Una capa de mezcla asfáltica debe alcanzar la vida útil prevista y ello debe producirse de un modo homogéneo en toda su superficie, sin que hayan producido fallos prematuros en zonas parciales de la capa que signifiquen una merma de características funcionales, estructurales o de impermeabilidad que en esas zonas que hagan necesario anticipar trabajos de mantenimiento. Para ello, en la fase de puesta en obra un requisito primordial debe ser colocar en la capa una mezcla homogénea, sin segregaciones en su composición y alcanzar tras su compactación una densidad adecuada y uniforme en todos sus puntos.
En una entrada anterior de este blog cuestionaba si el control de calidad (CC) de calidad que por normativa y práctica habitual se lleva a cabo en la puesta en obra de las mezclas bituminosas en caliente (MBC), se había quedado obsoleto dada su ineficacia para la detección, y, en su caso, corrección de las heterogeneidades de temperatura en la mezcla recién extendida y de densidad en la capa terminada, heterogeneidades que afectan y acortan la durabilidad de la capa, arruinando la inversión hecha en ella.
En una entrada anterior de este blog cuestionaba si el control de calidad (CC) de calidad que por normativa y práctica habitual se lleva a cabo en la puesta en obra de las mezclas bituminosas en caliente (MBC), se había quedado obsoleto dada su ineficacia para la detección, y, en su caso, corrección de las heterogeneidades de temperatura en la mezcla recién extendida y de densidad en la capa terminada, heterogeneidades que afectan y acortan la durabilidad de la capa, arruinando la inversión hecha en ella.
 |
| Cambio de filosofía: del control puntual al control total |
En la V Jornada de Ensayos de Mezclas Bituminosas, de 3/3/2015, expuse las Nuevas tendencias en el control de calidad de la puesta en obra de mezclas bituminosas en caliente que se detallan en lo que sigue.
¿Por qué la durabilidad de un capa de mezcla asfáltica depende de la densidad, pero también de la temperatura de la mezcla durante su compactación?
Es sobradamente conocido que, una vez fijada la composición de una mezcla asfáltica, sus propiedades dependen del contenido de huecos de aire, es decir de su densidad, que es el parámetro clave para el control y aceptación de la capa. Por ello,siempre se ha considerado de la máxima importancia que, tras la fase de compactación, se alcance el nivel de huecos (densidad) adecuado.
¿De qué propiedades hablamos?. Básicamente de todas, de las de tipo mecánico (módulo, resistencia a tracción, comportamiento frente a cargas repetidas, es decir fatiga y resistencia a las deformaciones plásticas), de su comportamiento frente a la acción del agua y de su cohesión. Una mezcla con más huecos tendrá menos resistencias mecánicas, menos cohesión, peor comportamiento frente a fisuración por fatiga,será más permeable y susceptible a la acción del agua y a la degradación por pérdida de áridos o erosión por la acción del tráfico así como a aparición de roderas.
La facilidad o dificultad para compactar una mezcla asfáltica está directamente relacionada con su temperatura, con la que varía la viscosidad del ligante y consecuentemente la rigidez de la mezcla. Por ello, cada mezcla ofrece un rango de temperatura dentro del cual es más sencillo y adecuado efectuar su compactación para alcanzar el volumen de huecos requerido.
Con valores de temperaturas más altas, por encima de ese rango, algunas mezclas muestran inestabilidad frente al peso y acción de los compactadores, dando lugar a desplazamientos del material en la capa. Por el contrario, conforme la mezcla se enfría su progresiva rigidización hace cada vez más difícil la acción de la compactación, por lo que, con valores por debajo ese rango de temperaturas, no se consigue alcanzar la densidad (huecos) especificada. Asimismo, existe otro valor limite de la temperatura, por debajo del cual no se debe continuar la compactación, en especial la vibratoria, ya que no solo no se aumentaría la densidad, sino que podría reducirse.
Por tanto, el proceso de compactación de una capa de mezcla bituminosa en caliente está condicionado por su temperatura, la inicial de la mezcla a la salida de la regla de extendido y las que va originando su progresivo enfriamiento tras su exposición al aire y al contacto con la capa de apoyo, dando lugar a un plazo de tiempo, en el cual debe completarse el proceso.
Pero, además, y ello no es tan conocido, en no pocas mezclas, en especial aquellas más ricas en mástic y contenido de ligante, aún llegando a un nivel de densificación adecuado y un contenido de huecos correcto, las mezclas compactadas a temperaturas más bajas presentan deficiencias en su cohesión y características mecánicas con respecto a las compactadas a temperaturas más altas. Es decir, sus propiedades mecánicas y cohesivas dependen no solo de su contenido en huecos, es decir su densidad, sino que también se ven afectadas por la temperatura con que se ha compactado y obtenido esa densidad.
En la ultima década han aparecido en España
diversos estudios emanados de la UPC, alguno galardonado con el premio Juan
Antonio Fernández del Campo a la Innovación en Carreteras, y del proyecto
Fénix, que han ido demostrando la relación de las propiedades mecánicas y cohesivas con la temperatura a que se ha compactado la capa. Si se compacta por debajo de un cierto rango, aunque se alcance la
densidad requerida, la mezcla presenta peores propiedades, cohesivas y
mecánicas. Este aserto es más adecuado cuanto mayor sea
el contenido en mastic
y ligante.
En el de la Ref. 1 se dice que “los ensayos realizados en laboratorio muestran que la resistencia a tracción de la mezcla está relacionada con su módulo y que ambas bajan de forma espectacular cuando se reduce la temperatura de compactación o disminuye la compacidad de la mezcla ” La Figura 1 muestra la relación con la resistencia a tracción indirecta.
De modo que, a igualdad de valores de densidad final, aquellas mezclas compactadas a menos temperatura, presentan una reducción en sus prestaciones mecánicas y cohesivas. En las referencias x e y se muestran estudios que documentan este aserto
De modo que, a igualdad de valores de densidad final, aquellas mezclas compactadas a menos temperatura, presentan una reducción en sus prestaciones mecánicas y cohesivas. En las referencias x e y se muestran estudios que documentan este aserto
 |
| Fig, 1 Temperatura de compactación y propiedades (Ref. 1) |
Como conclusión, para que una capa de mezcla asfáltica tenga las propiedades esperadas, debe mantener la integridad de su composición, debe tener la densidad especificada y la compactación debe haberse realizado en un rango adecuado de temperatura.
La uniformidad de temperatura en el extendido y la densidad
Una vez extendida la mezcla, para su densificación se aplica un plan de compactación, definido en el tramo de prueba, en el que sólo se tiene en cuenta el enfriamiento gradual que sufre la capa debido a su exposición al entorno (por la temperatura ambiente y de la capa subyacente y efecto del viento) para determinar el modo de actuar dentro de un rango adecuado de temperatura de la mezcla, de modo que se apliquen las pasadas previstas en el tiempo disponible antes de que la mezcla se enfríe por debajo de ese rango.Con programas sencillos y de libre disposición como MultiCool, se puede determinar ese tiempo, ya que proporcionan la curva de enfriamiento de la capa desde un valor inicial de temperatura a un valor final, en función del tipo de mezcla y de ligante, tipo y temperatura de capa subyacente y condiciones atmosféricas (temperatura, velocidad del viento e insolación).
Sin embargo, variaciones de temperatura en la mezcla anteriores al proceso de compactación, en especial las que aparecen de un modo irregular en la capa a la salida de la regla de la extendedora, no son tenidas en cuenta en el proceso normal de compactación y afectarán a la densidad final. La actuación de los compactadores es "ciega" en cuanto a cambios de temperatura en la mezcla que no sean generalizados en la capa y detectables por el control de calidad para modificar el plan de compactación. Hay numerosos estudios, que relacionan la temperatura en la mezcla extendida, justo en su salida de la regla, con la densidad final de la capa y, en algunas mezclas o capas, la correlación es casi perfecta como muestra este estudio de la figura 2 (Ref. 2)
 |
| Fig. 2.-Temperatura de mezcla a salida de regla y densidad de capa (RF.2) |
El resultado práctico es que la
uniformidad de temperatura de la capa, medida a la salida de la regla, predetermina su densidad final. Si no hay uniformidad de temperatura no habrá uniformidad de densidad y, en consecuencia, las propiedades de la capa a lo largo de su superficie serán heterogéneas y el comportamiento frente a las acciones de tráfico y clima resultará también heterogéneo, con durabilidades dispares y con áreas con fallos prematuros
La presencia de zonas con una diferencia de temperatura acusada respecto a las adyacentes introduce una heterogeneidad en la capa, que se conoce como segregación térmica (ST), que repercute doblemente: en una temperatura de compactación por debajo del rango adecuado y en la densidad obtenida. Por ello, además de la densidad deben controlarse las temperaturas de la
superficie a compactar, el estado térmico de la capa y su uniformidad por su repercusión en la durabilidad de la
capa.
La densidad no puede disociarse de la temperatura de la capa, es el binomio densidad-temperatura el que predetermina la homogeneidad de densidad de la capa y su comportamiento y durabilidad. Conseguir una temperatura homogénea en el extendido de la mezcla y una densidad adecuada y homogénea en TODA la capa, en lo que se puede llamar gestión de la homogeneidad es el objetivo para maximizar su calidad y su durabilidad.
Una herramienta básica para conseguirlo es el control de calidad.
Control de calidad y hetorogeneidades.
Si hay heterogeneidades de temperatura de la capa a compactar o en la densidad alcanzada (que
porcentualmente suponen una incidencia muy pequeña en la superficie), el control
de calidad habitual, (Fig 3), detallado en los Pliegos de Condiciones y basado en estimaciones estadísticas a partir de muestras puntuales de densidad (testigos o nuclear o PQI) y mediciones aisladas de temperatura (en las normas que tenemos, además, no está definido ni cómo ni donde se toman, ni su frecuencia), resulta incompleto e insuficiente, pues si hay heterogeneidades en esas propiedades (que porcentualmente suponen una incidencia pequeña en la superficie) no es capaz de detectarlas con una mínima eficacia. contractual resultará casi siempre incompleto e insuficiente y e
incapaz de detectar las desviaciones con una mínima eficacia y a tiempo para
su corrección.
 |
| Fig-3. CC puntual: temperatura (term. infrarrojos) y densidad (testigos y nuclear) |
Por ejemplo en cuanto a las densidades, el muestreo
escasamente alcanza un valor significativo, al chequear una superficie
insignificante, del orden de 150.000 veces más pequeña. Ese tipo de
control estadístico, basado en muestreos puntuales tan pequeños, no puede
asegurar la detección de todas las zonas con baja densidad o alto contenido de
huecos debidas a segregaciones de composición, a mezcla demasiado fría para
compactarse o a defectos en el proceso de compactación.
No es, por tanto,
una herramienta válida para detectar anomalías en la homogeneidad de la capa
durante el proceso de puesta en obra y proceder a su corrección y mejora del
mismo. Hay que esperar a la puesta en servicio
para que se manifiesten en la superficie del pavimento, siendo especialmente
visibles, al poco tiempo, tras una lluvia con el pavimento secándose. Es
frecuente observar la presencia de degradaciones prematuras en el pavimento,
cuya causa proviene de heterogeneidades de composición, de segregaciones
térmicas, de densidades inadecuadas o combinación de las anteriores producidas
en la puesta en obra, que no constituyen un fallo singular y aislado sino que
se observan repitiéndose a lo largo de un tramo, indicando como el control de
calidad con las pautas contractuales no sido capaz de evitarlas
No es, por tanto, una herramienta válida para detectar anomalías en la homogeneidad de la capa durante el proceso de puesta en obra y proceder a su corrección y mejora del mismo. Hay que esperar a la puesta en servicio para que se manifiesten en la superficie del pavimento, siendo especialmente visibles, al poco tiempo, tras una lluvia con el pavimento secándose. Es frecuente observar la presencia de degradaciones prematuras en el pavimento, cuya causa proviene de heterogeneidades de composición, de segregaciones térmicas, de densidades inadecuadas o combinación de las anteriores producidas en la puesta en obra, que no constituyen un fallo singular y aislado sino que se observan repitiéndose a lo largo de un tramo, indicando como el control de calidad con las pautas contractuales no sido capaz de evitarlas
Nueva visión del control de calidad (CC)
En el control de calidad se han producido desarrollos tecnológicos que aportan unas alternativas de control más eficaces y capaces de detectar, en unos casos heterogeneidades en tiempo real de ejecución tanto en temperaturas como en densidad y la posibilidad de poder actuar sobre el proceso para subsanarlas, y en otros heterogeneidades en la capa terminada para su recepción, en cuanto a composición y densidades.
Por ejemplo, se han desarrollado nuevos métodos
de control que permiten pasar del control estadístico basado en mediciones
puntuales a un control sobre la totalidad de la capa extendida en cuanto a esos
dos aspectos clave, el estado de temperaturas de la capa a salida de regla,
antes de su compactación y el estado de contenido de huecos de toda la capa
ejecutada. Ello ha dado lugar a un nuevo enfoque de los procedimientos del
control de calidad, basado en dos principios:
- Chequeo de toda la superficie de la capa
- Referenciación y registro de los datos con GPS
y orientado a
- Control, visualización en tiempo real y registro de las temperaturas de la mezcla a la salida de la regla de extendido
- Control y visualización en tiempo real del proceso de compactación (distribución de pasadas y respuesta de la capa) y registro de estado final
- Control de estado de huecos (densidad) de toda la superficie de la capa terminada
CC de temperatura. ¿como se detectan los cambios de temperatura en la capa?. La visión infrarroja estática
Cuando los cambios de temperatura son puntuales, que no afectan a la generalidad de la capa, resulta difícil, por no decir imposible, detectarlos con un control de calidad tradicional, basado en tomas puntuales de temperatura, con medidores de masa o superficiales de infrarrojos.Se ha tratado, hace años, de especificar la elaboración de perfiles de temperatura en la capa recién extendida, para detectar áreas con diferencial térmico acusado respecto a la temperatura dominante.El TxDOT, que tiene normalizado el control con perfiles térmicos, recoge en su procedimiento de ensayo Tex-244-F, Thermal Profile of Hot Mix Asphalt, las especificaciones y aplicación de estos dispositivos manuales. Su aplicación con termómetros manuales de infrarrojos aunque resulta una técnica asequible, requiere una atención constante, siendo muy laboriosa y poco práctica, habiendo quedado arrinconada desde la irrupción de las cámaras térmica. (Fig 3)
Las técnicas de visión infrarroja, que se empezaron ya aplicar en este campo en la década de los 90, proporcionan una imagen en la que cada uno de colores está asociado a un rango de temperatura de la superficie visualizada, dando una visión directa de la temperatura superficial de una masa o de una capa de mezcla. Permiten identificar claramente y de un modo sencillo la presencia de cualquier heterogeneidad de tipo térmico. como se aprecia en la imagen de Fig.4, donde hay un área, de una superficie reducida, con un diferencial de temperatura muy elevado (más de 60ºC) respecto a las circundantes. Área que resulta inidentificable antes de su compactación, pero cuya temperatura (90ºC) ronda ya la de cese de compactación. Indudablemente, dará lugar a una zona de alta permeabilidad y baja cohesión, un fallo a corto plazo.
 |
| Fig 4- Segregación térmica, área fría con diferencial de temperatura de 60ºC |
 |
| Fig 5- Segregaciones térmicas y sus efectos (Ref. 3) |
La visión infrarroja dinámica y registro continuo de la superficie.
Aunque supusieron un avance muy importante, identificando claramente los diferenciales térmicos, las termografías seguían siendo unas muestras aisladas y una herramienta no muy práctica para un CC sistemático y fiable en el que, incluso, el estado térmico registrado de la capa pudiese tener repercusiones contractuales.
Un problema, además de su carácter estático y aislado, era
que al no existir un protocolo comúnmente aceptado para las condiciones de toma
de las imágenes, éstas solían ser distintas de una a otra toma, con distinto
grado de exposición de la superficie del pavimento y por tanto, no comparables
las temperaturas entre termografías.
Se empezó
a vislumbrar que era necesario tener un registro dinámico de las imágenes
térmicas, con una cierta continuidad y una agregación de esos resultados que
reflejase, en condiciones reproducibles y constantes, el estado de temperaturas
de la capa, datos que se debían tomar justamente a la salida de la regla antes
de que comenzase el enfriamiento de la capa. Ello llevó al registro continuo de
esa temperatura.(Fig 6).  |
| Fig 6.- Cámara IR para registro continuo |
o
Perfiles
lineales con barras con sensores infrarrojos en regla de extendido
o
Perfiles
transversales con escáner térmico en extendedora
La clave de estas soluciones se basa en la sencillez de
aplicación y la monitorización en tiempo real de los datos
registrados, mediante gráficos en la pantalla en la propia extendedora, lo que
permite la corrección del proceso, si es necesario para la mejora de la calidad
de la capa que se está ejecutando.
En Suecia se empezó ya en los 90 con el desarrollo de un sistema basado en un escáner de IR colocado directamente encima de la regla con medición de puntos de temperatura en lineas transversales (Fig.7). Proporciona 256 puntos de lectura en cada linea y con una frecuencia de casi 20 lineas por segundo, transfiriendo cada 6 lineas los datos al ordenador para su registro y proceso, mostrando los datos de la temperatura de la superficie extendida en forma gráfica en una pantalla en la propìa extendedora. |
| Fig 7. Escáner de IR en extendedora |
Por otra parte, en EEUU se empezó, por el DOT de Texas DOT, Texas Transportation Institute y MOBA, con el desarrollo de un sistema, registrado como PAVE-IR™, basado en sensores de infrarrojos colocados en una serie de barras ancladas detrás de la regla de extendido que miden la temperatura en una serie de perfiles longitudinales; los datos referenciados con GPS se integran mediante software para generar un mapa gráfico de la superficie extendida con las temperaturas registradas a la salida de la regla, Esta información se muestra en tiempo real, en la propia extendedora y se descarga para análisis posteriores y como registro de calidad del proceso. Fig. 8
 |
| Fig. 8.- PAVE-IR, con barras de IR para registro continuo de la temperatura a salida de regla Pantalla de control y de información de temperaturas en la capa |
 |
| Fig 9 PAVE-IR™ Scan |
¿Qué ofrecen los sistemas de registro total de la temperatura de superficie?
La referenciación con GPS de los datos de cada punto permite procesar los mismos y presentar mapas gráficos, en tiempo real, con el estado de temperaturas de la superficie y diversos análisis de los mismos, relacionándolos con la velocidad de avance de la extendedora (reflejando sus paradas), gráficos con análisis estadísticos de temperaturas medias, máximas, mínimas, frecuencias de rangos de temperatura, etc.
El gráfico clave es el mapa de temperaturas
registradas en la capa (Fig 11.8 y 11.9), en el que se identifican visualmente
de un modo claro la presencia de cualquier segregación térmica y su intensidad
y extensión, información que aparece en una pantalla en la extendedora en tiempo real.(Fig 9)
Es fundamentalmente una herramienta de mejora del proceso de puesta en obra ya que evidencia en tiempo real, de un modo nítido, las anomalías en la homogeneidad térmica de la capa y su grado de importancia, lo que que permite adoptar las medidas correctivas adecuadas para mejorar la homogeneidad, actuando sobre la parte del proceso que genera segregaciones térmicas, ya sea por falta de homogeneidad de la mezcla en su descarga a la extendedora, en paradas de ésta o en ambas. En las imágenes que siguen se muestran algunos de los diversos informes que proporcionan estos sistemas.
En la de la Fig 10, se relaciona el mapa de temperaturas de la capa con el diagrama de velocidades de la extendedora, apreciándose como cada parada de ésta genera una apreciable segregación térmica (de unos 30ºC) en la zona afectada por la misma. El software permite un escalado fácil del gráfico, para ver la duración de cada parada de extendedora y discernir si son de entrada /salida de camión o debidas a interrupciones del ciclo de transporte; en el primer caso su eliminación pasaría por la utilización de un dispositivo de transferencia de material y en el segundo por una mejora de la logistica de transporte.
 |
| Fig 9 .-Mapa de temperaturas del extendido |
En la de la Fig 10, se relaciona el mapa de temperaturas de la capa con el diagrama de velocidades de la extendedora, apreciándose como cada parada de ésta genera una apreciable segregación térmica (de unos 30ºC) en la zona afectada por la misma. El software permite un escalado fácil del gráfico, para ver la duración de cada parada de extendedora y discernir si son de entrada /salida de camión o debidas a interrupciones del ciclo de transporte; en el primer caso su eliminación pasaría por la utilización de un dispositivo de transferencia de material y en el segundo por una mejora de la logistica de transporte.
 |
| Fig 10 Mapa de temperatura y velocidades de avance. |
 |
| Fig 11 - Segregaciones de tipo longitudinal (señaladas flechas) |
 |
| Fig 12 Mapa térmico y análisis de temp. máximas, mínimas y media móvil |
 |
| Fig 13 Análisis de temp. máximas, mínimas y media móvil y velocidades de extendido |
 |
| Fig 14 Análisis y detección de zonas de riesgo (Tª<0.9 media móvil) |
- En función de la gravedad de las ST, que permite mejorar los procesos de ejecución y la homogeneidad térmica para la compactación.
- La referenciación GPS de todos los datos permite comprobar la influencia de las ST en las densidades obtenidas en esos puntos
- Esa referenciación permite su integración en los sistemas de gestión de firmes y el seguimiento del comportamiento de la capa en relación con las condiciones de puesta en obra
¿Un dispositivo de transferencia de material (DTM) es la solución definitiva?
El empleo de un dispositivo tránsfer en general es condición necesaria para eliminar las segregaciones de todo tipo y asegurar una mezcla homogénea a la salida de la regla de extendido y su empleo asegura una mejora sustancial de la calidad de la mezcla extendida, eliminado también las perjudiciales paradas de extendedora para entrada/salida de camiones. Asimismo, los de tipo silo de transferencia, actúan como reguladores de las oscilaciones del ciclo de transporte eliminado paralizaciones por falta de camiones, si la interrupción del ciclo es de corta duración.
No obstante, a pesar de su empleo, la logística de transporte puede no ser eficiente y provocar paradas de extendedora, con las inevitables enfriamientos en la capa. Así pues, un DTM es condición casi siempre necesaria para una buena homogeneidad térmica en la capa, pero puede no ser suficiente. El control térmico de la capa con un escáner evidenciará si es necesario mejorar el proceso.
 |
| Fig. 15. El DTM es condición necesaria pero no suficiente si hay paradas de extendido |
¿Cuál es la implantación actual de estos sistemas?
El cambio de paradigma en el CC pasando del control estadístico basado en muestras puntuales al control de calidad total de toda la capa es una realidad en varios países.
Está implantado en las Administraciones de Carreteras de varios Estados USA, donde el DOT de Texas fué el pionero e impulsó el desarrollo del PAVE-IR
En Suecia se ha incorporado a su normativa en 2007 y se ha ligado al abono de la unidad, mediante un sistema de bonificaciones/penalizaciones que tiene en cuenta la homogeneidad térmica alcanzada con el modelo indicado en la Fig.16
 |
| Fig 16 Modelo sueco contractual |
En Alemania también se ha iniciado la realización de tramos de demostración para su implantación, aunque en fechas recientes.
El CC total de la compactacion
La filosofía de control de calidad total también se aplica al estado de densidades de la capa, tanto durante el proceso de compactación como de la capa terminada. Se tratará en la siguiente entrada que constituye la tercera de esta serie.Referencias y Bibliografía
- Ref 1- Ensayos de mezclas bituminosas. Criterios de diseño. Nuevas propuestas. Félix Pérez- [Jornada Nacional Asefma]
- Ref . 2 - Information about thermal imaging of asphalt paving. Connie Andersson
- Ref. 3- Construction-related asphalt concrete pavement temperature differentials and the corresponding density differentials- S.Read et alt, -WS DOT
- REf. 4- Using Infrared and High-Speed Ground-Penetrating Radar for Uniformity Measurements on New HMA Layers- SHRP2 2013
- ¿Se ha quedado obsoleto el control de calidad de puesta en obra de mezclas asfálticas en caliente?.
- ¿Se ha quedado obsoleto el control de calidad de puesta en obra de mezclas asfálticas en caliente?. Parte 2: Nuevas tendencias
- ¿Se ha quedado obsoleto el control de calidad de puesta en obra de mezclas asfálticas en caliente?. Parte 3: Compactación
No hay comentarios:
Publicar un comentario