La mayor parte de la masa de un pavimento asfáltico es árido; el betún es solo una fina película que une las partículas entre sí. Que el pavimento soporte las cargas de las ruedas, no pierda adherencia con la lluvia, no se disgregue en invierno y no forme roderas con el calor del verano depende en gran medida de cómo se seleccionan esas partículas. Las propiedades que predominan en el árido para hormigón cambian de protagonismo en el asfalto: aquí pasan a primer plano la dureza, la forma de las partículas, la resistencia al pulimento y la adherencia al betún. Esta guía explica, desde la experiencia de campo, qué mide cada apartado que aparece en el informe de ensayo del árido para asfalto, cuál es su razón de ser y por qué las exigencias difieren entre la capa de rodadura y la capa base.
¿Por qué el árido para asfalto se evalúa de forma distinta al árido para hormigón?
En el hormigón, el árido queda encerrado dentro de una matriz rígida de pasta de cemento; la matriz distribuye la carga, y el árido actúa en gran medida como relleno y esqueleto. En el asfalto, en cambio, el ligante es el betún, un material viscoelástico que se ablanda con el calor, envejece con el tiempo y puede fluir bajo carga. Por eso, en un firme asfáltico la estructura que realmente soporta la carga es el esqueleto granular formado por el entrelazado de las partículas. Si las partículas no son suficientemente duras, se desmenuzan bajo el tráfico; si su forma es deficiente, no pueden entrelazarse y el firme fluye formando roderas; si la superficie se pule, la carretera se vuelve resbaladiza cuando está mojada; y si no se adhieren bien al betún, el agua se introduce entre ellas y las partículas se desprenden.
Estas cuatro preguntas resumen todo el programa de ensayos del árido para asfalto: durabilidad, forma, superficie y adherencia. En Europa y en Turquía, los requisitos del árido para mezclas bituminosas los define la norma TS EN 13043; la norma vincula cada propiedad a un método de ensayo y expresa los resultados mediante categorías. Qué categoría se exige en cada capa lo determina el pliego técnico de la administración de carreteras. Por eso, la primera tarea del productor de árido para asfalto es preguntar para qué capa y qué categoría de tráfico se destina el producto; una misma cantera puede ser perfectamente adecuada para la capa base y resultar insuficiente para la capa de rodadura.
Las propiedades que destacan en el árido para hormigón, como la reactividad álcali-sílice y el contenido de arcilla, no pierden importancia en el asfalto, pero pasan a un segundo plano. Por el contrario, el pulimento y la afinidad con el betún, que son secundarios en el hormigón, se vuelven decisivos en el asfalto. Para conocer la perspectiva del hormigón, puede consultar el artículo sobre cómo afecta la calidad del árido al hormigón.
El ensayo de abrasión Los Ángeles: qué mide y cuál es su fundamento
El ensayo Los Ángeles es el ensayo de durabilidad de áridos más utilizado en el mundo, y mide la resistencia combinada del árido al impacto y al desgaste por abrasión. Se toma una muestra seca de árido de una fracción determinada y se introduce en un tambor horizontal que contiene bolas de acero. El tambor se hace girar un número determinado de revoluciones; en cada vuelta, una paleta situada en la pared interior del tambor eleva el árido y las bolas y los deja caer. Las partículas quedan sometidas tanto al impacto de las bolas como al rozamiento entre ellas. Al finalizar el ensayo, la muestra se tamiza por un tamiz determinado, y el porcentaje que pasa por él, es decir, el material disgregado, se registra como el coeficiente de desgaste Los Ángeles. Cuanto más bajo es el valor, más duradero es el árido.
La lógica del ensayo es que imita conjuntamente las dos solicitaciones que realmente sufre el pavimento. Durante la extensión y la compactación, el rodillo hace chocar las partículas entre sí; bajo el tráfico, en cambio, la carga de la rueda comprime las partículas y a la vez las hace rozar unas con otras. Una partícula blanda o con fisuras internas se rompe bajo esta solicitación; al romperse, cambia la granulometría, se altera el porcentaje de huecos de la mezcla y la película de betún no puede recubrir las nuevas superficies fracturadas. Por tanto, una pérdida elevada en el ensayo de Los Ángeles no solo indica que la piedra es débil, sino que el diseño de la mezcla se deteriorará en obra.
Para la caliza, este es el ensayo que hay que leer con más atención. Debido a la relativa blandura del mineral de calcita, la pérdida Los Ángeles de las calizas suele ser mayor que la del basalto y el granito; sin embargo, la diferencia entre las calizas recristalizadas y de textura densa y las calizas sueltas y conchíferas es muy grande. Parte de las calizas de la zona de Milas, gracias a su estructura densa cercana a la metamórfica, pueden dar resultados adecuados sin problemas para las capas de base y de unión (binder), y en niveles adecuados, también para la capa de rodadura. Esto lo determinan los ensayos periódicos realizados a nivel de cantera, no el nombre de la roca. Para conocer el carácter general de la caliza, puede consultar el artículo qué es la caliza.
Índice de lajas y proporción de caras fracturadas: cómo se construye el esqueleto granular
El esqueleto portante de la mezcla asfáltica se forma por el entrelazado de las partículas. Este entrelazado se logra mejor con partículas cúbicas, es decir, con las tres dimensiones similares entre sí. Las partículas planas y alargadas, en cambio, generan dos problemas: durante la compactación se apilan por sus caras planas y adquieren una orientación preferente, lo que debilita el entrelazado; además, debido a su sección delgada, se rompen fácilmente bajo el rodillo y el tráfico. Una partícula plana rota desencadena la cadena descrita en el apartado de Los Ángeles.
El índice de lajas traduce este problema de forma en un número. Cada grupo de tamaño de partícula se separa primero con un tamiz de malla cuadrada y después se pasa por el tamiz de barras correspondiente a ese tamaño. Las partículas que logran pasar por el tamiz de barras, es decir, aquellas cuyo espesor es reducido en relación con su longitud, se consideran lajas; su porcentaje sobre la masa total es el índice de lajas. Un índice bajo indica un árido cúbico y de buena forma. La forma depende menos de la naturaleza de la roca que de la configuración de la línea de trituración: la caliza estratificada tiende a producir partículas lajosas en una trituradora de mandíbulas, pero una línea de circuito cerrado que emplee trituradoras de cono o de impacto en las etapas secundaria y terciaria elimina en gran medida esta tendencia.
El índice de caras trituradas, por su parte, mide otra característica de la forma. En los áridos procedentes de grava natural, las partículas son redondeadas y pulidas; generan menos fricción con el betún y no llegan a formar esqueleto granular. En el ensayo se examinan las partículas una a una y se clasifican en totalmente trituradas, parcialmente trituradas y de superficie redondeada, calculando después sus porcentajes en masa. En el árido calizo producido en cantera como roca triturada, todas las caras están fracturadas, por lo que este criterio se cumple de forma automática; el ensayo cobra sentido sobre todo para los áridos procedentes de grava de río. En la capa de rodadura y en las carreteras de tráfico pesado se exige un alto porcentaje de caras totalmente trituradas, ya que la resistencia a la rodera depende directamente del rozamiento entre las partículas.
Valor de pulimento acelerado (PSV) y resistencia al deslizamiento
La capa de rodadura es la superficie con la que el neumático entra en contacto directo, y el frenado seguro en pavimento mojado depende de la microtextura de esta superficie. Con cada paso, el neumático aplana un poco más la superficie superior de las partículas por fricción; las partículas formadas por minerales blandos adquieren con el tiempo una superficie brillante, como de cristal, sobre la que el neumático no puede agarrarse. Este proceso se denomina pulimento, y la capacidad del árido para resistirlo es el valor de pulimento (PSV, polished stone value).
En el ensayo, las partículas de árido se colocan alrededor del borde de una rueda y se montan en una máquina de pulido acelerado. Una rueda de goma gira sobre las probetas durante un tiempo determinado junto con polvo abrasivo y agua, comprimiendo en horas el efecto del tráfico de años. A continuación, la fricción superficial de las probetas pulidas se mide con un péndulo de fricción que se desliza sobre la superficie mojada. Cuanto menos oscilación pierde el péndulo, más resbaladiza es la superficie. El resultado se expresa mediante un número en el que un valor más alto significa una mejor resistencia al deslizamiento.
La resistencia al pulimento está directamente relacionada con la composición mineral de la roca. En las rocas con minerales de distinta dureza, los minerales blandos se desgastan primero, los minerales duros quedan en relieve y la superficie se renueva constantemente; este tipo de rocas ofrece un valor de pulimento alto. En cambio, las rocas formadas por un único mineral y que se desgastan de forma homogénea tienden hacia una superficie lisa y resbaladiza. La caliza se aproxima a este segundo grupo: debido al predominio de la calcita, muchos tipos de caliza presentan un valor de pulimento medio o bajo. Por ello, en la capa de rodadura de las carreteras de tráfico pesado, la caliza se mezcla con una roca resistente al pulimento o se emplea únicamente en las capas inferiores. En carreteras de tráfico bajo o medio, salvo en puntos críticos como cruces y rampas, una caliza adecuada también puede tener cabida por sí sola en la capa de rodadura; la decisión corresponde al pliego de condiciones de la administración de carreteras y al valor medido.
Absorción de agua y resistencia a hielo-deshielo
La absorción de agua es la cantidad de agua que la partícula de árido puede retener en sus poros en relación con su masa seca, y en el asfalto provoca dos consecuencias distintas. En primer lugar, una partícula porosa absorbe no solo agua, sino también betún. Parte del betún incorporado a la mezcla es absorbido hacia el interior de las partículas y la película efectiva que las envuelve se adelgaza; esto provoca un envejecimiento prematuro, fragilidad y una mayor propensión al desprendimiento. En el diseño de la mezcla se tiene en cuenta esta pérdida, pero si la absorción es elevada resulta insostenible tanto económica como técnicamente.
La segunda consecuencia es el hielo-deshielo. El agua que penetra en los poros se expande al congelarse y fractura la partícula desde el interior; este ciclo se repite decenas de veces cada invierno. Las rocas compactas con baja absorción de agua no se ven afectadas por este ciclo, mientras que las rocas porosas se desmenuzan en pocos inviernos. La resistencia al hielo-deshielo puede medirse directamente, y también se evalúa mediante un ensayo que sumerge repetidamente las partículas del árido en una disolución saturada de sulfato de magnesio y las seca, imitando la helada mediante el crecimiento de cristales. El árido que presenta una pérdida de masa elevada en este ensayo no se acepta para la capa de rodadura en climas fríos.
La absorción de agua es una de las propiedades que más varía de un nivel de cantera a otro en la caliza. La caliza densa y recristalizada presenta baja absorción, mientras que los tipos coquinoides y con cavidades de disolución muestran una absorción elevada. Que estos dos tipos puedan coexistir en la misma cantera demuestra una vez más por qué la selección del nivel y los ensayos periódicos son indispensables. Dado que el clima costero del Egeo registra muchos menos ciclos de hielo-deshielo que las regiones del interior y del este, el peso que se otorga a este criterio varía según la ubicación del proyecto; sin embargo, el efecto de la absorción de agua sobre el consumo de betún es válido en cualquier clima.
Adherencia al betún y desprendimiento (stripping): entra en juego la química del árido
La forma más insidiosa de deterioro del pavimento asfáltico es el desprendimiento (stripping): el agua se infiltra entre la película de betún y la superficie del árido, disuelve la adherencia y los granos se separan del betún. El resultado es, primero, un aspecto granular y desgaste superficial y, después, la formación de baches. El origen de este proceso está en la relación química entre el betún y la superficie del árido. El betún compite con el agua por la superficie del árido y, si esta prefiere el agua, es decir, si es hidrófila, el betún pierde esa competencia.
Las rocas ricas en sílice, especialmente la cuarcita, el granito y algunas areniscas, tienen una química superficial ácida y afinidad por el agua; los asfaltos fabricados con estas rocas son más propensos al desprendimiento. La caliza, en cambio, es una roca de superficie básica. La superficie de carbonato de calcio forma un enlace más fuerte con los componentes ácidos del betún y atrae menos agua. Esta es la propiedad menos conocida, pero quizá más valiosa, de la caliza en el asfalto: aunque queda por detrás de las rocas silíceas en pulimento y desgaste, se adelanta en adherencia. Precisamente por esto, en obra, en algunas mezclas se añade cierta cantidad de polvo de caliza o cal apagada al árido silíceo; la cal actúa como aditivo promotor de adherencia.
La adherencia se mide en laboratorio haciendo rodar en agua, durante un tiempo determinado, partículas de árido recubiertas de betún, y evaluando después el porcentaje de superficie que conserva el recubrimiento de betún; cuanto más se mantenga esa superficie recubierta, mejor es la afinidad. También se controla a nivel de mezcla comparando la resistencia de probetas de mezcla compactada en estado saturado de agua y en estado seco. Si la adherencia resulta insuficiente, se recurre a promotores de adherencia a base de aminas o a cal hidratada; sin embargo, una selección adecuada del árido reduce desde el principio la dependencia de estos aditivos.
Capa de rodadura y capa de base: ¿por qué difieren las exigencias?
Un pavimento asfáltico no es un material único, sino un sistema de capas, cada una con una función distinta. En la parte inferior se encuentra la capa base bituminosa, en el centro la capa intermedia (binder) y en la parte superior la capa de rodadura. Lo que cada una de estas capas exige al árido depende de los esfuerzos a los que está expuesta; por ello, exigir el mismo criterio con el mismo rigor en todas las capas supone tanto un coste innecesario como un desperdicio de recursos.
La capa de rodadura recibe directamente la carga de las ruedas, la fricción de los neumáticos, el agua, el sol y las oscilaciones de temperatura. Aquí se exigen al máximo el valor de pulimento, el coeficiente de Los Ángeles, el índice de lajas, el porcentaje de caras fracturadas y la absorción de agua; el árido debe ser un material que se mantenga duro y rugoso a la vez que se adhiera bien al betún. No siempre es posible cumplir estas exigencias con una sola roca, por lo que son habituales los diseños que mezclan árido silíceo duro con caliza básica, aportando uno la resistencia al deslizamiento y el otro la adherencia.
La capa intermedia (binder) recibe la carga procedente de la capa de rodadura y la distribuye; dado que aquí la resistencia a la rodera es fundamental, la forma de las partículas y su trabazón cobran protagonismo, mientras que el pulimento no es una preocupación porque el neumático nunca entra en contacto con estas partículas. La capa base bituminosa, por su parte, soporta la mayor carga en volumen; aquí se aceptan categorías más flexibles en cuanto al coeficiente Los Ángeles y la forma, y la rentabilidad resulta determinante. El árido calizo aprovecha esta flexibilidad y se convierte en la opción natural para las capas intermedia y base. En las capas de base y subbase granulares situadas bajo el asfalto, las exigencias vuelven a cambiar; para esa capa puede consultar el artículo qué es el estabilizado.
El planteamiento correcto consiste en leer en el pliego de condiciones las categorías exigidas para cada capa del proyecto y compararlas con los valores medidos en cada nivel de la cantera. De este modo, el material que cumple los requisitos más estrictos se destina únicamente a la capa que lo necesita, mientras que el resto de capas se produce con fracciones más económicas. İTS Maden produce sus fracciones para capas de asfalto y de carretera en su cantera de caliza de Milas teniendo en cuenta esta distinción, y comparte los resultados de los ensayos del producto capa por capa. Puede consultar nuestro sistema de control de calidad y ponerse en contacto con nosotros para determinar las fracciones adecuadas para las capas de su proyecto.
