Mezclas bituminosas: introducción, clasificación y propiedades principales

TEMA 4: MEZCLAS BITUMINOSAS

INTRODUCCIÓN

Una mezcla bituminosa es una mezcla de áridos, filler y un ligante hidrocarbonado (como el betún asfaltico). La superficie de cada partícula mineral queda completamente recubierta por el ligante. Una vez compactada, los áridos más gruesos forman un esqueleto mineral rígido y resistente, cuyos huecos se rellenan con partículas más finas. El filler + betún forman el mástico, un medio continuo viscoso, que proporciona cohesión al material.

Ventajas de las mezclas bituminosas

• Mayor regularidad superficial.
• Mejor resistencia mecánica.
• Pueden emplearse en todas las capas del firme (capa de rodadura, base y subbase).

Componentes de la mezcla

• Áridos:
  • Se dividen en fracciones granulométricas.
  • Son la base estructural del firme.
• Filler (< 0,063 mm):
  • Aumenta la superficie específica lo que incrementa la cantidad de ligante necesaria para recubrir correctamente las partículas.
  • Influye en la cantidad de ligante necesaria. A mayor cantidad de filler se necesita una mayor cantidad de ligante
  • Forma parte del mástico (filler + betún), que da cohesión al conjunto.
  • Mejora la adhesividad.
  • Influye en el porcentaje de huecos y, por tanto, en la impermeabilidad y en las características resistentes de la mezcla.
• Ligante bituminoso:
  • Recubre los áridos y mantiene la mezcla unida.
  • Puede ser:
    • Betún de penetración (para mezclas en caliente).
    • Emulsión bituminosa (para mezclas en frío).
    • Betún modificado con polímeros, en condiciones exigentes como tráfico y clima en condiciones altas y críticas.
  • Contenido típico:
    • 3-10% del peso de los áridos.
    • 8-25% del volumen total.

CLASIFICACIÓN DE LAS MEZCLAS BITUMINOSAS

Según la fracción de árido empleada

• Mástico: filler + ligante. Es muy denso y viscoso.
• Mortero bituminoso: árido fino + mástico. Tiene capacidad de recubrimiento y cohesión intermedia.
• Hormigón bituminoso: árido grueso + mortero bituminoso. Es lo que conocemos habitualmente como mezcla bituminosa estructural.
• Macadam bituminoso: árido grueso + ligante (sin finos). Tiene poca cohesión, su resistencia depende del rozamiento interno del árido.

Según la Temperatura

• En caliente:
  • Se fabrican con betún de penetración (115-130ºC).
  • Tienen gran cohesión y resistencia mecánica.
  • Tipo más común: hormigón bituminoso con granulometría continua.
  • Usos: Autopistas, carreteras primarias y secundarias, aeropuertos.
• En frío:
  • Se fabrican a temperatura ambiente (Tamb).
  • Utilizan emulsiones bituminosas como ligante.
  • Menor cohesión inicial -> deben madurar tras su puesta en obra.
  • Usos: Carreteras secundarias, obras de conservación, reparaciones o capas provisionales.

Según el % Huecos en mezcla (%Hm)

El porcentaje de huecos representa el volumen de vacíos de aire en la mezcla una vez compactada. Este valor es clave porque afecta la impermeabilidad, durabilidad y resistencia a la deformación.

• Cerradas (3 < %Hm < 6)
  • Ejemplos: Densas (D), Semidensas (S), Mezclas de Alto Módulo (MAM).
  • Tienen bajo %Hm -> muy compactas.
  • Se usan en capas de rodadura.
  • Proporcionan gran impermeabilidad del pavimento.
• Semicerradas (6 < %Hm < 12)
  • Ejemplo: Mezclas gruesas (G).
  • Parecidas a las cerradas, pero menos impermeables.
  • Contienen menos filler y ligante -> menor cohesión.
  • Son menos críticas frente a deformaciones plásticas.
  • No se utilizan en capas de rodadura porque son más permeables y envejecen antes.
• Abiertas (%Hm > 12)
  • Compuestas por árido grueso + betún, con bajo contenido de árido fino.
  • Tienen una estructura granular con mucho hueco, la resistencia viene del rozamiento interno entre partículas.
  • Usos: Capas de rodadura de poco espesor, carreteras de tráfico ligero, capas de base.
• Porosas (%Hm > 20)
  • Ejemplo: Mezclas drenantes.
  • Muy alta permeabilidad -> permiten evacuar agua de lluvia.
  • Aplicadas en capas de rodadura de espesor reducido.

Relación entre % de huecos y cantidad de ligante

• Mayor % de huecos -> se necesita menos ligante (menos superficie que recubrir).
• Menor % de huecos -> se necesita más ligante para cubrir todo -> pero más riesgo de deformación plástica.

Según tamaño máximo del árido Dmax

El tamaño máximo del árido que se emplea en la mezcla condiciona el espesor mínimo con el que se puede extender la capa de mezcla bituminosa en el firme. El espesor mínimo de la capa a extender debe ser, como mínimo, 2 a 3 veces el Dmáx del árido: e ~ (20 3) · Dmax Esto se debe a que, si la capa es demasiado delgada en relación con el tamaño del árido, no se garantiza una compactación y cohesión adecuadas.

• Gruesas:
  • Dmáx > 10 mm.
  • Son la mayoría de las mezclas estructurales.
  • Se emplean en capas de rodadura de alta velocidad (autovías, autopistas) y también en capas intermedias.
• Finas, morteros o microaglomerados:
  • Dmáx < 10 mm.
  • Se emplean en áreas urbanas y zonas donde se necesita una textura más fina o menor espesor de capa.

Según la estructura interna del árido

• Sin esqueleto mineral resistente:
  • Mezclas formadas básicamente por filler + ligante.
  • El árido actúa como un simple relleno y no contribuye a la resistencia estructural.
  • La resistencia de la mezcla se debe casi exclusivamente a la cohesión del mástico.
  • Ejemplos: Másticos bituminosos y Asfaltos fundidos
  • Alta impermeabilidad
  • Gran coste, por su elevado contenido de ligante Se utilizan cuando se requiere impermeabilización extrema (puentes, túneles, estructuras hidráulicas, etc.)
• Con esqueleto mineral resistente:
  • Mezclas en las que el árido grueso forma una estructura resistente, con gran rozamiento interno.
  • Son las más comunes en carreteras y firmes.
  • Proporcionan buena resistencia mecánica y durabilidad.
  • Ejemplos: Hormigones bituminosos y Macadam bituminoso
  • Estas mezclas son más económicas y versátiles, aptas para todo tipo de cargas y solicitaciones
  • A su vez se pueden clasificar de acuerdo a la granulometría: Continuas, Discontinuas, Porosas, Uniformes

Según la granulometría

• Continuas:
  • La distribución de áridos incluye todas las fracciones: desde finos hasta gruesos. Las partículas más pequeñas rellenan los huecos entre las más grandes.
  • Se consigue una estructura compacta y densa, todas las partículas quedan recubiertas por el ligante.
  • Buena compactación y resistencia mecánica.
  • Menor contenido de huecos.
  • Uso generalizado en capas de base, intermedia y rodadura.
  • Es necesario que exista un mínimo de huecos para permitir:
    • Cambios de volumen del ligante por temperatura.
    • Densificación por compactación durante el servicio.
    • Absorción de deformaciones plásticas.
• Discontinuas:
  • Faltan tamaños intermedios de árido (normalmente entre 2 y 8 mm).
  • Se genera un esqueleto de árido grueso, y el mástico (filler + betún + aditivos) rellena los huecos.
  • Alta proporción de mástico.
  • Gran calidad y alta impermeabilidad.
  • Muy buen comportamiento en capas de rodadura. Más susceptibles a deformación plástica.
  • Elevado coste, por su alto contenido en ligante.
• Uniformes:
  • Compuestas por áridos de tamaño único o muy similar.
  • Poco compactables -> elevado % de huecos.
  • Suelen usarse en: Mezclas especiales, capas de drenaje, ensayos o estudios de comportamiento.

Las mezclas bituminosas en España

Mezclas bituminosas en caliente tipo hormigón bituminoso

Estas se emplean principalmente en capas estructurales del firme: base, intermedia y rodadura. Se fabrican en caliente y tienen gran capacidad portante.

• Hormigones bituminosos en caliente:
  • Densas (D)
  • Semidensas (S)
  • Gruesas (G)
  • Mezclas de alto módulo (MAM)

Se caracterizan por tener elevados módulos de elasticidad (> 11.000 MPa a 20 ℃).

• Se fabrican con betunes muy duros (poca penetración). A menudo, betunes modificados con polímeros.
• Alta capacidad para absorber tensiones y resistir la fatiga.
• Se usan en capas intermedias y de base, donde se requiere una gran resistencia estructural.
• Permiten reducir el espesor del firme, lo que resulta en ahorro económico, especialmente en tráficos pesados.

Mezclas bituminosas para capas de rodadura. Mezclas drenantes y discontinuas

Estas mezclas se aplican en la capa más superficial del firme, en contacto con el tráfico. Están diseñadas para ofrecer adherencia, resistencia al desgaste, drenaje y confort de circulación.

• Mezclas drenantes o porosas (PA)
• Mezclas bituminosas discontinuas en caliente (BBTM)
• Microaglomerados en frío y en caliente
• Mezclas densas (DF) y abiertas (AF) en frío

Capa del firme Mezclas habituales

Rodadura PA (4-5 cm), BBTM (2-3 cm), D, S, AF

Intermedia D, S, MAM

Base S, G, MAM

HORMIGONES BITUMINOSOS EN CALIENTE

Estas mezclas están normalizadas en España y son las más comunes en firmes de carreteras. Se designan mediante una nomenclatura estandarizada que indica el tipo de mezcla, el tamaño del árido, la capa de uso, el ligante y la granulometría.

Designación

AC / D / Capa / ligante / granulometría

AC: Tipo de mezcla Asphalt Concrete (mezcla tipo hormigón bituminoso) D: Tamaño máximo del árido Capa: Capa donde se va a emplear la mezcla surf: capa de rodadura bin: capa intermedia (binder) base: capa de base estructural Ligante: Tipo de ligante hidrocarbonado Granulometría: D: densa S: semidensa G: gruesa MAM: mezcla de alto módulo

Usos

Se emplean en todas las capas del firme según su formulación:

TABLA 542.10 - TIPO DE MEZCLA A UTILIZAR EN FUNCIÓN DEL TIPO Y ESPESOR DE LA CAPA

TIPO DE MEZCLA TIPO DE CAPA ESPESOR (cm)

Denominación UNE-EN 13108-1(*)

Denominación anterior

4-5 AC16 surf D AC16 surf S D12 S12

RODADURA

>5 AC22 surf D AC22 surf S D20 S20

INTERMEDIA

5-10 AC22 bin D AC22 bin S AC32 bin S AC 22 bin S MAM ( ** ) D20 S25 MAM( ** )

BASE

7-15 AC32 base S AC22 base G AC32 base G AC 22 base S MAM ( *** ) S25 G20 G25 MAM( *** )

ARCENES( **** )

4-6 AC16 surf D D12

(*) Se ha omitido en la denominación de la mezcla la indicación del tipo de ligante por no ser relevante a efectos de esta tabla. (*) Espesor mínimo de seis centímetros (6 cm). *) Espesor máximo de trece centímetros (13 cm). ( ** ** )En el caso de que no se emplee el mismo tipo de mezcla que en la capa de rodadura de la calzada.

Granulometría según los siguientes husos

Para cada tipo de mezcla se establece una relación entre el filler (wf) y el ligante (ws) en peso:

• Densas (D) = WI = (4 - 8) %
• Semidensas (S) = WI = (3 - 7) %
• Gruesas (G) = Wf = (2 - 5) %

Esta relación garantiza un mástico equilibrado que proporcione cohesión, durabilidad y trabajabilidad adecuada.