Introducción

De acuerdo con los datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía en México, en diciembre de 2019, la tasa de registro fue de 25.5 % de camiones de carga, 70.2 % de automóvil y tan solo 4.2 % de camión de pasajeros, así mismo, la Red Nacional de Caminos en diciembre de 2015 contaba con 98.5 % de red pavimentada asfaltada, mientras que solo 1.5 % correspondía al 1.5 % de concreto hidráulico. Si bien, las vías terrestres tienen a los pavimentos asfálticos como la principal opción para la red carretera, ^{Martínez et al. (2013)} mencionan que el concreto hidráulico a base de cemento Portland es el material más empleado para construcciones en el mundo.

De acuerdo con ^{Gutiérrez et al. (2017)} los pavimentos están constituidos por un conjunto de capas superpuestas relativamente horizontales compuestas por distintos materiales; de manera general existen dos principales tipos: los pavimentos rígidos y los flexibles. Los pavimentos rígidos de acuerdo con Baamonde et al. (2017) se definen como la constitución de una losa de concreto hidráulico, que distribuye las cargas sobre un área mayor de la subrasante por medio de toda la superficie de la losa. Mientras que ^{Huang et al (2004)} definieron a los pavimentos flexibles como una carpeta asfáltica constituida de agregados pétreos y ligante asfáltico, que se apoya generalmente sobre dos capas no rígidas, transmitiendo las cargas de manera más concentrada y distribuyendo el total de la carga en menos áreas de apoyo. ^{Gutiérrez et al. (2017)} analizaron los vehículos que transitan por nuestras carreteras en 360 estaciones distribuidas en toda la red carretera nacional. En la Figura 1 se puede apreciar el porcentaje de vehículos sobrecargados en diferentes periodos y el exceso de carga máximo registrado respecto a lo permitido en la norma sobre el peso y dimensiones máximas con el que pueden circular los vehículos (NOM-012-SCT).

Fuente: Elaboración propia a partir de ^{Gutiérrez et al. (2017)}

Figura 1 Registro de sobrecarga de los vehículos pesados 

De los resultados expresados se puede concluir que, entre otros casos, los vehículos más usados para el movimiento de mercancías han sido camiones unitarios T3S3, y los doblemente articulados T3S2R4, particularmente estos últimos han aumentado con el paso de los años. Teniendo en cuenta los datos que se presentan en este estudio, se puede observar un sobreesfuerzo de gran magnitud en los pavimentos de nuestras carreteras, siendo una de las principales causas de su deterioro.

^{Baamonde et al. (2011)} establecen que una de las causas principales del deterioro de los firmes de una carretera son las sobrecargas repetitivas del tránsito. Actualmente se han buscado y propuesto tecnologías alternas que toman en cuenta materiales para mejorar las características específicas como la resistencia a la flexión (módulo de rotura) en pavimentos, mostrando el parámetro con el que se diseña y evalúa el concreto, ya que posee una baja resistencia a la flexión respecto a la compresión en un orden de entre 10 % a 20 %, de acuerdo con ^{Rivera (2000)}.

Reciclar el pavimento asfáltico no es algo novedoso, mundialmente la reducción de los recursos de un pavimento flexible se hace mediante el RAP. ^{Fabela et al. (1999)} definieron al RAP como el material recién fresado de un pavimento flexible durante la rehabilitación y construcción de este. Por ejemplo, en Hong-Kong se importa asfalto del extranjero y cada año se fresan cerca de 200,000 toneladas de mezcla asfáltica de las carreteras, que pueden aprovecharse en la construcción o rehabilitación de las mismas (^{Isaks et al., 2015}). Existe la necesidad de reutilizar el RAP debido a que se generan altos contenidos de recursos por reconstrucción o rehabilitación de carreteras, donde una de las posibles maneras de ampliar el uso del RAP sería incorporar el agregado en el cemento portland (^{Okafor, 2010}).

Los estudios hechos por ^{Delwar et al. (1997)}, ^{Al-Oraimi et al. (2009)}, ^{Okafor et al. (2010)} y ^{Hossiney y Tia (2010)}, han coincidido que la adición del ligante asfáltico al RAP reduce la resistencia del concreto, a pesar de esto, ^{Hossiney y Tia (2010)} analizaron distintas proporciones en el concreto hidráulico con agregado RAP evaluando su resistencia a la compresión y flexión, dando como resultado, que a medida en mayor aportación del contenido agua/cemento la compresión disminuía, encontrando que la resistencia a la compresión era de 25 MPa y evidenciando que el RAP es factible para emplearse en el concreto, convirtiéndose viable para resistencias medias y bajas. Esto coincide con ^{Hossiney y Tia (2010)} quienes investigaron la aportación de resistencias a la tensión, compresión, flexión y módulo elástico con diferentes contenidos de RAP a 0, 20, 40, 70 y 100%, teniendo como resultado que al aumentar el porcentaje de RAP disminuían sus resistencias. Así mismo, resaltan que las tensiones máximas en el concreto de cemento Pórtland disminuyeron a medida que se aumentaba el contenido de RAP, indicando que el uso del RAP podría ser una alternativa y uso para mejorar las propiedades en el pavimento de concreto.

En contraste con estos autores, quienes coinciden que el ligante asfáltico reduce la resistencia del concreto, se encuentra ^{Okafor et al. (2010)} quienes analizaron dos proporciones de 1:2:4 y 1:3:6 de cemento, arena y agregado RAP con relaciones de agua/cemento de 0.50, 0.60 y 0.70, estas mezclas las examinaron a compresión y flexión, teniendo como resultado que a medida que aumentan el contenido de agua/cemento la resistencia a la compresión disminuye en un 4.2 MPa y 1.5 MPa para la relación agua/cemento de 0.50 y 0.70, concluyendo que la disminución de la resistencia, comparada con el concreto hidráulico patrón, se debe a la debilidad de unión entre el concreto hidráulico y el ligante asfáltico adherido al agregado.

Debido a que el ligante asfáltico reduce la resistencia del concreto antes mencionado, ^{Sing et al. (2017)} presentaron la evaluación del agregado RAP en el concreto hidráulico, implementando una técnica para mejorar la calidad del agregado RAP mediante abrasión y desgaste, sus mezclas consistieron de RAP sucio (DRAP), RAP Lavado (WRAP) y Concreto de Agregado Natural (NAC). El RAP tratado (AB&AT) tuvo un mejor comportamiento, ya que mostró incremento en resistencia a la compresión en 9.74 % y 12.71 %, a la tensión en 2.66 % y 12.21 % y flexión en 6.05 % y 8.55 % en comparación con el concreto inclusivo DRAP y WRAP, respectivamente. Los resultados evaluados a los 28 días se muestran en la Tabla 1.

Empleando fibras de vidrio para mejorar la utilización de RAP, ^{Hoyos et al. (2011)} presenta la caracterización de un concreto tratado con fibra de vidrio y RAP, donde los resultados a compresión, Figura 2, incrementan a medida que el porcentaje de dosificación aumenta. Así mismo, se puede hacer una comparación entre el RAP y el RAP con fibra, los cuales en relación con sus resultados son similares. Por otro lado, al evaluar el módulo de elasticidad se dio cuenta que la inclusión de las fibras tuvo un efecto positivo en el cemento-RAP aumentando su módulo elástico. Concluyendo que en general es factible para utilizarlos en base y subbase.

Fuente: Elaboración propia a partir de ^{Hoyos et al. (2011)}

Figura 2 Resultados de fibras en concreto hidráulico 

^{Monti et al. (2016)} reportan que la resistencia a la compresión y a la tensión con la adición de fibras al concreto hidráulico que contienen RAP, restauraría o incluso mejoraría la resistencia a la tensión del concreto. Así mismo, ^{Hoyos et al. (2011)} afirman que el uso de fibras de cemento adicionados al RAP es potencialmente ecológico y estructuralmente sólido para aplicaciones de base y subbase en pavimentos. Las investigaciones de ^{Sing et al. (2017)} permiten utilizar el Método de Abrasión y Desgaste para el procedimiento de separación del RAP y ligante asfáltico para aumentar la resistencia a la compresión, tensión y flexión, debido a que la adherencia del ligante asfáltico al agregado es la consecuencia de la disminución de resistencias en el concreto. Por lo anterior, en coincidencia a la problemática reportada por ^{Monti et al. (2016)} y las líneas de investigación expuestas en ^{Hoyos et al. (2011)}, además de la poca practica que se tiene del uso del RAP en el concreto hidráulico, la presente investigación considera hacer una separación del ligante asfáltico del agregado RAP a través del Método de Abrasión y Desgaste (reportado en ^{Sing et al., 2017}) con el fin de hacerlas trabajar en conjunto como agregado fino e incluirlo al concreto hidráulico para mejorar la resistencia a la tensión y compresión de un pavimento rígido.

Desarrollo

Selección del material

Cuarteo y cribado

La selección del material para los agregados MC, CO, SL y LAV se llevó a cabo mediante el cuarteo de los materiales conforme a la norma ^{ASTM C702 (2018)}. Esta norma permite reducir las muestras grandes de agregado al tamaño adecuado para el ensayo a evaluar, en donde los pasos a seguir son: dividir la muestra en cuatro partes (Figura 3a), con una brocha apartar los cuarteos (Figura 3b) y tomar dos cuarteos de forma diagonal (Figura 3c). Para el cribado se procedió a tamizar los materiales conforme a la norma ^{ASTM C136 (2014)}. Los agregados MC y CO se cribaron por el tamiz Núm. 8, asimismo se tomaron agregados de CO para ser procesado en la MDA, el cual se cribó en dos partes: RAP grueso (>4.75 mm) y RAP fino (˂4.75 mm).

Fuente: Elaboración propia

Figura 3 Cuarteo de agregados pétreos 

Recuperación de agregado fino RAP

El proceso de recuperación del agregado fino RAP se hizo implementando la MDA para obtener la arena LAV y SL (Figura 4). Conforme a modificaciones de criterio aplicados al proceso descrito en la norma ^{ASTM C131 (2014)} y con el fin de obtener la separación del ligante del agregado pétreo, las modificaciones se basaron en diferentes pruebas de tiempo, para así obtener el mayor agregado fino posible recuperado. En la Tabla 3 se desglosa el proceso a seguir que indica la norma y los criterios que se modificaron.

Fuente: Elaboración propia

Figura 4 Vista de Máquina de Desgaste de Los Ángeles con incorporación de RAP y carga abrasiva 

Tabla 3 Obtención del agregado fino RAP en Condición LAV y SL 

Proceso	Normativa	Modificación
1. Preparación de MDA	Verificar que la máquina esté libre de cualquier otro material	--
2. Incorporación del material RAP CO a MDA	Incorporar 5 kg con base al tamaño nominal del agregado	Introducir de 10 a 12 kg de agregado sin importar su tamaño nominal
3. Incorporación a la MDA de carga abrasiva	Con base al tamaño nominal del agregado se elige cuánta carga abrasiva se incorporará, estas con un diámetro entre 46-48 mm y con masa entre 390-445 gr	Incorporar 14 esferas con las mismas especificaciones de diámetro y masa que indica la norma
4. Desgaste de material	Girar la MDA a una velocidad de 30 a 33 rpm durante 15 min	Girar la MDA durante 20 min a la misma velocidad que indica la norma
5. Recuperación de material	Retirar carga abrasiva y material de MDA	--
6. Lavado	Lavar el material por el tamiz Núm. 12	Lavado del material LAV por el tamiz 3/4" y Núm. 200 para retirar el polvo
7. Tamizado	Cribar el material por el tamiz Núm. 12 y descartar todo lo que pasa en el tamiz	Cribar el material LAV por el tamiz Núm. 8 descartando lo que pasa en el tamiz Núm. 200. Para el material SL se cribo por el tamiz Núm. 8 dejando lo que paso el tamiz Núm. 200
8. Secado	Secar el material en el horno a una temperatura de 100°C durante 24 ± 4 horas	--

Elaboración de especímenes

Mediante el método Standard practice for selecting proportions for normal, heavyweight, and mass concrete, ^{ACI 211. 1-91 (2009)}, se diseñó una mezcla con resistencia a la compresión f’c = 250 kg/cm² con la que se esperó una resistencia a la tensión diagonal mínima de 12.5 kg/cm², y así evaluar su resistencia a compresión y tensión sin agregado RAP y poder comparar posteriormente los resultados con adición de agregado fino RAP. Para ambos casos, se empleó el mismo diseño de la mezcla. Para las tres mezclas a ser comparadas se sustituyó la arena virgen por los tres materiales RAP en sus distintas condiciones CO, SL y LAV.

A partir del diseño de la mezcla, se obtuvo la proporción de cemento, arena, grava y agua para el volumen calculado de concreto para cada muestra. De acuerdo con el diseño experimental se realizaron 7 muestras de cilindros de concreto hidráulico conforme a la norma mexicana ^{NMX-C-159-ONNCE-2016} para su ensaye a resistencia a la compresión y tensión diagonal, respectivamente, a edades de 7, 14 y 28 días. La primera muestra se elaboró con agregados pétreos vírgenes, mientras que las otras 6 consistieron de agregado virgen grueso y agregado fino RAP en sus diferentes condiciones CO, SL y LAV. La mezcla consistió en 5.1 kg de cemento Portland con 3.1 litros de agua para conservar la relación agua: cemento de 0.62. Debido a que la elaboración de las muestras se realizó en distintas jornadas, se llevó a cabo la corrección por humedad de los agregados para la cantidad de agua tanto para la arena como para la grava (Ecuación 1).

a= w-abs kg/100 (1)

Donde:

a = cantidad de agua por agregar o quitar al diseño de la mezcla, kg

w = humedad del agregado, %

abs = absorción del agregado, %

kg = cantidad calculada del agregado en el diseño de la mezcla, kg

Finalmente:

afinal=ainicial-(agrava+aarena)

a_final: cantidad de agua por agregar o quitar al diseño original, kg

Para cada muestra se realizó la prueba de revenimiento tal y como lo establece el Método de Muestreo y prueba de materiales (^{M.MMP.2.02.056-2006}), obteniendo en todos los ensayes resultados favorables de acuerdo con el diseño de mezcla. Cada espécimen se curó conforme a la norma de elaboración y curado de especímenes de concreto (^{NMX- C-159-ONNCCE-2016}), (Figura 5).

Fuente: Elaboración propia

Figura 5 Fabricación de especímenes 

Ensayos de resistencia a la tensión

De acuerdo con la norma de resistencia a la tensión de cilindros de concreto (^{M-MMP-2-02-059-2004}) se realizaron ensayes a 7, 14 y 28 días para determinar la resistencia a la tensión diagonal de los cilindros de concreto. Esta norma permite determinar la resistencia del concreto hidráulico mediante la compresión diametral en especímenes cilíndricos moldeados. El cálculo de la resistencia se determinó conforme a la Ecuación 3 que presenta la norma (Figura 6).

T= 2 P/π l d (3)

Donde:

T = Resistencia a la tensión por compresión diametral, kg/cm²

P = Carga máxima aplicada, kg

l = Longitud promedio del espécimen, cm

d = Diámetro promedio del espécimen, cm

Fuente: Elaboración propia

Figura 6 Ensaye de resistencia a la tensión y compresión 

Discusión y análisis de resultados

Características de los materiales (Subsección)

Granulometría de los agregados

Con base en los resultados de la distribución granulométrica del material MC de los agregados gruesos y finos, respectivamente (Figuras 7 y 8), se observó que contaba con una distribución adecuada para trabajar en el diseño de la mezcla control y poder proceder a hacer el diseño experimental.

Fuente: Elaboración propia

Figura 7 Distribución granulométrica del agregado grueso MC 

Fuente: Elaboración propia

Figura 8 Distribución granulométrica del agregado fino MC 

De acuerdo con los porcentajes acumulados (Figura 9), se observó que el agregado CO mostró una falta de tamaños en la distribución, ocasionada por el fresado que se dispone de los pavimentos asfálticos. Por un lado, los agregados SL y LAV presentan una mejor distribución y, por otro lado, los agregados cumplen con los criterios para los tamaños de 16 mm o menor, de acuerdo con la norma ^{IS: 383 (1970)}.

Fuente: Elaboración propia

Figura 9 Distribución granulométrica de agregados finos RAP 

Elaboración de especímenes

Para la fabricación de las mezclas, este trabajo se basó en el diseño de la MC, por lo que se obtuvieron las cantidades de acuerdo con el Diseño ^{ACI 211.1-91 (2009)}. En la Tabla 4 se observan los datos de diseño para una resistencia de 250 ^kg/_cm ² en donde se cambió el agregado fino para las mezclas CO, SL y LAV.

Tabla 4 Diseño de mezcla 

Datos	Consideraciones
Revenimiento	8	cm
TMN	20
Sin aire incluido
f¨c	250	kg/cm3
Módulo de finura	2.5
Densidad de la grava	2.813
Densidad de la arena	2.75
Densidad del cemento	3.15
Masa volumétrica de grava	1777	kg/cm3
Masa volumétrica de arena	1731	kg/cm3
Material	Cantidades por 1 m3
Cemento	322.58	kg
Agua	200	kg
Arena	789.2	kg
Grava	1155.05	kg

Fuente: Elaboración propia

En el ensayo de resistencia a la compresión con agregado fino RAP, a edad final de 28 días, se observó un incremento de la muestra LAV mejorando su resistencia respecto a la muestra control, MC. En la Tabla 5 se observa el resumen de las resistencias a compresión de las mezclas, donde se puede ver que el material LAV tiene un comportamiento favorable en la resistencia.

Tabla 5 Resumen de las resistencias a compresión de las mezclas 

Edad días	MC kg/cm2	CO kg/cm2	SL kg/cm2	LAV kg/cm2
7 14 28	198.02 238.26 259.48	175.25 201.46 202.032	192.53 231.31 244.64	205.15 236.15 259.79

Fuente: Elaboración propia

En la Tabla 6 se puede observar el comportamiento en porcentaje de la disminución o incremento de la resistencia a los 28 días de cada muestra comparada con la Muestra Control, MC, donde se observa que el material LAV tiene un comportamiento similar al MC.

Tabla 6 Porcentaje de incremento o disminución de la resistencia 

MC kg/cm2	CO kg/cm2	SL kg/cm2	LAV kg/cm2
--	- 22.13 %	- 5.72 %	+ 3. 97 %

Fuente: Elaboración propia

En la Figura 10 se resume la resistencia a la compresión de todas las muestras, tanto la de control, MC, como las que fueron evaluadas con RAP en sus distintas condiciones, donde se observa que la disminución de los materiales CO y SL tienen una evolución menor que la muestra MC, así mismo se comprobó que la muestra LAV en su evolución se hace notoria por su incremento a la primera edad de ensaye (7 días). Teniendo en cuenta esto, alcanzó un 3.97 % más de resistencia a la compresión, siendo un valor suficiente para considerarse como concreto de buena resistencia.

Fuente: Elaboración propia

Figura 10 Evolución de la resistencia a compresión del concreto hidráulico 

Luego de ensayar la resistencia a la tensión, en la edad final de 28 días se observó un incremento de la muestra LAV mejorando su resistencia, respecto a la muestra control, MC. En la Figura 11 se presentan los resultados de resistencia a la tensión evaluada a los 7, 14 y 28 días de las diferentes mezclas. Se observó que se redujeron las resistencias en 9.2 %, 6.0 % para CO y SL, respectivamente, de acuerdo con la mezcla MC. De los resultados se puede determinar que el beneficiar el RAP con la Recuperación del Agregado Arena Lavado (LAV) podría ser una manera de incrementar el desempeño del concreto con agregados de RAP.

Fuente: Elaboración propia

Figura 11 Evolución de resistencia a la tensión del concreto hidráulico 

Conclusiones

Al realizar las pruebas para obtener el desempeño de las cuatro diferentes mezclas de concreto, se pudo observar una buena distribución de los agregados, debido a las fallas longitudinales que se tuvieron en las probetas.

Por un lado, los resultados obtenidos para la probeta de control en resistencia a la compresión indicaron un f¨c de 253 kg/cm² mientras que las mezclas RAP en Condición Original y RAP en Condición Recuperado Sin Lavar dio como resultado una disminución de 22.14 % y 5.72 % en resistencia a la compresión, respecto a la muestra de control. Por otro lado, el RAP en Condición Recuperado Lavado incrementó un 3.98 %.

En lo que respecta a los resultados obtenidos de resistencia a la tensión de la mezcla Recuperada en Condición Lavado (LAV) dio 28.3 kg/cm² donde cabe señalar que, al ser adicionado al concreto, mejora la resistencia a los 28 días de edad, en comparación con las otras mezclas que dieron 25.4 kg/cm² y 27.8 kg/cm², RAP en Condición Original y RAP en Condición Recuperado Sin Lavar, respectivamente.

Se pudo observar que la muestra RAP en Condición Recuperada Lavada mejora la resistencia en sus dos evaluaciones: resistencia a la tensión y compresión, de acuerdo con la muestra RAP en Condición Recuperada Sin Lavar, y RAP en Condición Recuperada Lavada. Así mismo, se puede destacar que el material RAP en Condición Lavado podría ser una aplicación de agregado como remplazo para un concreto hidráulico.

Al reutilizar, reducir y reciclar los materiales puestos en obra, RAP, se crean nuevos productos con distintos tratamientos y propiedades que sean factibles para la utilización y construcción de carreteras, evitando el uso de recursos naturales. En el proceso de reciclado, por lo general se utilizan menos recursos para la fabricación de los materiales que cuando se parte de materiales de recursos naturales, lo que disminuiría los rellenos de escombro de pavimentos por rehabilitaciones de carreteras por nuevas construcciones. Sin embargo, por la alta demanda, suelen llenarse rápidamente los lugares apropiados para estos materiales o simplemente se desechan en lugares no apropiados.