Vol. 5, N° e831, año 2023
ISSN – Online: 2708-3039
DOI:
https://doi.org/10.47796/ing.v5i0.831
Artículo
original
Influencia de la escoria metalúrgica en las propiedades mecánicas del
pavimento flexible
Influence of metallurgical slag
on the mechanical properties of flexible pavement
https://orcid.org/0000-0001-5686-4834
Recibido: 9/08/2023
Aceptado: 25/09/2023
Publicado: 17/10/2023
Resumen
El desarrollo de la
infraestructura de transporte desempeña un papel fundamental en el fomento de
actividades turísticas al mejorar la accesibilidad a diversos destinos. La
calidad de las carreteras pavimentadas, en particular, influye en el flujo del
comercio y el turismo. La investigación se centró en evaluar la influencia de
la adición de escoria metalúrgica (EM) en las propiedades mecánicas de los
pavimentos flexibles. Se utilizó una muestra de 60 briquetas que se sometieron
a pruebas utilizando el método Marshall con diferentes niveles de adición de
EM; 5 %, 8 %, 12 % y 15 %. Los resultados revelaron que la combinación de un
4,5 % de contenido de asfalto (CA) y un 12 % EM demostró ser adecuada en
términos de estabilidad, alcanzando un valor de 1540,3 kg, así como un flujo
promedio de 2,73 cm. En consecuencia, se concluye que la inclusión de EM mejora
las propiedades mecánicas de la capa asfáltica, lo que sugiere que este
material podría ser utilizado en el diseño de mezclas para pavimentación vial.
Se recomienda que el porcentaje de EM a utilizar se encuentre en el rango del 5
% al 10 % para mantener un equilibrio adecuado entre estabilidad y flujo en la
mezcla.
Palabras clave: método marshall;
escoria metalúrgica; estabilidad, flujo.
Abstract
The development of transportation infrastructure plays a fundamental
role in promoting tourism activities by enhancing the accessibility to various
destinations. The quality of paved roads particularly
influences the flow of trade and tourism. The research focused on
evaluating the influence of the addition of metallurgical slag (MS) to the
mechanical properties of flexible pavements. A sample of 60 briquettes
underwent testing using the Marshall method with different levels of MS
addition: 5 %, 8 %, 12 %, and 15 %. The results revealed that a combination of
4.5 % asphalt content (AC) and 12 % MS proved to be suitable in terms of
stability, reaching a value of 1540.3 kg, as well as an average flow of 2.73
cm. Consequently, it is concluded that the inclusion of MS enhances the
mechanical properties of the asphalt layer, suggesting that this material could
be used in the design of mixtures for road paving. It is recommended that the
percentage of MS to be used falls within the range of 5 % to 10 % to maintain
an adequate balance between stability and flow in the mixture.
Keywords: Marshall
method; metallurgical slag; stability; flow.
1. Introducción
El pavimento
representa un elemento crucial en el contexto del transporte público, ya que
desempeña un papel fundamental en la percepción de los usuarios. Esta
importancia se traduce en una significativa inversión económica en este sector,
ya que su estado incide directamente en las condiciones de tráfico y la
comodidad tanto de peatones como de conductores (Xu
et al., 2020). Sin embargo, el mantenimiento y la reconstrucción inadecuados, a
menudo restringidos por limitaciones presupuestarias, pueden conducir a un
deterioro prematuro del pavimento (Yan et al., 2021). Por otra parte, en el
caso de la infraestructura vial, a pesar de su contribución al crecimiento
económico y la conectividad entre diversas regiones, se ve obstaculizada por
las deficientes condiciones del pavimento flexible, lo que genera problemas en
el transporte vehicular, incluyendo vibraciones no deseadas en los vehículos,
accidentes de tránsito y un aumento en el consumo de combustible (Milling
et al., 2023; Monge & Garrido, 2020).
Este desafío está
estrechamente vinculado con la explotación de agregados en la construcción de
pavimentos. Tal como resalta Hernández et al. (2021), el enfoque carece de
sostenibilidad a largo plazo y agota recursos no renovables, con la consecuente
generación de residuos como subproducto. En contraste, Nouman
et al. (2022) promueven la producción de mezclas asfálticas y enfatizan el
amplio potencial que yace en la incorporación de materiales reciclados, lo cual
podría atenuar significativamente el impacto adverso en términos de
conservación medioambiental. Además, El crecimiento en la acumulación de
desechos, como lo subrayan Piemonti et al. (2021) y Devulapalli et al. (2022) han presentado retos ecológicos y
económicos desde mediados del siglo XX.
Según You et al. (2022), la explotación de recursos naturales
continúa teniendo un impacto significativo en la industria de la construcción,
particularmente en la producción y el mantenimiento de pavimentos asfálticos.
Además, Hernandez-Fernandez et al. (2021), Gan et al.
(2022), Meshram et al. (2023) y Yao et al. (2022) han
señalado el creciente interés en la inclusión de escoria en mezclas asfálticas
debido a su influencia positiva en las propiedades mecánicas de estas mezclas.
Para afrontar el
desafío, diversos autores incorporaron diferentes materiales reciclados en
mezclas asfálticas (Carpio &
Mosqueira, 2020), como escoria siderúrgica (Arias & López 2021; Diaz, 2022),
escoria de horno (Guerra & Peña, 2021; Carpi & Mosqueira, 2020), escoria de cobre (Mirnezam et al., 2023) y escoria de acero (Chien
et al., 2023; Luis & Silva, 2022; Morcote, 2021)
quienes evidenciaron mejoras significativas en relación a la estabilidad y el
flujo del pavimento. Asimismo, Zhao et al. (2023) resaltaron un rendimiento
superior y reducción de costos.
Por ende, la
incorporación de escoria metalúrgica (EM) en los pavimentos flexibles plantea
la posibilidad de reducir la contaminación, mejorar la resistencia del
pavimento y contribuir a una gestión más sostenible de los recursos. Por lo
tanto, el objetivo principal de la investigación radica en analizar la
influencia de la EM en las propiedades mecánicas del pavimento flexible,
centrándose específicamente en la estabilidad y el flujo. Estos hallazgos no
solo tienen un impacto positivo en la calidad de las carreteras, sino que
también podrían disminuir la generación de residuos industriales, fomentando
así un enfoque más sostenible y resistente con el tiempo, lo que resulta en un
aumento de la capacidad de carga del pavimento.
2. Metodología
La metodología se basó en el uso de la escoria metalúrgica (EM)
añadida al diseño de mezcla del pavimento flexible como un aditivo reciclado.
Para ello, se efectuó el análisis granulométrico bajo la normativa NTP 400-012
de los agregados mediante el tamizado de estos, cada uno con diferentes mallas
para el fino (N° 4, N° 8, N° 16, N° 30, N°
50, N° 100, N° 200) y para
el grueso (3 in, 2 in, 1½ in, 1 in, ¾ in, ½ in, # 4). El procedimiento
consistió en zarandear el agregado de cada muestra tomada para finalmente pesar
los materiales retenidos en cada malla (MTC, 2016).
Asimismo, se realizó el ensayo de desgaste del agregado por abrasión
de los Ángeles (NTP 400.019), que implicaba tomar la muestra con granulometría
definida y colocarla en el cilindro giratorio de acero de forma completamente
cerrada y horizontalmente (MTC, 2016). La muestra fue impactada repetidamente
por unas esferas metálicas introducidas en el cilindro, y el desgaste obtenido
fue del 19,60 %.
Luego, se fabricaron especímenes, también conocidos como briquetas,
que se elaboraron para un diseño de mezcla patrón y para los diseños de mezcla
con adición de 5 %, 8 %, 12 %, y 15 % de escoria metalúrgica, respectivamente.
El método Marshall (ASTM D 1188) utilizó briquetas de pruebas estándar con
dimensiones de 6,40 cm (2 1⁄2”) de alto y 10,20 cm (4”) de diámetro; la mezcla
se preparó en caliente, mediante la combinación de los materiales que componían
el diseño de mezcla, y luego se compactó en el molde las briquetas. Los
aspectos principales del método Marshall incluyeron la prueba de flujo y
estabilidad (AASHTO T 245-97) de los especímenes compactados (ASTM D 1559). La
estabilidad estaba relacionada con la carga máxima que soportaba una probeta
cuando se ensayaba a una temperatura con una velocidad de 5,8 cm/m; la fluencia
Marshall estaba relacionada con el comportamiento de la probeta desde la
implementación de la carga hasta el momento en que se producía la falla.
Posteriormente, se registraron los resultados obtenidos respecto a la
estabilidad y al flujo; estos resultados fueron analizados de acuerdo con las
normas técnicas. Además, se llevó a cabo una comparación de los resultados con
valores límites o criterios de aceptación para determinar si las briquetas cumplían
con los requisitos de estabilidad y flujo para su uso en pavimentos flexibles.
Finalmente, se presentaron un total de 60 muestras para cada diseño de
mezcla con adiciones de escoria metalúrgica, y la mezcla asfáltica patrón (sin
adición de escoria metalúrgica) incluyó 12 briquetas. Es importante mencionar
que las briquetas tenían dimensiones de 6,35 cm de alto y 10,16 cm de diámetro.
3. Resultados
La mejor estabilidad se logró con un contenido de
asfalto (CA) del 5,5 % utilizando las 12 briquetas como muestra patrón de
asfalto, lo que resultó en una estabilidad de 1144 kg de las tres pruebas realizadas con un 5,5 % de CA, con
un promedio de estabilidad de 1121,7 ± 20,74 kg, como se muestra en la Figura
1.
En relación a las muestras asfálticas
patrón y el flujo, la Figura 2 ilustra que el mejor se obtuvo con un 4,5 % de
contenido de asfalto en peso de la mezcla, lo que resultó en un flujo promedio de
2,73 ± 0,06 cm. Sin embargo, en función de la mejor estabilidad de la mezcla
patrón, se registró un flujo de 3,00 ± 0,10 cm.
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Figura 2 |
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La Figura 3 presenta la representación visual de los resultados
obtenidos a partir de las 12 briquetas utilizadas como muestras de asfalto con
un 5,0 % de escoria metalúrgica. De estas, el mejor resultado se alcanzó con un
6,0 % de contenido de asfalto en peso de la mezcla, lo que dio como resultado
una estabilidad de 1390,50 kg en las tres pruebas realizadas con un 6,0 % de
CA. No obstante, el promedio más alto se logró con un 5,50 % de CA, con una
estabilidad promedio de 1361,7 ± 28,73 kg.
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Figura 3 |
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Estabilidad de mezcla asfáltica patrón con 5 % de
escoria metalúrgica |
En la Figura 4, se proporciona la muestra
asfáltica con un 5,0 % de escoria metalúrgica. Se observó que el mejor flujo se
obtuvo con un 4,5 % de contenido de asfalto en peso de la mezcla, generando un
flujo promedio de 2,90 ± 0,10 cm. Sin embargo, en el caso de la mezcla con
un 5,0 % de escoria metalúrgica, se obtuvo un flujo de 3,20 ± 0,10 cm, en correspondencia con una mayor
estabilidad.
|
Figura 4 |
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Flujo de mezcla asfáltica 5 % de escoria
metalúrgica |
En la Figura 5 se visualiza el resultado de las 12 briquetas
utilizadas como muestra de asfalto con un 8 % de escoria metalúrgica. La mayor
estabilidad se logró con un 5,5 % de contenido de asfalto en peso de la mezcla,
lo que resultó en una estabilidad de 1557 kg en las tres pruebas realizadas con
un 5,5 % de CA, con un promedio de estabilidad de 1485,3 ± 62,23 kg.
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Figura 5 |
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Estabilidad de mezcla asfáltica con 8 % de escoria
metalúrgica |
En la Figura 6 se presenta la muestra de la
mezcla asfáltica con un 8,0 % de escoria metalúrgica. El mejor flujo se obtuvo
con un 4,5 % de contenido de asfalto en peso de la mezcla, generando un flujo
promedio de 2,83 ± 0,15 cm. Sin embargo, en función de la mayor
estabilidad de la mezcla con un 8,0 % de escoria metalúrgica, se obtuvo un
flujo de 3,20 ± 0,17 cm.
|
Figura 6 |
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Flujo de mezcla asfáltica 8 % de escoria
metalúrgica |
La Figura 7 ilustra los resultados obtenidos a partir de las 12
briquetas utilizadas como muestras de asfalto con un 12 % de escoria
metalúrgica. La mejor estabilidad se alcanzó con un 5,50 % de contenido de
asfalto en peso de la mezcla, lo que resultó en una estabilidad de 1550 kg en
las tres pruebas realizadas con un 5,50 % de CA, con un promedio de estabilidad
de 1540,30 ± 8,50 kg.
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Figura 7 |
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Estabilidad de mezcla asfáltica con 12 % de escoria
metalúrgica |
Por su parte, en la Figura 8 se visualiza el resultado de las 12
briquetas utilizadas como muestra de asfalto con un 12,0 % de escoria
metalúrgica. El mejor flujo se logró con un 4,5 % de contenido de asfalto en
peso de la mezcla, obteniendo un flujo promedio de 2,77 ± 0,06 cm. Sin embargo, debido a la mayor estabilidad de la mezcla con un
12,0 % de escoria metalúrgica, se registró un flujo de 3,70 ± 0,10 cm.
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Figura 8 |
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Flujo de mezcla asfáltica 12 % de escoria
metalúrgica |
En la Figura 9 se muestra el resultado de las 12 briquetas utilizadas
como representación de la muestra asfáltica con un 15,0 % de escoria
metalúrgica. La mejor estabilidad se alcanzó con un 6,0 % de contenido de
asfalto en peso de la mezcla, lo que dio como resultado una estabilidad de 1334
kg en las tres pruebas realizadas con un 6,0 % de CA en peso de la mezcla, con
un promedio de estabilidad de 1314,33 ± 18,61 kg.
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Figura 9 |
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Estabilidad de mezcla asfáltica con 15 % de escoria
metalúrgica |
En la Figura 10 se presenta el resultado de las 12 briquetas
utilizadas como muestra representativa de asfalto con un 15,0 % de escoria
metalúrgica. El mejor flujo se logró con un 4,5 % de contenido de asfalto en
peso de la mezcla, generando un flujo promedio de 2,77 ± 0,06 cm. No obstante, en función de la mayor estabilidad de la mezcla con
un 15,0 % de escoria metalúrgica, se obtuvo un flujo de 3,40 ± 0,26 cm.
|
Figura 10 |
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Flujo de mezcla asfáltica 15 % de escoria
metalúrgica |
Por último, en la Tabla 1 se proporciona un resumen de los resultados
obtenidos de las 12 briquetas. Donde la mejor relación promedio de
estabilidad/flujo para la mezcla patrón, fue de 3738,9 kg/cm. En contraste, de
las 48 briquetas utilizadas para muestras con escoria metalúrgica, se logró la
mejor relación de estabilidad/flujo de 4641,7 kg/cm, lo que representa un
aumento del 10,77 % (902,8 kg/cm) en comparación con la mezcla patrón.
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Tabla 1 Resumen de resultados estabilidad y
flujo |
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Estabilidad |
Flujo |
Relación
Estabilidad/Flujo |
|
|
(kg) |
(cm) |
(kg/cm) |
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Diseño de Mezcla Patrón |
1121,7 |
0,3 |
3738,9 |
|
Diseño de Mezcla con 5 % de EM. |
1361,7 |
0,32 |
4255,2 |
|
Diseño de Mezcla con 8 % de EM. |
1485,3 |
0,32 |
4641,7 |
|
Diseño de Mezcla con 12 % de EM. |
1540,3 |
0,35 |
4401,0 |
|
Diseño de Mezcla con 15 % de EM. |
1314,3 |
4064,9 |
|
4. Discusión
La estabilidad, según Adrianzen Flores et al. (2022), se
vio favorecida con la adición de escoria de acero en porcentajes del 1 % y 0,50
%, mostrando un aumento que osciló entre el 2 % y el 5 % en la mezcla. Esta
mejora permite que la mezcla resista desplazamientos y deformaciones bajo la
carga del tránsito. Rojas-Manzano et al. (2021), por su parte, sugiere que este
material puede reemplazar eficazmente el material granular sin ningún problema.
Esto se logra mediante un proceso de tamizado y la definición de pulgadas y la
forma de la escoria. Además, la estabilidad con una adición del 2 % permite un
incremento del 6 % en las propiedades mecánicas. Tsun
et al. (2023) también señala que la escoria contiene componentes metálicos
pesados que se recubren con cemento de asfalto cuando se utiliza para
reemplazar agregados naturales. Los porcentajes del 4 % y 5 % presentan una
buena estabilidad de Marshall, un rendimiento de fluidez óptimo y demuestran
una buena durabilidad y resistencia a la humedad. En este estudio, se ha
demostrado que la escoria metalúrgica tiene un impacto positivo en la
estabilidad del diseño de mezcla de la carpeta asfáltica, con un incremento del
15,73 % con respecto al diseño patrón. Así mismo, los resultados confirman que
este material seleccionado no plantea problemas de seguridad estructural,
proporciona estabilidad y garantiza una mayor durabilidad frente al desgaste.
En cuanto a la fluidez, según Swathi et al. (2021), la adición del 5 % de escoria de
acero permite obtener un flujo de 3,30 cm, lo cual demuestra la capacidad de la
mezcla asfáltica para resistir el asentamiento gradual y su deformación. Osuolale et al. (2023) destacan que la adición del 15 %
de polvo de escoria mejora la fluidez de la mezcla, medida mediante el método
de Marshall, y aumenta el rendimiento del hormigón asfáltico. De acuerdo con Anupama et al. (2023), una adición del 50 % de escoria
mejora la resistencia a la tracción, a la humedad y la fluidez. En este
estudio, se ha comprobado que la escoria metalúrgica influye de manera positiva
en el diseño de mezcla de la carpeta asfáltica, ya que el flujo aumenta al
incorporar distintos porcentajes, alcanzando un flujo promedio adecuado de 2,73
cm. Estos resultados confirman que el material seleccionado mejora la fluidez y
reduce la pérdida de abrasión, manteniendo la forma y la angularidad de la
mezcla.
5. Conclusiones
Se
determinó que el porcentaje adecuado para la propiedad de estabilidad es del 4,5
% de contenido de asfalto (CA) + 12 % de escoria metalúrgica (EM), alcanzando
un valor de 1540,3 kg, junto con un flujo promedio de 2,73 cm. Por otro lado,
la mayor relación de estabilidad/flujo se logró con la mezcla de 6,0 % de CA +
8,0 % de EM, obteniendo un valor de 4641,7 kg/cm, lo que representa un
incremento del 10,77 % (902,8 kg/cm) en comparación con la mezcla patrón.
En
lo que respecta a la estabilidad, la escoria metalúrgica influye positivamente
en el diseño de la mezcla de la carpeta asfáltica, logrando un incremento del
15,73 % en comparación con la mezcla patrón que consistía en un 5,5 % de CA +
12,0 % de EM.
En
cuanto al flujo, la escoria metalúrgica también influye de manera favorable en
el diseño de la mezcla de la carpeta asfáltica, ya que se observa un aumento en
el flujo al utilizar diferentes porcentajes de EM. El flujo promedio adecuado
se sitúa en 2,73 cm. Concretamente, se obtiene un flujo promedio de 2,77 cm con
porcentajes de 5,0 %, 8,0 %, 12,0 %, y 15,0 %. Esto supone un incremento del 0,73
% (0,04 cm).
Las
mejoras en las propiedades mecánicas de la carpeta asfáltica sugieren que estas
mezclas pueden ser utilizadas en diseños de pavimentación vial. Se recomienda
que el rango de porcentaje de escoria metalúrgica se sitúe entre 5 % y 10 %,
manteniendo en cuenta la relación de Estabilidad/Flujo.
6. Referencias Bibliográficas
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