Selección del tipo de distribución.


De acuerdo a condiciones topográficas, la ubicación de la fuente respecto a la red y al tanque,  motivará diversas  formas  de  suministro  de  agua  a  la  red  de  abastecimiento. planteándose varias posibilidades o alternativas a saber:

a)  Bombeo contra la red


FIG. 6.10 ESQUEMA DE BOMBEO CONTRA LA RED

b)  Sistema por gravedad
 
 
FIG. 6.11 ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN POR GRAVEDAD

c)  Bombeo directo al tanque y suministro por gravedad

FIG. 6.12 ESQUEMA DE BOMBEO DIRECTO Y DISTRIBUCIÓN POR GRAVEDAD


Indudablemente que, siempre que ello sea posible, la selección de un sistema totalmente por gravedad será la solución más conveniente. En este caso, deberá contemplarse la solución mediante una o más redes que separadas por tanques u otro dispositivo que mantenga las presiones dentro de los limites normales.

Redes de distribución Malladas - Asignación de caudales.


Son aquellas redes constituidas por tuberías interconectadas formando mallas. Este tipo de red  de distribución es  el  más  conveniente  y  tratará  siempre  de  lograrse  mediante  la interconexión de las tuberías, a fin de crear un circuito cerrado que permita un servicio más eficiente y permanente. En el dimensionado de una red mallada se trata de encontrar los caudales de circulación de cada tramo, para lo cual nos apoyamos en algunas hipótesis estimativas de lo caudales en los nudos. En la figura 6.5 se observa una red mallada.

Resulta  ventajoso  hacer  división  por  zonas,  tratando  de  unir  aquellas  que  presentan características homogéneas o similares, tomando en cuenta la densidad actual y la futura.

 
FIG. 6.5 ESQUEMA DE UNA RED MALLADA DE UNA ZONA URBANA


Diseño de redes cerradas

El calculo de una red cerrada consiste en determinar los diámetros de los diferentes tramos que forman los círculos principales. Para el análisis de las redes cerradas existen métodos de solución entre los cuales citamos Hardy-Cross y el de la tubería equivalente; existen programas computacionales que nos ayudan a solucionar estos problemas, entre los cuales podemos citar Loop y WaterCad.  En estos utilizan la formula de Hazen-Williams o bien la de Manning para el calculo de las perdidas por fricción.

El procedimiento que se sigue para la asignación de caudales iniciales con los cuales podremos determinar los diámetros de las tuberías en general es el mismo que se explico para la red ramificada, o utilizando el método de las áreas que explicaremos mas adelante.

Configuración de la red de distribución

Las  redes  malladas  están  constituidas  por  la  matriz  de  distribución,  de  las  tuberías principales, tuberías secundarias o de relleno y ramales abiertos. Las tuberías principales constituirán las mallas, cuyos tramos se definirán por los nudos que lo comprenden. Para ello, se define un nudo en base a lo siguiente:

a) Intersección de 2 tuberías principales b) Todo punto de alimentación

Para la configuración de las mallas mediante las tuberías principales se tomará en cuenta el posible desarrollo o crecimiento de la ciudad o zona a proyectar; así, un desarrollo hacia la periferia, motivado por la existencia de zonas planas que propiciarían tal extensión, induce a proyectar mallas exteriores previendo el crecimiento urbanístico hacia tales áreas. En cambio, zonas que tienen limitaciones de expansión, ya sea por condiciones topográficas de  difícil  desarrollo  urbanístico;  por  la  existencia  de  ríos,  lagos  o  mares,  o  por disposiciones legales que no permitan el desarrollo hacia determinadas zonas, conduce a proyectar  mallas internas  previendo  el  desarrollo  vertical  u  de  alta  densidad  de  esos sectores. Los esquemas de las figuras 6.6 y 6.7 muestran algunos tipos de redes malladas.

FIG. 6.6 ESQUEMA DE UN MALLADO EXTERNO     FIG. 6.7 ESQUEMA DE UN MALLADO INTERNO

Cuando por razones topográficas las presiones de servicio en el sistema de distribución sean muy altas, resulta conveniente dividir la zona en varias redes (por ejemplo: alta, media  y  baja),  las  cuales  pueden  interconectarse  mediante  válvulas  reguladoras  o reductoras de presión; o mediante tanquillas rompecarga, o bien separarlas con estanques de almacenamiento independientes. En casos de más de dos redes, resulta conveniente interconectar  las  redes  alternando  válvulas  reductoras  con  tanquillas  rompecargas.  La figura 6.8 muestra un esquema de dos redes interconectadas mediante válvulas reguladoras de presión.

 
FIG. 6.8 ESQUEMA DE 2 REDES INTERCONECTADAS MEDIANTE VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESION


Una vez hecha la distribución por tramos de los caudales medios de consumo, se procede a definir  la  configuración  de  las  redes  y  al  estudio  de  los  diversos  casos  de  análisis, atendiendo al tipo de sistema y a su funcionamiento.

Asignación de caudales en los tramos que constituyen las mallas

(Tuberías principales)

Para el dimensionado de una red mallada tratamos de encontrar los caudales de circulación para cada tramo, basándonos en algunas hipótesis de cálculo pendientes a determinar los caudales por cada nudo.
Diversos métodos se han seguido para esta determinación, entre los cuales el más general es  el método de las áreas.

Método de las áreas

Se trata de determinar el caudal o consumo medio para toda la zona a proyectar y las áreas de influencia de cada nudo, a fin de definir un caudal unitario. Este caudal unitario se calcula teniendo el caudal máximo horario y el área total de la zona a proyectar.

 
Se enumeran los nudos que configuran la malla y se determinan las áreas de influencia de cada uno de los nudos, trazando las mediatrices de los tramos, formándose de esta manera una figura geométrica (cuadrados) alrededor del nudo y se multiplican por la demanda unitaria así para obtener el caudal en el nudo.
 
Se  procurará  tener  áreas  de  figuras  geométricas  conocidas  o  en  caso  contrario  debe disponerse de planímetros para su medición. En la figura 6.9 se observa la distribución de las áreas en los nudos.

FIG. 6.9 ESQUEMA DEL METODO DE LAS AREAS

Redes de distribución ramificadas - Diseño y asignación de caudales a nudos.

Son redes de distribución constituidas por un ramal troncal y una serie de ramificaciones o ramales que pueden constituir pequeñas mallas, o constituidos por ramales ciegos. Este tipo  de  red  es  utilizado  cuando la topografía  es  tal  que  dificulta,  o  no  permite  la interconexión entre ramales


Los  caudales  medios  de  consumo  en  cada  tramo  pueden  determinarse  conociendo  la zonificación y asignando la dotación correspondiente de acuerdo a la Norma Boliviana NB 689, Norma Técnica de Diseño para Sistemas de Agua Potable. En el caso de localidades donde no se disponga del plano regulador de la Ciudad, los caudales de consumo por tramo pueden asignarse en base a un caudal unitario para zonas de densidad homogénea. En la figura 6.2 podemos observar una red abierta.

 
FIG. 6.2 ESQUEMA DE RED RAMIFICADA [Ref. Elaboración Propia]


Diseño de redes ramificadas y asignación de caudales a nudos

El procedimiento a seguir es, en general, el siguiente:

a) Se divide la ciudad en zonas de distribución, atendiendo al carácter de las mismas en residencial, comercial e industrial.

b) Se procede a un trazado tentativo, que tenga un conducto principal, que se ramifique para conducir el agua a cada zona o grupo de zonas de distribución y se anotan las longitudes de cada tramo de tubería.

c)  Se  determina  el  coeficiente  del  caudal  por  metro  de  tubería,  dividiendo  el  caudal máximo horario entre la longitud virtual de toda la red. El concepto de “longitud virtual” lo usaremos exclusivamente para definir que caudal ha de circular por cada tramo de tubería al cual denominaremos caudal propio.

Así por ejemplo, resulta evidente que un tramo de tubería que abastezca predios por un solo lado, como el A-B de la figura 6.3, deberá conducir menos caudal que el tramo C-D de la misma figura, ya que este último abastece de agua a predios ubicados a cada lado del mismo. Correlacionando caudales con longitudes, es como si el tramo C-D, tuviera una longitud del doble de la del tramo A-B, siendo que en realidad, los dos tramos miden lo mismo.  De  acuerdo  con  este  razonamiento  expresamos  que  el  tramo  C-D  tiene  una longitud real de 100 metros, pero que virtualmente (existencia aparente y no real) tiene una longitud de 200 metros. Para el tramo A-B, que solo abastece predios por un solo lado, la longitud real es igual a la longitud virtual.

FIG. 6.3 TRAMO QUE ABASTECEN PREDIOS A UN SOLO LADO (A-B) Y A AMBOS LADOS (B-C) DE LA TUBERÍA [Ref. Elaboración Propia]

En resumen:

-     Para líneas de alimentación:       
LVIRTUAL = 0
-     Para tuberías que abastecen de agua a predios localizados a un solo lado de la línea:
LVIRTUAL = LREAL
-     Para tuberías que abastecen de agua a predios localizados a ambos lados de la línea:
LVIRTUAL = 2LREAL

Sumando  las  longitudes  virtuales  tramo  a  tramo  de  la  red,  se  obtiene  entonces  el coeficiente de caudal por metro de tubería “q” con la expresión siguiente:


Obsérvese que si, de acuerdo a como se ha dividido la ciudad, se tienen concentraciones de población diferentes, también el coeficiente de caudal por metro a de ser diferente de acuerdo con la zona. De la misma forma, variará de acuerdo con el carácter dependiendo de sí es zona industrial o comercial. Así pues, los coeficientes de caudal se determinan usando las dotaciones y poblaciones de las zonas a las que alimenta el tramo considerado.

d) Se numeran los nudos que se tengan en la red.

e) Se calculan los caudales propios de cada tramo de la red, multiplicando el coeficiente de caudal “q” por la longitud virtual del tramo de tubería.


QPROPIO = q LVIRTUAL



f) Se efectúa el cálculo de los caudales acumulados por cada tramo de tubería, comenzando desde el más distante al más cercano al depósito de regularización, sumando cuando sea necesario, los caudales de los tramos secundarios.


g) Se determina el diámetro de los distintos tramos o secciones del conducto, haciendo uso del caudal acumulado que deben conducir, considerándolo concentrado en el extremo o nudo terminal (Figura 6.4)

FIG. 6.4 CONSIDERACION DEL CAUDAL ACUMULADO DEL TRAMO, CONCENTRADO EN EL NUDO TERMINAL Y CASO REAL CON TOMAS DOMICILIARIAS POR CADA PREDIO [Ref. Elaboración Propia]


El diámetro obtenido con esta última expresión es teórico, debe ajustarse al diámetro comercial más aproximado



h) Se determina el nudo de la red con la presión más desfavorable. Este puede ser aquel al

que para llegar se requiera consumir la mayor pérdida de carga y que a la vez exista la presión requerida. Las pérdidas de carga pueden calcularse con la fórmula de Manning o con la fórmula de Hazen & Williams.


Si el diseño no cumple con las presiones requeridas, se procede a rectificar el diseño, variando los diámetros necesarios o, si es posible, elevando el tanque regularizador.  Se pueden utilizar programas computacionales que nos ayudan a solucionar estos problemas, entre los cuales podemos citar Branch y WaterCad.


i) Una vez terminado el diseño, se procede a dibujar el plano definitivo de la red de distribución, donde debe aparecer:
i) Diámetros y longitudes

ii) Piezas de conexión, válvulas, etc.

iii) En cada nudo un circulo con los siguientes datos:

 
Todos los cálculos que presuponen el diseño anterior deben presentarse en forma de tabla, a libre elección del ingeniero a cargo del diseño. Se sugiere la tabla de cálculo del Tabla
6.1 a la cual se le pueden adicionar o restar las columnas que se considere necesario.

Tabla 6.1 Tabla de calculo para red de distribución Ramificada

Aceras, Bordillos y Estructuras de protección - Puentes.

La parte de la superestructura también esta formada por otros componentes, que ya fueros vistos en anteriores capítulos, estos son : Bordillos, aceras, y las estructuras de protección vehicular y peatonal, que están compuestos por parapetos, postes y pasamanos. Estos elementos también tienen que ser diseñados para que estos resistan ciertas cargas, un pequeño ejemplo se dará a continuación.

Ejercicio.

Suponiendo que nuestro puente losa calculado en el ejercicio 5.1, esta constituido por postes y pasamanos mixtos, ver figura 5.39.

 
Figura 5.39




Módulo de elasticidad del Hormigón - Efectosde las variables y relaciones.

EFECTOS DE LAS VARIABLES SOBRE EL MÓDULO DE ELASTICIDAD (EC).

Los mismos factores que causan las variaciones en la resistencia en el hormigón también provocan las variaciones en el módulo de elasticidad. La manera en que se realice el ensayo también afecta al valor de los resultados de Ec. La cantidad, tipo y gradación del agregado tienen efectos  importantes sobre Ec.  

El modulo de elasticidad del agregado tiene una relación directa en el Ec del hormigón, es decir un agregado con un modulo de elasticidad alto dará un hormigón con un modulo de elasticidad mayor.

RELACIONES ENTRE LOS MÓDULOS DE ELASTICIDAD.

En condiciones similares y para cargas menores que el 50% de la carga última, los módulos estáticos
de elasticidad para la tracción, compresión y flexión son aproximadamente iguales.

Módulo de elasticidad del Hormigón - método Para su determinación.


GENERALIDADES 
El módulo de elasticidad, definido por la ecuación E = esfuerzo /deformación es una medida de la rigidez, o sea la resistencia del hormigón a la deformación.

El hormigón no es un material verdaderamente elástico, pero el hormigón que ha endurecido por completo  y  se  ha  cargado  en  forma  moderada  tiene  una  curva  de  esfuerzo  de  compresión- deformación que, en esencia, es una recta dentro del rango de los esfuerzos usuales de trabajo.

El módulo de elasticidad  del  hormigón estructural  normalmente varía entre

y se suele asumir como


MÉTODO DE DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD
En general, los módulos de elasticidad se determinan a partir de pruebas a la compresión de cilindros de hormigón. Los diferentes valores que pueden determinarse a partir de una prueba incluyen el módulo tangente inicial, el módulo secante y el módulo cuerda. Cada uno de estos valores se puede representar por la pendiente de la recta adecuada que se muestra en la figura 7.11.

Una ecuación de amplio uso para calcular el módulo de elasticidad, dado en el ACI 318M-02,
relaciona el módulo de elasticidad con la resistencia a la compresión, fc' [kg/cm2], y el peso unitario del hormigón, wc [kg/m3]. Esta ecuación es satisfactoria para valores de wc entre 1500 y 2500 kg/m3. 
Para hormigón de peso normal el modulo de elasticidad Ec se puede considerar como:

Modulo tangente.- Su valor es variable en cada punto y viene medido por la inclinación de la tangente a la curva en dicho punto:

Cuando se toma en el punto 0,0 se denomina  Modulo Tangente Inicial  o Modulo Inicial.

Modulo secante.- Su valor es variable en cada punto y e medido por la inclinación de la recta que une el origen con dicho punto:
FIGURA 7.11  Curva Esfuerzo Deformación para el hormigón.

Punto de reblandecimiento del betún asfáltico.


Los asfaltos de diferentes tipos reblandecen a temperaturas diferentes. El punto de reblandecimiento se determina usualmente por el método de ensayo arbitrario de anillo y bola. Aunque este ensayo no se incluye en las especificaciones para los asfaltos de pavimentación, se emplea frecuentemente para caracterizar los materiales más duros empleados en otras aplicaciones e indica la temperatura a que estos asfaltos se hacen fluidos. Consiste en llenar de asfalto fundido un anillo de latón de dimensiones normalizadas. La muestra así preparada se suspende en un baño de agua y sobre el centro de la muestra se sitúa una bola de acero de dimensiones y peso especificados. A continuación se calienta el baño a una velocidad determinada y se anota la temperatura en el momento en que la bola de acero toca el fondo del vaso de cristal. Esta temperatura se llama punto de reblandecimiento del asfalto.

Los procedimientos y aparatos necesarios para la realización del ensayo se describen con detalle en los métodos AASHTO T53 y ASTM D36.

Peso Especifico del betún asfáltico.


Aunque normalmente no se especifica, es deseable conocer el peso específico del betún asfáltico que se emplea. Este conocimiento es útil para hacer las correcciones de volumen cuando éste se mide a temperaturas elevadas. Se emplea como uno de los factores para la determinación de los huecos en las mezclas asfálticas para pavimentación compactadas. El peso específico es la relación del peso de un volumen determinado del material al peso de igual volumen de agua, estando ambos materiales a temperaturas especificadas. Así, un peso específico de 1,05 significa que el material pesa 1,05 veces lo que el agua a la temperatura fijada. El peso específico del betún asfáltico se determina normalmente por el método del pignómetro, descrito en los métodos AASHTO T43 y ASTM D70.

Solubilidad del betún asfáltico.


El ensayo de solubilidad determina el contenido en betún del betún asfáltico. La porción de betún asfáltico soluble en sulfuro de carbono está constituida por los elementos aglomerantes activos.

La mayor parte de los betunes asfálticos se disuelven en igual proporción en sulfuro de carbono y en tetracloruro de carbono. Como el tetracloruro de carbono no es inflamable, es el disolvente preferido en la mayor parte de los casos.

La determinación de la solubilidad es sencillamente un proceso de disolución del betún asfáltico en un disolvente separando la materia soluble. El material y procedimiento necesarios para la realización del ensayo se describen detalladamente en los métodos AASHTO T44 y ASTM D4.

Ductilidad del betún asfáltico.


La ductilidad es una característica de los betunes asfálticos importante en muchas aplicaciones. La presencia o ausencia de ductilidad, sin embargo, tiene usualmente mayor importancia que el grado de ductilidad existente. Los betunes asfálticos dúctiles tienen normalmente mejores propiedades aglomerantes que aquellos a los que les falta esta característica. Por otra parte, los  betunes asfálticos con una ductilidad muy elevada son usualmente más susceptibles a los cambios de temperatura. En algunas aplicaciones, como las mezclas para pavimentación, tienen gran importancia la ductilidad y el poder aglomerante, mientras en otras, como la inyección bajo losas de hormigón y en el relleno de grietas, la propiedad más esencial es una baja susceptibilidad a los cambios de temperatura.

Las condiciones normalizadas para este ensayo se determinan detalladamente en los métodos AASHTO T51 y ASTM D113.

Ensayo en estufa de película delgada del betún asfáltico.

El ensayo en estufa en película delgada se emplea para prever el endurecimiento que puede esperarse se produzca en un betún asfáltico durante las operaciones de mezclado en la instalación mezcladora. Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados antes y después del tratamiento en estufa. Se expresa la penetración del betún asfáltico después del tratamiento en la estufa como porcentaje de la penetración antes del tratamiento. Las especificaciones prescriben valores mínimos para el porcentaje de penetración retenido (véase la tabla II.5), que varían para los diferentes tipos de betún asfáltico.

El procedimiento a seguir en la realización del ensayo en horno en película delgada se explica con detalle en el método AASHTO T179.

Tabla II.5. Especificaciones para Betunes Asfálticos

Punto de inflamación del Betún Asfáltico.


El punto de inflamación del betún asfáltico indica la temperatura a que puede calentarse el material sin peligro de inflamación en presencia de llama libre. Esta temperatura es usualmente muy inferior a aquella a que el material ardería. Esta última temperatura se llama punto de fuego, pero rara vez se incluye en las especificaciones de los betunes asfálticos.

El punto de inflamación de un betún asfáltico se mide por el ensayo del vaso abierto Cleveland según condiciones normalizadas prescritas en los métodos AASHTO T48 y ASTM D92. Un vaso abierto de latón se llena parcialmente con betún asfáltico y se calienta a una velocidad establecida. Se hace pasar periódicamente sobre la superficie de la muestra una pequeña llama, y se define como punto de llama la temperatura a la que se han desprendido vapores suficientes para producir una llamarada repentina.

Viscosidad del betún asfáltico.


La finalidad del ensayo de viscosidad es determinar el estado de fluidez de los asfaltos a las temperaturas a las que se emplean durante su aplicación. La viscosidad o consistencia del betún asfáltico se mide en el ensayo de viscosidad Saybolt-Furol o en el ensayo de viscosidad cinemática.

En el ensayo Saybolt-Furol se emplea un viscosímetro Saybolt con un orificio Furol. Se coloca en un tubo normalizado cerrado con un tapón de corcho una cantidad especificada de betún asfáltico. Como las temperaturas a que se determina la viscosidad de los betunes asfálticos son frecuentemente superiores a los 100 ºC, el baño de temperatura constante del viscosímetro se llena con algún tipo de aceite. Cuando el asfalto ha alcanzado una temperatura establecida, se quita el tapón y se mide el tiempo necesario en segundos para que pasen a través del orificio Furol 60 ml del material. Cuando más viscosos son los materiales más tiempo es necesario para que pasen a través del orificio. Los valores obtenidos se expresan como segundos Saybolt-Furol (SSF). Los aparatos y procedimiento para la realización de este ensayo se describen detalladamente en el método ASTM E102.

La viscosidad cinemática del betún asfáltico se mide normalmente con viscosímetros de tubo capilar de cristal como el descrito en el método ASTM D445. Como consecuencia de la comodidad del ensayo y de la mayor exactitud de los resultados, hay una reciente tendencia a medir la viscosidad cinemática de los betunes asfálticos y de los asfaltos fluidificados. Para este ensayo son necesarios, como consecuencia de la amplia gama de viscosidades de los asfaltos, varios viscosímetros calibrados que difieren entre sí en el tamaño del tubo capilar. La base de este ensayo es la medida del tiempo necesario para que fluyan un volumen constante de material bajo condiciones de ensayo, como temperatura y altura de líquido, rígidamente controladas. Mediante el tiempo medido, en segundos, y la constante de calibración del viscosímetro, es posible calcular la viscosidad cinemática del material en la unidad fundamental, centistokes.

El procedimiento de ensayo, los aparatos necesarios y el procedimiento de calibración del viscosímetro se describen en el método ASTM D445.

Penetración del betún asfáltico.


El ensayo de penetración determina la dureza o consistencia relativa de un betún asfáltico, midiendo la distancia que una aguja normalizada penetra verticalmente en una muestra de asfalto en condiciones especificadas de temperatura, carga y tiempo. Cuando no se mencionan específicamente otras condiciones, se entiende que la medida de la penetración se hace a 25 ºC, que la aguja está cargada con 100 g y que la carga se aplica durante 5 s. La penetración determinada en estas condiciones se llama penetración normal. La unidad penetración es la décima de milímetro. Es evidente que cuando más blando sea el betún asfáltico mayor será la cifra que indique su penetración.

Los betunes asfálticos se clasifican en grados según su dureza o consistencia por medio de la penetración. El Instituto del Asfalto ha adoptado cuatro grados de betún asfáltico para pavimentación con penetraciones comprendidas dentro de los márgenes siguientes: 60-70, 85-100, 120-150 y 200-300. Además, el Instituto tiene especificaciones para un betún asfáltico de penetración comprendida en el margen 40-50, que se usa en aplicaciones especiales e industriales. Los aparatos y procedimientos para realizar el ensayo de penetración se describen en el Método AASHTO T49 y en el ASTM D5.

Betún Asfáltico.

El asfalto se presenta en una amplia variedad de tipos y grados normalizados. En las tablas II.5, 6, 7, 8, 9 se dan las especificaciones normalizadas para los tipos y grados de asfaltos empleados en construcción de pavimentos y otras aplicaciones. En los siguientes párrafos se describen brevemente los ensayos de laboratorio necesarios para determinar si los asfaltos cumplen estas especificaciones, y se hace referencia a los métodos de ensayo normalizados. Para mayor comodidad, los ensayos aplicables a cada tipo de asfalto se han agrupado y aparecen en el orden en que se citan en las tablas de características a las que acabamos de referirnos.




Cuidados que deben tomarse en el uso de emulsiones asfálticas.

Se deberá elegir una emulsión compatible químicamente con la naturaleza del agregado mineral.

La velocidad de ruptura de la emulsión deberá ser la adecuada para permitir una buena cobertura del agregado y un curado más rápido.

No deberá emplearse a temperaturas por debajo de 10 ºC, ni por encima de 70 ºC.

En el acopio no se deberán mezclar diferentes tipos de emulsiones, ni con otro material bituminoso.

Se recomienda hacer recircular el producto, antes de ser empleado, siempre que hubiera estado acopiado por más de 30 días.

Clasificación y Ventajas que ofrecen las emulsiones.


CLASIFICACIÓN DE LAS EMULSIONES

POR SU POLARIDAD


Las emulsiones se clasifican en tres categorías: Aniónicas, catiónicas y no iónicas. En la práctica, las dos primeras son usadas en la construcción y mantenimiento vial. Las no iónicas, actualmente no tienen uso, pero en el futuro pueden llegar a tener una mayor utilización con el avance la tecnología. La clasificación de aniónicas y catiónicas se refiere a las cargas eléctricas que rodean a las partículas de asfalto. De acuerdo a una ley básica de la electricidad: Cargas del mismo signo se repelen y cargas contrarias se atraen. Cuando dos polos (un ánodo y un cátodo) se sumergen en un líquido a través del cual fluye una corriente eléctrica, el ánodo se carga positivamente y el cátodo negativamente. Si se hace pasar corriente eléctrica a través de una emulsión que contiene partículas de asfalto cargadas negativamente, estas migraran hacia el ánodo, entonces la emulsión se denomina aniónica. Inversamente, las partículas de asfalto cargadas positivamente se dirigirán al cátodo, por lo cual la emulsión será catiónica. En las emulsiones no iónicas, las partículas de asfalto son neutras, y por consiguiente no serán atraídas por ninguno de los polos.


POR LA VELOCIDAD DE ROTURA

La ruptura de una emulsión asfáltica es el fenómeno que se produce cuando los glóbulos de asfalto de la emulsión dispersa en el agua, en contacto con el agregado mineral, sufren una ionización por parte del agregado, dando origen a la formación de un compuesto insoluble en agua, que se precipitará sobre el material pétreo.

La coalescencia se refiere al proceso que sigue la emulsión para convertirse nuevamente en betún asfáltico. 

La tendencia a coalescer está estrechamente relacionada con la capacidad de mezcla de una emulsión.

Las emulsiones de acuerdo a la rapidez con que el asfalto puede llegar a la coalescencia se clasifican según el Instituto del Asfalto en:

RS de rotura rápida
MS de rotura media
SS de rotura lenta

Una emulsión RS tiene escasa o ninguna habilidad para mezclarse con el agregado, una emulsión MS se mezcla con mayor facilidad con agregados gruesos pero no con finos, y una emulsión SS se mezclará más fácilmente con agregados finos.


La AASHTO y la ASTM han desarrollado normas para los siguientes tipos de emulsión:

Tabla II.3. Normas desarrolladas por la AASHTO y la ASTM
 
La letra C antes del tipo de emulsión significa catiónica. La ausencia de esta letra, significa aniónica o no iónica. Por ejemplo RS-1 puede ser aniónica o no iónica y CRS-1 es catiónica.

El tipo de aplicación determina además la viscosidad requerida para el producto, por lo tanto las cifras 1 y 2 indican grados de viscosidad baja y alta respectivamente.

De acuerdo a las condiciones climáticas en el entorno de la obra, muchas veces será necesario el uso de emulsiones cuyo residuo asfáltico tenga mayor dureza. Estas se diferencian colocando una letra “h” al final de su denominación cuando la penetración del residuo está entre 40 y 90 décimas de mm.

La “HF” significa alta flotación, la cual se mide por la prueba de flotación (AASHTO T50 ó ASTM D139).

La emulsión de grado CSS-lh se utiliza para preparar mezclas especiales, como el Mortero Asfáltico (Slurry Seal). Con la adición de polímeros a esta emulsión, se produce el Micropavimento (Microsurfacing).

VENTAJAS QUE OFRECEN LAS EMULSIONES

Las emulsiones asfálticas pueden ser empleadas en todas las capas de un pavimento, en revestimientos asfálticos nuevos, en recapeos, en rejuvenecimiento de pavimento y hasta en operaciones de parcheo. Entre las ventajas que ofrecen podemos señalar las siguientes:

Para la preparación de las Emulsiones Asfálticas se requiere poca energía, únicamente para diluir el betún asfáltico que alimentará el molino coloidal.

Al sustituir los fluidificantes por agua, se economiza el costo de los derivados de petróleo, con la consiguiente conservación de la energía, durante el proceso de la producción de la emulsión, debido a que no se requiere elevar la temperatura de sus componentes.

Evitan la polución ambiental, debido a que el proceso de mezcla, se realiza a temperatura ambiente, lo cual evita la emisión de gases contaminantes.

La preparación de la emulsión a temperatura ambiente evita la oxidación del ligante asfáltico.

Usadas en tratamientos superficiales o en premezclados en frío, evitan pérdidas de dinero con relación a los asfaltos diluidos, porque no ocasionan la evaporación de solventes durante el proceso de curado.

En tratamientos superficiales llevan ventaja con relación a la utilización de otro ligante, porque presentan óptima adherencia con cualquier tipo de agregado, sin necesidad de aditivos de adherencia.


Estas ventajas de: Conservación de energía y de reducción de la polución atmosférica han motivado, en los países de mayor desarrollo, el uso preferente de las emulsiones asfálticas en la construcción de carreteras.

Tabla II.4. Cuadro comparativo de los materiales asfálticos








Emulsiones Asfálticas y su Composición.

DEFINICIÓN
En general, una emulsión es una dispersión de dos elementos insolubles uno en el otro.

Existen diversos tipos de emulsificados que se usan cotidianamente, por ejemplo la mayonesa, las pinturas, los tintes para el cabello y los helados. En cada caso están involucrados ciertos procesos mecánicos y químicos que permiten la combinación de dos o más materiales que no se mezclarían bajo condiciones normales. Más allá de la complejidad química de las emulsiones asfálticas, lo importante es seleccionar la emulsión correcta para el agregado y sistema constructivo utilizados.

Considerando esto, podemos definir una emulsión desde el punto de vista físico-químico, como una dispersión fina más o menos estabilizada de un liquido en otro, no miscibles entre sí.  La emulsión asfáltica es un producto conseguido por la dispersión de una fase asfáltica en una base acuosa, donde las partículas quedan electrizadas, por lo tanto los líquidos que la forman constituyen dos partes que se denominan:

-     Fase dispersa o discontinua.
-     Fase dispersante o continua.

Existen dos tipos de emulsiones según la concentración de cada una de estas fases: una emulsión directa es aquella en que la fase hidrocarbonada está dispersa en la parte acuosa; en la inversa, la fase acuosa esta dispersa en la parte hidrocarbonada. Las del primer tipo son las que más se emplean en la industria caminera.

Es preferible el empleo de las emulsiones directas por su baja viscosidad a temperatura ambiente, esto favorece el mojado, repartición y cohesión con el material pétreo.

COMPOSICIÓN

Una emulsión tiene tres ingredientes básicos: asfalto, agua y un agente emulsificante. En algunas ocasiones el agente emulsificante puede contener un estabilizador. En aplicaciones especiales como es el caso del Micropavimento se agrega un ingrediente más, el polímero.

Es bien sabido que el agua y el asfalto no se mezclan, excepto bajo condiciones cuidadosamente controladas, usando equipo especializado y aditivos químicos. La mezcla de betún asfáltico ó cemento asfáltico y agua es algo análoga al caso de un mecánico de automóviles que trata de quitarse la grasa de sus manos con agua. Únicamente, hasta cuando use un detergente o agente jabonoso le será posible remover la grasa con éxito. 

Las partículas de jabón rodean los glóbulos de grasa, rompen la tensión superficial que los une y permite que sean lavados. Se aplican principios físicos y químicos similares para la formulación y producción de las emulsiones asfálticas.


El propósito es conseguir una dispersión de betún asfáltico en agua, suficientemente estable para el bombeo, almacenamiento prolongado y mezclado. Además, la emulsión deberá romper rápidamente al entrar en contacto con el agregado en el mezclador o después de ser esparcida sobre la superficie de la vía. Una vez curado, el asfalto residual conserva todas las propiedades de adhesividad, durabilidad y resistencia al agua del betún asfáltico usado para producirla.

Para el caso del micropavimento, la emulsión utilizada es la misma, solo que se le añade un polímero, el cual le proporciona sus características particulares.

A continuación se presenta una descripción de los componentes de una emulsión asfáltica.

BETÚN ASFÁLTICO­

El betún asfáltico es el ingrediente básico de una emulsión y en la mayoría de los casos, representa del 55 al 70 por ciento de la emulsión.

No existe correlación exacta entre las propiedades del betún asfáltico y la facilidad con la cual el asfalto puede emulsificarse. No obstante que la dureza del betún asfáltico puede elegirse a voluntad, la mayor parte de las emulsiones se hacen con asfaltos situados dentro un intervalo de penetración de 100 a 250. A veces, las condiciones climáticas pueden determinar el uso de un asfalto más blando o más duro. En cualquier caso, es esencial la compatibilidad del agente emulsificante con el betún asfáltico para producir una emulsión estable.

El asfalto es un coloide compuesto de varias fracciones, siendo las principales los asfáltenos y los maltenos. La constitución coloidal del asfalto depende de la naturaleza química,  el porcentaje de fracciones y sus relaciones entre ellas. Los asfáltenos son la fase dispersa del asfalto, mientras que los maltenos son la fase continua. Se ha establecido que los asfáltenos suministran la dureza, mientras que los maltenos confieren las propiedades de adhesividad y ductilidad.

AGUA

El segundo ingrediente en cantidad es el agua. No puede restarse importancia a su contribución para dotar al producto final de propiedades deseables. El agua humedece y disuelve; se adhiere a otras sustancias; y modera las reacciones químicas; estos factores permiten la producción de una emulsión satisfactoria. Por otro lado, el agua puede contener minerales u otras sustancias que afecten a las propiedades de la emulsión, son inadecuadas las aguas sin tratar a causa de sus impurezas, especialmente las que tienen iones de calcio y magnesio.

El agua usada para preparar emulsiones deberá ser razonablemente pura y libre de materias extrañas.

AGENTES EMULSIFICANTES

­Las propiedades de una emulsión dependen notablemente del producto químico usado como emulsificante. 

Dicho químico es un agente con actividad de superficie, comúnmente llamado “surfactante”, que determina si la emulsión se clasificará como aniónica, catiónica o no iónica. El emulsificante, también mantiene los glóbulos de asfalto en suspensión estable y permite su rotura oportuna. El surfactante cambia la tensión superficial en la interfase, es decir en el área de contacto entre los glóbulos de asfalto y el agua. Hay gran disponibilidad de emulsificantes químicos. Deben seleccionarse por su compatibilidad con el betún asfáltico usado.


Los emulsificantes aniónicos más frecuentemente usados son los ácidos grasos derivados de la producción maderera, tales como aceites de tallos, resinas y ligninas. Los emulsificantes aniónicos son saponificados (vueltos jabón) por reacción con hidróxidos de sodio o potasio.

La mayoría de los emulsificantes catiónicos son aminas grasas (diaminas, imidazolinas y amidoaminas). Las aminas son convertidas en jabón por reacción con un ácido, generalmente clorhídrico. Otro tipo de agente emulsificante es la sal cuaternaria de amonio, que se usa para producir emulsiones catiónicas.

En la mayor parte de los casos, el agente se combina con el agua antes de introducirlo en el molino coloidal. En otros casos puede combinarse con el betún asfáltico antes de su ingreso al molino.

A continuación se muestra una relación porcentual del contenido aproximado de los distintos ingredientes que componen una emulsión asfáltica.

Tabla II.2. Composición de las emulsiones asfálticas


POLÍMERO

­El polímero es un elemento modificador de la emulsión en forma de Látex, que tiene la propiedad de dar mayor flexibilidad al asfalto, evitar la penetración de los rayos ultravioletas, retardando su oxidación, evitando su deterioro prematuro y alargando su vida útil. El polímero se agrega a la solución jabonosa antes de ingresar al molino coloidal, es un material de fácil dispersión en agua.

Propiedades del material Asfáltico.

El asfalto es un material de particular interés para el ingeniero porque es un aglomerante resistente, muy adhesivo, altamente impermeable y duradero. Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con las que se combina usualmente. Además, es altamente resistente a la mayor parte de los ácidos, álcalis y sales. Aunque es una sustancia sólida o semisólida a temperaturas atmosféricas ordinarias, puede licuarse fácilmente por aplicación de calor, por la acción de disolventes de volatilidad variable o por emulsificación.

Terminología del Asfalto.

1.    Asfalto de petróleo: Es un asfalto obtenido de la destilación del crudo de petróleo.

2.    Asfalto fillerizado: Asfalto que contiene materias minerales finamente molidas que pasan por el tamiz No.200.

3.    Asfalto líquido: Material asfáltico cuya consistencia blanda o fluida hace que esté fuera del campo de aplicación del ensayo de penetración, cuyo límite  máximo es 300. Generalmente, se obtienen fluidificando el betún asfáltico con disolventes de petróleo, al exponer estos productos a los agentes atmosféricos los disolventes se evaporan, dejando solamente el betún asfáltico en condiciones de cumplir su función. Entre los asfaltos líquidos se pueden describir los siguientes:

        a.    Asfalto de curado Rápido (RC): Asfalto líquido compuesto de betún asfáltico y un disolvente tipo nafta o gasolina, muy volátil. (véase la tabla II.6)

        b.    Asfalto de curado medio (MC): Asfalto líquido compuesto de betún asfáltico y un disolvente tipo querosene de volatilidad media. (véase la tabla II.7)

        c.    Asfalto de curado lento (SC): Asfalto líquido compuesto de betún asfáltico y aceites relativamente poco volátiles. (véase la tabla II.8)


        d.    Asfalto emulsificado: Emulsión de betún asfáltico en agua, que contiene pequeñas cantidades de agentes emulsificantes, es un sistema heterogéneo formado por dos fases normalmente inmiscibles (asfalto y agua), en el que el agua constituye la fase continua de la emulsión y la fase discontinua está formada por pequeños glóbulos de asfalto (véase la tabla II.9). Los asfaltos emulsificados pueden ser de dos tipos aniónico o catónico, según el tipo de agente emulsificante empleado.

        e.    Emulsión asfáltica inversa: Es una emulsión asfáltica en la que la fase continua es asfalto, usualmente de tipo líquido, y la fase discontinua está constituida por diminutos glóbulos de agua en proporción relativamente pequeña. Este tipo de emulsión puede ser también aniónica o catónica.

4.    Asfalto Natural (nativo): Asfalto que da en la Naturaleza y que se ha producido a partir del petróleo por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles dejando las asfálticas. Los yacimientos más importantes se encuentran en los lagos de Trinidad y Bermúdez, por este motivo el asfalto procedente de estos lugares se denomina asfalto de lago.

5.    Asfalto Oxidado o Soplado: Asfalto a través de cuya masa, a elevada temperatura, se ha hecho pasar aire para darle las características necesarias para ciertos usos especiales, como fabricación de materiales para techado, revestimiento de tubos, membranas envolventes, y otras aplicaciones hidráulicas.

6.    Asfalto Sólido o Duro: Asfalto cuya penetración a temperatura ambiente es menor que 10.

7.    Betún: Mezcla de hidrocarburos de origen natural o pirogénico o de ambos tipos, frecuentemente acompañados por sus derivados no metálicos que pueden ser gaseosos, líquidos, semisólidos o sólidos, son solubles en sulfuro de carbono.

8.    Betún asfáltico: También llamado Cemento Asfáltico (CA), el cual es asfalto refinado para satisfacer las especificaciones establecidas para los materiales empleados en pavimentación. (véase la tabla II.5) Las penetraciones normales de estos betunes están comprendidos entre 40 y 300 (véase II.4.1.1).

9.    Gilsonita: Tipo de asfalto natural duro y quebradizo que se presenta en grietas de rocas o filones de los que se extrae.

10.    Material asfáltico para relleno de juntas: Producto asfáltico empleado para llenar grietas y juntas en pavimentos y otras estructuras.

11.    Material asfáltico prefabricado para relleno de juntas: Tiras prefabricadas de asfalto mezclado con sustancias minerales muy finas, materiales fibrosos, corcho, etc., en dimensiones adecuadas para la construcción de juntas.

12.    Pintura asfáltica: Producto asfáltico líquido que a veces contiene pequeñas cantidades de otros materiales, como negro de humo polvo de aluminio y pigmentos minerales.

Materiales Asfálticos.

Son materiales aglomerantes sólidos o semisólidos de color que varía de negro a pardo oscuro y que se licuan gradualmente al calentarse, cuyos constituyentes predominantes son betunes que se dan en la Naturaleza en forma sólida o semisólida o se obtienen de la destilación del petróleo; o combinaciones de éstos entre sí o con el petróleo o productos de estas combinaciones.

Forma, Textura y Limpieza del Agregado.


Por lo general, las especificaciones para agregados que se usan en la construcción de carreteras tienen requerimientos relacionados con la forma de la partícula, la textura de la superficie y la limpieza del agregado. Normalmente, las especificaciones para agregados que se usan en las mezclas bituminosas requieren que los agregados sean resistentes, limpios, durables y libres de cantidades en exceso de piezas planas o alargadas, polvo, bolas de arcilla y otro material indeseable.

De igual manera, los agregados que se usan en las mezclas de concreto con cemento portland deben estar limpios y libres de substancias nocivas como grumos de arcilla, sílice hidratada, limos y otras impurezas orgánicas.

Se garantiza generalmente la limpieza del agregado si se incluye en las especificaciones requerimientos relativos a los porcentajes máximos permisibles de diferentes substancias dañinas presentes. Los requerimientos específicos a este respecto varían ligeramente para las diferentes dependencias.

Estabilidad química de los agregados.

Ciertos agregados pueden ser inadecuados para una aplicación particular de construcción de carreteras debido a la composición química de las partículas del agregado. En las mezclas de asfalto, ciertos agregados que tienen una afinidad excesiva por el agua pueden contribuir a que se levante o remueva el asfalto, lo que conduce a la desintegración de las superficies de asfalto.

Se puede decir que un agregado de naturaleza “hidrofóbica” es aquel que tiene un alto grado de resistencia a la remoción de la capa de asfalto en presencia del agua. Por lo general, se puede suponer que la substancia bituminosa en una mezcla bituminosa está presente en la forma de delgadas películas que rodean a las partículas del agregado y que llenan, por lo menos parcialmente, los espacios vacíos entre partículas adyacentes. Estas delgadas películas de material bituminoso se adhieren a la superficie de los agregados normales y contribuyen a la resistencia al corte de la mezcla; este efecto se considera generalmente como parte de la “cohesión” de la mezcla. Para una exposición continua al agua, ya sea en el laboratorio o en el campo, las mezclas bituminosas que contengan ciertos agregados muestran una tendencia definitiva a perder resistencia al corte, “fortaleza”, debido a una disminución en la cohesión que se debe principalmente al reemplazo de las películas bituminosas que rodean a las partículas del agregado con películas similares de agua. Los agregados que exhiben esta tendencia en un grado marcado y nocivo se llaman agregados “hidrofílicos”, que quiere decir “afines al agua”. Por lo contrario, los agregados que muestran poca o ninguna disminución en la resistencia debido a la remoción de la capa asfáltica se llaman “hidrofóbicos”o “repelentes al agua”.

Para juzgar la resistencia relativa a la remoción del asfalto de los agregados, se han utilizado varios procedimientos de laboratorio diferentes, siendo los más destacados la prueba de remoción del  asfalto y la prueba de inmersión-compresión. La prueba de remoción de asfalto consiste en recubrir al agregado con el material bituminoso, sumergirlo en agua al agregado recubierto durante 16 a 18 h y luego, observar si el área total del agregado recubierto con una película bituminosa está por encima o por debajo del 95 por ciento. La prueba de inmersión-compresión consiste en comparar la resistencia a la compresión de especimenes cilíndricos de una mezcla bituminosa (preparados, moldeados y probados de manera estándar) con reproducciones que han sido sujetas a inmersión en agua por un tiempo definido y estandarizado.

Los agregados que se usan en las mezclas de concreto con cemento portland también pueden causar problemas relacionados con la estabilidad química. En ciertas áreas se ha tenido mucha dificultad con agregados que contienen substancias nocivas que reaccionan adversamente con los álcalis presentes en el cemento. Generalmente las reacciones adversas de alcaliagregado provocan la expansión anormal del concreto. Se han creado métodos (Métodos C227 y C289 de la ASTM) para detectar agregados con estas  características dañinas y se incluyen indicaciones adecuadas en especificaciones típicas (por ejemplo, ASTM C33).

Densidad Relativa y Absorción – Agregados.

La densidad relativa y la absorción de los agregados son propiedades importantes que se requieren para el diseño de concreto y de mezclas bituminosas. La densidad relativa de un sólido es la razón de su masa a la de un volumen igual de agua destilada a una temperatura específica. Debido a que los agregados pueden contener huecos permeables al agua, se usan dos medidas de la densidad relativa de los agregados: densidad relativa aparente y densidad relativa de la masa.

La densidad relativa aparente, GA, se calcula con base en el volumen neto de los agregados, esto es, sin contar los huecos permeables al agua. Así,


donde:

MD = masa seca del agregado
VN  = volumen neto de los agregados sin considerar el volumen del agua absorbida
  w =  densidad del agua

La densidad relativa total, GB, se calcula con base en el volumen total de los agregados, incluyendo los vacíos permeables al agua:


donde:

VB = volumen total de los agregados, incluyendo el volumen de agua absorbida

La diferencia entre las densidades relativas aparente y la total equivale a los huecos permeables al agua de los agregados. El volumen de estos huecos se puede medir pesando los agregados secos y en condiciones superficiales secas y saturadas, esto es, con todos los vacíos permeables llenos de agua. La diferencia entre las dos masas es la masa absorbida, MW. Normalmente se expresa a la absorción de agua como un porcentaje de la masa del agregado seco,