FACULTAD DE INGENIERÍA
Maestría en Ingeniería Civil
Trabajo de Grado
Construcción de las curvas maestras del Mástic a partir del
análisis reológico de muestras elaboradas en laboratorio y de
muestras recuperadas de mezclas en servicio
Presentado por:
Carlos Alfonso Cuadro Causil
Jorge Iván Osorio Esquivel
Director
Fredy Alberto Reyes Lizcano
Carta de Aprobación (Obligatoria)
APROBACIÓN
El Trabajo de grado con título: “Indicadores del Envejecimiento del Asfalto a Partir del Análisis Reológico del Mastic.”, desarrollado por los estudiantes: Carlos Alfonso Cuadro Causil y Jorge Iván Osorio Esquivel, en cumplimiento de uno de los requisitos dispuestos por la Pontificia Universidad Javeriana, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería civil, para optar el Título de Magister en ingeniería Civil, fue aprobado por:
Director
Fredy Alberto Reyes Lizcano.
Jurado 1
Ana Sofía Figueroa Infante.
Jurado 2
Construcción de las curvas maestras del Mástic a partir del
análisis reológico de muestras elaboradas en laboratorio y de
muestras recuperadas de mezclas en servicio
Carlos Alfonso Cuadro Causil
Jorge Iván Osorio Esquivel
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ... 17
1 PROBLEMA ... 19
2 JUSTIFICACIÓN ... 20
3 OBJETIVOS ... 22
3.1 OBJETIVO GENERAL ... 22
3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 22
4 MARCO TEÓRICO... 23
4.1 MARCO CONCEPTUAL ... 23
4.1.1 Comportamiento del Asfalto y Desempeño del Pavimento ... 23
4.1.2 Importancia del Filler en la Mezcla. ... 25
4.1.3 Módulo Complejo y Ángulo de Fase. ... 25
4.2 Envejecimiento ... 27
4.3 MECANISMOS DE FALLA EN MEZCLAS ASFÁLTICAS. ... 30
4.3.1.1 Rutting (Creep) ... 30
4.3.1.2 Thermal Cracking (Fatiga). ... 31
4.3.1.3 Fatigue Cracking (Fatiga). ... 32
4.4 MODELO LINEAL VISCO ELÁSTICO ... 32
4.4.1 Efecto del envejecimiento ... 34
4.5 CURVAS MAESTRAS Y CURVAS MAESTRAS DE ENVEJECIMIENTO. ... 35
4.5.1 Curvas Maestras. ... 35
4.5.2 Curvas Maestras de Envejecimiento ... 36
4.5.3 Factor de Desplazamiento y Factor de Desplazamiento por Envejecimiento (Aging Shift Factor). ... 36
4.5.3.1 Factor de Desplazamiento ... 36
4.5.3.2 Factor de desplazamiento por envejecimiento (Aging Shift Factor) ... 38
4.6 ANTECEDENTES ... 39
4.6.1 Antecedentes del Problema. ... 39
4.6.2 Antecedentes de Investigación. ... 40
4.6.2.1 El asfalto y su envejecimiento ... 40
4.6.2.2 El mastic y sus propiedades ... 40
5 MATERIALES Y MÉTODOS ... 42
5.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ... 42
5.2 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES ... 43
5.2.1 Asfalto ... 43
5.2.2 Llenante Mineral. ... 43
5.3 MUESTRAS DE MEZCLAS EN SERVICIO ... 45
5.3.1 Toma de los Núcleos en Campo ... 45
5.3.1.1 Disgregación ... 46
5.3.1.2 Solventes ... 46
5.3.1.4 Destilación ... 48
5.4 ENVEJECIMIENTO ACELERADO DE MASTIC EN LABORATORIO ... 50
5.4.1 Elaboración de la Mezcla ... 50
5.4.2 Envejecimiento a Corto Plazo de la Mezcla. ... 50
5.4.3 Envejecimiento a Largo Plazo de la Mezcla ... 51
5.5 EVALUACIÓN DE LAS MUESTRAS ... 52
5.5.1 Principio de Funcionamiento y Variables Medidas ... 53
5.5.2 Geometrías, Temperaturas y Rutinas Aplicadas en los Ensayos en DSR ... 54
6 RESULTADOS... 55
6.1 MÓDULO COMPLEJO DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO 55 6.2 ÁNGULO DE FASE DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO . 59 6.3 CREEP DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO ... 62
6.4 FATIGA POR BARRA DE TORSIÓN DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO ... 65
6.5 CURVAS MAESTRAS DE MUESTRAS RECUPERADAS DE CAMPO ... 69
7 DISCUSIÓN ... 73
7.1 MÓDULO COMPLEJO DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO 73 7.1.1 Curvas Maestras de Envejecimiento del Módulo Complejo. ... 73
7.1.2 Curvas Maestras del Módulo Complejo, su Relación con el Envejecimiento a Diferentes Edades, el Contenido de Filler y el Tipo de Asfalto. ... 100
7.1.3 Ejercicio de Análisis de las Constantes Empíricas C1 y C2 del Modelo WLF para el Módulo Complejo por Muestras. ... 116
7.2 ÁNGULO DE FASE DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO123 7.2.1 Curvas Maestras de Envejecimiento del Ángulo de Fase. ... 123
7.2.2 Curvas Maestras del Ángulo de Fase, su Relación con el Envejecimiento a Diferentes Edades, el Contenido de Filler y el Tipo de Asfalto ... 136
7.2.3 Ejercicio de Análisis de las Constantes Empíricas C1 y C2 del Modelo WLF para el Ángulo de Fase por Muestras. ... 150
7.3 CREEP DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO, SU RELACIÓN CON EL ENVEJECIMIENTO A DIFERENTES EDADES, EL CONTENIDO DE FILLER Y EL TIPO DE ASFALTO ... 155
7.4 FATIGA POR BARRA DE TORSIÓN DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO, SU RELACIÓN CON EL ENVEJECIMIENTO A DIFERENTES EDADES Y EL CONTENIDO DE FILLER ... 165
7.5 CURVAS MAESTRAS DE MUESTRAS RECUPERADAS DE CAMPO ... 174
7.6 AJUSTE DE LA CURVA MAESTRA DE ENVEJECIMIENTO DE MUESTRAS ELABORADAS EN LABORATORIO POR MEDIO DE MUESTRAS RECUPERADAS EN CAMPO ... 176
8 CONCLUSIONES ... 182
9 RECOMENDACIONES Y ESTUDIOS FUTUROS. ... 183
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Representación esquemática de la respuesta al Creep de un Cemento Asfáltico. . 34
Figura 2. Tiempo-Temperatura Superposición. ... 38
Figura 3. Factor de desplazamiento de envejecimiento y ecuación WLF (Huang & Zeng, 2007). ... 39
Figura 4. Llenante Mineral proveniente de tolvas. ... 44
Figura 5. Llenante mineral proveniente de trituración ... 44
Figura 6. Extracción de núcleos Puente 21 Ángeles – Suba (Bogotá). ... 45
Figura 7. Disgregación de las muestras ... 46
Figura 8. Incorporación de solventes ... 47
Figura 9. Centrífuga HOUGHTON MFG – E2. ... 47
Figura 10. Homogenización de la muestra ... 48
Figura 11. Mezcla de Mástic y Solventes obtenida del proceso de centrifugado ... 48
Figura 12. Rotovapor Yamato BO600. ... 49
Figura 13. Detalle del proceso de recuperación del Mástic en Rotovapor ... 49
Figura 14. RTF Controller de James Cox & Sons INC, propiedad de la PUJ. ... 51
Figura 15. Equipo PAV de propiedad de la PUJ. ... 51
Figura 16. Cámara UV de propiedad de la PUJ. ... 52
Figura 17. DSR TA Instruments - AR-2000 EX de propiedad de la PUJ. ... 52
Figura 18. Módulo complejo asfalto 60-70 con 20% de Filler a 500h. ... 57
Figura 19. Curva Maestra Módulo Complejo Asfalto 80-100 con 10% de Filler a 100h. ... 58
Figura 20. Factor de desplazamiento por envejecimiento del módulo complejo, Asfalto 80-100 20% de Filler a 200h. ... 58
Figura 21. Ángulo de fase mastic 80-100 con 10% de Filler a 20h de envejecimiento. ... 60
Figura 22. Curva maestra Módulo Complejo Asfalto 80-100 con 10% de Filler a 100h. .... 61
Figura 23. Factor de desplazamiento del módulo complejo, Asfalto 80-100 20% de Filler a 200h. ... 62
Figura 24. Ensayo de creep para asfalto 60-70 20% de Filler a 100h de envejecimiento en cámara uv. ... 64
Figura 25. Ensayo de fatiga por barra de torsión para asfalto 60-70 2% de Filler a 500h de envejecimiento en cámara uv. ... 69
Figura 26. Módulo complejo para muestra recuperada en campo de 13 meses de edad (núcleo 07). ... 71
Figura 27. Curva maestra de módulo complejo para muestra recuperada en campo de 13 meses de edad (núcleo 07). ... 72
Figura 28. Factor de desplazamiento del módulo complejo para muestra recuperada en campo de 13 meses de edad (núcleo 07). ... 72
Figura 29. Módulo complejo asfalto 60-70 y 2% de filler, envejecido a diferentes niveles. 76 Figura 30. Módulo complejo asfalto 60-70 y 10% de filler, envejecido a diferentes niveles. ... 76
Figura 32. Módulo complejo asfalto 80-100 y 2% de filler, envejecido a diferentes niveles.
... 77
Figura 33. Módulo complejo asfalto 80-100 y 10% de filler, envejecido a diferentes niveles. ... 78
Figura 34. Módulo complejo asfalto 80-100 y 20% de filler, envejecido a diferentes niveles. ... 78
Figura 35. Curva maestra de envejecimiento asfalto 60-70 2% filler. ... 79
Figura 36. Curva maestra de envejecimiento asfalto 60-70 10% filler. ... 79
Figura 37. Curva maestra de envejecimiento asfalto 60-70 20% filler. ... 80
Figura 38. Curva maestra de envejecimiento asfalto 80-100 2% filler. ... 80
Figura 39. Curva maestra de envejecimiento asfalto 80-100 10% filler. ... 81
Figura 40. Curva maestra de envejecimiento asfalto 80-100 20% filler. ... 81
Figura 41. Comparación de Curvas Maestras de Envejecimiento PAV (Huang & Zeng, 2007) Vs UV ... 82
Figura 42. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 20h de envejecimiento en muestra 60-70 y 2% de filler ... 83
Figura 43. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 100h de envejecimiento en muestra 60-70 y 2% de filler ... 84
Figura 44. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 500h de envejecimiento en muestra 60-70 y 2% de filler ... 84
Figura 45. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 20h de envejecimiento en muestra 60-70 y 10% de filler ... 85
Figura 46. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 100h de envejecimiento en muestra 60-70 y 10% de filler ... 85
Figura 47. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 500h de envejecimiento en muestra 60-70 y 10% de filler ... 86
Figura 48. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 20h de envejecimiento en muestra 60-70 y 20% de filler ... 86
Figura 49. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 100h de envejecimiento en muestra 60-70 y 20% de filler ... 87
Figura 50. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 500h de envejecimiento en muestra 60-70 y 20% de filler ... 87
Figura 51. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 20h de envejecimiento en muestra 80-100 y 2% de filler ... 88
Figura 52. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 100h de envejecimiento en muestra 80-100 y 2% de filler ... 88
Figura 53. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 500h de envejecimiento en muestra 80-100 y 2% de filler ... 89
Figura 54. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 20h de envejecimiento en muestra 80-100 y 10% de filler ... 89
Figura 55. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 100h de envejecimiento en muestra 80-100 y 10% de filler ... 90
Figura 57. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 20h de envejecimiento
en muestra 80-100 y 20% de filler ... 91
Figura 58. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 100h de envejecimiento en muestra 80-100 y 20% de filler ... 91
Figura 59. Línea de igualdad entre G* medido y G* predicho para 500h de envejecimiento en muestra 80-100 y 20% de filler ... 92
Figura 60. Factor de desplazamiento por envejecimiento para asfalto 60-70 2% de filler ... 93
Figura 61. Factor de desplazamiento por envejecimiento para asfalto 60-70 10% de filler . 93 Figura 62. Factor de desplazamiento por envejecimiento para asfalto 60-70 20% de filler . 94 Figura 63. Factor de desplazamiento por envejecimiento para asfalto 80-100 2 % de filler 94 Figura 64. Factor de desplazamiento por envejecimiento para asfalto 80-100 10 % de filler ... 95
Figura 65. Factor de desplazamiento por envejecimiento para asfalto 80-100 20 % de filler ... 95
Figura 66. Predicción a 2000h curva maestra G* a 25°C asfalto 60-70 y 2% de filler. ... 97
Figura 67. Predicción a 2000h curva maestra G* a 25°C asfalto 60-70 y 10% de filler. ... 97
Figura 68. Predicción a 2000h curva maestra G* a 25°C asfalto 60-70 y 20% de filler. ... 98
Figura 69. Predicción a 2000h curva maestra G* a 25°C asfalto 80-100 y 2% de filler. ... 98
Figura 70. Predicción a 2000h curva maestra G* a 25°C asfalto 80-100 y 10% de filler. ... 99
Figura 71. Predicción a 2000h curva maestra G* a 25°C asfalto 80-100 y 20% de filler. ... 99
Figura 72. Módulo complejo mastic 60-70 con 2% de Filler a 20h, 50h, 100h, 200h y 500h de envejecimiento ... 103
Figura 73. Curvas maestras de módulo complejo para mastic 60-70 2% a diferentes edades. ... 103
Figura 74. Módulo complejo mastic 60-70 con 10% de Filler a 20h, 50h, 100h, 200h y 500h de envejecimiento ... 104
Figura 75. Curvas maestras de módulo complejo para asfalto 60-70 10% a diferentes edades. ... 104
Figura 76. Módulo complejo mastic 60-70 con 20% de Filler a 20h, 50h, 100h, 200h y 500h de envejecimiento ... 105
Figura 77. Curvas maestras de módulo complejo para asfalto 60-70 20% a diferentes edades. ... 105
Figura 78. Módulo complejo mastic 80-100 con 2% de Filler a 20h, 50h, 100h, 200h y 500h de envejecimiento. ... 106
Figura 79. Curvas maestras de módulo complejo para asfalto 80-100 2% a diferentes edades. ... 106
Figura 80. Módulo complejo mastic 80-100 con 10% de Filler a 20h, 50h, 100h, 200h y 500h de envejecimiento. ... 107
Figura 81. Curvas maestras de módulo complejo para asfalto 80-100 10% a diferentes edades. ... 107
Figura 82. Módulo complejo mastic 80-100 con 20% de Filler a 20h, 50h, 100h, 200h y 500h de envejecimiento. ... 108
Figura 83. Curvas maestras de módulo complejo para asfalto 80-100 20% a diferentes edades. ... 108
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Códigos internos de mastic elaborado en laboratorio. ... 42
Tabla 2. Materiales, tratamientos, evaluaciones y análisis de la investigación. ... 43
Tabla 3 Resumen de Rutinas ... 54
Tabla 4. Convenciones de Título ... 55
Tabla 5. Convenciones de Leyenda ... 56
Tabla 6. Convenciones de Título ... 63
Tabla 7. Convenciones de Leyenda ... 64
Tabla 8. Convenciones de título ... 67
Tabla 9. Convenciones de Leyenda ... 68
Tabla 10. Resumen de gráficas para elaboración de curvas maestras de envejecimiento del módulo complejo. ... 74
Tabla 11. Constantes empíricas del ASF para el modelo WLF en el módulo complejo. ... 74
Tabla 12. Factores de desplazamiento por envejecimiento en las muestras. ... 75
Tabla 13. Resumen de figuras de línea de igualdad por muestra y nivel de envejecimiento. ... 83
Tabla 14. Resumen de gráficas para elaboración de curvas maestras del módulo complejo. ... 100
Tabla 15. Convenciones de títulos ... 101
Tabla 16. Convenciones de Leyendas ... 102
Tabla 17. Constantes empíricas del modelo WLF para el módulo complejo por muestras. ... 117
Tabla 18. Resumen de Curvas maestras de envejecimiento del ángulo de fase con el ASF del módulo complejo. ... 124
Tabla 19. ASF G*, ASF Adicional y ASF Total para las muestras envejecidas. ... 128
Tabla 20. Constantes empíricas del ASF para el modelo WLF en el ángulo de fase. ... 129
Tabla 21. Resumen de gráficas para elaboración de curvas maestras de envejecimiento del Ángulo de Fase. ... 129
Tabla 22. Resumen de gráficas para elaboración de curvas maestras del ángulo de fase. . 136
Tabla 23. Constantes empíricas del modelo WLF para el ángulo de fase por muestras. ... 151
Tabla 24. Resumen de figuras con evolución de crep con envejecimiento de 100h a 200h. ... 161
Tabla 25. Resumen de figuras con evolución de crep con envejecimiento de 100h a 200h. ... 170
Tabla 26. Resumen de Curvas maestras de envejecimiento del ángulo de fase con el ASF del módulo complejo. ... 177
Construcción de las curvas maestras del Mástic a partir del
análisis reológico de muestras elaboradas en laboratorio y de
muestras recuperadas de mezclas en servicio
Resumen
El proyecto investiga indicadores de envejecimiento de mezclas asfálticas a partir del análisis reológico del mastic y su objetivo es el poder llegar a predecir el comportamiento del mismo en el tiempo mediante la comparación con datos de envejecimiento obtenidos de mezclas en servicio de diferentes edades.
Los materiales utilizados en la elaboración del mastic, corresponden a los dos cementos asfálticos (CA) fabricados en Colombia: CA 80-100 y CA 60-70 y como llenante mineral, material triturado con gradación tamiz pasa 200. El mastic en laboratorio se sometió a diferentes tratamientos de envejecimiento acelerado que son: envejecimiento a corto plazo mediante RTOF, envejecimiento a largo plazo en cámara UV a diferentes edades y envejecimiento a largo plazo en PAV. Luego, se realizaron curvas maestras del ángulo de fase y del módulo complejo y se analizaron los resultados obtenidos. Se demostró una dependencia entre el nivel envejecimiento y el comportamiento reológico de las mezclas.
AGING INDICATORS OF ASPHALT BASED ON REOLOGICAL
ANALYSIS OF MASTIC
Abstract
The project investigates aging indicators of asphalt based on rheological analysis of mastic, and its objective is to predict the behavior of mastic over time, this by comparison with data obtained from asphalt mixtures in service of different ages.
The materials used in the preparation of mastic are the two asphalt cements (AC) made in Colombia: CA 80-100 and CA 60-70 and as Filler, graded crushed material passing 200 sieve. The laboratory mastic is subjected to accelerated aging treatments that are: Short-term aging by RTOF, long-Short-term aging UV chamber at different ages and long-Short-term aging in PAV. Then master curves are made, the phase angle and complex modulus are obtained using the DSR and the results are discussed. Showed dependence between the level aging and rheological behavior of the mixtures.
17
INTRODUCCIÓN
La situación problemática que aborda este proyecto de investigación se encuentra enmarcada en el Envejecimiento de los Asfaltos, tema del cual, a pesar de que ha sido investigado desde hace mucho tiempo, la información con que se cuenta actualmente no es suficiente para resolver este problema, para el cumplimiento de los objetivos del proyecto se realiza una investigación de carácter experimental.
Con respecto a las causas del envejecimiento, los estudios indican que el cemento asfáltico, al igual que muchas otras sustancias orgánicas, se ve afectado por la presencia de oxígeno, la radiación ultravioleta y por los cambios de temperatura. De acuerdo con lo anterior, existen dos tipos de factores que lo afectan, unos de tipo intrínseco y otros de tipo extrínseco. Los factores intrínsecos del envejecimiento son: la volatilización de fracciones livianas, la oxidación (absorción y difusión de oxígeno), la tixotropía y sinéresis y la degradación de estructura polimérica (en el caso de los asfaltos modificados). Los factores extrínsecos del envejecimiento son: la influencia del tipo de áridos, la influencia del tipo y proporción de Filler (llenante mineral o material fino), el contenido de vacíos de la mezcla, el espesor de película de ligante y la fatiga tanto la debida al tránsito como la térmica. De las consecuencias del envejecimiento se puede decir que es un fenómeno complejo con repercusiones en la durabilidad y en las propiedades fisicoquímicas del asfalto, también que es un proceso lento que involucra cambios en la composición química del asfalto
En este proyecto de investigación, enmarcado dentro de la gran problemática del envejecimiento de los asfaltos, se aborda la búsqueda de Índices de Envejecimiento del asfalto a partir del análisis reológico del mastic, se aborda el análisis reológico de mastics, tanto producidos en laboratorio bajo condiciones controladas, como recuperados de mezclas en servicio, con el fin de construir sus curvas maestras y determinar si puede predecirse el envejecimiento de mezclas asfálticas a partir del estudio del mastic.
18 Con base en dicha pregunta, el título adoptado por este proyecto de investigación es el siguiente: “Construcción de las curvas maestras del Mástic a partir del análisis
reológico de muestras elaboradas en laboratorio y de muestras recuperadas de
mezclas en servicio”
Del capítulo 1 al 3 se abordarán en su orden el problema, la justificación y los objetivos. En el cuarto capítulo se tratará el marco teórico, el cual hará énfasis en el comportamiento de los asfaltos, la importancia del Filler en la mezcla y los nuevos parámetros para medir el desempeño de las mezclas como lo son el módulo complejo y el ángulo de fase. Luego en el mismo capítulo 4 se plasmarán el envejecimiento y los mecanismos de falla en las mezclas asfálticas, teniendo en cuenta el creep y la fatiga. Después el documento se enfocará en la aplicación de un modelo lineal visco-elástico para el comportamiento de las mezclas basado en el modelo lineal viscoelástico, el efecto del envejecimiento, las curvas maestras de envejecimiento y el factor de desplazamiento por envejecimiento. Finalmente este capítulo aborda los antecedentes del problema y de investigación del envejecimiento de las mezclas asfálticas.
En el capítulo quinto se tendrá la descripción de todos los materiales y metodologías a utilizar en esta investigación. Dentro de los materiales, se describe el asfalto y el llenante mineral. Dentro de las metodologías se describen los tratamientos a los cuales serán sometidas las mezclas y finalmente como se evaluarán las muestras tanto elaboradas en el laboratorio como las recuperadas en campo.
19
1
PROBLEMA
Durante el proceso de elaboración, almacenamiento, transporte y colocación para puesta en funcionamiento de las mezclas asfálticas, e incluso después de estar en funcionamiento, el asfalto de dichas mezclas experimenta cambios en su composición, alterando sus propiedades físico-químicas lo que a su vez afecta la ductilidad de las mezclas. Actualmente la mayoría de los métodos de diseño de mezclas asfálticas trabajan sólo con las propiedades físicas iniciales del Asfalto y dentro de las variables de diseño y consideraciones no se incluye el cambio que las propiedades del Asfalto experimentan con el tiempo.
Los criterios generales de diseño de mezcla Superpave® se basan en las propiedades volumétricas de las mezclas y, por tanto, no tienen en cuenta la posibilidad de que las interacciones físico-químicas entre las carpetas y los rellenos puedan contribuir diferencialmente a las propiedades y el desempeño de las mezclas. Exactamente cómo las interacciones mineral de relleno-asfalto contribuyen a las propiedades de mezcla del mastic y el pavimento (Huang & Zeng, 2007).
20
2
JUSTIFICACIÓN
Ya que la información con que se cuenta actualmente para el estudio del envejecimiento de asfalto mediante el análisis del mastic es reducida en comparación con el de mezclas, se desea contar con información sobre el efecto que éste tiene en el envejecimiento a largo plazo de las mezclas Asfálticas.
Las propiedades físico-químicas del mastic, se cree que tienen influencia directa y significativa sobre el desempeño de la mezcla asfáltica debido al tipo de llenante mineral y sus proporciones relativas en la mezcla, lo cual puede influenciar notablemente la resistencia al envejecimiento de la misma (Huang & Zeng, 2007), además, existe muy reducida información sobre el efecto de llenante mineral en las características de envejecimiento a largo plazo de carpetas asfálticas (Huang & Zeng, 2007).
Esta investigación resulta pertinente porque mediante el análisis reológico del mastic se logrará aportar algunos elementos de información, necesarios para su consideración dentro de futuros diseños de mezclas asfálticas, el efecto del cambio en la composición físico-química del Asfalto durante el proceso de mezclado en caliente y durante el tiempo de servicio, como un parámetro de diseño a tener en cuenta.
Una utilidad práctica del conocimiento generado con esta investigación será una mejor comprensión del comportamiento de las mezclas asfálticas en caliente y así lograr una reducción de los costos de mantenimiento de los pavimentos construidos al poder predecir con mayor exactitud el eventual deterioro de las mezclas asfálticas, mediante el análisis del envejecimiento del mastic.
22
3
OBJETIVOS
3.1
OBJETIVO GENERAL
Determinar si es posible predecir el comportamiento de las mezclas asfálticas mediante el análisis reológico del mastic a partir de mezclas envejecidas en laboratorio elaboradas con asfaltos colombianos 60-70 y 80-100.
3.2
OBJETIVO ESPECÍFICO
Caracterizar física, química, mecánica y reológicamente los materiales a utilizar para la preparación de mastic en laboratorio.
Obtener las curvas de envejecimiento del mastic preparado en laboratorio, bajo condiciones de tiempo controladas.
Construir las curvas maestras de envejecimiento con datos obtenidos en campo de mezclas en servicio.
23
4
MARCO TEÓRICO
4.1
MARCO CONCEPTUAL
4.1.1
Comportamiento del Asfalto y Desempeño del Pavimento
Como resultado de la investigación del Strategic Highway Research Program (SHRP) realizada en 1991 y cuyo principal objetivo es el desarrollo de las especificaciones relacionadas con el desempeño de los cementos asfálticos (Anderson, et al., 1991), se introdujeron nuevos métodos o parámetros para medir más propiedades fundamentales que pueden ser fácilmente relacionadas con el comportamiento del pavimento con base en los conceptos de la buena ingeniería (Bahia & Anderson, 1995).
Las nuevas medidas propuestas por SHRP son basadas en buenos principios de ingeniería derivados del entendimiento de los mecanismos de falla o daño en los pavimentos. Estas medidas reflejan la mejor estimación de la contribución de carpetas al desempeño de los pavimentos. Las nuevas medidas cubren los mecanismos principales de fatiga de pavimentos flexibles y son medidos bajo condiciones simuladas de carga y climáticas en el campo (Bahia & Anderson, 1995).
Los nuevos métodos de ensayo y envejecimiento incluyen el reómetro de corte dinámico (Anderson & Bahia, 1993a), el reómetro de viga de flexión (Anderson & Bahia, 1993b), el ensayo de tensión directa (Anderson & Bahia, 1993c) y el envejecimiento en vaso de presión (Anderson & Bahia, 1993d). Los nuevos parámetros incluyen el Módulo complejo de corte, el ángulo de fase, el Creep Stiffness , tasa logarítmica de Creep y la deformación a la falla (Bahia & Anderson, 1995). Se debe advertir sin embargo, que los parámetros reológicos por si mismos no describen singularmente la respuesta tensión-deformación. El comportamiento de un asfalto bajo cargas suele depender de su historia térmica y de cargas (Anderson et al., 1991).
24 Para aplicaciones de pavimentos, las dos características necesitan ser medidas a tasas de temperatura y carga para asemejar condiciones de tráfico y climáticas (Bahia & Anderson, 1995).
A temperaturas en el rango de 45 a 85ºC, típicamente las temperaturas más altas de pavimentos en servicio, el mecanismo de falla es el ahuellamiento, y por lo tanto G* y necesitan ser medidos. Para la resistencia al ahuellamiento, a valores de G* altos es favorable porque esto representa una alta resistencia total a la deformación. A bajos es favorable porque refleja una mayor componente elástica (recuperación) del total de la deformación (Bahia & Anderson, 1995).
Dentro de la zona de temperatura intermedia que es entre 10 y 25ºC para esta investigación, los asfaltos son generalmente duros y más elásticos que a temperaturas altas. El modo de falla que prevalece a estas temperaturas es el daño por fatiga, el cual es causado por ciclos de carga repetidos a niveles más bajos que la fuerza estática del material (Bahia & Anderson, 1995).
25 suficiente para seleccionar mejores carpetas que puedan resistir agrietamiento a las más bajas temperaturas del pavimento (Huang & Zeng, 2007).
4.1.2
Importancia del Filler en la Mezcla.
Desde el punto de vista funcional, el tipo y cantidad de llenante mineral en la mezcla asfáltica debe ser tal que presente resistencia a las deformaciones del tráfico a altas temperaturas de servicio. Al mismo tiempo el llenante mineral no debe disminuir la resistencia al agua o la adherencia del asfalto al agregado y no debe disminuir la durabilidad a través de la pérdida de flexibilidad por la inducción de agrietamiento del pavimento (Huang & Zeng, 2007).
Una fracción sustancial de la superficie total del área del agregado es contenida por el llenante mineral. Esa pequeña porción de llenante mineral con ligante asfáltico contribuye a la trabazón de los agregados gruesos. El llenante mineral, que es de la misma composición del agregado grueso tiene variaciones en la rugosidad superficial y en su angularidad, usualmente presenta diferentes capacidades para absorber un determinado tipo de componente asfáltico (Huang & Zeng, 2007).
4.1.3
Módulo Complejo y Ángulo de Fase.
Las propiedades reológicas del asfalto pueden ser representadas ya sea por la variación de G* y como una función de la frecuencia a temperatura constante comúnmente llamada Curva Maestra o por la variación de G* y con temperatura a una frecuencia seleccionada o tiempo de carga, comúnmente llamada Curva Isocronal. Aunque la dependencia del tiempo y la temperatura pueden ser relacionados utilizando la función de cambio de temperatura/frecuencia (Huang & Zeng, 2007), para propósitos prácticos es mucho más sencillo presentar datos con respecto a una de las variables (Bahia & Anderson, 1995). Algunas características únicas y comunes del comportamiento reológico de los asfaltos son:
26 GPa representa la rigidez de los enlaces de carbono e hidrógeno y como los asfaltos alcanzan su volumen mínimo de equilibrio termodinámico. El valor de = 0,0 representa la naturaleza completamente elástica de los asfaltos a esa temperatura (Huang & Zeng, 2007).
A incrementos de temperatura o decrementos de frecuencia, G* disminuye continuamente cuando aumenta continuamente. Lo primero refleja un decremento en la resistencia a la deformación (reblandecimiento) cuando lo segundo refleja un decremento en la elasticidad o habilidad de almacenar energía (Bahia & Anderson, 1995).
A temperaturas altas, el valor de se aproxima a 90º C para todos los asfaltos, lo cual refleja la aproximación al comportamiento viscoso o disipación completa de energía en flujo viscoso, El valor de G*, sin embargo, varía significativamente, reflejando las diferentes propiedades de consistencia (viscosidad) de los asfaltos (Bahia & Anderson, 1995).
A partir de la descripción simplificada de las propiedades del asfalto, es claro que sin la distinción entre tipos de respuesta del asfalto en términos de la resistencia total a la deformación (G*) y la elasticidad relativa (), y sin una medida de las propiedades a rangos de temperatura o frecuencia de carga que correspondan a las condiciones de carga o climáticas del pavimento, la selección de carpetas asfálticas para un mejor comportamiento no es posible (Bahia & Anderson, 1995).
27 dependiendo del tipo de pavimento y el modo de daño por fatiga (Huang & Zeng, 2007).
Para medir el módulo complejo en análisis mecánico dinámico, se aplica una tensión sinusoidal a un espécimen, siendo monitoreado el esfuerzo resultante como una función de la frecuencia. Esto se denomina prueba de tensión controlada, siendo más común que el análisis mecánico dinámico de esfuerzos controlados (Christensen & Anderson, 1992).
4.2
Envejecimiento
Las propiedades reológicas del ligante asfáltico dependen del tiempo de envejecimiento. Con el incremento de nivel de tiempo de envejecimiento, el módulo complejo se incrementa cuando el ángulo de fase disminuye a una frecuencia dada. Este fenómeno es similar a la dependencia a la temperatura de la mezcla asfáltica, donde el módulo complejo se incrementa a medida que disminuye la temperatura. Además, el ángulo de fase disminuye a medida que disminuye la temperatura a una frecuencia dada. En otras palabras, en términos de propiedades reológicas, el aumento en el nivel de envejecimiento, puede ser en cierta medida equivalente a la disminución de la temperatura (Huang & Zeng, 2007). El envejecimiento oxidativo o endurecimiento físico fueron considerados como factores de durabilidad que causan cambios en las propiedades de las carpetas y por lo tanto afectan su desempeño (Huang & Zeng, 2007).
Los factores intrínsecos y extrínsecos que intervienen en el envejecimiento de las mezclas asfálticas se resumen a continuación.
Los factores intrínsecos del envejecimiento
28
Oxidación (absorción y difusión de oxígeno): En contacto con la atmósfera el asfalto se oxida, formando grupos polares (hidroxilos, carbonilos, carboxílicos) que contienen O2 y
que tienden a asociarse en compuestos de alto peso molecular, incrementando su consistencia y perdiendo flexibilidad (Huang & Zeng, 2007).
Tixotropía y sinéresis: La tixotropía o endurecimiento histérico se debe a una lenta reorientación molecular y cristalización de compuestos resinosos, es una propiedad específica de algunos fluidos no newtonianos y pseudoplásticos consiste en que estos pierden su resistencia, o disminuyen su viscosidad al someterlos a una tensión cortante (cizalla) a medida que pasa el tiempo. La palabra proviene del griego, "thixis" de tocar y "tropos", de convertir. La sinéresis o endurecimiento exudativo se debe a la tendencia a la exudación de los componentes aceitosos (Bianchetto, 2006).
Los factores extrínsecos del envejecimiento
Temperatura y condiciones de fabricación; temperatura y tiempo de transporte: Son los causales más importantes del envejecimiento a corto plazo y, a menudo, del envejecimiento total de la mezcla. Mayores temperaturas de fabricación y transporte significan más volatilización de compuestos livianos y mayor oxidación. El “choque térmico” por mayor
temperatura de los áridos respecto del ligante, es también causal de envejecimiento en la planta. El almacenaje de mezcla en planta, especialmente en silos externos y durante un largo período, favorece el envejecimiento, así como un tiempo de transporte prolongado (Bianchetto, 2006).
29
Efecto de las radiaciones solares: Los efectos de las radiaciones infrarrojas sobre el envejecimiento están asociados a un incremento de la temperatura del pavimento. Las radiaciones solares ultravioletas, por su parte, producen enlaces carbonilo en la estructura del asfalto, y favorecen la oxidación, acelerando los procesos de envejecimiento.
Influencia del tipo de áridos: Se encontró que las mezclas con áridos básicos (por ejemplo, calizos), soportan mejor los efectos del envejecimiento que aquellas elaboradas con áridos ácidos (p.ej., graníticos). Una investigación polaca revela que las mezclas con áridos basálticos se comportan mejor frente al envejecimiento que mezclas fabricadas con otro tipo de áridos (Bianchetto, 2006).
Contenido de vacíos de la mezcla: Influye en la respuesta al envejecimiento, debido a la mayor exposición a la intemperie de mezclas con elevado porcentaje de vacíos (Bianchetto, 2006).
Espesor de película de ligante: El efecto negativo de un gran contenido de vacíos se puede contrarrestar con un mayor espesor de la película de ligante. Existen varias maneras de lograrlo: empleo de asfaltos modificados, espesamiento del mástic, incorporación de fibras para retener un mayor porcentaje de asfalto (Bianchetto, 2006).
Ubicación de la mezcla respecto de la superficie: El envejecimiento es mucho más rápido a cota de rasante y hasta unos pocos milímetros de distancia. A mayor profundidad, el efecto se ralentiza debido a que el material está menos expuesto a las acciones climáticas, especialmente en mezclas densas y semidensas (Bianchetto, 2006).
Fatiga (debido al tránsito; térmica): Los efectos de fatiga debido al tránsito o de las variaciones térmicas provocan fisuras y otras fallas superficiales que derivan en una mayor exposición a la intemperie y, por lo tanto, favorecen el envejecimiento (Bianchetto, 2006).
30 las propiedades reológicas del sistema llenante-asfalto pueden ser las mismas a cualquier frecuencia en relación con el envejecimiento a largo plazo (Huang & Zeng, 2007).
4.3
MECANISMOS DE FALLA EN MEZCLAS ASFÁLTICAS.
El mecanismo de falla, es usado para seleccionar las propiedades del material sobre el cual la nueva especificación está basada. Tres primarios mecanismos de falla se identificaron, ahuellamiento en la capa superior del concreto asfáltico, agrietamiento por contracción térmica y agrietamiento por fatiga (Anderson et al., 1991), éstos son los mismos que los investigadores en asfaltos comúnmente relacionan con las propiedades físicas de los ligantes (Bahia & Anderson, 1995).
4.3.1.1
Rutting (Creep)
El ahuellamiento es causado por la acumulación de deformaciones permanentes causadas por la aplicación repetida de cargas de tráfico. Asumiendo que el ahuellamiento es causado principalmente por deformaciones de la capa superficial, el ahuellamiento puede ser considerado como controlador de esfuerzos del fenómeno de cargas cíclicas. Durante cada ciclo de carga de tráfico, una cierta cantidad de trabajo está deformando la capa superficial (Huang & Zeng, 2007), sin embargo, la tendencia de ahuellamiento de pavimentos está primariamente influenciada por las propiedades de los agregados y de la mezcla, las propiedades del ligante también son muy importantes. Esto es particularmente cierto para asfaltos modificados con polímeros los cuales son utilizados pare mejorar la resistencia al ahuellamiento de las pavimentos. Finalmente, el ahuellamiento es más frecuente sobre el rango de temperaturas de servicio que en intermedias y bajas temperaturas (Huang & Zeng, 2007).
El ahuellamiento dentro de una capa de concreto asfáltico puede ser asumido como un fenómeno repetitivo de esfuerzo controlado (s0), el trabajo disipado por ciclo de carga es
31 asociada con el parámetro es que la contribución de la carpeta al ahuellamiento puede ser incrementada por el aumento total de la resistencia a la deformación (G*) y/o disminuyendo la no elasticidad (Sin).
La medida propuesta toma en cuenta la naturaleza viscoelástica del material, las condiciones climáticas de aplicación específica y las condiciones de carga (tráfico) que causan fatiga del pavimento (Huang & Zeng, 2007) (Huang & Zeng, 2007).
Un ensayo comúnmente utilizado para determinar las propiedades viscoelásticas de los materiales que las poseen, incluidos los cementos asfálticos, es el ensayo de Creep. Durante este ensayo, una carga constante se aplica a un espécimen y la deflexión resultante es monitoreada como una función del tiempo. Un análisis de los datos de un ensayo de Creep en cementos asfálticos usa generalmente el módulo de rigidez (Christensen & Anderson, 1992), el cual se define como se indica a continuación:
⁄ Ec. 1 Dónde:
S(t) = Módulo de rigidez dependiente del tiempo, Pa. t = Tiempo de carga, s,
0 = Esfuerzo uniaxial aplicado, Pa, y
v(t) = Tensión uniaxial resultante en el tiempo t, m/m.
4.3.1.2
Thermal Cracking (Fatiga).
32 grandes esfuerzos térmicos y esto reduce la capacidad de tensión del pavimento. El agrietamiento ocurre cuando el esfuerzo de tensión excede la resistencia a tensión del pavimento (Anderson et al., 1991).
4.3.1.3
Fatigue Cracking (Fatiga).
La selección de parámetros de fatiga es similar a los parámetros de ahuellamiento, se deriva con base en los principios de buena ingeniería, éstos consideran las condiciones climáticas por el ensayo de temperaturas promedio del pavimento, Los parámetros de ahuellamiento son medidos usando un modo de carga que simula las cargas de tráfico y se considera la naturaleza viscoelástica del material asfáltico (Huang & Zeng, 2007), generalmente el agrietamiento por fatiga ocurre tarde en la vida del pavimento, requiere el ensayo de asfalto envejecido de manera apropiada para simular las propiedades del ligante a largo tiempo en sitio (Anderson et al., 1991).
A temperaturas intermedias de pavimento el principal modo de falla es el agrietamiento por fatiga. La fatiga de una pavimento puede ser un fenómeno de esfuerzo controlado (típico para pavimentos de gran espesor) o un esfuerzo de deformación controlada (típico de pavimentos de poco espesor) (Bahia, et al., 1992). El Agrietamiento por fatiga, sin embargo, es conocido por ser más prominente en pavimentos con espesores delgados. Basado en el supuesto que el mecanismo de agrietamiento por fatiga es principalmente impulsado por relativamente grandes deformaciones de la capa superficial delgada bajo cargas de tráfico, esto puede considerarse como un fenómeno predominante de control de deformaciones (Bahia & Anderson, 1995).
4.4
MODELO LINEAL VISCO ELÁSTICO
33 El comportamiento más singular de materiales viscoelásticos es su dependencia a la respuesta mecánica con el tiempo de carga y a la temperatura. A una combinación de tiempo y temperatura, el comportamiento viscoelástico, dentro de un rango lineal, puede ser caracterizado por al menos dos propiedades: la resistencia total a la deformación y la distribución relativa de esa resistencia entre una parte elástica y una parte viscosa. Sin embargo, existen muchos métodos para caracterizar las propiedades viscoelásticas, los ensayos dinámicos (oscilatorios) son la mejor técnica para explicar la singularidad del comportamiento de esta clase de materiales. En el modo de corte son medidos el Módulo complejo (G*) y el ángulo de fase (). G* representa la resistencia total a la deformación bajo carga, cuando representa la distribución relativa de esa respuesta total entre un componente en fase y otro componente fuera de fase (Bahia & Anderson, 1995).
La respuesta lineal viscoelástica (LVE) del cemento asfáltico como una función del tiempo o de la frecuencia ha sido bien establecida por investigadores previos y ha sido confirmada por los autores en extensos programas de ensayo que incluyen flexión simple a bajas temperaturas y corte dinámico de intermedias a altas temperaturas (Anderson et al., 1991). Cualitativamente, la respuesta lineal viscoelástica del cemento asfáltico puede separarse en tres regiones o zonas de comportamiento:
A bajas temperaturas o cortos tiempos de carga (altas frecuencias), el asfalto se comporta como un sólido vítreo. El módulo depende del tiempo o de la rigidez, acercándose a valores aproximados a 1 x 109 Pa en corte, o de 3 x 109 Pa en tensión-compresión o flexión uniaxial. En esta región, la rigidez es solo ligeramente dependiente de la temperatura y/o tiempo de carga (Anderson et al., 1991).
34 A temperaturas altas o tiempos de carga prolongados (bajas frecuencias) el cemento asfáltico se comporta como un fluido viscoso. La deformación, en condiciones de bajos o moderados esfuerzos y tasas de deformación puede ser descrita por la ley de fluido newtoniano. La velocidad de deformación cortante es proporcional al esfuerzo cortante (Anderson et al., 1991).
Las regiones anteriores y el comportamiento son mostrados en la Figura 1.
Figura 1. Representación esquemática de la respuesta al Creep de un Cemento Asfáltico. Varios modelos matemáticos han sido propuestos para caracterizar el comportamiento reológico del cemento asfáltico, en general, todos esos modelos comparten ciertas características importantes siendo, tal vez lo más importante, la dependencia del tiempo y la temperatura que son tratadas separadamente.
4.4.1
Efecto del envejecimiento
Inicialmente el efecto del envejecimiento se cuantificó con un índice. Los índices de envejecimiento directa o indirectamente, han sido tradicionalmente utilizados para este propósito. Los índices de envejecimiento han sido utilizados por muchos investigadores para cuantificar el envejecimiento a largo plazo que ocurre en servicio. Sin embargo, un único punto de índice de envejecimiento, el cual es calculado dividiendo la viscosidad
LOG
S
(t
)
LOG TIEMPO REDUCIDO REGION VITREA
MODULO VITREO
FLUJO VISCOSO REGION DE
TRANSICION
35 envejecida y no envejecida, puede efectivamente describir el incremento de rigidez cuando la respuesta es esencialmente viscosa, indicando que el único punto no siempre puede reflejar exactamente los cambios en la rigidez a temperaturas bajas, cuando el ángulo de fase es una porción significativa de la respuesta (Anderson et al., 1991).
4.5
CURVAS
MAESTRAS
Y
CURVAS
MAESTRAS
DE
ENVEJECIMIENTO.
4.5.1
Curvas Maestras.
36 módulo complejo G*() (Christensen & Anderson, 1992; Marasteanu & Anderson, 1999; Marateanu & Anderson, 1996; Zeng et al., 2001).
4.5.2
Curvas Maestras de Envejecimiento
En vista de la similitud de los efectos de envejecimiento y temperatura, se realizó un intento de construir las curvas maestras de envejecimiento similar a las curvas maestras de temperatura, por desplazamiento de los datos de ensayo en forma horizontal. Puesto que las propiedades reológicas incluyen el módulo complejo y el ángulo de fase, se requieren dos curvas maestras para una descripción completa del comportamiento de un material (Huang & Zeng, 2007).
4.5.3
Factor de Desplazamiento y Factor de Desplazamiento por
Envejecimiento (Aging Shift Factor).
4.5.3.1
Factor de Desplazamiento
De los datos recolectados en el SHRP publicados en 1991 de ocho cementos asfalticos principales, todos los tratamientos indicaron una dependencia de la temperatura del comportamiento viscoelástico de los cementos asfálticos, que es indicado por el factor de desplazamiento determinado por la construcción de la curva maestra y puede ser representado (Huang & Zeng, 2007), La ecuación de William-Landel-Ferry ha sido extensamente utilizada para caracterizar el factor de desplazamiento por temperatura de los cementos asfálticos. Los autores han encontrado que esta ecuación puede describir exactamente el factor de desplazamiento de cementos asfálticos más allá de las características de temperatura, esto es llamado temperatura definida o de referencia, Td:
Ec. 2 Dónde:
A(T) = Factor de desplazamiento horizontal.
T = Temperatura, ºC (Tiempo de envejecimiento para esta investigación). Td = Temperatura de referencia (Tiempo de referencia para esta investigación).
37 Un análisis del factor de desplazamiento de asfaltos SHRP envejecidos y no envejecidos, ensayados en los laboratorios de los autores mostró que las constantes para la ecuación WLF pueden en esta forma, tomar esencialmente los mismos valores: -19 para C1 y 90 para
C2. Estos valores son concordantes con los valores obtenidos previamente por Huang.
La cantidad de desplazamiento requerido a cada temperatura para formar la curva maestra es de especial importancia y es llamada Factor de desplazamiento (Shift Factor), a (T). Una gráfica Log a(T) Versus Temperatura es generalmente preparada en conjunto con la curva maestra. Este tipo de gráfica da una indicación visual de como las propiedades viscoelásticas de los materiales cambian con la temperatura. Una representación esquemática representa el proceso básico involucrado en la construcción de la curva maestra mostrada en la Figura 2.
La aplicación del principio de superposición tiempo-temperatura en la construcción de curvas maestras y en la determinación del factor de desplazamiento es una poderosa herramienta de investigación, la cual claramente separa la dependencia del tiempo y la temperatura en cementos asfálticos (Christensen & Anderson, 1992).
38 Figura 2. Tiempo-Temperatura Superposición.
4.5.3.2
Factor de desplazamiento por envejecimiento (Aging Shift Factor)
Los datos a diferentes tiempos de envejecimiento se desplazan con respecto al logaritmo del tiempo hasta que las curvas convergen en una curva suave. La curva maestra de envejecimiento módulo resultante describe la dependencia del material al tiempo de envejecimiento. La cantidad de desplazamiento de cada tiempo de envejecimiento requerida para la curva maestra describe la dependencia del material al tiempo de envejecimiento, el logaritmo del factor de desplazamiento de envejecimiento es la cantidad de desplazamiento del módulo complejo a un tiempo de envejecimiento dado como referencia para formar una sola curva. Una unidad representa el desplazamiento de una década logarítmica, positiva hacia la dirección de una frecuencia más alta o a la derecha, el tiempo de envejecimiento de referencia para construir la curva maestra de envejecimiento puede ser elegido arbitrariamente por conveniencia (Huang & Zeng, 2007).La Figura 3 dibuja los factores de desplazamiento por envejecimiento asociados con el tiempo de envejecimiento, obtenidos de la construcción de la curva maestra de envejecimiento del módulo complejo. Se puede ver en ella que la variación del factor de desplazamiento por envejecimiento con el tiempo de envejecimiento es similar al factor de
LOG
S
(t
)
LOG TIEMPO T2
T1 TR
lo
g
A
(t
)
TEMPERATURA
39 desplazamiento por temperatura. Por lo tanto la ecuación William Landel Ferry (WLF) es considerada adecuada para expresar el factor de desplazamiento
Figura 3. Factor de desplazamiento de envejecimiento y ecuación WLF (Huang & Zeng, 2007).
4.6
ANTECEDENTES
4.6.1
Antecedentes del Problema.
Las Mezclas Asfálticas se usan en Estados Unidos aproximadamente desde 1874 (Krchma & Gagle, 1974)y en Europa desde 1850(Croney & Croney, 1997).
40
4.6.2
Antecedentes de Investigación.
4.6.2.1
El asfalto y su envejecimiento
De la investigación más antigua publicada sobre el envejecimiento de los asfaltos, se obtuvo como resultado un análisis de la relación existente entre el calentamiento del asfalto extraído de mezclas asfálticas con la reducción de su peso y de los valores de la penetración. Se reportó ampliamente el calentamiento de mezclas y la evaluación de los efectos por recuperación de asfalto, así como la comparación de la penetración antes y después del envejecimiento (Huang & Zeng, 2007).
En 1957 Vallerga et al., reportaron estudios de utilización de luz ultravioleta e infrarrojo para envejecer películas de asfaltos. El tratamiento con luz ultravioleta resultó ser más efectivo en términos de ensayos empíricos como cambio del punto de ablandamiento, ductilidad y penetración de los asfaltos después de la oxidación (Vallerga et al., 1957). Jakubowicz, en 1987, aplicó análisis termomecánico como una técnica novedosa para evaluar las características de envejecimiento de asfaltos aplicados a recubrimientos. Analizó los efectos del calor y la radiación ultravioleta en la velocidad de degradación de los asfaltos estudiados (Jakubowicz, 1987).
Las técnicas de caracterización de las propiedades viscoelásticas del asfalto se comenzaron a manejar con el uso de un reómetro con geometría de cono y plato, el cual fue utilizado para medir el módulo complejo de asfaltos envejecidos y sin envejecer en un amplio rango de temperaturas y frecuencias, concluyéndose que la oxidación cambia la dependencia de la temperatura del material y que los cambios tienden a aumentar con el incremento de la temperatura (Sisko & Brunstrum, 1969). Estos resultados fueron confirmados más tarde (Dickinson & Witt, 1969).
4.6.2.2
El mastic y sus propiedades
41 carpeta y el llenante mineral (agregado mineral que pasa el tamiz No. 200 o inferior a 0,075 mm) constituyen el mastic (Huang & Zeng, 2007).
Los llenantes minerales juegan un papel importante en las propiedades de los mastics y de las mezclas asfálticas en caliente. Una buena comprensión de los efectos de los llenantes en las propiedades de mastics y mezclas asfálticas en caliente (HMA) es crucial para un alto desempeño y buen diseño de este tipo de mezclas asfálticas (B. Huang et al, 2007).
El efecto de rigidez o el mecanismo de refuerzo del llenante en mastic ha sido el foco de la investigación sobre éstas desde finales de 1930. Traxler llevó a cabo una serie de extensos experimentos en la caracterización del llenante con respecto a su potencial para estabilizar el sistema (Traxler, 1937); sus resultados fueron, esencialmente, que: (a) La viscosidad relativa, definida como la viscosidad de la mezcla dividida por la viscosidad de la carpeta de asfalto en la concentración de cero sólidos para las concentraciones de carga variable, era independiente de la naturaleza y la consistencia del medio de suspensión; (b) El efecto de rigidez de la carga no siempre puede ser adecuadamente previsto por el porcentaje de vacíos en el llenante compactado en seco, y (c) Sólo por mezclado del llenante y el asfalto y el ensayo puede predecirse con confiabilidad la rigidez subsiguiente. Traxler consideró el tamaño de las partículas y su distribución como los parámetros fundamentales ya que inciden sobre el contenido de vacíos y sobre el diámetro promedio de vacío llenos de polvo (Traxler, 1937).
42
5
MATERIALES Y MÉTODOS
La metodología comprende la evaluación de diferentes mastics provenientes de mezclas asfálticas producidas y envejecidas en laboratorio y mastic recuperado de mezclas en servicio de campo. Se trabajará con asfaltos colombianos producidos en el complejo industrial de Barrancabermeja, con penetración 60-70 y 80-100. De igual manera para las muestras preparadas en laboratorio se utilizarán tres porcentajes de llenante, esto es, con una proporción de 2, 10 y 20% en peso de agregados.
Para mayor simplicidad al interior de la investigación, en la elaboración de los mastic en laboratorio se implementó la codificación resumida en la Tabla 1, en ella se le asigna un número del 1 al 6 a cada una de las muestras elaboradas de mastic. Todos los datos brutos de la investigación poseen esta codificación, los datos procesados hacen referencia directa a la muestra.
Tabla 1. Códigos internos de mastic elaborado en laboratorio. Mastic Código Interno
Mastic 60-70 2% 1
Mastic 60-70 10% 2
Mastic 60-70 20% 3
Mastic 80-100 2% 4
Mastic 80-100 10% 5
Mastic 80-100 20% 6
5.1
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
43 Tabla 2. Materiales, tratamientos, evaluaciones y análisis de la investigación.
Materiales Tratamientos Evaluación Análisis
Mastic 60-70 2% Filler RTFO Cámara UV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 60-70 10% Filler RTFO Cámara UV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 60-70 20% Filler RTFO Cámara UV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 80-100 2% Filler RTFO Cámara UV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 80-100 10% Filler RTFO Cámara UV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 80-100 20% Filler RTFO Cámara UV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 60-70 2% Filler RTFO PAV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 60-70 10% Filler RTFO PAV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 60-70 20% Filler RTFO PAV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 80-100 2% Filler RTFO PAV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 80-100 10% Filler RTFO PAV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga Mastic 80-100 20% Filler RTFO PAV DSR Curvas Maestras Creep Torsión-Fatiga
5.2
SELECCIÓN DE LOS MATERIALES
5.2.1
Asfalto
Dos tipos de asfalto Colombiano son ensayados provenientes de la planta de asfalto de Ecopetrol localizada en la ciudad de Barrancabermeja, asfalto Colombiano con penetración 60-70, asfalto Colombiano con penetración 80-100.
5.2.2
Llenante Mineral.
44 Figura 4. Llenante Mineral proveniente de tolvas.
Y el 50% de Llenante mineral restante (color amarillo) proviene del triturado de agregados pétreos de la planta de trituración de Concrescol. En la Figura 5 se aprecia este tipo de llenante mineral.
Figura 5. Llenante mineral proveniente de trituración
45
5.3
MUESTRAS DE MEZCLAS EN SERVICIO
5.3.1
Toma de los Núcleos en Campo
En conjunto con el laboratorio de Concrescol S.A. se determinan zonas de la ciudad de Bogotá D.C., en las que se colocaron mezclas asfálticas que a la fecha cuentan con diferentes edades, 6 meses, 1, 2, 3, 4, 5 y 6 años. Lo anterior a fin de efectuar la toma de núcleos en campo, en este procedimiento se empleó una perforadora saca núcleos Huqsvarna serie DS.
En las carpetas correspondientes a las zonas previamente identificadas se extraen núcleos que son llevados al laboratorio de la Pontificia Universidad Javeriana. Para su transporte se dispuso de una caja a prueba de impactos y se tuvo el cuidado de sólo sacar la carpeta correspondiente al tiempo de servicio en estudio.
Se realizaron extracciones en la ciudad de Bogotá, en sitios específicos como la Avenida. Boyacá a la altura de la salida a la ciudad de Villavicencio, la Autopista Sur frente a Soacha, la Avenida Juan N. Corpas en la localidad de Suba y sobre el puente 21 Ángeles en la misma localidad.
46
5.3.1.1
Disgregación
Para efectuar la recuperación del mastic de las muestras correspondientes a mezclas asfálticas en servicio, se calentaron las briquetas en horno BLUE LINE – OV 12A a una temperatura de 90º C por un periodo de 40 minutos, realizando la disgregación de estas antes de su incorporación en la centrifuga, tal y como se presenta en la Figura 7.
Figura 7. Disgregación de las muestras
5.3.1.2
Solventes
47 Figura 8. Incorporación de solventes
5.3.1.3
Centrifugado
El proceso se lleva a cabo en la máquina centrifuga HOUGHTON MFG – E2 mostrada en la Figura 9, dos ciclos de centrifugado, en cada uno se utilizan 800 g. de mezcla asfáltica y 300 ml de solventes, mezcla que se homogeniza con espátula antes de la colocación del filtro e inicio del proceso de centrifugación, procedimiento mostrado en la Figura 10.
48 Figura 10. Homogenización de la muestra
Producto del proceso de centrifugado, se obtiene, para cada una de las mezclas en servicio, una mezcla de mastic más solventes.
5.3.1.4
Destilación
A fin de recuperar la porción de mastic de la mezcla obtenida del proceso de centrifugado, ver Figura 11, esta es llevada al Rotovapor Yamato BO600 mostrado en la Figura 12, a una temperatura de 60º C.
49 Figura 12. Rotovapor Yamato BO600.
El procedimiento de recuperación consiste en la incorporación de la mezcla obtenida del proceso de centrifugado en un balón que es sumergido en aceite, ver Figura 13, en el cual gira entre 50 y 80 RPM; producto del calentamiento a 60ºC del aceite, los solventes se separan del Mástic y son destilados con la acción de agua fría, logrando la recuperación del mastic de las muestras por efecto de la condensación de los solventes en un tiempo aproximado de 30 minutos, estos solventes son reciclados y utilizados nuevamente en el proceso.
50
5.4
ENVEJECIMIENTO
ACELERADO
DE
MASTIC
EN
LABORATORIO
Para la mezcla en el laboratorio el procedimiento consiste en adicionar el llenante mineral en diferentes porcentajes de peso con el asfalto, la mezcla entonces es sometida a diferentes tratamientos.
Para simular los efectos a corto y largo plazo del envejecimiento de las mezclas asfálticas se utilizan tres diferentes tratamientos, a corto plazo el Horno Rotatorio de Película Delgada (RTFO); a largo plazo la cámara UV y el Vaso de Envejecimiento a Presión (PAV).
5.4.1
Elaboración de la Mezcla
Las mezclas son preparadas con tres proporciones en peso de llenante mineral (2, 10 y 20%) para lo cual se utiliza una balanza electrónica METTLER TOLEDO – ML-3002 con precisión de 0.1 g, se incorpora en la mezcla cada una de estas proporciones se incorporan con el asfalto, calentándose previamente a 140ºC por separado en un horno simple y sin ventilación. La mezcla se realiza con un Homogenizador-Dispersor-Disolvedor (HDD) ULTRA TURRAX - T50 BASIC, durante cinco minutos a una temperatura constante de 140ºC y a 6000 RPM, luego las mezclas son almacenadas en recipientes metálicos herméticos para su posterior ensayo.
5.4.2
Envejecimiento a Corto Plazo de la Mezcla.
51 Figura 14. RTF Controller de James Cox & Sons INC, propiedad de la PUJ.
5.4.3
Envejecimiento a Largo Plazo de la Mezcla
Para el tratamiento de envejecimiento a largo plazo en vaso de presión se utilizó una temperatura de 100º C, una presión de 2.07 MPa y el tiempo de 20 h, los trabajos se desarrollaron en el laboratorio de la Pontificia Universidad Javeriana, ver Figura 15.
Figura 15. Equipo PAV de propiedad de la PUJ.
52 Figura 16. Cámara UV de propiedad de la PUJ.
5.5
EVALUACIÓN DE LAS MUESTRAS
La evaluación de las muestras se realiza con el Reómetro de Corte Dinámico TA INSTRUMENTS - AR-2000 EX que se presenta en la Figura 17, el cual sirve para medir propiedades a temperaturas que simulan las temperaturas altas y medias del pavimento y para simular las tasas de carga típicas de las cargas de tráfico (Bahia & Anderson, 1995), para esta investigación se usarán a 5ºC para fatiga en geometría de torsión, de 25-65ºC para rampa temperatura en tiempo-temperatura superposición y de 58ºC para ensayo de creep, para los dos tipos de asfalto utilizados.
53 Ver en el Anexo 4 detalles de los procedimientos, geometrías, opciones del instrumento y opciones de los experimentos en cada uno de los tres procedimientos en DSR.
5.5.1
Principio de Funcionamiento y Variables Medidas
En un DSR la geometría de platos paralelos se rota de forma sinusoidal uno con respecto al otro, el cemento asfáltico intercalado entre los platos, es entonces sujeto a esfuerzos y a deformación alternados. El ensayo puede ser controlado por esfuerzo o por deformación dependiendo de cuál de esas variables es controlada por el dispositivo de prueba (Anderson et al., 1991). La razón entre el esfuerzo y la deformación es llamada Módulo Complejo de Corte G*():
⁄ Ec. 3
Dónde:
G*() = Módulo complejo dinámico de corte a frecuencia , Pa,
/()/ = Magnitud absoluta de la respuesta dinámica al esfuerzo de corte, Pa, /()/ = Magnitud absoluta de la deformación dinámica de corte aplicada, Pa.
54
5.5.2
Geometrías, Temperaturas y Rutinas Aplicadas en los Ensayos en
DSR
Las rutinas empleadas para cada uno de los procedimientos se resumen en la Tabla 3, en cada uno de estos procedimientos.
Tabla 3 Resumen de Rutinas
Ensayo Rutina Geometría Temperatura
Curva Maestra TTS PP 25 mm 25-60ºC
Creep Creep PP 25 mm 58ºC
Torsión Fatiga TB 10ºC
Dónde:
TTS: Tiempo temperatura superposición.
PP: Platos Paralelos (25mm diámetro para esta investigación). TB: Barra de torsión.
55
6
RESULTADOS
6.1
MÓDULO COMPLEJO DE MUESTRAS ELABORADAS EN
LABORATORIO
La Figura 18 presenta un ejemplo típico de los resultados brutos obtenidos del software Data Analysis® de TA Instruments®, al realizar el ensayo de tiempo-temperatura superposición para el módulo complejo.
Las convenciones del título se muestran en la Tabla 4 y se explican a continuación:
La sigla “TTS” es el procedimiento aplicado: tiempo temperatura superposición.
El número “3” siguiente corresponde código interno del proyecto y asignado al
mastic 60-70 con 20% de Filler, el “20%” adicional es la ratificación de la
proporción de Filler en la muestra
La expresión “500h” atañe al tiempo de envejecimiento en cámara UV.
El rango “(25-65)” se refiere a los valores extremos de las temperaturas en grados Celsius utilizadas en los pasos de temperatura.
El número “0001” corresponde a la corrida realizada.
Tabla 4. Convenciones de Título TTS-N°-###h-(26-65)-"000#"
SIGLA DESCRIPCION
TTS Procedimiento aplicado: Superposición Tiempo Temperatura
N°
56 Las convenciones de la leyenda se indican en la Tabla 5 y se explican a continuación:
La sigla “TTS” es el procedimiento aplicado: tiempo temperatura superposición.
El número “3” siguiente atañe al código interno del proyecto y asignado al mastic
60-70 con 20% de Filler, el “20%” adicional es la ratificación de la proporción de
Filler en la muestra
La expresión “500h” corresponde al tiempo de envejecimiento en cámara UV. El rango “(25-65)” se refiere a los valores extremos de las temperaturas utilizadas
en los pasos de temperatura.
El número “0001” es la corrida realizada.
Por último la expresión “TTS Step at 45,0 ºC” corresponde al paso de temperatura
dibujado, cada uno tiene su trazo propio.
Tabla 5. Convenciones de Leyenda
TTS-N°-###h-(26-65)-"000#" TTS Step at XX,X °C
SIGLA DESCRIPCION
TTS Procedimiento aplicado: Superposición Tiempo Temperatura
N°
Código interno del proyecto, así: 1 Mastic 60-70 con 2% de Filler 2 Mastic 60-70 con 10% de Filler 3 Mastic 60-70 con 20% de Filler 4 Mastic 80-100 con 2% de Filler 5 Mastic 80-100 con 10% de Filler 6 Mastic 80-100 con 20% de Filler ###h Tiempo de envejecimiento en cámara UV (25-65) utilizadas en los pasos de temperatura Valores extremos de las temperaturas "000#" Corrida realizada
TTS Step at XX,X °C Paso de temperatura dibujado
