Hormigón asfáltico

El hormigón asfáltico (comúnmente llamado asfalto , ^{[ 1 ]} asfalto negro o pavimento en Norteamérica, y alquitrán , betún o macadán bituminoso en el Reino Unido e Irlanda) es un material compuesto que se utiliza comúnmente para pavimentar carreteras , aparcamientos , aeropuertos y el núcleo de presas de terraplén . ^{[ 2 ]} Las mezclas asfálticas se han utilizado en la construcción de pavimentos desde el siglo XIX. ^{[ 3 ]} Consiste en agregados minerales unidos con betún (una sustancia también conocida independientemente como asfalto, brea o alquitrán ), colocados en capas y compactados.

Los términos en inglés americano «asphalt concrete» (o «asphaltic ») , «bituminous asphalt concrete » y «bituminous mixture» se utilizan generalmente solo en documentos de ingeniería y construcción, que definen el hormigón como cualquier material compuesto formado por agregados minerales unidos a un ligante. La abreviatura «AC » se usa a veces para referirse al hormigón asfáltico , pero también puede denotar el contenido de asfalto o cemento asfáltico , en referencia a la porción de asfalto líquido del material compuesto.

El asfalto natural ( griego antiguo : ἄσφαλτος , romanizado :  ásphaltos ) se conoce y se utiliza desde la antigüedad en Mesopotamia , Fenicia , Egipto , Babilonia , Grecia , Cartago y Roma para impermeabilizar baños de templos, depósitos, acueductos, túneles y fosos, como mortero de mampostería, para taponar recipientes y pavimentar caminos. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La calle procesional del rey babilonio Nabopolasar , c. 625 a. C. , que se extendía hacia el norte desde su palacio a través de la muralla de la ciudad, fue descrita como construida con ladrillos cocidos y asfalto. ^{[ 6 ] [ 5 ]}

En Francia, desde 1824 se utilizaron adoquines naturales recubiertos y unidos con asfalto como medio para construir carreteras, al igual que los adoquines o bloques de asfalto moldeado, formados a partir de asfalto de roca natural compactado. ^{[ 7 ]}

En 1829, se utilizó asfalto natural de Seyssel mezclado con un 7 % de agregados, para crear una superficie de asfalto mastic, en un sendero en Pont Morand, Lyon , Francia; la técnica se extendió a París en 1835, a Londres, Inglaterra, en 1836 y a Filadelfia, Estados Unidos, en 1838. ^{[ 8 ]}

En 1834, John Henry Cassell & Company de Poplar, Londres, proveedor de brea y barniz, obtuvo una patente inglesa para un método de pavimentación de carreteras con una capa de alquitrán, cubierta por una capa de macadán y sellada con una capa de alquitrán y arena, y comercializó la superficie como "piedra de lava para pavimentación e impermeabilización"; poco después, se le contrató para pavimentar la carretera de acceso al puente de Vauxhall y una carretera en Millwall , Londres. ^{[ 9 ]}

En 1837, RT Claridge obtuvo una patente inglesa similar (patente GB 1837 #7849), sustituyendo el asfalto de Seyssel como aglutinante, tras haberlo visto empleado en Francia y Bélgica; posteriormente fundaría la Claridge's Patent Asphalte Company en 1838. ^{[ 9 ]}

Un tramo de 3,2 km (2 millas) de una carretera de grava que salía de Nottingham fue cubierto experimentalmente con asfalto natural en 1840. Este experimento se repitió en 1845 en Huntingdon High Street. ^{[ 10 ]} 

En 1852 se construyó una carretera de macadán pavimentada con asfalto entre París y Perpiñán , Francia, utilizando asfalto de roca Val de Travers suizo (agregado de piedra caliza cubierto de asfalto natural). ^{[ 11 ] [ 6 ]}

En 1869, Threadneedle Street, en Londres, fue repavimentada con asfalto de roca suizo Val de Travers. ^{[ 8 ]}

En 1870, el químico belga-estadounidense Edward de Smedt inventó en la Universidad de Columbia un proceso para pavimentar un camino de arena compactada mediante la aplicación de asfalto natural calentado mezclado con arena en una proporción de 1:5, seguido de un apisonado y un endurecimiento mediante la aplicación de asfalto natural mezclado con aceite de petróleo. Smedt obtuvo dos patentes estadounidenses para el material y el método de endurecimiento. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Edgar Purnell Hooley , ingeniero civil, topógrafo y miembro de la junta de carreteras del condado inglés, creó un proceso y una máquina para combinar betún de petróleo con agregados de macadán (grava, cemento Portland , rocas trituradas y escoria de alto horno ) en una mezcladora calentada por vapor a 100 °C (212 °F) y, a través de un depósito calentado, conductos y mallas, crear una máquina y un material que se puede aplicar para formar una superficie de carretera. Solicitó una patente en el Reino Unido en 1902 para su mejora. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Hooley fundó una empresa en el Reino Unido para comercializar la tecnología, donde se acuñó el término macadán de alquitrán , abreviado como alquitrán , a partir del nombre de su empresa Tar Macadam (Purnell Hooley's Patent) Syndicate Limited , derivado de la combinación de mezclas compuestas de alquitrán y grava de macadán. ^{[ 16 ]}  

La mezcla de asfalto y agregados se realiza de varias maneras: ^{[ 17 ]}

Hormigón asfáltico en caliente (comúnmente abreviado como HMA)

Esto se produce calentando el ligante bituminoso para disminuir su viscosidad y secando el agregado para eliminar la humedad antes de la mezcla. La mezcla generalmente se realiza con el agregado a unos 150 °C (300 °F) para asfalto virgen y 170 °C (330 °F) para asfalto modificado con polímeros, y el cemento asfáltico a 93 °C (200 °F) . El pavimentado y la compactación deben realizarse mientras el asfalto esté suficientemente caliente. En muchos lugares, el pavimentado se restringe a los meses de verano porque en invierno la base enfriará el asfalto demasiado rápido antes de que pueda compactarse a la densidad requerida. El HMA es la forma de concreto asfáltico más utilizada en pavimentos de alto tráfico , como los de las principales autopistas , pistas de carreras y aeródromos . También se utiliza como revestimiento ambiental para vertederos, embalses y estanques de piscifactorías. ^{[ 18 ] [ 19 ]}      

Hormigón asfáltico templado (comúnmente abreviado como WMA)

Esto se produce añadiendo zeolitas , ceras , emulsiones asfálticas o, a veces, agua al ligante asfáltico antes de la mezcla. Esto permite temperaturas de mezcla y colocación significativamente más bajas y resulta en un menor consumo de combustibles fósiles , liberando así menos dióxido de carbono , aerosoles y vapores. Esto mejora las condiciones de trabajo y reduce la temperatura de colocación, lo que lleva a una disponibilidad más rápida de la superficie para su uso, lo cual es importante para las obras de construcción con plazos de entrega críticos. El uso de estos aditivos en el asfalto de mezcla caliente (arriba) puede facilitar la compactación y permitir el pavimentado en clima frío o transportes más largos. El uso de mezcla templada se está expandiendo rápidamente. Una encuesta a productores de asfalto de EE. UU. encontró que casi el 25 % del asfalto producido en 2012 era mezcla templada, un aumento del 416 % desde 2009. ^{[ 20 ]} Se pueden desarrollar pavimentos de carreteras más limpios combinando WMA y reciclaje de materiales. La tecnología de asfalto de mezcla templada (WMA) tiene beneficios ambientales, de producción y económicos. ^{[ 21 ]}

Hormigón asfáltico de mezcla en frío

Este material se obtiene emulsionando el betún en agua con un agente emulsionante antes de mezclarlo con el árido. En estado emulsionado, el betún es menos viscoso y la mezcla resulta fácil de trabajar y compactar. La emulsión se rompe tras la evaporación de suficiente agua y la mezcla en frío adquiere, idealmente, las propiedades de un pavimento de asfalto caliente. La mezcla en frío se utiliza habitualmente como material de reparación y en vías de servicio con poco tráfico.

Hormigón asfáltico rebajado

Es una forma de asfalto en frío que se produce disolviendo el ligante en queroseno u otra fracción más ligera del petróleo antes de mezclarlo con el agregado. En estado disuelto, el betún es menos viscoso y la mezcla es fácil de trabajar y compactar. Una vez colocada la mezcla, la fracción más ligera se evapora. Debido a la preocupación por la contaminación derivada de los compuestos orgánicos volátiles presentes en la fracción más ligera, el asfalto fluidificado ha sido reemplazado en gran medida por la emulsión asfáltica. ^{[ 22 ]}

Hormigón asfáltico mástico o asfalto en láminas

Esto se produce calentando betún soplado de grado duro (es decir, parcialmente oxidado) en una cocedora verde (mezcladora) hasta que se convierte en un líquido viscoso, después del cual se agrega la mezcla de agregados. La mezcla de betún y agregados se cuece (madura) durante aproximadamente 6 a 8 horas y, una vez lista, la mezcladora de asfalto mástico se transporta al lugar de trabajo, donde colocadores experimentados vacían la mezcladora y, ya sea a máquina o a mano, extienden el contenido de asfalto mástico sobre la carretera. El hormigón de asfalto mástico generalmente se coloca con un espesor de alrededor de 20 a 30 milímetros ( 1 3/16 - 1 + 3/16 pulg .) para aplicaciones de aceras y carreteras y alrededor de 10 milímetros ( 3/8 pulg .) para aplicaciones de pisos o techos. ^{[ 23 ]}  

Hormigón asfáltico de alto módulo, a veces denominado por el acrónimo francés EMÉ (enrobé à module élevé)

Este método utiliza una formulación bituminosa muy dura (penetración 10/20), a veces modificada, en proporciones cercanas al 6% en peso de los agregados, así como una alta proporción de polvo mineral (entre 8 y 10%) para crear una capa de hormigón asfáltico con un alto módulo de elasticidad (del orden de 13000  MPa). Esto permite reducir el espesor de la capa base hasta un 25% (dependiendo de la temperatura) en relación con el betún convencional, ^{[ 24 ]} a la vez que ofrece resistencias a la fatiga muy elevadas. ^{[ 25 ]} Las capas de asfalto de alto módulo se utilizan tanto en operaciones de refuerzo como en la construcción de nuevos refuerzos para tráfico medio y pesado. En las capas base, tienden a presentar una mayor capacidad de absorción de tensiones y, en general, una mejor resistencia a la fatiga. ^{[ 26 ]}

Además del asfalto y los áridos, se pueden añadir aditivos, como polímeros y agentes antiadherentes, para mejorar las propiedades del producto final.

Las áreas pavimentadas con hormigón asfáltico —especialmente las plataformas de los aeropuertos— se han denominado a veces "la pista", a pesar de no haber sido construidas mediante el proceso de asfalto . ^{[ 27 ]}

Se han desarrollado diversas mezclas especiales de hormigón asfáltico para satisfacer necesidades específicas, como el asfalto con matriz pétrea , diseñado para garantizar una superficie de desgaste resistente, o los pavimentos asfálticos porosos , que son permeables y permiten que el agua drene a través del pavimento para controlar las aguas pluviales.

Los distintos tipos de asfalto presentan diferentes características de rendimiento en las carreteras en cuanto a durabilidad de la superficie, desgaste de los neumáticos, eficiencia de frenado y ruido de la calzada . En principio, la determinación de las características de rendimiento adecuadas del asfalto debe tener en cuenta el volumen de tráfico de cada categoría de vehículo y los requisitos de rendimiento de la capa de fricción. En general, la viscosidad del asfalto permite que forme fácilmente una superficie convexa, con un vértice central en calles y carreteras para drenar el agua hacia los bordes. Sin embargo, esto no supone en sí mismo una ventaja sobre el hormigón, que presenta diversos grados de viscosidad y también puede formar una superficie de carretera convexa. Más bien, es la economía del asfalto lo que hace que su uso sea más frecuente. El hormigón se encuentra en las autopistas interestatales, donde el mantenimiento es fundamental.

El hormigón asfáltico genera menos ruido en la carretera que una superficie de hormigón de cemento Portland , y suele ser menos ruidoso que las superficies de sellado con gravilla . ^{[ 28 ] [ 29 ]} Debido a que el ruido de los neumáticos se genera mediante la conversión de energía cinética en ondas sonoras , se produce más ruido a medida que aumenta la velocidad de un vehículo. La idea de que el diseño de carreteras podría tener en cuenta consideraciones de ingeniería acústica, incluida la selección del tipo de pavimento de la superficie, surgió a principios de la década de 1970. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

En cuanto al comportamiento estructural, el comportamiento del asfalto depende de diversos factores, como el material, la carga y las condiciones ambientales. Además, el comportamiento del pavimento varía con el tiempo. Por lo tanto, el comportamiento a largo plazo del pavimento asfáltico difiere de su comportamiento a corto plazo. El LTPP es un programa de investigación de la FHWA que se centra específicamente en el comportamiento del pavimento a largo plazo. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

El deterioro del asfalto puede incluir agrietamiento en forma de cocodrilo , baches , levantamiento, desprendimiento , ^{[ 32 ]} exudación , surcos , empuje, desprendimiento y depresiones de pendiente. En climas fríos, las heladas pueden agrietar el asfalto incluso en un solo invierno. Rellenar las grietas con betún es una solución temporal, pero solo una compactación y un drenaje adecuados pueden ralentizar este proceso.

Los factores que provocan el deterioro del hormigón asfáltico con el tiempo se dividen principalmente en tres categorías: calidad de la construcción, factores ambientales y cargas de tráfico. A menudo, el daño es consecuencia de la combinación de factores de las tres categorías.

La calidad de la construcción es fundamental para el rendimiento del pavimento. Esto incluye la construcción de zanjas de servicios y accesorios que se colocan en el pavimento después de la construcción. La falta de compactación en la superficie del asfalto, especialmente en la junta longitudinal, puede reducir la vida útil de un pavimento entre un 30 y un 40 %. Se ha dicho que las zanjas de servicio en los pavimentos después de la construcción reducen la vida útil del pavimento en un 50 %, ^{[ 33 ]} principalmente debido a la falta de compactación en la zanja y a la intrusión de agua a través de juntas selladas incorrectamente.

Entre los factores ambientales se incluyen el calor y el frío, la presencia de agua en la subbase o el suelo de la subrasante que se encuentra debajo del pavimento y las heladas.

Las altas temperaturas ablandan el ligante asfáltico, lo que permite que las cargas pesadas de los neumáticos deformen el pavimento y formen surcos. Paradójicamente, el calor intenso y la luz solar directa también provocan la oxidación del asfalto, volviéndolo más rígido y menos resistente, lo que conlleva la formación de grietas. Las bajas temperaturas pueden causar grietas debido a la contracción del asfalto. El asfalto frío también es menos resistente y más propenso a agrietarse.

El agua atrapada bajo el pavimento ablanda la subbase y la subrasante, lo que hace que la carretera sea más vulnerable a las cargas del tráfico. El agua bajo la carretera se congela y se expande con el frío, provocando y agrandando grietas. Durante el deshielo primaveral, el suelo se descongela de arriba hacia abajo, por lo que el agua queda atrapada entre el pavimento y el suelo aún congelado. Esta capa de suelo saturado ofrece poco soporte a la carretera, lo que da lugar a la formación de baches. Esto es más problemático en suelos limosos o arcillosos que en suelos arenosos o gravosos. Algunas jurisdicciones aprueban leyes sobre heladas para reducir el peso máximo permitido para los camiones durante el deshielo primaveral y proteger sus carreteras.

El daño que causa un vehículo es aproximadamente proporcional a la carga del eje elevada a la cuarta potencia, por lo que duplicar el peso que soporta un eje causa en realidad 16 veces más daño. ^{[ 34 ]} Las ruedas hacen que la carretera se flexione ligeramente, lo que produce agrietamiento por fatiga , que a menudo conduce al agrietamiento en forma de cocodrilo. La velocidad del vehículo también influye. Los vehículos que se mueven lentamente ejercen presión sobre la carretera durante un período de tiempo más prolongado, aumentando los surcos, las grietas y las ondulaciones en el pavimento asfáltico.

Otras causas de daños incluyen los daños por calor provocados por incendios de vehículos o la acción de disolventes en caso de derrames de productos químicos.

Prevención y reparación de la degradación

La vida útil de una carretera puede prolongarse mediante buenas prácticas de diseño, construcción y mantenimiento. Durante el diseño, los ingenieros miden el tráfico en la carretera, prestando especial atención al número y tipo de camiones. También evalúan el subsuelo para determinar su capacidad de carga. El espesor del pavimento y la subbase se diseñan para soportar las cargas de las ruedas. En ocasiones, se utilizan geomallas para reforzar la subbase y fortalecer aún más las carreteras. El drenaje, que incluye cunetas , desagües pluviales y drenajes subterráneos, se utiliza para eliminar el agua de la calzada, evitando que debilite la subbase y el subsuelo. ^{[ 35 ]}

El sellado del asfalto es una medida de mantenimiento que ayuda a evitar que el agua y los productos derivados del petróleo penetren en el pavimento.

El mantenimiento y la limpieza de las cunetas y los desagües pluviales prolongarán la vida útil de la carretera a bajo costo. El sellado de pequeñas grietas con un sellador bituminoso evita que el agua las agrande debido a la erosión por heladas o que se filtre hasta la subbase y la ablande.

Para carreteras con un estado algo más deteriorado, se puede aplicar un sellado asfáltico con gravilla o un tratamiento superficial similar. A medida que aumenta el número, el ancho y la longitud de las grietas, se requieren reparaciones más intensivas. En orden de costo generalmente creciente, estas incluyen recubrimientos asfálticos delgados, recubrimientos de varias capas, fresado de la capa superior y posterior recubrimiento, reciclaje in situ o reconstrucción total de la calzada.

Es mucho menos costoso mantener una carretera en buen estado que repararla una vez que se ha deteriorado. Por ello, algunas agencias priorizan el mantenimiento preventivo de las carreteras en buen estado, en lugar de reconstruir las que están en mal estado. Las carreteras en mal estado se mejoran según lo permitan los recursos y el presupuesto. En términos de costo total y condiciones del pavimento a largo plazo, esto se traduce en un mejor rendimiento del sistema. Las agencias que se concentran en restaurar sus carreteras en mal estado a menudo descubren que, para cuando las han reparado todas, las que estaban en buen estado se han deteriorado. ^{[ 36 ]}

Algunas agencias utilizan un sistema de gestión de pavimentos para priorizar el mantenimiento y las reparaciones.

El hormigón asfáltico es un material reciclable que puede recuperarse y reutilizarse tanto en obra como en plantas de asfalto . ^{[ 37 ]} El componente reciclado más común en el hormigón asfáltico es el pavimento asfáltico recuperado (RAP). El RAP se recicla a una tasa mayor que cualquier otro material en los Estados Unidos. ^{[ 38 ]} Muchas tejas para techos también contienen asfalto, y las mezclas de hormigón asfáltico pueden contener tejas asfálticas recuperadas (RAS). Las investigaciones han demostrado que el RAP y el RAS pueden reemplazar la necesidad de hasta el 100 % del agregado virgen y el ligante asfáltico en una mezcla, ^{[ 39 ]} pero este porcentaje suele ser menor debido a los requisitos reglamentarios y las preocupaciones sobre el rendimiento. En 2019, las nuevas mezclas de pavimento asfáltico producidas en los Estados Unidos contenían, en promedio, 21,1 % de RAP y 0,2 % de RAS. ^{[ 38 ]}

• Solera flotante : parte de una máquina pavimentadora que extiende y alisa el material de pavimentación. 
• Ingeniería de pavimentos
• Método de estabilidad de Marshall
• Pavimentadora : equipo de construcción utilizado para extender asfalto. 
• Blindaje de plástico : blindaje de agregados de piedra para buques británicos de la Segunda Guerra Mundial. 
• Superficie de la carretera : carretera cubierta con un material de superficie duradero. 
• Sellador – Recubrimiento protector para superficies de asfalto 
• Asfalto estampado : acabado decorativo sobre hormigón asfáltico.