ANÁLISIS MINERALÓGICO, NORMA INVIAS: 2013, DE LOS AGREGADOS PÉTREOS DE CANTERAS

PROCEDENTES DE LOS MUNICIPIOS DE VILLAVICENCIO Y ACACÍAS PARA SU APLICACIÓN

EN MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE EN EL DEPARTAMENTO DEL META

MINERALOGICAL ANALYSIS, INVIAS STANDARD:

2013, OF THE AGGREGATE PEDREOS OF CANTERAS FROM THE MUNICIPALITIES OF VILLAVICENCIO AND

ACACÍAS FOR APPLICATION IN HOT ASPHALT MIXTURES IN THE DEPARTMENT OF META

Juan Pablo Beltrán Quimbayo

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Santo Tomás, Sede Villavicencio, juanbeltranq@usantotomas.edu.co

Carlos Martin Cuesta Alvarado Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Santo Tomás, Sede Villavicencio, carloscuesta@usantotomas.edu.co

Germán Chicangana

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Santo Tomás, Sede Villavicencio, germanchicangana@usantotomas.edu.co

Emiro Andrés Lozano Pérez Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Santo Tomás, Sede Villavicencio, emirolozano@usantotomas.edu.co

Resumen: Este trabajo analizó las propiedades mineralógicas y físicas de clastos de seis canteras para materiales de construcción. Este análisis se realizó de acuerdo con la norma colombiana INVIAS 2013 para pavimentos. Los agregados de piedra de estas canteras de los municipios de Villavicencio y Acacías para su aplicación en mezclas de asfalto denso en caliente (MDC) en el departamento colombiano de Meta. De acuerdo con la norma estándar mencionada anteriormente, las pruebas que se aplicaron fueron granulometría, desgaste por parte de Angels Machine y abrasión con equipo Micro-Deval para caras fracturadas, partículas alargadas y planas. Los resultados fueron muy diferentes tanto para el contenido petrográfico como para el de mineralogía en las gravas de los ríos Guatiquía y Guayuriba. Además, las pruebas de laboratorio nos permitieron identificar que los agregados de todas las canteras casi cumplían con todos los requisitos de este material para su aplicación en la fabricación de mezclas de asfalto caliente en el departamento colombiano de Meta Palabras clave: Agregados, análisis mineral, asfalto, propiedades de las gravas. Abstract: This work analyzed mineralogically and physic properties of clasts of six quarries for construction materials. This analysis was according to 2013 INVIAS Colombian standard normative for pavements. The stone aggregates from these quarries from the municipalities of Villavicencio and Acacías for application in hot dense asphalt mixtures (HMA) in the Colombian department of Meta. According to the standard normative above mentioned, the tests that applied were granulometry, wear by Angels Machine and abrasion with Micro-Deval equipment for fractured faces, elongated, and flat particles. The results were a lot different both for petrographic like mineralogy contents in the gravels of the Guatiquía and Guayuriba rivers. In addition, laboratory tests allowed us to identify that the aggregates of all the quarries almost met all the requirements for this material for its application in the manufacture of hot asphalt mixtures in the Colombian Meta department. Keywords: Aggregates, mineral analysis, asphalt, gravels properties.

1. INTRODUCCIÓN A lo largo de la experiencia de los autores como observadores y partiendo de la formación disciplinar que la academia ha aportado al proceso profesional, surge la necesidad de revisar a fondo la infraestructura vial que rodean nuestro espacio. La constante insatisfacción de las obras públicas, en este caso las vías pavimentadas, presentan un rápido deterioro y preocupación en cuanto inversiones y materias primas se utilizan en su preparación, en efecto, este espacio se motiva por indagar y analizar en particular, las vías de la ciudad de Villavicencio desde el análisis de los agregados pétreos.

La finalidad de esta investigación es analizar mineralógicamente, acorde a norma INVIAS:2013, los agregados pétreos de canteras procedentes de la ciudad de Villavicencio (Figura 1) para su aplicación en mezclas asfálticas en caliente, con lo cual se busca determinar los factores característicos de éste material bajo distintas condiciones; de esta forma, determinar cuáles son las canteras que cumplen con los criterios INVIAS: 2013 en materia de agregados pétreos para fabricar mezclas densas en caliente, que permitan la implementación y diseño de las estructuras viales eficientes tanto en el casco urbano y las zonas rurales del departamento del Meta

Figura 1 Ubicación Geográfica de las Canteras en el municipio de Villavicencio.

Fuente: Los autores

La investigación se propone demostrar que la variación en las características de los componentes de los agregados pétreos, acorde con su ubicación, es de carácter físico y afectan la resistencia mecánica de las estructuras del pavimento. Ahora bien, teniendo como apoyo los laboratorios de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Santo Tomás se pretende analizar, evaluar y conocer la composición mineralógica, el desempeño mecánico del material y la influencia del diferente material pétreo procedente de la variedad de canteras del municipio de Villavicencio esperando que los resultados se proyecten hacia el departamento [1]

2. MATERIALES Y MÉTODOS

TABLA 1. DESCRIPCIÓN NORMA INV-E 200

Norma ESPECIFICACIÓN INV-E 123-13 Análisis granulométrico de suelos por tamizado. INV-E 218-13

Resistencia al desgaste de los agregados de tamaños menores de 37.5 mm (1½") por medio de la Máquina de los Ángeles”

INV-E 238 -13 Determinación de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasión utilizando el aparato micro-deval”

INV-E 227-13 Porcentaje de caras fracturadas (una cara) INV-E 230-13 Índice de alargamiento

Índice de aplanamiento Fuente: Los autores.

Para lograr los objetivos propuestos se estableció una metodología de trabajo en la cual se toma la norma INV-E 200 que fue la guía para la respectiva toma de muestras y ensayos de laboratorio.

2.1 Descripción de etapas y tareas A continuación, se presentan las diferentes etapas que se llevaron a cabo para lograr la investigación: 2.1.1 Etapa 1. Diseño del proyecto. Durante esta etapa se realizó una revisión bibliográfica de libros, revistas, textos, investigaciones y trabajos previos con respecto al tema de caracterización y degradación de agregados pétreos. En donde se buscó la información base de guía y necesaria para iniciar la investigación. 2.1.2 Etapa 2. Fase de diagnóstico. Por medio de la revisión bibliográfica que se realizó, se pudo determinar que el comportamiento y respuesta de las estructuras de pavimento está ligada a la calidad y resistencia de sus agregados pétreos que conforman su estructura, por otra parte, se evidenció que no hay un documento donde se haya estudiado la caracterización de agregados pétreos en la zona del departamento del Meta. Por eso es sumamente importante la realización de esta investigación para aclarar y determinar si los materiales que son explotados por las diferentes empresas de la región cumplen con las características técnicas que exige la norma INVIAS: 2013. 2.1.3 Etapa 3. Fase de diseño de trabajo de campo. En esta etapa se realizó una búsqueda de los principales proveedores de agregados pétreos en los municipios de Villavicencio y Acacías, se eligieron 10 canteras, las cuales serán visitadas para aplicarles una encuesta de caracterización y realizar Tomás de muestras a sus productos, para con estas realizar las pruebas y ensayos de laboratorio. 2.1.4 Etapa 4. Fase de campo. En esta etapa se diseñaron formatos para las debidas tomas y descripción de las muestras que se recolectaron en campo, así como para el reporte de resultados de laboratorio. Siguiendo los lineamentos que dicta la norma INVIAS [2] para agregados pétreos. La cual especifica la metodología que se debe emplear a la hora de muestrear agregados para la construcción de vías. 2.1.5 Etapa 5. Procesamiento de la información. Para conocer la calidad de un agregado pétreo que será utilizado como parte de la estructura de pavimento es fundamental determinar las variables físico-mecánicas como lo estipula las normas E-243-13, E-218-13, E-238-13 del INVIAS [2]. Estas establecen las características que deben cumplir los materiales para su uso en las estructuras de pavimento. 2.1.6 Etapa 6. Resultados Etapa en la cual se revisan y analizan los resultados obtenidos en el laboratorio con el fin de aclarar y dar respuesta a los objetivos propuestos en la investigación. 2.1.7 Etapa 7. Conclusiones y Recomendaciones. Se logra determinar si el material explotado por las canteras ubicadas en los municipios de Villavicencio y Acacías logro cumplir con las características técnicas propuestas en la norma INVIAS:2013 [2], y dar una sugerencia para la escogencia del material que será utilizado en proyectos futuros en temas de infraestructura vial. 2.2 Población, muestras, variables e instrumentos de recolección de datos La población beneficiada para el presente proyecto de investigación fueron las empresas de construcción civil del sector privado, ya que cuentan con un documento base para la clasificación y elección del mejor agregado pétreo para el diseño y construcción de pavimentos, el cual es extraído de las canteras que se encuentran localizadas en el municipio de Villavicencio.

Las cuales son la fuente de investigación, ya que facilitaron las muestras necesarias de agregado pétreo para hacer todo el análisis técnico, con el fin de corroborar si cumplen con todos los estándares técnicos de la norma INVIAS. Las muestras fueron agregado pétreo triturado de río de tamaños ½” y ¾”, tomadas de cada una de seis canteras, elegidas mediante el método no probabilístico de “por conveniencia”, pues pese a que se les solicitó a todas las canteras de Villavicencio y Acacías que participaran en el estudio, sólo las gerencias de Arrecife, Agregados y Triturados del Meta, Mina Guatiquia Centro S.A.S., Petrominerales, El Diamante y Rex Ingeniería, tuvieron a bien aceptar la solicitud.

3. RESULTADOS 3.1 Petrografía y mineralogía del material extraído en las canteras Las cuencas fuentes del material pétreo de las canteras analizadas en este trabajo son la de los ríos Guatiquía y Guayuriba - Negro. Estos ríos en los lugares en donde se encuentran las canteras tienen cauces trenzados (brained). Los macizos rocosos que aportan en las cuencas son el Complejo Quetame, el Grupo Farallones y las unidades sedimentarias de edad Cretáceo. 3.1.1. Río Guatiquía En el río Guatiquía el material recuperado tanto para las canteras se compone principalmente de cuarzo, seguido de feldespatos y eventualmente se presentan minerales oscuros como micas y anfíboles. La procedencia de estos agregados es areniscas cuarzo - feldespáticas de edad Cretáceo que corresponden a unidades como la Formaciones Une, Chipaque y Areniscas de Caqueza, las cuales afloran principalmente en el Piedemonte llanero próximo a Villavicencio. Igualmente, existen rocas similares (areniscas) que proceden de la Formación Lutitas de Macanal. Se presentan de esta unidad shales (limolitas silíceas) que también están asociadas con otras unidades rocosas sedimentarias muy diferentes en tiempo geológico como lo es la Formación Lutitas de Pipiral del Grupo Farallones, con edad Devónico tardío. Se presenta mucho material disgregado resultante de rocas afectadas por la Falla Servitá, la cual está muy próxima a la cantera Agregados y Triturados del Llano (Figura 2). También se presentan limolitas oscuras muy posiblemente relacionadas con la Formación Capas Rojas del Guatiquía de edad Carbonífero. 3.1.2. Río Guayuriba En el río Guayuriba - Negro el material recuperado tanto para las canteras se compone también de cuarzo, seguido de feldespatos. De manera similar al río Guatiquía se presentan también fragmentos con minerales oscuros como micas y anfíboles. La procedencia de estos agregados es igualmente areniscas cuarzo - feldespáticas con edad Cretáceo que corresponden a unidades como la Formaciones Une y Lutitas de Macanal, las cuales afloran principalmente en el Piedemonte llanero próximo a Villavicencio y la carretera Villavicencio - Acacías. Se presentan además areniscas de la Formación Areniscas de Gutiérrez con edad Devónico correspondiente al Grupo Farallones. Eventualmente se presentan cantos rodados de composición cuarzo - feldespática con venas de cuarzo y ocasionalmente con micas (esquistos micáceos) con moscovita y clorita, que se relacionan con rocas del Complejo Quetame. En el trayecto del río Negro, este corta rocas de esta unidad, la cual se constituye de filitas, esquistos micáceos y cuarcitas. Los cantos rodados (cuarzo – feldespáticos) con venas de cuarzo y posteriormente triturados en las canteras, son cuarcitas que pertenecen a la unidad Cuarcitas y Filitas de Guayabetal, del Complejo Quetame (Figura 2.).

Figura 2. MAPAS GEOLÓGICOS DE LAS PLANCHAS 247 - CAQUEZA, ARRIBA, Y 266 – VILLAVICENCIO, ABAJO. LAS LÍNEAS AZULES GRUESAS INDICAN LOS CAUCES DE LOS RÍOS GUAYURIBA - NEGRO A LA IZQUIERDA, Y GUATIQUÍA A

LA DERECHA.

Fuente: Tomado y modificado Pulido y Gómez (2001), e INGEOMINAS (2011)

Los materiales de las canteras correspondientes a las Canteras de los ríos Guatiquía y Guayuriba se discriminan por la identificación del material extraído desde un punto de vista petrográfico (Tabla 2), y Mineralógico (Tabla 3) para el caso de las arenas y gravas.

Tabla 2. Análisis petrográfico en porcentaje % de muestras obtenidas en las canteras

Cantera Roca Sedimentaria Roca Ígnea Roca Metamórfica Guatiquia Centro 70% 10% 20%

Agregados y Triturados del Meta 70% 5% 25% Petrominerales 50% 0% 50% Rex Ingeniería 50% 0% 50%

Arrecife 50% 0% 50% El Diamante 50% 0% 50%

Fuente: Los autores.

Tabla 3. Porcentaje de minerales y fragmentos líticos por muestra representativa de agregados Areniscas

Cantera Cuarzo Feldespato Fragmentos Líticos Otros Guatiquia Centro 60% 20% 10% 10%

Agregados y Triturados del Meta 60% 20% 10% 10% Petrominerales 60% 20% 10% 10% Rex Ingeniería 65% 20% 10% 5%

Arrecife 60% 25% 15% 0% El Diamante 65% 20% 10% 5%

*Anfíboles relacionados con fragmentos 7º cantos de rocas ígneas intrusivo posiblemente Granito acido de procedencia desconocida

**Micas y accesorios Fuente: Los autores.

En las areniscas de las canteras del río Guatiquía las areniscas de acuerdo con la clasificación de Pettijohn (1975) varían de Grauvacas a Areniscas Arcosicas. Las limolitas silíceas (posiblemente relacionadas a las unidades del Grupo Farallones), junto con algunas areniscas de grano muy fino (Grauvacas) con colores

oscuros presentan oxidación. Esporádicamente se presentan cantos rodados compuestos de trozos de una roca ígnea tipo Granito (Cuarzo ≥ 65%, Plagioclasas ≥ 25%, Anfíboles ≤ 10%). [3] Para el río Guayuriba existe un predominio de rocas metamórficas compuestas mayoritariamente por cuarcitas y en segundo término esquistos micáceos, los cuales presentan cuarzo las areniscas de acuerdo con la clasificación de Pettijohn (1975) varían también de Grauvacas a Areniscas Arcosicas. Las limolitas silíceas claras junto con algunas areniscas de grano muy fino con colores oscuros también presentan oxidación, indicando posiblemente como procedencia el Grupo Farallones, la Formación Areniscas de Gutiérrez. [3] En general los agregados pétreos presentan un porcentaje de cuarzo que varía entre 60 y 70%, seguido de feldespatos entre 20 y 30%, y en una proporción promedio de fragmentos líticos del 10%. Como otros minerales presentes se presentan micas y otros silicatos en una proporción del orden del 5 %. Hay que tener especial cuidado con algunas areniscas y limolitas silíceas que presentan alto contenido de Fe y son susceptibles a procesos de oxidación. [3] Una vez realizados los ensayos en laboratorio, de acuerdo con los parámetros de INVIAS 2013 al material muestra de las seis canteras en estudio, se identifica lo siguiente: La figura 2 muestra la curva granulométrica de los agregados pétreos de canteras procedentes de los municipios de Villavicencio y Acacías, evidenciando que el material vendido en todas las canteras se encuentra acorde a las especificaciones INVIAS 2013, pues en ninguno de los casos sobrepasan los límites (mínimo y/o máximo), lo que permitirá la fabricación de mezclas asfálticas en caliente, acordes a la norma INVIAS 2013 [9].

Fig 3. GRANULOMETRÍA DE AGREGADOS PÉTREOS DE CANTERAS PROCEDENTES DE LOS MUNICIPIOS DE VILLAVICENCIO Y ACACÍAS

Fuente: Los Autores.

Los ensayos en laboratorio, de acuerdo a los parámetros de INVIAS 2013 muestran que el material de las seis canteras de los municipios de Villavicencio y Acacías cumple con la granulometría para la elaboración de mezclas densas en caliente, pues al contar con material granular adecuadamente proporcionado contribuye a mitigar la deformación de la carpeta asfáltica, pues al compactarla adecuadamente la mezcla,

se genera mayor contacto entre partículas y por ende menos vacíos de aire [4]. Fig 4. PORCENTAJE DE DESGASTE EN MÁQUINA DE LOS ÁNGELES (500 REVOLUCIONES), DE AGREGADOS PÉTREOS

DE CANTERAS PROCEDENTES DE LOS MUNICIPIOS DE VILLAVICENCIO Y ACACÍAS

Fuente: Los Autores..

Los ensayos también permitieron identificar características de la dureza del material mineral, encontrando que los agregados de todas las canteras en estudio se encuentran en los límites de desgaste en Máquina de los Ángeles, tanto a 100 como a 500 revoluciones (Figura 4). Además, en todos los casos cumplen con el porcentaje de desgaste por abrasión en el equipo Micro-Deval para nivel de tránsito 2, lo cual es positivo para la fabricación de mezclas asfálticas en caliente, puesto que si el agregado es lo suficientemente duro y resistente a la abrasión es un indicativo que permite predecir que las mezclas tendrán un buen desempeño en términos de resistencia a la degradación y factores climáticos como lluvia y sequía [4], las cuales son muy frecuentes fuertes en los últimos años gracias a los fenómenos climáticos del niño y la niña [5]. Al igual, es preciso señalar que el agregado pétreo de la cantera Agregados y Triturados del Meta no es lo suficientemente resistente a la abrasión para fabricar mezclas asfálticas en caliente para la categoría NT3 de INVIAS 2013 [2]. Esta característica hace que este material presente mayores problemas de control en la construcción, pues limita que las mezclas asfálticas posean las propiedades mecánicas más cercanas al diseño [4]. Por su parte, al analizar los ensayos sobre geometría de las partículas del agregado grueso, el porcentaje de caras fracturadas del agregado mineral permite identificar que en todos los casos supera el 75%, siendo este el límite mínimo permitido de una cara, lo que evidencia el cumpliendo del criterio INVIAS 2013 [2], lo que contribuye a que la mezcla asfáltica fabricada con estos agregados posean propiedades que aumenten su desempeño, reduciendo la posibilidad de sufrir deformación permanente [4].

Fig 5. PARTÍCULAS PLANAS Y ALARGADAS (RELACIÓN 5:1) DE AGREGADOS PÉTREOS DE CANTERAS PROCEDENTES DE LOS MUNICIPIOS DE VILLAVICENCIO Y ACACÍAS

Fuente: Los Autores.

En contraste, el ensayo para determinar el porcentaje de partículas planas y alargadas de agregados pétreos evidenció que el agregado vendido por todas las canteras procedentes de los municipios de Villavicencio y Acacías no cumplen con el criterio INVIAS 2013 [2] (Figura 5), lo que incrementa la susceptibilidad del material mineral a fracturas durante su manipulación, fabricación de la mezcla y la carga ejercida por el tránsito, pues contar con mayor porcentaje de partículas aplanadas y alargadas aumenta la cantidad de arcilla en el agregado, lo que desfavorece la unión entre el ligante y el agregado [4]. A su vez, la matriz de aceptación o rechazo de los agregados pétreos extraídos en las canteras en estudio permite identificar más fácilmente los anteriores resultados, ya analizados, ante lo cual es prudente que la gerencia de las distintas canteras de los municipios de Villavicencio y Acacías generen acciones para disminuir el porcentaje de partículas aplanadas y alargadas. Esta matriz, permite identificar que el agregado proveniente de las canteras Arrecife, Agregados y Triturados del Meta, Mina Guatiquia Centro S.A.S., Petrominerales, El Diamante y Rex Ingeniería cumple con los criterios de granulometría, desgaste en la máquina de los Ángeles (100 y 500 revoluciones) y porcentaje de caras fracturadas, exigidos por INVIAS 2013; no obstante el material mineral de Agregados y Triturados del Meta es el único que no puede ser utilizado en la fabricación de mezclas asfálticas en caliente a emplearse en nivel de tránsito 3, pues no posee un adecuado porcentaje de abrasión en el equipo Micro-Deval. Aunque, todos los agregados son rechazados para la elaboración de carpetas asfálticas por su sensibilidad a la fractura proveniente del alto porcentaje de partículas alargadas y planas [4].

4. CONCLUSIONES Al determinar, desde el punto de vista mineralógico, el tipo del material extraído en las canteras de Villavicencio y Acacías para la fabricación de mezclas de asfalto densas en caliente se logró establecer que para el río Guayuriba se presenta un predominio tanto de rocas sedimentarias como de rocas metamórficas. En las rocas sedimentarias predominan areniscas y gravas con fragmentos líticos de rocas metamórficas, y limonitas silíceas. Las rocas metamórficas son cuarcitas, las cuales tienen hasta un 70% de cuarzo. En las areniscas y limolitas, las cuales varían entre grano fino a grueso, presentan como otros micas y accesorios como clorita, etc. Eventualmente algunas limonitas y areniscas de grano fino presentan costras de oxidación. En cuanto a las propiedades físico-mecánicas del material extraído en las canteras de Villavicencio y Acacías para la fabricación de mezclas de asfalto densas en caliente se pudo identificar que en todas las canteras se cumple con la granulometría, desgaste en la máquina de los Ángeles (100 y 500 revoluciones)

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

Arrecife Guatiquia Centro Agregados ytriturados del

Meta

Petrominerales El Diamante Rex Ingeniería

% R

elac

ión

5/1

Canteras Lím. Máx.

y porcentaje de caras fracturadas, exigidos por INVIAS 2013, al igual que el porcentaje de desgaste por abrasión en el equipo Micro-Deval (este último para vías NT2). No obstante, el agregado posee alto porcentaje de partículas alargadas y planas, por encima de los límites permitido por INVIAS 2013. Además, la matriz de aceptación o rechazo de los agregados pétreos extraídos en las canteras en estudio, permite identificar con mayor facilidad los criterios de la norma INVIAS:2013 para la fabricación de mezclas de asfalto densas en caliente que cumple el material extraído en las canteras de Villavicencio y Acacías, revalidando los resultados obtenidos, por ello es preciso que en estas canteras se tomen acciones tendientes a minimizar el número de partículas alargadas y planas de este material mineral.

AGRADECIMIENTOS

A la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Santo Tomás, sede Villavicencio que con su cuerpo de profesores y con su decano Jhon Jairo Gil Peláez nos dio apoyo permanente en la realización de presente trabajo, El presente trabajo formo parte de la tesis de pregrado de los autores Juan Pablo Beltrán Quimbayo y Carlos Martín Cuesta Alvarado A los gerentes de las canteras Arrecife, Agregados y Triturados del Meta, Mina Guatiquia Centro S.A.S., Petrominerales, El Diamante y Rex Ingeniería, por habernos permitido realizar esta investigación en sus empresas.

REFERENCIAS

[1] a. s.-a. vera, «repository usta,» 2017.

[2] Instituto Nacional de Vías "INVIAS", Especificaciones generales de construcción de carreteras y normas de ensayo para materiales de carreteras, Bogotá: INVIAS, 2013.

[3] F. P. P. &. S. R. (. S. a. S. S.-V. N. Y. Pettijohn.

[4] H. Delgado, P. Garnica, G. M. Villatoro y G. Rodríguez, Influencia de la granulometría en las propiedades vulométricas de la mezcla asfaltica, Sanfandila: Instituto Mexicano de Transportes, 2006.

[5] A. C. Ruiz y J. D. Pavón, «Efecto de los fenómenos de El Niño y La Niña en la precipitación y su impacto en la producción agrícola del departamento del Atlántico (Colombia),» Cuadernos de Geografía, vol. 22, nº 2, pp. 35-54, 2013.