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Inuencia del agua en el desempeño
de los pavimentos: lluvia ácida
Influence of water in the performance
of road surface: acid rain
Carlos Javier Obando Gamboa
Universitaria Agraria de Colombia –
UNIAGRARIA. Bogotá, Colombia
Correo electronico:
iccobando@gmail.com
Información del artículo: recibido: de Marzo 2017, aceptado: 27 de Agosto de 2017
https://10.17081/invinno.5.2.2761
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Palabras
Claves:
lluvia ácida,
modicadores,
presione
El agua supercial contribuye en la oxidación del asfalto, más aún cuando
ingresa por los poros de la capa de rodadura, sin embargo, el mayor efecto
destructivo se maniesta en forma combinada con las cargas del tráco ya
que el agua alojada en las suras, poros e intersticios del pavimento por
efecto de la presión de los neumáticos, genera una presión de vacíos que
gradualmente destruye el pavimento asfáltico. Es conocido que diferentes
agentes químicos pueden modicar las características mecánicas y
desempeño de los concretos asfálticos, esta es la base para el uso y desarrollo
de diferentes modicadores con el objeto de mejorar el comportamiento
del asfalto frente a diferentes solicitudes y/o factores, así mismo las
adiciones y aditivos en los pavimentos hidráulicos. Partiendo del hecho
que existen agentes químicos y que el agua supercial puede inltrarse en
el concreto asfáltico e hidráulico, y que ésta sometida a fuerzas externas
causarán inevitables esfuerzos internos adicionales, podemos inferir que
los agentes químicos presentes en el agua de escorrentía o agua lluvia
podrían verse potencializados, modicar el comportamiento mecánico
de los concretos utilizados en los pavimentos, acelerar los procesos de
envejecimiento y causar daños estructurales
Resumen
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Surface water contributes to oxidize asphalt, even when it comes in through the pores of
the granular sub base, however, the major destructive effect comes out in a mixed form
with the loads of trafc since the water kept in the ssures, pores and clefts of the road
surface due to the pressure of pneumatics, generates a vacuum pressure that gradually
destroys the asphalt of the road. It is well known that different agents can modify the
mechanical characteristics and the performance of asphalt concrete; this is the base for
the usage and development of different modiers with the aim of improving the behavior
of asphalt when facing different applications or factors, just in the same way as additions
and additives in hydraulic paving. Starting from the fact that chemical agents do exist
and surface water can get through asphaltic and hydraulic concrete, and trhe fact that
they are submitted to external forces that will cause additional unavoidable internal
efforts, we can infer that the chemical agents present in the water drained from the rain
could be enhanced, could modify the mechanical behavior of the concrete used in paving,
and could also speed up the aging of the road surface and cause structural damages.
Abstract
Keywords
Acid rain,
modiers,
pressures.
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Cuando se habla de agua y carreteras, aparecen conceptos y problemas
complejos en el entorno. Ciertamente, el agua es necesaria en los procesos
de construcción, pero durante la vida útil de un pavimento es imperativo
tomar las medidas necesarias para mantenerla alejada de la estructura de la
carretera o controlar sus niveles para no vulnerar el equilibrio. Para esto se
diseñan y construyen obras para la evacuación de aguas como cunetas, drenes
y alcantarillas, entre otras, así como mecanismos de bombeo sobre la capa de
rodadura. También se utilizan materiales como geotextiles para mejorar la
evacuación y control de la humedad. A pesar de estas precauciones, el agua
hace contacto con el pavimento y causa daños en los granulares al entrar por
la carpeta de rodadura o por succión, cuando se trata de agua freática. Esto
afecta estructuralmente a la carpeta de rodadura; y, por otra parte, los daños
por oxidación y presiones internas cuando el agua se inltra a través de los
granulares a la rodadura o por la escorrentía supercial, producen daños en
el comportamiento mecánico del concreto asfáltico e hidráulico.
En este documento se enfatiza en el efecto del agua sobre la carpeta de
rodadura asfáltica, así como de los agentes químicos presentes en esta debido
a la polución o lluvia ácida. Esta última ocurre cuando la humedad en el aire
se combina con los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre emitidos por
la industria y los vehículos, dando origen al ácido sulfúrico y ácidos nítricos.
Los efectos de la lluvia ácida sobre los concretos asfálticos serán analizados
hipotéticamente, tomando como referencia los resultados de pruebas con
modicadores a base de azufre, información mundial sobre el efecto de la lluvia
ácida en las edicaciones, y reacciones químicas que se producen entre algunos
componentes de los agregados, como el carbonato de calcio y la lluvia ácida.
Introducción
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Como ya se ha dicho, la lluvia ácida es un fenómeno resultante de la combinación
de la humedad presente en el aire con los óxidos de nitrógeno y el dióxido
de azufre emitidos por fábricas, centrales eléctricas y vehículos que queman
carbón o productos derivados del petróleo; estos químicos, en interacción con
el vapor de agua, forman ácido sulfúrico y ácidos nítricos, y nalmente estas
sustancias químicas caen a la tierra a través de las precipitaciones.
Los contaminantes atmosféricos primarios que dan origen a la lluvia ácida
pueden recorrer cientos o miles de kilómetros, en virtud de los vientos, antes de
precipitarse en forma de rocío, lluvia, llovizna, granizo, nieve, niebla o neblina.
Cuando la precipitación se produce, puede provocar importantes deterioros en
el ambiente (Figura 1) [1-3].
El agua de la lluvia común presenta un pH ligeramente ácido de aproximadamente
5.65, debido a la presencia del CO2 atmosférico que forma ácido carbónico, H2CO3.
Por tanto, se puede considerar lluvia ácida si se encuentra un pH de menos de 5.00;
sin embargo, la lluvia ácida puede alcanzar un pH de inclusive 3.0, igual que el del
vinagre. Estos valores de pH se alcanzan por la presencia de compuestos como el
ácido sulfúrico, H2SO4, y el ácido nítrico, HNO3.
Lluvia acida
Figura . 1
Lluvia ácida. Fuente:
Ecologismo.com
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La acidificación de las aguas de lagos, ríos y mares dificulta el desarrollo
de vida acuática en estas aguas, lo que aumenta en gran medida la
mortalidad de peces. Igualmente, acaba con los microorganismos
fijadores de nitrógeno y afecta directamente a la vegetación, por lo
que produce daños importantes en las zonas forestales.
El término “lluvia ácida” abarca la sedimentación tanto húmeda como seca
de contaminantes ácidos que pueden producir el deterioro de la supercie
de los materiales, más concretamente, por su carácter corrosivo, la lluvia
ácida deteriora las construcciones y las infraestructuras. Puede disolver,
por ejemplo, el carbonato de calcio, CaCO3, y afectar de esta forma a los
monumentos y edicaciones construidas con mármol o caliza [3].
En Colombia, es común la utilización de piedra caliza y arenisca como
agregados para las mezclas asfálticas, debido a su buena adherencia
con el asfalto y a la conformación de materiales granulares, pues estos
materiales abundan a lo largo y ancho del territorio nacional; sin embargo,
la infraestructura construida con caliza y arenisca (carbonática) presenta un
deterioro denominado el “mal de piedra”, originado por el ácido sulfúrico
de la lluvia ácida, que al reaccionar con el carbonato de calcio produce
sulfato de calcio, sustancia que el agua de lluvia disuelve y arrastra, así:
CaCO3 (piedra caliza) + H2SO4 (lluvia ácida) ----------> CaSO4 (yeso) + CO2
+ H2O
Efectos de la lluvia acida
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Es decir, la caliza se transforma en yeso, y este es disuelto por el agua con
mucha mayor facilidad. Además, al tener un volumen mayor, el yeso actúa
como una cuña, provocando el desmoronamiento y disolución de la piedra.
Las precipitaciones de lluvia ácida no se han medido con exactitud, pero por lo
general caen al principio de la temporada invernal, con un tiempo de caída variable,
que depende de cuánto gas tóxico hay en la atmósfera, pero en sí, la lluvia ácida
podría durar sólo unos minutos y limitarse al comienzo de un aguacero
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El impacto adverso de la inltración de lluvia en la estructura de pavimento
asfáltico no debe ser ignorado, y más si se tiene en cuenta que, según la regla de
inltración del agua, en condiciones de lluvia, el agua penetra continuamente
en la capa de rodadura, haciendo que el contenido volumétrico de agua en la
supercie se incremente gradualmente hasta la saturación, y que, una vez esta
deja de caer, la inltración del agua es constantemente expulsada hacia fuera
de la estructura, dado que el contenido volumétrico de agua sigue en aumento
por un corto tiempo adicional, para luego disminuir gradualmente. Se puede
armar, entonces, que un pavimento asfáltico es sometido de manera habitual
a saturaciones relativamente prolongadas, es decir, que el tiempo durante el
cual el asfalto está en contacto con el agua es alto, lo que podría generar altos
índices de oxidación en la mezcla.
Se ha determinado que el agua alojada en las suras del pavimento, combinada
con el efecto de la presión de los neumáticos, genera una presión de poros al
interior del pavimento que lo destruye del interior hacia el exterior.
De otro lado, es normal que en ambientes húmedos o saturados, las mezclas
reporten disminución en la cohesión de los asfaltos con el granular, lo cual
afecta la estabilidad y rigidez Marshall en las mezclas asfálticas.
Los anteriores fenómenos, sumados al efecto destructivo de los ácidos presentes
en el agua de escorrentía (lluvia ácida), pueden disminuir la vida útil de un
pavimento asfáltico, por las siguientes razones:
• El concreto asfáltico saturado con agua ácida (lluvia), además de la
oxidación, puede sufrir un desgaste externo adicional, de modo que
los agregados que contienen carbonato de calcio en su composición
pueden deteriorarse y lavarse con el tiempo.
• La disminución en el perímetro de los agregados superciales como
consecuencia de la lluvia ácida puede causar el desprendimiento de los
agregados. facilitando la intrusión de agua en la matriz asfáltica [3].
Hipotesis
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• Dado que por efecto de la lluvia ácida, los agregados pueden perder
diámetro, el asfalto a su alrededor pierde la capacidad aglutinante y,
por consiguiente, pueden presentarse problemas de adherencia, no
química (aunque debe estudiarse) sino mecánica, como se indica en
la Figura 2.
• Cuando el agua ácida penetra el asfalto y se combina con las
cargas cíclicas ocasionadas por el paso de los vehículos, la intrusión
continua de la misma, se acelera, dado que las presiones internas
sobre los poros del asfalto crean un efecto “lavadora”, y esto propicia
el efecto corrosivo y desgastante interno de la estructura del asfalto,
ocasionando poros cada vez mas grandes (huecos) por donde el agua
entra más fácilmente.
• El agua bombeada hacia afuera del asfalto arrastra gran cantidad de
material de caliza convertido en yeso, lo cual ocasiona huecos cada vez
más grandes en la matriz asfáltica, que combinados periódicamente
con las cargas del tránsito, produce roturas en el concreto.
Carrera 53 con 44a Bogotá (Col)
Figura 2.
Posible efecto
de los ácidos en
la adhesión de
agregados. Fuente:
Autor.
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• Como el agua entra cada vez con mayor facilidad en la estructura
del pavimento, se acelera el proceso de oxidación, lo cual rigidiza al
concreto. En estas circunstancias, los vacios ya creados en el interior
del asfalto producto del lavado (desintegración de los agregados, por
el “mal de piedra”) hacen que el asfalto se agriete con mayor facilidad
(velocidad).
• Por último, dado que el agua de escorrentía también se inltra por
el suelo circundante a la estructura de pavimento, es natural que las
capas granulares de este se vean afectadas por el efecto de la lluvia
ácida. Como se dijo antes, dado lo anterior, los agregados con presencia
de carbonato de calcio (caliza y arenisca) se reblandecen poco a poco
y se lavan en los ujos de agua freática, lo que con el tiempo generará
vacíos bajo la rodadura, ocasionando deformaciones evidentes.
El efecto del azufre presente en la lluvia ácida merece un capítulo aparte, en
particular cuando el asfalto no presenta agregados con composición carbónica,
es decir, cuando se cuenta con agregados como el granito. En este sentido,
existen modicadores a base de azufre que transforman los asfaltos y causa
diferentes comportamientos mecánicos.
Dependiendo de la constitución química del asfalto, aproximadamente del
15% al 18% de azufre puede ser dispersado en él y permanecer estable por
un periodo prolongado. En la Figura 3, se ilustra la inuencia del contenido
de azufre sobre el ensayo Marshall de un concreto asfáltico-arena, usando
un asfalto de penetración 200, caso en el que se presenta un incremento
sustancial en la estabilidad Marshall. También se ha establecido que el
Modificadoes a base de azufe
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azufre mezclado en el asfalto actúa como un diluyente. Hay otro proceso
que utiliza una gran cantidad de azufre y que se comporta como un ller. En
este proceso se produce una mezcla muy trabajable que puede extenderse
mediante una maquinaria sin rodillo de compactación y que cuando se enfría
es muy resistente a la deformación, aumentando así el módulo y haciendo la
mezcla más rígida [2, 4, 5].
En ese orden de ideas, es válido también preguntar sobre el efecto de la
lluvia ácida en el asfalto como cementante: ¿es posible que se cambien las
propiedades químicas del cemento asfalto bajo el efecto de la lluvia ácida
mediante procesos de absorción u otro tipo de procesos más complejos?,
¿serían buenos los efectos en este caso o contribuirían al daño que el ácido
sulfúrico causa sobre los agregados?
Figura 3.
Efecto del contenido
de azufre sobre el
ensayo Marshall.
Fuente: Asphalt
Machineries and
Equipment
Pág 201
Como la lluvia ácida puede incidir en el comportamiento mecánico de un
concreto asfáltico, es necesario evaluar el grado de afectación en el tiempo sobre
las estructuras que usan este tipo de pavimento .
Pero, dado que su evaluación en campo tardaría mucho tiempo y la
identicación de la misma en tiempo real no es la más sencilla, se recomienda
evaluar dichos efectos en el laboratorio.
La herramienta más adecuada para llevar a cabo estos estudios es el “equipo
de carga acelerada”, con el cual se llevan a cabo pruebas aceleradas sobre los
pavimentos (simulador de modelos de carga móvil) con el objeto de caracterizar
mezclas asfálticas mediante diferentes tipos de mediciones.
Con este equipo (que es como una pista de ensayos a escala reducida), se
pueden simular entre otros factores las cargas cíclicas de los neumáticos sobre
los pavimentos vinculando factores como temperatura controlada, número de
ciclos, cargas y, para este caso en particular, lluvia ácida.
Ahora bien, para simular el efecto de la lluvia ácida en el tiempo, dado que
esta causa un efecto a largo plazo, se debe construir un modelo aparente para
someterlo a un aumento de la gravedad en la maquina centrifuga, y en este
modelo se deben recrear las cargas sobre el pavimento, los espesores, la lluvia
ácida (precipitación) e inclusive los cambios de temperatura.
Al llevar a cabo dicho ensayo, se esperaría encontrar los cambios en el módulo
de la mezcla (oxidación), alteraciones en la viscosidad del asfalto, alteraciones
en la adherencia, y el efecto de la lluvia ácida sobre estos factores.
El ensayo debe correrse dos veces: en la primera, básicamente, se simularán
cargas, temperatura y precipitación en ausencia de ácidos (sin polución o
contaminación), y en la segunda la precipitación ha de ser ácida. De esta
manera se medirán características asfálticas como las antes mencionadas y se
Recomendaciones
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compararán los datos para determinar el grado de afectación del fenómeno
de la lluvia ácida sobre las mezclas asfálticas en el tiempo.
Esto es enriquecedor, pues con ello se puede determinar el desempeño del
concreto asfáltico en circunstancias actualmente comunes, y marcar pautas
adicionales para el diseño de las mezclas asfálticas [6-8].
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Es importante que los efectos de la lluvia ácida sobre el pavimento sean
considerados para el diseño y la construcción de la infraestructura vial, pues
esto ayudará a una mejor proyección del rendimiento y vida útil de la carretera.
En forma concreta, determinar el efecto destructivo de la lluvia acida puede
dar pie a la generación de políticas gubernamentales que protejan la inversión
pública e incentivar colateralmente la protección del medio ambiente.
Pero, además de conocer la implicación de agentes ambientales como la
temperatura y la precipitación (humedad), es relevante investigar cómo afectan
a un pavimento los agentes químicos producidos por la polución, a n de evitar
que los efectos de la lluvia ácida se conviertan en un problema de diseño de la
mezcla que repercuta en el desempeño mecánico de los pavimentos.
La lluvia ácida produce un efecto a largo plazo, por lo que el reconocimiento del
mismo dependerá entonces de la medida de pluviosidad ácida, la concentración
de los ácidos producto de la polución, del tiempo de contacto entre los ácidos y
el asfalto, y de las cargas a que sea sometido el pavimento.
Ejecutando el ensayo con el uso del simulador a escala propuesto, pero
siempre comparando diferentes grados de temperatura en presencia de
lluvia ácida, se podrá determinar si el efecto de la lluvia ácida varía según
los cambios de temperatura, y qué tanto.
Los problemas encontrados en los pavimentos por efecto de la lluvia ácida no se
pueden considerar como fatiga, dado que si el pavimento falla, como se prevé
en este documento, no será solo por causa de un envejecimiento prematuro o
por daños estructurales internos derivados de una acción acelerada de agentes
externos como el tráco, la humedad y posiblemente la temperatura.
El efecto de los ácidos sobre los asfaltos, con agregados cuya composición
contiene carbonato de calcio, se prevé como negativa, sin embargo, se debe
estimar qué tan negativa es.,
Conclusiones
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Entre algunas preguntas que se pueden solucionar con el uso de modelos a
escala en un tiempo relativamente corto, podrían destacarse las siguientes: ¿El
efecto del ácido sulfúrico sobre el cemento asfáltico se puede prever fácilmente?,
¿podría ser este negativo o incluso positivo, como lo indica el comportamiento
de algunos modicadores a base de azufre en los asfaltos? Además, ¿qué tan
negativa o positiva podría ser?, y, por último, combinada con el efecto sobre los
agregados, ¿que produce?
El efecto del agua sobre los poros del asfalto y sobre la estructura granular
del pavimento se puede potenciaro negativamente por la inclusión de ácidos
presentes en las precipitaciones, Y, en todo caso, es claro que la lluvia ácida
puede ocasionar daños estructurales asociados al lavado de los materiales, y
daños mecánicos debidos al cambio en el comportamiento del asfalto por la
inclusión de agentes químicos que pueden reaccionar con la composición del
concreto asfáltico.
Pág 205
1. Jilei Hu, Xiaochu Wang, and Rendong Guo, “Rainfall Inltration Inuence to
Asphalt Concrete Pavement”, China., 2011.
2. H.A. Khalid, “A new approach for the accelerated ageing of porous asphalt
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Referencia Bibliográfica
Vol 5 No2 / Julio a Diciembre 2017
Influencia del agua en el desempeño de los pavimentos: lluvia ácida
Pág 206
C. Obando, “Inuencia del agua en el desempeño de los
pavimentos: lluvia ácida”, Investigación e Innovación en
Ingenierias, vol. 5, n°. 2, pp. 190-207., 2017
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ISSN: 2344-8652