayor resistencia y durabilidad. En cuanto al costo de producción de la mezcla asfáltica que incluye ceniza volante y fibra de carbono, se registraron incrementos que varían desde el 56.25 % hasta el 240.69 % en comparación con el método convencional. Palabras clave: ceniza volante, fibra de carbono, mezcla asfáltica, propiedades mecánicas. xv ABSTRACT The present investigation establishes to determine the influence of the addition of fly ash and carbon fiber on the mechanical properties of the asphalt mix, the methodology used was of the applied type, explanatory level, and quasi-experimental design. The proposed mix designs were 4.5%, 5%, 5.5%, 5.5%, 6% and 6.5% of A.C. working with a census sample of 168 briquettes, the aggregates were obtained from "La Poderosa" quarry. Incorporations of 0.75% and 0.85% of fly ash and carbon fiber of 0.3%, 0.45% and 1.5% were used in this research. The results showed that, with respect to the addition of fly ash and carbon fiber on the stability - flow, increasing trends were observed, demonstrating that the second treatment (T6) of 0.85% fly ash and 1.50% carbon fiber offered the highest stability value with 1 066.67 kg. Likewise, the results obtained through the Lottman test, to evaluate the resistance to moisture damage, where the percentages of optimum asphalt cement previously obtained with the Marshall test were used, showing the best results with the fifth treatment (T5) of 0.85% fly ash and 0.45% carbon fiber, giving a value of 90.7% resistance to moisture damage. It is concluded that all the proposed designs (T1, T2, T3, T4, T5, T6) comply with the limits established according to the EG - 2013 MTC road manual; and that, as the use of fly ash and carbon fiber increases, they provide greater resistance and durability. Regarding the production cost of the asphalt mix that includes fly ash and carbon fiber, increases ranging from 56.25% to 240.69% were recorded compared to the conventional method. Keywords: fly ash, carbon fiber, asphalt mixture, mechanical properties. xvi INTRODUCCIÓN En el territorio nacional se han construido más de 15, 000 km de pavimento asfáltico según el reporte del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, pero por un mal diseño no superan la temporada de lluvias que se dan entre los meses de noviembre a febrero, provocando daños a la propiedad vehicular privada, que utiliza estos caminos y a la población de la zona afectada, al generar grandes grietas que solo perjudican su libre desplazamiento (1). Esta realidad, que se da también en los distritos alejados de la ciudad de Arequipa, motiva a indagar en el análisis de nuevos materiales que permitan mejorar la calidad y eficiencia del pavimento asfáltico, elevando su rendimiento ante la carga vehicular, su resistencia a los factores climáticos y aumentar su durabilidad. Además, para el criterio de construcción se debe considerar la propuesta de nuevas metodologías que se deben combinar con los factores económicos involucrados para tener un balance cuya amplitud trascienda en la utilidad de recursos que para un sector de la industria pueden ser considerados como desperdicios, pero que con otro fin puede ayudar a la reducción de impactos ambientales como es el caso de la ceniza volante (2). Entonces, para darle una solución a este problema local, se propone emplear asfaltos modificados en su composición con la adición de ceniza volante y fibra de carbono en la construcción de pavimentos asfálticos en caliente para la provincia de Arequipa, utilizando agregados de la cantera “La Poderosa”. Por lo tanto, la investigación se encuentra conformada por cinco capítulos para detallar la influencia de la adición de ceniza volante y fibras de carbono en las propiedades de mezclas asfálticas en caliente para provincia de Arequipa. En el primer capítulo se presenta el planteamiento del estudio en el que se describe la realidad problemática que generó la formulación del problema, los objetivos, las justificaciones, alcances, limitaciones, e hipótesis, del mismo modo también se adjunta la definición conceptual de las variables. En el capítulo dos se ubica el marco teórico que incluye los antecedentes de la investigación, bases teóricas y la definición de términos básicos. En el capítulo tres se presenta la metodología, que incluye el tipo, el enfoque, el diseño, población, muestra, técnicas e instrumentos de recolección de la información y el procedimiento de la investigación. En el cuarto capítulo se presentan los resultados y discusión, se plasman propiamente los resultados obtenidos, la prueba de hipótesis y la discusión de los resultados de acuerdo a los objetivos específicos formulados. En el quinto xvii capítulo se encuentran las conclusiones y recomendaciones. Para finalizar se adjuntan también las referencias bibliográfica y anexos donde se encuentran los certificados de laboratorio y el panel fotográfico que evidencia los ensayos realizados en el laboratorio. 18 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1. Planteamiento y formulación del problema Planteamiento del problema En términos globales, el tráfico cada vez más intenso y pesado, junto con factores climáticos extremos como las lluvias intensas y las altas temperaturas, plantean desafíos significativos para la durabilidad de los pavimentos asfálticos. Según datos estadísticos proporcionados por organizaciones como la Asociación Mundial de Carreteras (PIARC), se estima que una gran parte de las carreteras en todo el mundo están en condiciones deterioradas, lo que resulta en altos costos de mantenimiento y reparación. A lo largo de los años, a nivel mundial, se ha ido incrementando el flujo vehicular de tránsito diario hasta en un 40 % en los últimos cinco años, de los cuales 10 % pertenece a camiones de carga según el reporte del Instituto de Políticas para el transporte y Desarrollo de México, lo que evidencia un crecimiento económico y la posibilidad de lograrlo mediante el intercambio de comercio globalizado, que solo se puede lograr con adecuadas vías de comunicación terrestre, optimizando el comportamiento de los pavimentos para hacerlos resistentes no solo a la carga vehicular que soportan sino también a las condiciones climáticas de la zona, que deben ser tomadas en cuenta en el diseño y la construcción de las diferentes secciones estructurales de cada carretera. Como lo plantea Wulf (3), la construcción de caminos con pavimento asfáltico debe satisfacer las demandas de los usuarios, buscando constantemente la implementación de nuevas técnicas que permitan prolongar la vida útil de la carretera mediante la mejora de sus propiedades físicas para que sean más resistentes a las condiciones climáticas del lugar donde se desarrollen. 19 En América Latina, donde las condiciones climáticas pueden ser especialmente severas y los presupuestos de infraestructura pueden ser limitados, la necesidad de mejorar la durabilidad y la resistencia de los pavimentos asfálticos es aún más acuciante. Según informes de la Comisión Económica para América Latina y el Caribe (CEPAL), el mantenimiento deficiente de las carreteras puede afectar negativamente el crecimiento económico y el desarrollo regional. En nuestro país existen investigaciones previas de la incorporación de fibra de carbón al pavimento flexible, como el trabajo realizado por Apaza & Bravo titulado: “Diseño de pavimento flexible incorporando fibra de carbón a la mezcla asfáltica para el pavimento Tantamayo – Carpa Huánuco 2020” demostrando que con una adición de 10% de fibra de carbón mejora las propiedades de la mezcla asfáltica (4). En el contexto peruano, los pavimentos asfálticos también enfrentan desafíos similares. Según estadísticas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú, un porcentaje significativo de las carreteras del país están en condiciones deficientes, lo que afecta tanto a la seguridad vial como a la eficiencia del transporte de mercancías y personas. Para abordar estos desafíos, se han investigado y desarrollado diversos aditivos para mejorar las propiedades de las mezclas asfálticas en caliente. Entre estos aditivos se encuentran las cenizas y las fibras de carbono. Las cenizas, por ejemplo, pueden mejorar la resistencia a la fatiga y la deformación permanente de las mezclas asfálticas como se ha demostrado en estudios como el realizado por Kumar y Kumar (2019). Por otro lado, las fibras de carbono han demostrado su capacidad para mejorar la resistencia a la fisuración por fatiga. Además de los aditivos, la proporción adecuada de cemento asfáltico en la mezcla es crucial para garantizar su durabilidad y resistencia. Un estudio realizado por Garcias (5) encontró que una proporción incorrecta de cemento asfáltico puede conducir a una menor resistencia y mayor susceptibilidad a la deformación permanente. De esta forma, la realidad problemática de los pavimentos asfálticos a nivel mundial, latinoamericano y peruano requiere soluciones innovadoras, como el uso de aditivos y una atención cuidadosa a la proporción de cemento asfáltico en las mezclas. Estas medidas pueden ayudar a mejorar la durabilidad y la resistencia de los pavimentos, lo que a su vez contribuirá a la seguridad vial y al desarrollo económico. 20 La zona donde se busca realizar la intervención de mejora es la provincia de Arequipa. La cual presenta diversos distritos con una inadecuada superficie de rodadura, que provocan altos niveles del costo de transporte de productos y personas e inseguridad en el transporte de estos; a esto se suma que las obras de arte de la vía ocasionan lentitud en el transporte y presentan altos grados de polución durante su uso. Es por ello por lo que, se requiere la intervención en beneficio de los pobladores y otros beneficiarios indirectos como es el resto de la población del distrito como de Arequipa Metropolitana. Este proyecto se justifica al determinar que beneficio le otorga la adición de ceniza volante y fibra de carbono a las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica que se usará pavimento flexible que se construirá en los caminos del distrito de Arequipa. Formulación del problema • Problema general ¿De qué manera influye la fibra de carbono y la ceniza volante en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente para la provincia de Arequipa, 2022? • Problemas específicos a) ¿De qué manera influye la fibra de carbono y la ceniza volante en la estabilidad de la MAC? b) ¿De qué manera influye la fibra de carbono y la ceniza volante en el flujo de la MAC? c) ¿De qué manera influye la fibra de carbono y la ceniza volante en el porcentaje de vacíos de la MAC? d) ¿De qué manera influye la fibra de carbono y la ceniza volante en la resistencia al daño por humedad de la MAC? 1.2. Objetivos Objetivo general Determinar la influencia de la fibra de carbono y la ceniza volante en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente para la provincia de Arequipa, 2022 21 Objetivos específicos a) Determinar la influencia de la fibra de carbono y la ceniza volante en la estabilidad de la MAC. b) Determinar la influencia de la fibra de carbono y la ceniza volante en el flujo de la MAC. c) Determinar la influencia de la fibra de carbono y la ceniza volante en el porcentaje de vacíos de la MAC. d) Determinar la influencia de la fibra de carbono y la ceniza volante en la resistencia al daño por humedad de la MAC. 1.3. Justificación de la investigación Justificación teórica La investigación se justifica teóricamente debido a que estudios y artículos científicos previos han indicado que la adición de ceniza volante y fibra de carbono en la mezcla asfáltica puede mejorar las propiedades de resistencia y protección contra la humedad. Esto, a su vez, aumenta la estabilidad del material del pavimento y optimiza su desempeño mecánico frente a la deformación a la que se ve constantemente expuesto. Esta tesis busca dar continuidad a investigaciones anteriores que se centraron en la adición individual de ceniza volante y fibra de carbono en la mezcla asfáltica. En base a los resultados obtenidos en dichas investigaciones, se plantea la mejora de la mezcla asfáltica mediante la incorporación de ambos aditivos, utilizando los porcentajes recomendados en cada estudio mencionado en los antecedentes de la presente investigación. Justificación económica Esta investigación generará beneficios económicos al proporcionar información detallada sobre el costo de desarrollar una mezcla asfáltica en caliente con características específicas: agregados pétreos y asfalto convencional, y agregados pétreos con asfalto que incluye ceniza volante y fibra de carbono. De este modo, se podrá determinar con exactitud cuál es la mezcla asfáltica en caliente que se ajuste a los presupuestos de futuros proyectos de obras viales, así como establecer el costo preciso de una mezcla asfáltica con las características mencionadas. 22 Justificación metodológica Esta investigación se justifica metodológicamente, dado que la adición de ceniza volante y fibra de carbono mejora las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente. Para la presente investigación se elaboraron diferentes diseños de mezclas con diferentes porcentajes de adición de ambos compuestos como se menciona en la ficha de resultados, según lo establecido en la Norma MTC EG – 2013 para el diseño de las probetas, la norma AASTHO T283, MTC E-522 para los estándares de determinación de propiedades y lo dispuesto en el Manual de diseño geométrico de carreteras del MTC, considerando lo estipulado en la sección Tráfico proyectado y orografía con un IMD de 1299 vehículos por día, que se establece en las líneas de corte del MTC. Justificación social Esta investigación, se justifica socialmente, dado que mediante la adición de ceniza volante y fibra de carbono a la mezcla asfáltica se pretende mejorar la resistencia del pavimento a las condiciones pluviales, disminuir los altos grados de polución que tiene que soportar la población y disminuirá sus costos de transporte, brindando a los pobladores donde se aplique esta propuesta mayor seguridad y serviciabilidad de la vía. Justificación ambiental Esta investigación se justifica ambientalmente, dado que con la utilización de la ceniza volante se puede fomentar el reciclaje de este material permitiendo la reutilización, que es considerado como desecho por la industria que los genera dándole un nuevo uso. 1.4. Alcance de la investigación El alcance de la investigación se logra investigando, controlando, implementando y aplicando la propuesta de utilizar mezclas asfálticas en caliente adicionadas con ceniza volante y fibra de carbono, que permitirá mejorar las propiedades mecánicas de dicha mezcla ofreciendo mayor durabilidad, resistencia a las condiciones climáticas prolongando así su tiempo de vida. 1.5. Limitaciones de la investigación Las limitaciones que pueden existir para la aplicación son el tipo de cemento asfáltico, los agregados, las condiciones climáticas y el lugar donde se construirá el camino del pavimento asfáltico puede variar el porcentaje de adición de los materiales en el diseño propuesto. 23 1.6. Delimitaciones de la investigación • Delimitación espacial Los ensayos a la mezcla asfáltica con diferentes porcentajes de adición de ceniza volante y fibra de carbono se realizaron en los laboratorios de la empresa INGEOCONTROL S.A.C. de Lima. • Delimitación temporal La investigación se desarrolló en los meses de noviembre del 2021 a noviembre del 2022. • Delimitación del universo Las unidades de estudio están conformadas por 168 probetas de mezcla asfáltica con diferentes porcentajes de adición de ceniza volante y fibra de carbono. • Delimitación del contenido: Estas probetas serán sometidas a ensayos de resistencia Marshall y daño por humedad. 1.7. Hipótesis Hipótesis general La fibra de carbono y la ceniza volante influyen significativamente en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente para la provincia de Arequipa, 2022. Hipótesis específica a) La fibra de carbono y la ceniza volante influyen significativamente en la estabilidad de la MAC. b) La fibra de carbono y la ceniza volante influyen significativamente en el flujo de la MAC. c) La fibra de carbono y la ceniza volante influyen significativamente en el porcentaje de vacíos de la MAC. d) La fibra de carbono y la ceniza volante influyen significativamente en la resistencia al daño por humedad de la MAC. 1.8. Variables Variable independiente • Variable independiente 1: Fibra de carbono La fibra de carbono es un material categorizado como composites, que se caracteriza por 24 formarse al combinar dos o más elementos, siendo en conjunto más fuertes que de forma individual (6). • Variable independiente 2: Ceniza volante Las cenizas volantes son residuos resultantes de la combustión de carbón previamente pulverizado. Variable dependiente • Mezcla asfáltica En una mezcla asfáltica en caliente de pavimentación, el asfalto y el agregado son combinados en proporciones exactas. Las proporciones relativas de estos materiales determinan las propiedades físicas y eventualmente, el desempeño de esta como pavimento terminado (6). 25 Tabla 1.Operacionalización de variables Variables Definición conceptual Definición operacional Dimensiones Indicadores Unidad de medida Escala de medición Instrumentos Variable independiente 1: Fibra de carbono La fibra de carbono es un material categorizado como composites, que se caracteriza por formarse al combinar dos o más elementos, siendo en conjunto más fuertes que de forma individual (6) La variable de fibra de carbono se operacionaliza con la adición a la mezcla asfáltica en caliente en las proporciones de 0.30%; 0.45% y 1.50% % de adición de fibra de carbono 0.30% gr Razón Ficha de registro de datos 0.45% gr Razón 1.50% gr Razón Variable independiente 2: Ceniza volante Las cenizas volantes son residuos resultantes de la combustión de carbón previamente pulverizado (8) La variable de ceniza volante operacionaliza con la adición a la mezcla asfáltica en caliente en las proporciones de 0.75% y 0.85% % de adición de ceniza de volante 0.75% gr Razón Ficha de registro de datos 0.85% gr Razón Variable dependiente: Propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente En una mezcla asfáltica en caliente de pavimentación, el asfalto y el agregado son combinados en proporciones exactas. Las proporciones relativas de estos materiales determinan las propiedades físicas y eventualmente, el desempeño de esta como pavimento terminado. La variable de propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica en caliente se operacionaliza con el diseño de mezcla para obtener el óptimo contenido de asfalto y la posterior adición de fibra de carbono y ceniza volante, para el cual se evalúa la propiedad de estabilidad, flujo y resistencia al daño por humedad Estabilidad Estabilidad de Marshall Lb Razón Ficha de registro de datos de ensayos en laboratorio Flujo Flujo de Marshall 1/100plg Razón % vacíos Porcentaje de vacíos % Razón Resistencia al daño por humedad Ensayo TSR kg/cm2 Razón 26 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes de la investigación Antecedentes internacionales ✓ Mussa et al. (2020) realizaron una investigación que lleva como título: «Carbon Fiber- Reinforced Asphalt Concrete: An Investigation of Some Electrical and Mechanical Properties». El objetivo de esta investigación fue evaluar los efectos de la incorporación de fibras de carbono en las mezclas de concreto asfáltico denso en las propiedades mecánicas y eléctricas del material, con el fin de mejorar su conductividad eléctrica y propiedades mecánicas. Además, se buscó determinar la dosis óptima de fibras de carbono para lograr la conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas deseadas. En esta investigación, se llevó a cabo una revisión de estudios previos sobre la mejora de las propiedades mecánicas del concreto asfáltico mediante la incorporación de fibras. Luego, se prepararon quince especímenes para determinar la dosis óptima de fibras de carbono para lograr la conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas deseadas. Se utilizó un dispositivo de medición de resistencia eléctrica para medir la conductividad eléctrica de las muestras reforzadas con fibras de carbono. Se determinó que la dosis óptima de fibras de carbono para lograr la conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas deseadas fue del 1,5 % en volumen de mezcla. Además, se observó que la resistencia a la tracción indirecta se mejoró ligeramente con la adición de fibras de carbono hasta el 1,5 % en volumen de mezcla, pero disminuyó a medida que se aumentaba la cantidad de fibras de carbono. La estabilidad y el flujo del concreto asfáltico también se mejoraron significativamente con la adición de fibras de carbono. La conclusión de esta investigación es que la adición de fibras de carbono hasta el 1.5 % de la mezcla de concreto asfáltico denso mejora significativamente la conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas del material (9). 27 ✓ Huda y Mohammed 2020) realizaron una investigación que lleva como título: «Assessment of Moisture Susceptibility for Asphalt Mixtures Modified by Carbon Fibers». El objetivo de esta investigación fue evaluar los efectos de la adición de fibras de carbono en las propiedades mecánicas y físicas de las mezclas asfálticas. En esta investigación, se realizó una prueba Marshall para determinar el contenido óptimo de asfalto para diferentes grupos de mezclas. Agregaron fibras de carbono a la mezcla asfáltica en tres porcentajes (0,10; 0,20 y 0,30) % en peso de la mezcla asfáltica con tres longitudes de fibra (1,0; 2,0 y 3,0) cm distribuidos durante la mezcla. Los resultados mostraron que la estabilidad de las mezclas que contenían fibras fue mayor que la estabilidad de las mezclas de control. Los valores de flujo fueron inferiores a la mezcla control para longitud de fibra (1.0cm y 2.0 cm) para mezclas que contenían (0.10, 0.20 y 0.30) % en peso de mezcla asfáltica. La relación de resistencia a la tracción (TSR) se utilizó para predecir la sensibilidad a la humedad de las mezclas. El I.T.S. seco los valores de las mezclas que contenían fibras fueron más altos que las mezclas de control. Los valores de I.T.S. fueron más altos para 2,0 cm que (1,0 y 3,0 cm) de largo. Un aumento en el contenido de fibra y la longitud en la mezcla siguió a un aumento en el (V.A) debido a la disminución de la densidad aparente. El estudio concluyó que el efecto de la longitud de la fibra sobre la resistencia es significativamente grande, de modo que el efecto combinado del contenido de fibra y la longitud de la fibra conduce a solo un ligero aumento en la resistencia (10). ✓ Zhang et al. (2021) realizaron un artículo titulado: «Performance evaluation of porous asphalt mixture enhanced with high dosages of cured carbon fiber composite materials». El propósito de esta investigación es evaluar el desempeño y determinar la dosis óptima de mezclas de asfalto poroso reforzadas con materiales compuestos de fibra de carbono curada (CCFCMs). Se diseñaron dos mezclas asfálticas porosas (PA) con diferentes contenidos de aglutinante y tres mezclas de PA con diferentes dosis de CCFCMs procesados. Se evaluaron las mezclas en términos de permeabilidad, resistencia y durabilidad sometidas a envejecimiento térmico y acondicionamiento de congelación y descongelación. También se realizaron pruebas de abrasión Cantabro, susceptibilidad a la humedad y resistencia a la fisuración. Los resultados indicaron que, los CCFCM en forma de fibra ayudaron a estabilizar el ligante asfáltico durante la producción y facilitaron la infiltración de agua, y las mayores adiciones de CCFCM mejoraron la ductilidad y la resistencia al agrietamiento, pero redujeron la resistencia a la tracción indirecta. Concluyendo que, la adición de dosis altas (0.30% y 0.45%) de materiales compuestos de fibra de carbono curada (CCFCMs) procesados en mezclas de asfalto poroso (PA) mejora la durabilidad, ductilidad y resistencia a la fisuración de las mezclas de PA, pero por lo contrario reducen la resistencia a la abrasión, la resistencia a la tracción indirecta y la resistencia a la deformación por calor (11). 28 ✓ Khan, M (2016) realizó una investigación titulada: «A CBR based study evaluating sub grade strength of flexible pavements having fly ash interfaces». Este estudio tuvo como propósito utilizar mezclas de diversas proporciones de suelo y cenizas volantes a fin de establecer la disposición óptima de este material y su incidencia en la estabilización del medio de apoyo, en base a la relación CBR. Para fines de investigación, se analizaron 18 muestras de proporciones diferentes de suelo y cenizas volantes, en tres conjuntos de interfaces (N= 2, 4 y 6). Se encontró que la relación del suelo y cenizas volantes de 1:2,5, y número 4 de interfaces, brinda un valor óptimo en relación al CBR. Además, se determinó que al realizar una mezcla con 73 % de cenizas volantes y 27 % de suelo se alcanza una estabilidad óptima de la subrasante de pavimentos flexibles. En base a los resultados obtenidos, se concluyó que, al sustituir el valor de relación del suelo y cenizas volantes, mediante un número de interfaces, se optimizar el valor CBR del pavimento flexible, por lo que se pudo afirmar que las cenizas volantes son un material efectivo para la construcción de pavimentos flexibles por sus propiedades mecánicas y físicas (12). ✓ Ramos & Iillidge (2017) en su tesis titulada: «Análisis de la modificación de un suelo altamente plástico con cascarilla de arroz y ceniza volante para subrasante de un pavimento» tuvo como objetivo analizar la modificación de un suelo altamente plástico con ceniza de volante para su función como subrasante de un pavimento. Este estudio utilizó arcillas de alta plasticidad (A-7-6 IG=248), que fueron modificadas mediante la aplicación de porcentajes al 10 %, 20 % y 30 % de ceniza volante A6C30, a los cuales también se añadió 6 % de cascarilla de arroz para afianzar las propiedades físicas y mecánicas del pavimento. Cabe señalar que los ensayos se realizaron bajo las normas Invías 2013, y las pruebas se enfocaron en determinar la humedad, granulometría (vía seca e hidrómetro), tamaño de partículas del suelo, gravedad, relación humedad-masa unitaria en seco, comprensión inconfinada, relación de soporte. Luego de determinar el comportamiento de la arcilla, y realizar los ensayos respectivos, además se observó un mejor índice de plasticidad (21,4 9%), al aplicar 30% de ceniza volante, a su vez, los valores de resistencia, cohesión y ángulos de fricción se optimizaron, alcanzando valores de 68 KPa, 26,49 KPa y 5.68°, respectivamente; asimismo, la reformación del suelo se redujo a un 1,36 %. A partir de los resultados obtenidos, se concluyó que la adicción de 6 % de cascarillas de arroz y 30 % de ceniza volante que resulta favorable para mejorar las características químicas, físicas, dinámicas y mecánicas de la subrasante del pavimento, ya que se obtuvo una mejora general del 58% a partir de esta (13). ✓ Mishra & Gupta (2017), en su investigación titulada: «Use of fly plastic waste composite in bituminous concrete mixes of flexible pavement», tuvieron como objetivo utilizar cenizas 29 volantes y materiales plásticos para combinarse con mezclas de hormigón para pavimentos flexibles. Se prepararon mezclas con 0.8 % de plástico y contenido óptimo de betún por peso de mezcla, el cual estuvo constituido por 5.2 % de ceniza volante y 5.3 % de plástico de cenizas volantes, para luego aplicar pruebas como resistencia a la tracción directa (TSR) e indirecta (ITS), resiliencia a temperaturas variadas y resistencia a la deformación por peso. Se encontró que el TSR de BC-Y fue 10 % más alto, a comparación del BC-X, además de demostrar un índice más alto de recuperación a temperaturas de 35°C y 45°C, y que el índice de profundidad del surco fue de 15,85 % menor a la mezcla BC-X. A partir de los resultados obtenidos, se concluyó que adicionar cenizas volantes y materiales plásticos como sustituto de relleno convencional resulta eficaz para el hormigón bituminoso de construcción de pavimente flexible, ya que brinda resistencia y soporte al producto final (14). ✓ Zamora & Jiménez (2020) presentaron una tesis titulada: «Diseño de pavimento flexible sobre suelos expansivos estabilizados usando ceniza volante y polvo de ladrillo». Esta investigación tuvo como objetivo realizar el diseño de un pavimento flexible sobre un suelo contracto expansivo estabilizado con ceniza volante y polvo de ladrillo y se utilizó la metodología AASHTO para determinar las situaciones y variables que orientan el diseño eficaz de pavimento flexible. Se encontró que al mezclar suelos expansivos con polvos de ladrillo se logra una estabilidad al 60 % del pavimento flexible, ya que el aditivo contiene propiedades químicas y físicas que aportan satisfactoriamente a la estabilidad de la construcción. Mientras que, al añadir 50 % de ceniza volante, la resistencia a compresión se reduce hasta alrededor del 33 % de la resistencia inicial del suelo. Se concluyó que el polvo de ladrillo y la ceniza volante actúan eficientemente en la construcción de pavimento flexible, ya que brinda soporte estructural sin comprometer la durabilidad de la estructura, además de ser ambos materiales alternativos que afianzan el compromiso de la sociedad hacia la sostenibilidad (15). ✓ Alfalah et al. (2021) presentaron un artículo titulado: «Evaluating the impact of fiber type and dosage rate on laboratory performance of Fiber-Reinforced asphalt mixtures». El propósito de este artículo fue “evaluar el impacto de los tipos de fibra, el contenido de aglutinante, y sus tasas de dosificación sobre las propiedades volumétricas y desempeño en laboratorio de las mezclas asfálticas” (p. 4). Respecto al procedimiento metodológico, se emplearon 3 tipos de fibras (basalto, de vidrio y carbono), en porcentajes del 0.15% y 0.30% del total de la mezcla; evaluados mediante la prueba de agrietamiento de asfalto por tracción indirecta (IDEAL-CT) y Analizador de pavimento de asfalto (APA). Los resultados indicaron que, en los diseños con adición de 0.30% solo las mezclas con adición de fibra de carbono mostraron mejor rendimiento al agrietamiento sin necesidad de incremento de 30 aglutinante. Concluyendo que, el adicionar fibra de carbono a los diseños de mezclas asfálticas en caliente, mejora su resistencia al agrietamiento (16). Antecedentes nacionales ✓ Peña (2019), para obtener el título profesional de Ingeniero Civil, sustentó en la Universidad Ricardo Palma una tesis titulada: «Desempeño mecánico de la mezcla asfáltica en caliente incorporando cenizas volantes provenientes de la termoeléctrica de Ilo». Esta investigación tuvo como objetivo “determinar el porcentaje óptimo de incorporación de cenizas volantes provenientes de la termoeléctrica Ilo que incrementa el desempeño mecánico de la mezcla asfáltica en caliente” (p.5). A nivel metodológico, este estudio fue de tipo aplicado y de enfoque cuantitativo, se aplicó el método Marshall, al cual se agregó (0.25 %, 0.35 %, 0.50 %, 0.7 5%, 0.85 % y 1.0 %) de dosificación de ceniza volante y ensayos de flujo, estabilidad y porcentajes de vacíos, en los porcentajes señalados. La investigación actual encontró que el contenido ideal de asfalto era del 6.0 % de acuerdo con el ensayo Marshall, lo que resultó en la construcción de 96 briquetas en general. Los valores de estabilidad del flujo aumentan para las incorporaciones de cenizas volantes del 0.75 % y 0.85 %, con un flujo de alrededor de 3853 kg/cm y el 1.0 % alcanza 3892 kg/cm. El ensayo de TSR alcanza un 86,5 % con una incorporación del 0.75% de cenizas volantes en comparación con el 80.6 % inicial. La tesis concluyó que el uso de cenizas volantes en incorporaciones de porcentajes por debajo del 0.75 % garantizaría un mejor desempeño mecánico en contra del daño por deformación permanente (17). ✓ Altamirano (2020) presentó una tesis titulada: «Evaluación de la mezcla asfáltica 60-70 incorporando cenizas volcánicas y plástico PET para disminuir el envejecimiento pavimento flexible, San Martín de Porres-2019». Esta investigación tuvo como objetivo “evaluar cómo las propiedades mecánicas de envejecimiento del pavimento flexible mejora con la incorporación de cenizas volantes y plásticos PET”. A nivel metodológico, este estudio fue de tipo aplicado, correlacional y enfoque cuasi experimental, y se aplicó el método Marshall, haciendo uso de probetas de 4 pulgadas de diámetro y 2.5 pulgadas de espesor, a fin de determinar el nivel de resistencia y deformación de la mezcla asfáltica a partir de la incorporación de cenizas volantes. Se encontró que, al agregar 0.78 % de ceniza volante a la mezcla, se incrementa la relación entre estabilidad vs flujo, alcanzando valores de 95 %. En este marco, se concluyó que, a partir de la adición de cenizas volantes y PET en el pavimento flexible, se optimiza las propiedades mecánicas de este, puesto que mejora la relación entre la estabilidad y flujo (18). 31 ✓ Apaza & Bravo (2020) presentó una tesis titulada: «Diseño de pavimento flexible incorporando fibra de carbón a la mezcla asfáltica para el pavimento Tantamayo-Carpa Huánuco 2020». Este estudio tuvo como objetivo principal realizar el diseño de pavimento flexible adicionando fibra de carbón a la mezcla asfáltica en caliente (p. 13). A fin de obtener datos de análisis, se realizaron ensayos de acuerdo al M.C.EG-2013, además de ensayos como el método Marshall, al cual se agregó 5 %, 10 % 15 %, 20 %, 25 % y 30 % de dosificación de fibra de carbón y ensayos de flujo, estabilidad y porcentajes de vacíos, en los porcentajes señalados. Se encontró que 10 % de agregado de fibra de carbono en las mezclas de asfalto contribuye satisfactoriamente los requisitos de diseño y estabilidad del pavimento. La tesis concluyó que la aplicar fibra de carbono a la mezcla asfáltica en caliente potencia las propiedades del material, representando un área de estudio con potencial a futuro (4). ✓ Chacón & De la Cruz (2020) presentaron una tesis titulada: «Incorporación de cenizas volantes en la subrasante para pavimento flexible Yaurilla-Los Aquijes-Ica, 2020». El objetivo de este estudio fue determinar que la incorporación de las cenizas volantes mejora las propiedades de la subrasante del pavimento flexible tramo Yaurilla-Aquijes-Ica, 2020. Esta investigación fue de tipo aplicada y diseño no experimental, y se utilizó como técnicas de recolección de datos el estudio de tráfico y estudio de suelos. Respecto al procedimiento, se adicionaron dosificaciones de 5 %, 10 % y 15 % de cenizas de volantes, a fin de que este pueda servir como estabilizante para el pavimento. En este marco, para determinar su nivel de influencia, se realizaron estudios, ensayos de granulometría, límites de Atterberg, CR y Proctor Estándar. Se encontró que, como agente estabilizar, las propiedades de las cenizas volantes resultan negativas, mientras que, en cuanto a los índices de CBR, este material aumenta su valor hasta un 40 %. A partir de ello, se concluyó que la adición de ceniza volante optimiza las propiedades del pavimento, fundamentalmente por sus propiedades mecánicas (19). 2.2. Bases teóricas Marco normativo Todos los ensayos requeridos en la investigación se realizaron de acuerdo con las especificaciones técnicas de construcción de pavimentos con mezcla asfáltica en caliente establecidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones, los cuales se detallan a continuación: • Norma ASTM 128 - 15 “Método de ensayo para el peso específico y absorción del agregado fino” 32 Esta especificación técnica describe los procedimientos para determinar el peso específico y absorción del agregado fino en el diseño de mezclas asfálticas en caliente. • Norma ASTM C127 - 15 “Método de ensayo para la densidad relativa y la absorción de agregados gruesos” Esta norma técnica describe los procedimientos para calcular la densidad relativa (gravedad específica) y la absorción de los agregados gruesos en el diseño de mezclas asfálticas en caliente. • Norma ASTM D854 “Método de prueba estándar para la gravedad específica de los sólidos” Esta norma técnica describe los métodos para determinar la gravedad específica de los sólidos en el diseño de mezclas en caliente. • Norma ASTM C136 “Método de ensayo para el análisis por tamizado de agregados finos y grueso” Esta norma técnica describe el procedimiento para separar las partículas de diferentes tamaños a través de un sistema de tamices, el cual permitirá determinar la graduación de los agregados finos y gruesos y así conocer las cantidades en peso de cada tamaño que aporta el peso total de las mezclas asfálticas en caliente. ● Norma ASTM D1559 “Diseño de mezclas asfálticas en caliente – método Marshall “ Esta norma técnica describe el procedimiento que debe llevarse a cabo para la determinación de la resistencia a la deformación plástica de mezclas asfálticas para pavimentación, lo cual consiste en moldear briquetas con la mezcla de agregados y asfalto en caliente con diferentes porcentajes de asfalto y posteriormente se las moldea una vez que el asfalto y los agregados cumplan con los parámetros establecidos de una mezcla asfáltica en caliente. ● Norma ASTM D2041 “Método de ensayo para la gravedad específica teórica máxima de mezclas asfálticas en caliente” Esta norma técnica describe el procedimiento para determinar la gravedad específica teórica máxima en mezclas asfálticas en caliente. Pavimentos Un pavimento se define como el conjunto de espesores finitos superpuestos de manera horizontal, compuesta de distintos materiales seleccionados y adecuadamente compactados, construido para soportar las cargas impuestas por el tráfico de vehículos y por las condiciones ambientales (20). 33 2.2.2.1. Estructura de un pavimento Rondón y otros (20), sostienen que las capas que conforman la estructura de un pavimento son 4, las cuales se detallan a continuación: • Superficie de rodadura Es la capa más superficial que tiene como función principal proteger la subrasante y a toda la estructura del pavimento, impermeabilizándola de contaminantes, evitando de esta manera la filtración de fluidos y brindando resistencia a los esfuerzos que producen las cargas vehiculares. • Base Se encuentra debajo de la superficie de rodadura, recibe los esfuerzas de esta capa y tiene la función de transmitir estas cargas a las capas inferiores. Dicha base puede estar conformada por material granular que puede ser tratado con asfalto, cal o cemento. • Subbase Esta capa actúa como un separador entre la base y la subrasante, desempeñando una función económica, debido a que los materiales que la conforman no son de alta calidad y sus funciones se centran en transmitir los esfuerzos a la subrasante y evitar que sus finos se contaminen. Dicha subbase está conformada por material granular que puede o no ser tratada con asfalto, cal o cemento. • Subrasante Es la superficie encargada de la estabilidad del pavimento, lo cual interviene en el diseño de los espesores del pavimento y aún en condiciones severas de humedad debe proporcionar apoyo uniforme y permanente, lo cual debe estar conformado por un 95% de materiales compactables. Figura 1. Estructura de un pavimento Tomada de Rendon y otros 34 Tipos de pavimentos La clasificación de los tipos de pavimentos se realiza de acuerdo con la norma establecida para pavimentos y se divide en tres tipos: 1. Pavimento flexible Este tipo de pavimento también es conocido como pavimento asfáltico y se está compuesto por dos capas granulares (base y subrasante) y una capa de rodadura denominada carpeta bituminosa compuesto de aglomerantes, agregados y aditivos de ser necesario, el cual está dirigida a soportar el tránsito estándar de los vehículos y los efectos del clima, ante un caso de lluvias y radiaciones ultravioletas, así como también los efectos causados por la incidencia del calor (21). Figura 2. Estructura de un pavimento flexible Tomada de Miranda, R. (2010) 2. Pavimentos rígidos Figura 3. Estructura de un pavimento rígido Tomada de Miranda, R. (2010) 35 Este tipo de pavimento está compuesto por una losa de concreto hidráulico, la base y una capa de subrasante que puede ser de arena, piedra chancada o una mezcla de los dos anteriores agregados con agua, lo cual sirve como capa rodadura y como componente principal de los pavimentos cuyo costo inicial es más elevado que el pavimento flexible, dado que su periodo de vida varía entre 20 a 40 años. 3. Pavimentos compuestos Este tipo de pavimentos también son conocidos como pavimentos híbridos y resultan de la combinación de un pavimento flexible con un pavimento rígido. Este tipo de pavimento es diseñado de tal manera que la capa de rodadura flexible esté sujeta en una losa de concreto, caso contrario una losa de concreto apoyada sobre una capa asfáltica, lo cual presentan una gran resistencia al desgaste lo que genera una reducción en la velocidad de los vehículos que transitan sobre dicho pavimento (20). Figura 4. Estructura de un pavimento compuesto Tomada de Méndez, A. (2015) Funciones del pavimento Las principales funciones que tiene que cumplir un pavimento se agrupa en base a 3 perspectivas que son detalladas a continuación: • Usuario ✓ Circulación segura, cómoda y confortable sin demoras excesivas ✓ Reducir el costo de operación vehicular, tiempo de viaje y los accidentes ✓ Adecuada regularidad, textura y suficiente resistencia a la fricción ✓ Brindar acceso en cualquier condición de clima • Estructura ✓ Reducir y distribuir la carga de tráfico para que esta no dañe la subrasante y/o el suelo ✓ Resistencia al tráfico y clima 36 ✓ Impermeabilizar la estructura y/o mejorar el drenaje • Medioambiente ✓ Limitar el ruido y la contaminación del aire ✓ Durabilidad adecuada para que no se deteriore antes de tiempo a causa de las condiciones ambientales ✓ Armonizar con los aspectos estéticos del entorno, en especial en zonas urbanas y zonas protegidas Pavimento asfáltico El pavimento asfáltico es un conjunto de agregados que forman una mezcla de color negro o pardo oscuro que se utiliza generalmente en la pavimentación de carreteras, el cual está constituido en un 90% de agregado grueso y fino, en un 5% de polvo mineral o filler y en un 5% de cemento asfáltico. Por otro lado, este tipo de pavimento se compone también básicamente de áridos, tratados generalmente con cal, cemento, portland, asfalto, entre otros (22). Figura 5. Pavimento asfáltico convencional Tomada de Preciado & Sierra. (2013) 2.2.5.1. Estructura del pavimento asfáltico La estructura de un pavimento asfáltico se compone de 4 capas, las cuales se detallan a continuación: ● Carpeta asfáltica Esta capa también es denominada capa de revestimiento asfáltico y están compuesta por una mezcla de agregados y materiales bituminosos que generalmente son construidas sobre una capa de base. Dicha capa está diseñada para resistir a las acciones del tráfico (23). 37 ● Base Esta capa cumple la función básica de reducir la tensión vertical generada por las cargas por eje que soporta el pavimento, tanto sobre la subbase como el suelo, adicionalmente, la base reduce la deformación de tracción provocada por las cargas por eje que soporta la capa de rodadura. Finalmente, cabe resaltar que la base es la capa que permite que el agua infiltrada en el pavimento drene (24). ● Subbase Esencialmente, la subbase cuenta con tres funciones específicas: se constituye como una base de transición, ya que evita que los materiales del subsuelo penetren en la estructura del pavimento, además de aminorar el nivel de deformación generada por los cambios de temperatura y humedad, y ser una capa de resistencia, ya que soporta la tensión de carga generada por las cargas soportadas por el pavimento, transmitiendo esta tensión de manera equitativa sobre cada capa. (24) ● Subrasante Esa capa, generalmente, se conforma por terreno natural, por lo que algunos autores no la consideran como parte de la estructura del pavimento. No obstante, se debe considerar esta capa al diseñar el pavimento flexible puesto que brinda soporte directo al resto de capas del pavimento, siendo su función principal resistir la carga soportada por el pavimento, y que es transmitida por el resto de las capas. 2.2.5.2. Propiedades mecánicas ● Plasticidad La plasticidad es una propiedad que permite que un material soporte las cargas a las que se ve expuesto, sin que se produzcan deformaciones, rebote elástico, variación volumétrica, o incluso llegue a agrietarse o desmoronarse producto de las cargas que debe soportar. En este marco, para determinar el índice de plasticidad de un suelo se debe establecer la diferencia entre el límite líquido y plástico de forma numérica. De acuerdo con el Ministerio de Transportes y Comunicaciones (2014), la plasticidad es una capacidad que dependen, fundamentalmente, de la presencia de minerales en el material, y esta se puede medir a partir de los límites de Atterberg. ● Resistencia de materiales Característica que determina la catalogación de un material granular para que sea 38 utilizado como base granular, siendo esta la capa que proporciona resistencia a la acción de cargas y transmite la intensidad de estas a todas las partes del pavimento. Entonces, el material a utilizar debe contener propiedades que brinden una buena resistencia en base a su composición de partícula (25). ● Rigidez de materiales La rigidez del material, es decir, su capacidad de resistencia ante el desgaste es una propiedad indispensable para favorecer el comportamiento del pavimento flexible (soporte), por lo que se debe evaluar su porosidad, forma de las partículas y fracturamiento para establecer un comportamiento adecuado de rigidez (25). ● Daño por humedad El daño prematuro de los pavimentos asfálticos se atribuye a la presencia de agua en la mezcla asfáltica. La manifestación más común del deterioro causado por la presencia del agua al interior de una mezcla en pavimentos flexibles se conoce como “stripping” o “pérdida del recubrimiento” del asfalto de la superficie de los agregados. El segundo tipo de manifestación más común consiste en el desprendimiento progresivo de los agregados de la superficie de la mezcla causado por el paso de las llantas de los vehículos sobre el material asfáltico o "raveling". Estos dos tipos de manifestaciones de daño tienen en común la pérdida de las propiedades de adhesión en la interface agregado-cemento asfáltico (26). ● Ensayo de Marshall El ensayo Marshall es un método realizado en laboratorio y que permite diseñar mezclas asfálticas con condiciones efectivas para la pavimentación, por lo que, mediante este ensayo, se puede “determinar el contenido de betún apropiado para una combinación particular de agregados” (4). De acuerdo con Ugarte (2019), el ensayo Marshall se constituye por tres tipos de procedimientos: ✓ Determinación del peso específico total Este indicador se determina inmediatamente después de que las probetas se enfríen a temperatura ambiente. La importancia de este proceso se enmarca en que su medición permite analizar con precisión la densidad-vacíos de la mezcla. ✓ Medición de estabilidad y fluencia Marshall Este ensayo se orienta a determinar la resistencia que tiene la mezcla ante la 39 deformación. Entonces, el análisis de fluencia se centra en medir la deformación, bajo carga, que sucede en la mezcla. En este marco, aquellas mezclas con valores de estabilidad altos de estabilidad, y bajos de fluencia, se considera que son rígidas y frágiles; mientras que, aquellas con alto valor de fluencia, se caracterizan por su plasticidad. ✓ Análisis de densidad y contenido de vacíos de probetas Último procedimiento realizado para cada serie de probetas de prueba, con el objetivo de determinar el porcentaje de vacíos en la mezcla compacta. Se entiende como vacío aquellas bolsas pequeñas de aire encontradas entre las partículas de agregado que conforman el revestimiento asfaltado. ● Ensayo de tracción Este tipo de ensayo es utilizado con la finalidad de determinar las propiedades mecánicas de los materiales utilizados para diseñar la mezcla de pavimentación, centrándose en factores como deformación y resistencia. Adicionalmente, mediante este ensayo se puede determinar la deformación unitaria de rotura, tenacidad, módulo de rigidez y tensión máxima. En esencia, el ensayo de tracción “consiste en someter una probeta cilíndrica a tracción directa”; por lo que, al igual que en el método Marshall, se preparan probetas de mezclas bituminosas (27). Figura 6. Probetas en el ensayo de tracción. Tomada de Garrote (27) ● Tensión indirecta (TSR) Según Garrote (27), el ensayo TSR permite medir la resistencia de una mezcla asfáltica 40 compacta ante el daño inducido por humedad. Al realizar este método se debe considerar que se mide los especímenes acondicionados como no acondicionados, en base a la siguiente fórmula: 𝑇𝑆𝑅 = 𝑆𝑡𝑎 𝑆𝑡 × 100 Donde: TSR: Relación de resistencia a la tensión indirecta. Sta: Resistencia promedio de la tensión indirecta (subconjunto acondicionado). St: Resistencia promedio de la tensión indirecta (subconjunto no acondicionado). Mezcla asfáltica en caliente Lo que caracteriza la mezcla asfáltica en caliente es que tanto los agregados pétreos como el ligante asfáltico deben calentarse previo al mezclado a un rango de temperatura de 130ºC y 160ºC. Los agregados tanto fino como grueso componen un 93 al 97% de la mezcla asfáltica y un 3 a 7% está compuesto por el ligante asfáltico del total de la mezcla. Su granulometría es densa, por lo cual posee un índice vacío menor al 6%. La preparación en planta consta de la combinación, calentado y secado de los agregados, para su posterior adición en la mezcla asfáltica en caliente en proporciones adecuadas (28). Ceniza volante Las cenizas volantes son residuos divididos en trozos o polvo (finos), resultantes de la combustión de carbón. Entonces, estas son un subproducto del carbón previamente pulverizado, el cual se caracteriza por ser un residuo problemático a nivel ecológico; sin embargo, actualmente, este se utiliza como un material cementante suplementario, el cual se añade a la fabricación de hormigones o cementos, a fin de mejorar las potencialidades de este material. Las cenizas volantes se utilizan como sustituto del cemento portland, y tiene un impacto positivo en el refinamiento de la estructura porosa del material de concreto; consecuentemente, su utilización permite disminuir costos por uso de cementante, reducir la contaminación generada por este material y, a su vez, soluciona el problema ecológico producido por la eliminación de las cenizas. Cabe resaltar, que para obtener estos beneficios es imprescindible analizar la ceniza volante previo a su utilización, así como realizar ensayos respecto a las características del cemento al realizarse la adición de cenizas (29). 41 Figura 7. Ceniza volante (MEB). Tomada de Lizarazo, García & Higuera (30) Figura 8. Ceniza volante proveniente de la central termoeléctrica de Ilo 2.2.7.1. Características Para que las cenizas volantes sean utilizadas como materiales cementantes suplementarios (SCM), estas deben tener determinadas características fisicoquímicas, a fin participar activamente en la reacción de hidratación. En este marco, de acuerdo con Arbeláez (2020), la reactividad de las cenizas volantes se genera a partir de las características presentadas en la Tabla 2. 42 Tabla 2. Características de las cenizas volantes Composición química Los cementantes contienen compuestos que actúan favorable o desfavorablemente en la reacción de hidratación, tal como el silicio (S), hierro (Fe), calcio (Ca), aluminio (Al), entre otros, incidiendo positivamente en la resistencia y fraguado del material cementante. Cabe resaltar que, la suma de Al2O3, Si2O3 y Fe2O3 debe ser mayor al 50% de cenizas de clase C, y más de 70% de cenizas clases F, ya que esto garantizará su efectividad. Finura Las cenizas volantes deben tener una granulometría fina de activación, similar a la del cemento, por lo que resulta conveniente que estas procedan de la combustión de carbón previamente pulverizado. Composición mineralógica Las cenizas volantes deben constituirse de una proporción alta de minerales, con una estructura molecular amorfa, ya que esta particularidad permitirá que se combinen con otros minerales y conformen una estructura cristalina estable. Cabe resaltar que la combustión del carbón a altas temperaturas favorece a que el material cementante sustituto adopte una mineralogía que influya positivamente en su reactividad. Tomada y adaptada de Arbeláez (31) 2.2.7.2. Propiedades ● Propiedades físicas En estado seco, las cenizas volantes son como polvo fino, de color grisácea o marrónea (dependiendo de la proporción del carbón) y es suave al tacto. Respecto a sus características químicas, estas dependen del grado de pulverización del carbón, composición química de los componentes incombustibles del carbón, temperatura de combustión, tipo de caldera, tipo de extractor, sistema mediante el que cual se retiran las cenizas de la central térmicas. Además, las cenizas volantes carecen de plasticidad, debido a que estas no presentan minerales arcillosos en su composición. Respecto a las cenizas volantes en estado bruto (sin moler), el diámetro del grano oscila entre 0.2 y 200 micras; la densidad es de alrededor de 0.89 g/cm3; mientras que, el peso de las partículas es de entre 2.0 y 2.9 g/cm3. En cuanto al contenido de humedad, esta propiedad depende fundamentalmente de la manera en la que las cenizas se depositan después de dejar los precipitadores y filtros. Por ello, 43 deben recogerse las cenizas a la salida, sin filtros, ya que así este material tendrá el mínimo contenido de agua. ● Propiedades mecánicas De acuerdo con el Ministerio de Fomento (32), las cenizas volantes presentan: ✓ Actividad puzolánica Capacidad de un material que permite la fijación de hidróxido cálcico, en presencia de agua y a temperatura ordinaria, y que dota al material de resistencia mecánica. Esta actividad es la propiedad más importante de las cenizas volantes, especialmente de las cenizas silicoluminosas, siendo esta la característica principal para su utilización como material cementante sustituto. ✓ Actividad hidráulica Esta capacidad se desarrolla cuando las cenizas volátiles poseen un índice de hidraulicidad que oscila entre 0.15 y 0.40, y este se define como la relación que existe entre la sílice más los óxidos de hierro, la alúmina y la cantidad de cal más magnesia. Figura 9. Proceso del carbón pulverizado Tomada de Pajuelo et al. (2018) 44 Figura 10. Central termoeléctrica de Ilo Tomada de Pajuelo et al. (2018) Fibra de carbono La fibra de carbono es un material categorizado como composites, que se caracteriza por formarse al combinar dos o más elementos, siendo en conjunto más fuertes que de forma individual (6). Estructuralmente, la fibra de carbono es un material que contiene fibras que oscilan entre los 50 a 10 micras de diámetro, constituido esencialmente de átomos de carbono, los cuales se unen entre sí a través de cristales alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra, siendo esta alineación la que brinda un grado de resistencia mayor en función al volumen del material (33). Figura 11. Fibra de carbono de dimensiones 1. 5x 0.2 cm 2.2.8.1. Estructura Un hilo de filamento de carbono es el resultado de la unión de miles de filamentos, los cuales, en la primera generación, alcanza un diámetro de 7.8 micrómetros, alcanzado hasta las 5 micras de diámetro de acuerdo al proceso aplicado. Por otro lado, la fibra de carbono posee una estructura atómica similar a la del grafito, ya que se constituye de láminas de átomos de carbono que se disponen de acuerdo a un patrón hexagonal regular (33). 45 Por otro lado, dependiendo del precursor que se utilice para elaborar la fibra de carbono, esta tendrá una estructura grafítica, turbostrática e, incluso, híbrida. Respecto a las fibras de carbono turbostráticas, estas se constituyen de átomos de carbono apilados de manera irregular, y se caracterizan por su alta resistencia de tracción, alta conductividad térmica y baja elasticidad. Por otro lado, respecto a las fibras de carbono grafíticas, estas derivan de la brea de mesofase, luego de haber sido expuestas a un tratamiento término que alcanza temperaturas superiores a 2200 °C (33). Figura 12. Fibra de carbono Tomada de Tomé (2016) Debido a sus características estructurales, se prefiere el uso de fibras de carbono en vez del acero, ya que su resistencia mecánica es mayor. Al respecto, cabe resaltar que producto de la resistencia que otorgan las fibras de carbono, estas se utilizan como material de reforzamiento, conservando la integridad de la matriz, así como sus propiedades químicas (34). 2.2.8.2. Proceso de obtención Básicamente, la fibra de carbono se compone por 90 % de PAN (poliacrilonitrilo), siendo los hilos de PAN entrelazados los que conducen a la obtención de una fibra de carbono (34). Entonces, para obtener el material primero se somete el polímero (precursor) a un proceso pirólisis en una atmósfera sin oxígeno, inerte y con temperaturas que superen los 980 °C. • Precursor El precursor es el polímero, sustancia molecular conformada por aros o cadenas de subunidades denominadas monómeros. Como se ha señalado, en el caso de las fibras de carbono, este se elabora básicamente del PAN, que es un monómero acrilonitrilo formado por amoníaco y propileno. 46 • Polimerización Proceso químico mediante el cual se crean cadenas largas de polímeros que, posteriormente, pueden formar fibras acrílicas. Para conseguir este material, el monómero es sometido a agitación continua, donde se mezclan los productos a fin de garantizar su pureza y consistencia. Cabe resaltar que en esta fase inciden la atmósfera, temperatura, catalizadores y especificidad de los comonómeros. Finalmente, el acrilonitrilo en polvo se disuelve en disolventes, para ser sometido a la siguiente fase (6). • Spinning En este proceso, la mezcla se sumerge en un líquido coagulante para luego atravesar un hilador con agujeros. A partir de este proceso, se obtiene una fibra frágil y gelatinosa, la cual se lava, seca y estira. Finalmente, se aplica aceite a los precursores para evitar que se peguen los filamentos, luego se seca y enrollan en bobinas (6). • Oxidación Primera etapa de la elaboración propiamente de fibras de carbono, la cual consiste en pasar el PAN por una serie de hornos, a temperaturas que oscilen entre los 200 a 300 °C, a fin de incrementar la densidad de la fibra hasta niveles máximos. Se debe considerar que, para garantizar la efectividad de este proceso, el PAN debe combinarse con moléculas de oxígeno del aire (6). • Carbonización Proceso que ocurre en una atmósfera sin oxígeno e inerte, donde se va aumentando el nivel de temperatura (inicia entre los 700 a 800 °C y finaliza entre los 1200 a 1500 °C), permitiendo obtener porcentajes de hasta 95 % de carbono. Debido a la falta de oxígeno, las partículas que no son de carbono se extraen para ser incineradas en otro ambiente (6). • Sizing Última etapa de elaboración de fibra de carbono, constituyéndose como un paso crítico en cuanto a la obtención de este material y la optimización de sus capacidades. En esta fase se realiza la unión entre la fibra de carbono y la resina, paso crucial para obtener un composite reforzado, el cual se realiza sumergiendo la fibra en una solución química (ácido nítrico y sodio hipoclorito). El proceso termina cuando el sizing seca, luego se enrollan las fibras de carbono y se comercializan. (6). 47 Figura 13. Proceso de obtención de la fibra de carbono Tomada de Velázquez (2013) 2.2.8.3. Propiedades • Propiedades mecánicas Según Sáenz (6), las fibras de carbono contienen las siguientes propiedades: ✓ Baja conductividad eléctrica y térmica. ✓ Alta resistencia mecánica, no obstante, este material conserva un nivel elevado de elasticidad. ✓ Bajo nivel de densidad, a diferencia de materiales elaborados a partir de acero. ✓ Nivel alto de flexibilidad. ✓ Expansión térmica baja. ✓ La fibra de carbono no es un material corrosivo. • Relación rigidez - peso La fibra de carbono tiene una densidad de 1,55 g/cm3, menor a otros materiales de construcción, siendo este aspecto lo que lo diferencia del resto de materiales de construcción. Esta ligereza contribuye en la capacidad mecánica de la fibra de carbono, convirtiéndolo en un material eficiente de reforzamiento estructural (6). • Resistencia al calor La fibra de carbono, a diferencia del aluminio y acero, posee capacidad de conductividad térmica (5 a 7 W/m2 a una densidad de 3,6 cm/C°). Es preciso destacar que este favor contribuye en el cálculo de las estructuras, ya que es un material con dilatación menor. Metodología Marshall en mezclas asfálticas en caliente 2.2.9.1. Método Marshall El método Marshall es ampliamente utilizado en Latinoamérica para determinar la cantidad 48 óptima de cemento asfáltico en una mezcla asfáltica caliente. Fue desarrollado por el ingeniero Bruce Marshall en 1929, en el departamento vial de Mississippi. Sin embargo, en 1943, fue mejorado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército Norteamericano, también conocido como el Army Corps of Engineers, a través de investigaciones, pruebas de tránsito y estudios de correlaciones. Estas mejoras permitieron establecer los criterios actuales para el diseño de mezclas asfálticas. Inicialmente, el método solo era aplicable a mezclas asfálticas en caliente que se producían con cemento asfáltico y agregados de tamaño nominal máximo de 1". Sin embargo, con las modificaciones realizadas, ahora se puede utilizar con agregados de hasta 1 ½". Este método se puede utilizar tanto en laboratorio como en el control de obras de pavimentación. Se utiliza para el diseño y la evaluación de mezclas asfálticas. Consiste en la creación de especímenes normalizados con dimensiones de 64 mm (2.5") de altura y 102 mm (4") de diámetro. Dos características importantes de este método son el análisis de densidad y vacíos, y la prueba de estabilidad y flujo. El método Marshall ofrece muchas ventajas, como su bajo costo y la simplicidad de su ejecución debido a los equipos necesarios. Además, produce densidades que se asemejan a aquellas obtenidas en el campo. 2.2.9.2. Estabilidad y flujo El ensayo de estabilidad y flujo está establecido como estándar en la norma ASTM-D6926: “Standard Practice for Preparation of Bituminous Specimens Using Marshall Apparatus”, y también está contemplado en el Manual de Ensayos de Materiales del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú, en la norma MTC E-504, describe el procedimiento a seguir para probar los especímenes preparados previamente. El valor de estabilidad de cada muestra representa la resistencia estructural de la mezcla asfáltica compactada. Se determina utilizando el principio de corte en compresión semi confinada, sometiendo a las muestras a esfuerzos de compresión diametral. Este valor puede verse afectado principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado utilizado. Por lo tanto, es un indicador de la calidad del agregado y de la mezcla final. El valor de flujo de cada muestra representa la deformación que ocurre en la dirección del diámetro del espécimen antes de que se produzca la fractura. Es un indicador de la tendencia a 49 alcanzar una condición plástica o inestable, y por lo tanto, de la resistencia que ofrecerá el pavimento asfáltico a deformarse bajo la acción de las cargas generadas por el tráfico. El método de diseño Marshall establece el procedimiento para realizar el ensayo de estabilidad y flujo en mezclas asfálticas en caliente utilizando el equipo Marshall que se muestra en las figuras 14 y 15. Figura 14. Equipo Marshall Figura 15. Estabilidad y flujo VALOR DE ESTABILIDAD VALOR DE FLUJO 50 2.2.9.3. Esquema del método Marshall Se creó un plan con una serie de pasos a seguir para desarrollar el método Marshall, tanto para el diseño de la mezcla de asfalto convencional como para el diseño de la mezcla de asfalto modificada con ceniza volante y fibra de carbono. • Esquema – mezcla asfáltica convencional Este esquema consta de siete pasos a seguir para lograr un diseño adecuado de mezcla asfáltica en caliente convencional. Figura 16. Esquema - Marshall para mezcla asfáltica convencional • Esquema – mezcla asfáltica con ceniza volante y fibra de carbono Este esquema consiste en una serie de cinco pasos que deben segu