En el diseño y dosificación de las mezclas asfálticas deben considerarse diferentes propiedades, desde sus características volumétricas hasta su resistencia a la deformación, a la fisuración, a la disgregación o a la acción del agua, que además varían con la temperatura de ensayo. Para poder considerar todas estas propiedades en el diseño de las mezclas, se tiene que recurrir a una amplia gama de ensayos, a partir de los que se estudia la variación de las propiedades de la mezcla en función de la temperatura y del porcentaje y tipo de betún utilizado.

El método de diseño hasta hace poco tiempo empleado en España, se basaba en el ensayo Marshall; la mezcla se diseñaba teniendo en cuenta principalmente su estabilidad, que es la propiedad que se determina en este ensayo. Al exigir una estabilidad mínima a 60ºC, lo que se va buscando es diseñar mezclas que resulten resistentes a las deformaciones plásticas a altas temperaturas, que ha sido uno de los problemas que siempre ha preocupado en nuestro país en el uso de las mezclas bituminosas.

Es importante tener en cuenta la diferencia entre los derivados del petróleo y el carbón. Así como tener en cuenta que no todos los crudos son válidos para obtener betunes, sólo el 5% de los crudos disponibles a nivel mundial son aptos para ello.

Analizando la variación de los parámetros Marshall (estabilidad y deformación) y los volumétricos (% huecos en mezcla y % de huecos rellenos) con el contenido de betún se definía el porcentaje óptimo y, con posterioridad, se determinaba para la mezcla seleccionada su resistencia a las deformaciones plásticas, mediante el ensayo de pista, y su resistencia a la acción del agua, mediante el ensayo de inmersión-compresión. Este método llevó al diseño de mezclas estables y resistentes a las deformaciones plásticas, pero que con frecuencia han resultado excesivamente frágiles y fisurables al no tenerse en cuenta esta propiedad en el diseño de la mezcla.

El Laboratorio de Caminos de la UPC ha desarrollado el ensayo FENIX que permite evaluar la resistencia a fisuración de la mezcla tanto a temperaturas bajas (rotura frágil), como a temperaturas medias (rotura dúctil).

A partir del año 2008, tras la normalización europea, el ensayo Marshall ha dejado de utilizarse, por lo que el diseño de las mezclas tipo Asphalt Concrete ha tenido que establecerse a partir de otros ensayos: además de los parámetros volumétricos, se introduce la aplicación del ensayo de tracción indirecta, dirigido fundamentalmente al estudio de la sensibilidad al agua de la mezcla, al comparar las resistencias antes y después de mantener las probetas sumergidas en agua. Además, para la mezcla seleccionada, se deberá comprobar su resistencia a las deformaciones plásticas, mediante el ensayo de pista. Sin embargo, el procedimiento de diseño no tiene en cuenta cómo el tipo y porcentaje de betún pueden afectar a propiedades mecánicas de la mezcla tan importantes como el módulo y la resistencia a la fisuración.

La resistencia a la fisuración de las mezclas bituminosas es de vital importancia, especialmente cuando se trata de pavimentos localizados en zonas donde la temperatura ambiente puede bajar, aumentando la rigidez de la mezcla. Es por ello que, en los últimos años, algunos de los estados del medio-oeste de los EEUU han liderado el desarrollo de ensayos específicos para evaluar la energía de fractura de mezclas bituminosas a bajas temperaturas. Es el caso del ensayo Disck-Shaped Compact Tension Test (DC(T)), desarrollado en la Universidad de Illinois, y del ensayo Semi-Circular Bending Test (SCB), desarrollado en la TU Delft, Países Bajos, pero de uso generalizado en los estados más fríos de EEUU.

Pero también es necesario tener en cuenta la respuesta mecánica y la resistencia a la fisuración de las mezclas bituminosas a temperaturas más altas. En la actualidad el diseño de los pavimentos asfálticos se lleva a cabo a partir de la resistencia a la fisuración por fatiga de las mezclas bituminosas a 20ºC, propiedad que viene condicionada por la ductilidad y energía disipada en su rotura dúctil.

Es por ello que el Laboratorio de Caminos de la UPC ha desarrollado el ensayo FENIX que permite evaluar la resistencia a fisuración de la mezcla tanto a temperaturas bajas (rotura frágil), como a temperaturas medias (rotura dúctil).

El ensayo consiste en determinar el esfuerzo necesario para fisurar una probeta semicilíndrica, aplicando un esfuerzo de tracción en su plano diametral, Figura 2. El esfuerzo se aplica mediante dos placas pegadas a la probeta en su plano diametral que van sujetas a los anclajes de la prensa. El ensayo se realiza a una velocidad constante de deformación del pistón de aplicación de carga de 1 mm/min. Durante el ensayo se registra el esfuerzo aplicado en función del desplazamiento. La probeta presenta una pequeña entalla entre las dos placas para inducir el inicio de la fisuración de la probeta.

A partir de la curva carga-desplazamiento resultante del ensayo, se pueden definir distintos parámetros relacionados con las características mecánicas y resistentes de la mezcla:

  • Índice de rigidez a tracción (IRT): pendiente de la curva carga-desplazamiento entre el 25 y el 50% de la carga máxima (Fmax).
  • Energía de fractura (GD): área bajo la curva de carga-desplazamiento, dividida por la superficie de fractura (S).
  • Índice de tenacidad (IT): área de la curva postpico multiplicada por el desplazamiento realizado por la prensa desde la carga máxima hasta que ésta se reduce al 50%.
  • Desplazamiento (deformación): correspondiente al 50% de la carga máxima en la zona postpico (d0.5PM): permite valorar directamente la ductilidad de la mezcla.

Podemos concluir que el método de diseño propuesto anteriormente basado en las características volumétricas de la mezcla y en los parámetros obtenidos en el ensayo Fénix a 20ºC, permite evaluar las mezclas desde el punto de vista de su compacidad, que indirectamente controla su estabilidad y resistencia a las deformaciones plásticas, y de forma más directa, su tenacidad y ductilidad, lo que permitirá el diseño de mezclas con mejores prestaciones mecánicas que incrementan la vida de servicio de los firmes de carreteras.

Esquema del ensayo Fénix y curva carga-desplazamiento obtenida

Imagen: Esquema del ensayo FÉNIX y curva carga-desplazamiento obtenida