UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES
ING. SILENE MINAYA GONZALEZ
M.I. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMAN
SUPERPAVE
SUPERPAVE
y el Diseño de Mezclas Asfálticas
ING. SILENE MINAYA GONZALEZ
M.I. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMAN
© Instituto de Investigaciones-UNI Av. Túpac Amaru No. 210 Rímac-Lima • Perú
Teléfono (01) 481-1070 Lima, Mayo del 2003
PROLOGO
Es sabido en el medio ingenieril de los esfuerzos significativos realizados últimamente en los EE.UU. para mejorar las metodologías de diseño de la estructura de pavimentos. En el año 1987 con una inversión superior a 500 millones de dólares el Congreso Americano dio inicio a un ambicioso programa de investigaciones. Los montos significativos que anualmente se disponían del presupuesto de la Unión Americana para el mantenimiento de las vías y los métodos empíricos existentes de diseño fueron los motivos para tal decisión. Se esperaba que dando más atención a la selección de materiales, al diseño de las mezclas asfálticas y a las prácticas constructivas se podrían minimizar los daños prematuros. En 1993, como resultado de tal inversión se implementó un método racional mecanístico de diseño de carpetas asfálticas en caliente denominado Superpave.
El método Superpave utilizado actualmente en EE.UU, y Canadá racionaliza el diseño de acuerdo a las condiciones y solicitaciones de sitio y sobre la base del comportamiento mecánico de los materiales ensayados a temperaturas extremas de servicio. La implementación del sistema Superpave en los EE.UU. aún no ha terminado, aún falta implementar componentes más sofisticados relacionados con el análisis del diseño y modelos de predicción del comportamiento, debido a la necesidad de investigaciones y ajustes adicionales. Actualmente, en los EE.UU. también se están incorporando los conceptos mecanísticos en el diseño de la estructura del pavimento. La nueva versión AASHTO de diseño de pavimentos se basará en consideraciones de esfuerzos, deformaciones, modelos de daño, así como la contribución estructural de cada capa, para las variaciones de las solicitaciones y condiciones de sitio.
Nuestro país, que presenta una diversidad de condiciones de sitio, dejará de lado los métodos empíricos e incorporará los conceptos mecanísticos. Los autores vienen trabajando en los últimos años en la Universidad Nacional de Ingeniería en difundir los conceptos mecanísticos en la ingeniería de pavimentos, esperando que los estudiantes participen en tal empresa. En esta oportunidad los autores publican los resultados de una investigación bibliográfica sobre el método de diseño de mezclas asfálticas en caliente Superpave, trabajo patrocinado por el Instituto de Investigaciones de la FIC-UNI. Debido a la poca difusión en nuestro medio del tema de las mezclas asfálticas, no se ha escatimado esfuerzos en la presentación. Se han considerado tópicos como la elección del tipo de carpeta asfáltica, estudios de las fallas más comunes, la susceptibilidad y problemas asociados al humedecimiento y las relaciones de peso-volumen necesarios para un mejor entendimiento del diseño.
Finalmente, los autores desean realizar un público agradecimiento al Ing. Francisco Coronado del Águila por la confianza y el apoyo depositado en los autores para iniciar estos estudios.
Ing. Abel Ordóñez Huamán Lima, 05 de mayo de 2003
Tabla de contenido
Prólogo
Capítulo1: INTRODUCCIÓN
1.1 Historia 1
1.2 Refine del Asfalto 1
1.3 Tipos de Asfalto 3
1.4 Gradación de Cementos Asfálticos 4
1.5 Ensayos de Consistencia 5
1.6 Mezcla de Cemento Asfáltico con Agregados 5 1.7 SHRP y la Pista de Prueba WesTrack 7 1.8 Conceptos Mecanísticos en Pavimentos 8
Capítulo 2: El LIGANTE SUPERPAVE
2.1 Introducción 11
2.2 Comportamiento del Asfalto 12
2.2.1 Comportamiento a Altas Temperaturas 14 2.2.2 Comportamiento a Bajas Temperaturas 14 2.2.3 Comportamiento a Temperaturas Intermedias 15 2.2.4 Comportamiento del Ligante Envejecido 15
2.3 Ensayos Empíricos del Ligante 15
2.3.1 Ensayo de Penetración 15
2.3.2 Ensayo de Viscosidad 16
2.4 Grado de Performance 17
2.4.1 Temperaturas del Pavimento 18
2.5 Ensayos Superpave del Ligante 20
2.5.1 Envejecimiento del Asfalto 22
2.5.2 Ensayos Reológicos 25
Capítulo 3: EL AGREGADO
3.1 Introducción 39
3.2 Ensayos de Agregados 41
3.3 Forma, Textura y Angularidad del agregado fino 42 3.4 Forma y Textura del Agregado Grueso 46 3.5 Limpieza y Materiales Deletéreos 49
3.6 Propiedades de Fuente 52 3.7 Agregados para Bases Granulares 52 3.8 Agregados para Mezclas Asfálticas 67
3.9 Estructura Granular Superpave 78
Capítulo 4: TIPOS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS
4.1 Antecedentes 85
4.2 Definiciones 86
4.3 Tipos de Pavimento Asfáltico 89
4.4 Aplicación de Mezclas Asfálticas 90 4.5 Elección del Tipo de Mezcla Asfáltica 93
4.6 Mezclas Asfálticas Densas 95
4.7 Stone Mastic Asphalt (SMA) 98
4.8 Mezclas Open-Graded 102
Capítulo 5: TIPOS DE FALLAS EN CARPETAS ASFÁLTICAS
5.1 Introducción 107
5.2 Deformación Permanente 108
5.3 Agrietamiento por Fatiga 109
5.4 Agrietamiento por Baja Temperatura 111 5.5 Susceptibilidad al Humedecimiento o Stripping 113
5.6 Erosión Superficial o Raveling 122
5.7 Propiedades Friccionantes 122
5.8 Métodos de Evaluación de Daños 123
5.8.1 Deformaciones Permanentes 123
5.8.2 Agrietamiento por Fatiga 129
5.8.3 Agrietamiento por Baja Temperatura y Fatiga Térmica 131 5.8.4 Características Friccionantes 132 5.8.5 Evaluación de Daño por Humedecimiento 134
Capítulo 6: RELACIONES DE PESO Y VOLUMEN
6.1 Generalidades 137
6.2 Definiciones 137
6.3 Análisis de Mezcla Compactada 141
6.4 Gravedad Específica Bulk del Agregado 141 6.5 Gravedad Específica Efectiva del Agregado 142 6.6 Gravedad Específica Teórica Máxima de Mezclas 143
con diferentes contenidos de asfalto
6.7 Absorción de asfalto 143
6.8 Contenido de Asfalto Efectivo de la Mezcla 144 6.9 Porcentaje de VMA en Mezcla Compactada 144 6.10 Porcentaje de Vacíos de Aire en Mezcla Compactada 145 6.11 Porcentaje VFA en Mezcla Compactada 145
Capítulo 7: SISTEMA SUPERPAVE
7.1 Introducción 147
7.2 Implementación 148
7.3 Etapas del Sistema Superpave 149
7.3.1 Selección de Materiales 149
7.3.2 Diseño de la Estructura Granular Superpave 150 7.3.3 Determinación del Contenido de Ligante y 151
Comportamiento de la Mezcla 7.3.4 Sensibilidad al Humedecimiento 162 7.4 Proceso Constructivo 163 7.4.1 Materiales 163 7.4.2 Producción en Planta 164 7.4.3 Compactación 166 Bibliografía 193-196
1
Introducción
1.1 HISTORIA
l cemento asfáltico es un material bituminoso de color marrón oscuro a negro que se encuentra en la naturaleza o es producido por destilación del petróleo.
El cemento asfáltico fue utilizado por los sumerios para impermeabilizar sus embarcaciones hace 6000 años A.C. Los hindúes lo utilizaron en la construcción de grandes baños públicos hace 3000 años A.C. Los egipcios también lo utilizaron como impermeabilizante, en la momificación y construcción de edificios.
E
Existen dos tipos de asfaltos: los asfaltos naturales similares al petróleo pesado y los asfaltos resultantes del refine del petróleo.
La primera calle pavimentada en los EE.UU. fue la Av. Pennsylvania frente a la Casa Blanca. El pavimento fue construido con un producto asfáltico natural obtenido del Lago Bermudez en la isla Trinidad en Venezuela. Sin embargo, actualmente la mayor parte de los cementos asfálticos son obtenidos procesando el petróleo crudo. Existen en el mundo numerosas refinerías que realizan estos procesos de refinación.
1.2 REFINE DEL ASFALTO
El crudo de petróleo varía en composición dependiendo de la fuente, produciendo diferentes tipos y cantidades de cemento asfáltico residual y otras fracciones destilables.
El crudo de petróleo puede clasificarse arbitrariamente de acuerdo a su gravedad API (American Petroleum Institute). La gravedad API es función de la densidad del material a 60°F y se obtiene de la siguiente expresión:
131.5 especifica gravedad 141.5 ) gravedad( API ° = −
La gravedad API del agua es 10. El asfalto, material más pesado, tiene una gravedad API entre 5 y 10, mientras que el API más liviano de la gasolina es alrededor de 55.
Los procesos de refinación para la obtención de asfaltos dependen de las características del crudo y el rendimiento del asfalto que presentan. Los crudos de petróleo pesados con API menor a 25 resultan en mayores porcentajes de cementos asfálticos, mientras que los petróleos livianos con API mayor a 25 arrojan menores porcentajes de asfaltos. La siguiente ilustración presenta los porcentajes de asfaltos resultante de crudos típicos.
BOSCAN ARABIA NIGERIA
VENEZUELA PESADO LIGERO
API (grado) 10.1 28.2 38.1 SP. Gravedad 0.999 0.886 0.834 % Azufre 6.4 2.8 0.2 Bitumen Aceites Pesados 3%volumen 6 7 26 26 5858 21 14 10 28 27 33 20 16 30 1 58 Aceites Ligeros Kerosene Gasolina
Figura 1.1 Composición de crudos de petróleo
Para crudos muy pesados de altos rendimientos de asfalto, basta una etapa de destilación al vacío. Para crudos de rendimientos intermedios de asfalto será necesario dos etapas de destilación: una a presión atmosférica y otra al vacío. Para crudos muy livianos de bajo rendimiento de asfalto se requiere una etapa adicional a las dos anteriores, que es la etapa de extracción.
La destilación del crudo de petróleo consiste en el calentamiento a más o menos 343°C, vaporizándose parcialmente sus componentes. Luego, el material remanente es transferido a una torre de destilación donde los componentes ligeros se vaporizan, ascendiendo hasta lo mas alto, luego de enfriarse y condensarse son sacados fuera. A diferentes alturas en la torre, las fracciones logran su punto de ebullición y luego, con la disminución de la
temperatura, se condensa en recipientes dentro de la torre. El componente intermedio de la torre se saca y trata para producir kerosene y diesel. El residuo de esta destilación es usualmente colocado dentro de una unidad de destilación al vacío donde se producen los aceites pesados. La presión reducida (típicamente 55 mmHg, 1.0 psi) en la torre de vacío ayuda a inflamar estos aceites a temperaturas inferiores para prevenir el rompimiento térmico del cemento asfáltico. En el rompimiento, las moléculas grandes de asfalto son químicamente rotas. Con frecuencia el vapor es incorporado a la base de la torre para mas adelante reducir la presión de 50 mmHg a alrededor de 12 mmHg, 0.24 psi. El residuo de la base de esta unidad se llama cemento asfáltico. El grado de cemento asfáltico, se mide por penetración o viscosidad, y es controlado por la cantidad de aceites pesados sacados del petróleo.
1.3 TIPOS DE ASFALTO
Los asfaltos comúnmente usados en la construcción de pavimentos flexibles pueden dividirse en tres tipos:
Cemento asfáltico Asfalto emulsificado Asfalto cutback
Cemento Asfáltico
A temperatura ambiente el cemento asfáltico es negro, pegajoso, semisólido, y altamente viscoso. Es un cemento fuerte y durable con excelentes características adhesivas e impermeables. También es muy resistente a la acción de muchos ácidos, álcalis y sales.
Los grados del cemento asfáltico, basados en su consistencia, son disponibles comercialmente. Para clasificar o definir la gradación del cemento asfáltico se usan tres métodos basados en la penetración, viscosidad o performance.
Asfalto Emulsificado
El asfalto emulsificado es una mezcla de cemento asfáltico con agua y un agente emulsificador. El cemento asfáltico no se disuelve en agua. El cemento asfáltico caliente y agua con contenido de agente emulsificador son sometidos a presión a través de un molino coloidal para producir glóbulos o gotas de cemento asfáltico extremadamente pequeños (menos que 5-10 micrones) que son suspendidas en agua. El agente emulsificante reparte una carga eléctrica en la superficie de la gota que causa su repulsión uno a otro, y así los glóbulos son impedidos de cohesionarse. Una vez mezclado la emulsión con el agregado se produce el rompimiento de la emulsión cohesionándose las partículas de asfalto y liberando el agua. Los asfaltos emulsificados se categorizan como
asfaltos líquidos porque, a diferencia de los cementos asfálticos, ellos son líquidos a temperatura ambiente.
Asfalto Cutback
Los cutbacks son asfaltos líquidos a temperatura ambiente que se preparan incorporando (cutting back) solventes de petróleo (cutter stock o diluentes) al cemento asfáltico. Esto se hace para reducir la viscosidad del asfalto para aplicaciones a inferiores temperaturas. Una vez mezclado con el agregado se produce la evaporación del solvente, abandonando el residuo de cemento asfáltico. En función de la rapidez de la evaporación del solvente (proceso de curado), los asfaltos cutback se dividen en tres tipos: de curado rápido, curado medio y curado lento.
1.4 GRADACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS
Gradación por Penetración
La gradación por penetración del cemento asfáltico está especificada en ASTM D946 y es controlada por el ensayo de penetración. El ensayo de penetración consiste en medir la penetración de una aguja estándar dentro de una muestra de cemento asfáltico a una temperatura, tiempo y carga estándar. Obviamente, a mayor penetración, el cemento asfáltico es más blando. Los grados de penetración estándar son cinco: 40-50, 60-70, 85-100, 120-150, y 200-300.
Gradación por Viscocidad
El segundo método de clasificación del cemento asfáltico es por viscosidad, especificado en ASTM D3381. Este sistema de gradación se basa en la viscosidad del cemento asfáltico original o en la viscosidad del cemento asfáltico luego de ser envejecido por el ensayo del película fina en horno rotatorio, RTFO. Ambas viscosidades se miden y se reportan en poises. La viscosidad del cemento asfáltico original incluye AC-2.5, AC-5, AC-10, AC-20, AC-30, y AC-40. El valor numérico indica la consistencia a 140°F (60°C) en cientos de poises. La viscosidad basada en el residuo de asfalto (AR) del ensayo de RTFO incluye AR-1000, AR-2000, AR-4000, AR-8000, y AR-16000. El valor numérico indica la viscosidad a 140°F (60°C) en poises.
Gradación por Comportamiento
El tercer método de clasificación del ligante asfáltico es por comportamiento o
performance basado y desarrollado por la Strategic Highway Research Program (SHRP) en el sistema SUPERPAVE.
1.5 ENSAYOS DE CONSISTENCIA
La consistencia describe el grado de fluidez del cemento asfáltico a alguna temperatura en particular. Los cementos asfálticos son materiales termoplásticos, su consistencia varía con la temperatura.. Por lo tanto, es necesario medir la consistencia de diferentes cementos asfálticos a temperaturas similares.
Los ensayos de consistencia tratan de medir alguna propiedad del cemento asfáltico con la finalidad de predecir el comportamiento mecánico durante la etapa de preparación de la mezcla y operación. Actualmente, estas pruebas utilizadas en el diseño son complementadas con pruebas de mayor representatividad orientadas a medir el comportamiento mecánico o perfomance del ligante y la mezcla asfáltica.
Los ensayos de consistencia realizados al cemento asfáltico además del ensayo de viscosidad absoluta a 60°C y ensayo de penetración se tienen los ensayos de Viscosidad Cinemática a 135°C (ASTM D2170), Punto de Ablandamiento (ASTM D36) y Ductilidad (ASTM D113).
1.6 MEZCLAS DE CEMENTO ASFÁLTICO CON AGREGADOS
Las mezclas de cemento asfáltico con los agregados para fines de pavimentación, como otros materiales ingenieriles, es materia de selección y proporcionamiento de materiales para obtener las propiedades mecánicas deseadas.
El objetivo del diseño de mezclas de pavimento asfáltico es determinar (dentro de los límites de las especificaciones del proyecto) una combinación costo-efectivo que tenga:
1. Suficiente asfalto que asegure un pavimento durable.
2. Suficiente estabilidad de la mezcla para satisfacer la demanda del tráfico sin ahuellarse, desplazarse, distorsionarse o agrietarse.
3. Suficientes vacíos en la mezcla compactada que permita la compactación bajo cargas de tráfico y la expansión del asfalto debido al incremento de temperatura, sin pérdida de estabilidad.
4. Un máximo contenido de vacíos que limite la permeabilidad del agua y humedad dentro de la mezcla, que pueda oxidar el asfalto.
5. Suficiente trabajabilidad que facilite la eficiente colocación de la mezcla sin segregación pero sin sacrificar la estabilidad y comportamiento.
6. Para mezclas superficiales, la textura y dureza apropiada del agregado debe ser resistente al patinaje en condiciones climáticas desfavorables.
7. Soportar adecuadamente las temperaturas extremas de servicio.
El objetivo final del diseño de mezclas es seleccionar el contenido de asfalto que logre un balance equilibrado de todas las propiedades deseadas. El comportamiento del pavimento se relaciona a la durabilidad, impermeabilidad,
resistencia, estabilidad, rigidez, flexibilidad, resistencia a la fatiga, y trabajabilidad. Dentro de este contexto, el procedimiento de diseño no es simple. El contenido de asfalto seleccionado optimizará estas propiedades. Como las propiedades del comportamiento de la carpeta asfáltica de un pavimento no se miden directamente durante el diseño de la mezcla, el contenido de asfalto es seleccionado sobre la base de parámetros medidos que mejor reflejen todas estas propiedades. Considerables investigaciones concluyen que uno de los parámetros más importante en el diseño es el contenido de vacíos de aire.
Históricamente el diseño de mezclas de asfalto se realizó usando el método de diseño Marshall y Hveem. El método más común fue el Marshall. Este método se usó en aproximadamente el 75% de los Departamentos de Transporte de los EE.UU. y por la FAA para el diseño de aeropuertos. La principal diferencia entre los procedimientos de diseño es el equipo utilizado para la compactación de muestras o briquetas y los ensayos de resistencia.
Para la elección del cemento asfáltico es necesario establecer las temperaturas de mezcla y compactación a partir de la Carta de Viscosidad. Las temperaturas apropiadas de mezcla y compactación se seleccionan de acuerdo a la viscosidad requerida.
El diseño de mezclas Marshall fue desarrollado por Bruce Marshall para el Departamento de Transportes de Mississipi alrededor de 1939. Este método consiste en seleccionar agregados de calidad; seleccionar y ensayar el ligante asfáltico y determinar las temperaturas de mezcla y compactación, mezclar el cemento asfáltico y los agregados, compactar los especimenes.
El especimen compactado se coloca en la prensa Marshall, para someterla a ensayo de flujo y estabilidad. Se plotean los resultados y se determina el contenido de asfalto que producirá 4% de vacíos de aire. En el Apéndice A se presenta el procedimiento detallado del método. Para el lector que necesite mayor información puede remitirse al “Manual de Laboratorio de Ensayos para Pavimentos. Volumen I” de S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la Facultad de Ing. Civil, UNI.
Una de las fortalezas del método Marshall es el cuidado que se tiene en el análisis densidad versus el contenido de vacíos. Esto asegura que las propiedades volumétricas de la mezcla presente el nivel óptimo sea un pavimento durable. Otra de las ventajas es que requiere equipos poco costosos y muy portátiles. Sin embargo, el método de compactación por golpes no simula adecuadamente la densificación que ocurre en campo bajo las cargas de tráfico.
La desventaja más importante del método Marshall es la limitación de evaluar el comportamiento del ligante a temperaturas extremas de servicio. Teniendo el ligante una función estructural y siendo el componente débil de la mezcla muy susceptible a las variaciones de temperatura.
El método de diseño de mezclas Hveem fue desarrollado por Francis Hveem para el Departamento de Transportes de California a mediados de los años 20. Su uso se limitó a la costa oeste del estado de California. Las consideraciones de diseño son similares al método Marshall. El equipo de compactación de los especimenes es diferente. El método Hveem utiliza el compactador por golpes para preparar los especimenes. Se determina la estabilidad con el estabilómetro Hveem, evaluando la deformación horizontal bajo carga axial.
1.7 SHRP Y LA PISTA DE PRUEBA WESTRACK
En 1987 el Congreso Americano dispuso la creación de la Strategic Highway Research Program (SHRP) con una inversión inicial de 150 millones de dólares para el desarrollo de un método de diseño de mezclas asfáticas más racional. Tal decisión era la respuesta a los altos montos del Presupuesto de la Unión Americana que anualmente se gastaban en el mantenimiento de las carreteras federales. No había cabida en la mente de los políticos los altos costos de mantenimiento en obras tan costosas que habían sido diseñadas para operar durante una vida útil de 20 años o más. La revisión de los métodos de diseño utilizados a la fecha encontró el fuerte sustento empírico de los métodos de diseño de las mezclas asfálticas y de los pavimentos en general. Así, se creó un método mecanístico denominado SUPERPAVE. El sistema SUPERPAVE se terminó de implementar en 1993 con un componente de diseño “mecanístico” debido a que incorpora los fundamentos de la mecánica, conceptos que desplazan a las formulaciones empíricas.
A finales de 1995 se terminó de construir la pista de pruebas denominada WESTRACK. Se evaluaron con el tiempo 26 secciones típicas de pavimentos con dos tipos de mezclas asfálticas. En 1997 de manera prematura se presentaron problemas de deformaciones permanentes o “rutting” no previstos, problemas que fueron materia de investigación y cuyas conclusiones permitieron ajustar y mejorar progresivamente el método.
Actualmente, las agencias estatales están realizando investigaciones en pistas de pruebas con la finalidad de implementar ensayos acelerados para la evaluación de la mezcla.
En el año 2000 más del 60% del volumen de mezclas asfálticas fueron diseñadas por el sistema SUPERPAVE y los EE.UU. ha invertido hasta la fecha más de 500 millones de dólares en la implementación del Sistema Superpave.
La pista de prueba WESTRACK de la Federal Highway Administration (FHWA) se ubica en Nevada para desarrollar las especificaciones relacionadas a la performance de pavimentos construidos con HMA. También proporciona datos iniciales de la performance de mezclas asfáltica diseñadas con Superpave y sometidas a altos niveles de cargas de tráfico. Cuando las secciones de ensayo diseñadas con Superpave colocadas en la pista en Junio 1997 tuvo rápidas
fallas de deformación permanente. Se formó un equipo de investigadores para evaluar las fallas prematuras y, si consideraba apropiado, recomendar la revisión del procedimiento Superpave.
Las conclusiones a las que arribaron fueron:
¾ La causa de la deformación permanente de una de las secciones de la pista de prueba fue relativamente por el alto contenido de ligante en el diseño. ¾ Muchas de las deformaciones permanentes aparentemente se relacionaron
al alto contenido de ligante debido a los altos valores de VMA, en conjunción con relativamente bajas rigideces.
¾ De las 11 mezclas colocadas en la pista de prueba y evaluada por los investigadores, la mezcla colocada al ingreso de las curvas tuvieron mínimas deformaciones permanentes. Esta mezcla tuvo un bajo contenido de asfalto, alta tasa de polvo a ligante, y relativamente bajo VMA.
¾ Las mezclas del Departamento de Transportes de Nevada se comportaron mejor que las mezclas de gradación gruesa. Las mezclas de Nevada tuvieron bajo contenido de ligante en el diseño y campo y relativamente bajo diseño de VMA.
¾ Las propiedades de los materiales y mezclas volumétricas puede no ser adecuado por el mismo para asegurar una buena performance para carreteras de alto volumen.
¾ La resistencia de las mezclas de gradación gruesa Superpave a la deformación permanente es significativamente afectada por la densidad en campo.
1.8 CONCEPTOS MECANÍSTICOS EN PAVIMENTOS
Una de las principales aplicaciones de los conceptos mecanísticos corresponde a la evaluación del comportamiento mecánico de la sub-rasante de suelos de baja resistencia y compresibles, la influencia del humedecimiento en la pérdida de rigidez y la disminución del módulo elástico (Ordóñez y Minaya, 2001). La aplicación de la teoría de la elasticidad y los ensayos de mecánica de suelos para su determinación se presentan en la Figura 1.2. Así, el ensayo de compresión confinada utilizando el consolidómetro y el ensayo de compresión triaxial estático se utilizan en el cálculo de las deformaciones del subsuelo para cimentaciones de edificaciones. El ensayo C.B.R. y el ensayo de placa de carga permiten obtener los parámetros elásticos en la evaluación del subsuelo en fundaciones de estructuras de pavimentos (Ordóñez y Minaya, 2001). Como se ilustra en la figura, el valor C.B.R. está asociado con la rigidez del suelo.
La ventaja del ensayo C.B.R. en suelos naturales (muestras inalteradas) es la evaluación humedad y densidad natural in situ y la influencia del humedecimiento en condiciones extremas. Las pruebas directas penetrométricas y deflectométricas tienen esa limitación. Otro aspecto, es la capacidad del equipo C.B.R. es la evaluación del suelo a pequeñas deformaciones (rango elástico) en comparación con las pruebas penetrométricas que miden la resistencia a la falla (rango plástico).
A ORDOÑEZ 2001 E.edo= p/ev p ev=∆h/ho COMPRESION EDOMETRICA ASTM D 2435 σc σc COMPRESION TRIAXIAL ASTM D 4767 σd σd E.t=σd./ev p E = π(1-ν2)pr/2ρ ρ Ecbr= 9.83CBR (kg/cm2) C.B.R. ASTM D 1883 p PLACA DE CARGA ASTM D 1194 ρ A. ORDOÑEZ, 2001
Figura 1.2 Ensayos para la Obtención del Módulo Elástico
En la Figura 1.3 se presenta los parámetros elásticos y el efecto de las cargas en el pavimento. Como se puede apreciar cada ciclo de carga produce en el suelo una componente de deformación plástica, no recuperable y una componente de deformación elástica o recuperable. El Módulo Resiliente, Mr relaciona el esfuerzo aplicado y la deformación elástica en la condición final cuando el suelo presente solamente un comportamiento elástico.
carga, p (kg/cm2) asentamiento, s (cm) k = p/s (kg/cm3) σc σc p carga, p (kg/cm2) deformación vertical, ev εp εe
Mr = p/
ε
e k = 1.4E/D TRIAXIAL CICLICO ASTM D 5311 PLACA DE CARGA ASTM D 1194 A. ORDOÑEZ, 2001 D p εtotalFigura 1.3 Ensayos para la Modelar el efecto de las Cargas en el Pavimento
Los suelos granulares (Fig 1.4a) de capas del pavimento, presentan una adecuada gradación y compactación. El comportamiento de estas capas granulares, bajo los ciclos de carga, no presentará deformaciones plásticas (deformaciones acumulables) significativas. Se asume que durante el adecuado proceso constructivo, las deformaciones plásticas se anularán. En este caso es apropiado modelar el comportamiento con el Módulo Resiliente, Mr. Al respecto la Guía AASHTO, 93 presentan valores establecidos en el laboratorio, basados en el valor CBR.
carga, p (kg/cm2) εe εp deformación vertival, εv εp εe deformación vertival, εv
Fig. 1.4 a-b Comportamiento Mecánico de Suelos Granulares y Limo-arcillosos carga, p
(kg/cm2)
El caso crítico lo constituye cuando la sub-rasante contiene fracciones importantes de finos arcillosos (Fig. 1.4b). Es sabido que los suelos limo-arcillosos sometidos a cargas estáticas permanentes presentan deformaciones diferidas (con el tiempo) asociado al fenómeno de consolidación. Bajo cargas no permanentes, de corta duración y repetidas, como son las cargas de tránsito, el tiempo que demorará en consolidarse será mayor, lo que traduce en el mayor número de ciclos. Es decir, el adecuado proceso constructivo no será suficiente para anular las deformaciones plásticas. Por lo tanto el estado final resiliente solo se consigue con un número grande de ciclos de carga y la deformación plástica acumulable será significativa y deberá de tomarse en cuenta. El módulo resiliente, Mr al representar solamente el comportamiento deformacional final, no será representativo del comportamiento total del suelo. En este caso, se tendrán dos alternativas: estabilizar primero el subsuelo para luego diseñar el pavimento o alejar el subsuelo (considerando un espesor de relleno granular) del bulbo de presiones de las cargas de tránsito.
Otro aspecto mecanístico importante lo constituye el módulo de reacción de la subrasante, k utilizado todavía en el diseño de pavimentos de concreto entre otras estructuras. El parámetro k es obtenido de la prueba de placa. Como se aprecia en la ilustración tal parámetro no es un módulo elástico, sino un híbrido ya que incorpora una variable de geometría (el diámetro de la placa de ensayo).
2
El Ligante Superpave
2.1 INTR
omo la química del asfalto es muy compleja, la experiencia ha demostrado que las especificaciones deben estar relacionadas con las propiedades físicas o de manera más precisa, de su comportamiento mecánico. Las especificaciones actuales en el Perú utilizan todavía los ensayos de penetración, viscosidad y ductilidad para evaluar el asfalto. Muchos de los ensayos actuales son empíricos, significando que la experiencia es todavía necesaria que los resultados de los ensayos se puedan interpretar adecuadamente. Sin embargo, tal práctica ha demostrado que tiene importantes limitaciones.
ODUCCIÓN
C
Entre los años 40 y 50 el sistema de clasificación por penetración fue usado en los EE.UU. y Canadá. El ensayo de penetración realizado a 25ºC (temperatura elegida como el promedio de la temperatura de servicio del pavimento), indica la rigidez del asfalto, que solo puede ser relacionado con su comportamiento en campo mediante la experiencia. Como el valor de la penetración no es una medida fundamental dicho valor no puede ser racionalmente incluida en modelos mecanísticos.
El sistema de gradación por viscosidad se basó en los ensayos de viscosidad del ligante. La viscosidad es una medida fundamental del flujo, que proporciona información acerca del comportamiento viscoso a mayores temperaturas. Las temperaturas de ensayo son de 60ºC y 135ºC. Sin embargo, este ensayo no es adecuado para controlar el comportamiento mecánico del ligante no newtonianos (y viscoelásticos), requiriendo de ensayos adicionales al de la viscosidad.
Entre los años 80 y 90 la Pacific Coast User Producer Conference adoptó un nuevo sistema de especificación propuesto por J. Goodrich y R. Reese1, llamado
Especificaciones de Asfalto basado en su Performance (PBA) que intentó incluir las
variaciones regionales de climas y el envejecimiento o deterioro del asfalto durante su vida de servicio.
1
Las especificaciones actuales pueden calificar diferentes asfaltos como de similar grado (basado en ensayos puntuales a una determinada temperatura) cuando su comportamiento a otras temperaturas puede ser totalmente diferente.
Reconociendo las deficiencias de tal sistema, las agencias estatales de carreteras tuvieron que implementar un programa de investigación para adoptar un nuevo sistema para especificar el pavimento asfáltico. En 1987, la SHRP inició estudios para desarrollar nuevos ensayos que permitan medir las propiedades físicas del asfalto. La inversión de $50 millones de dólares se plasmó en las
especificaciones del Ligante Superpave, que requiere de un nuevo paquete de equipos
para ensayos y procedimientos. Se llamó especificaciones del “ligante” porque se engloba a los asfaltos modificados y no modificados.
Las especificaciones del ligante Superpave adoptaron muchos de los conceptos de las especificaciones PBA. El avance más significativo fue probablemente cambiar ensayos empíricos por ensayos donde el ligante puede ser caracterizado a variaciones de temperaturas controladas obtenidas de campo. Los ensayos de Reómetro de Corte Dinámico (DSR), Reómetro de Viga de Flexión (BBR) y Ensayo de Tensión Directa (DTT) reemplazaron a los ensayos de viscosidad, penetración y ductilidad, respectivamente. Junto con el envejecimiento en planta (RTFO) se adoptó el envejecimiento durante la vida de servicio (PAV).
2.2 COMPORTAMIENTO DEL ASFALTO
Como la naturaleza del asfalto es viscoelástica, el comportamiento del cemento asfáltico depende de la temperatura y el tiempo de aplicación de la carga. El comportamiento a altas temperaturas en cortos períodos de aplicación de cargas es equivalente al comportamiento del ligante a bajas temperaturas y cargas lentas.
El asfalto a mayores temperaturas tiene menor consistencia (dúctil), típico durante la temperatura de mezcla. A medida que su temperatura desciende se vuelve más consistente (frágil). El comportamiento ideal del asfalto a menores temperaturas se daría cuando se vuelve consistente pero es lo suficientemente flexible para resistir deformaciones sin agrietarse, figura 2.1 (a). Análogamente a cargas lentas (mayor tiempo de carga) o rápidas (menor tiempo de carga) sea flexible para resistir deformaciones, figura 2.1 (a).
El comportamiento real del pavimento se ilustra en la figura 2.1 (b), se observa que a temperaturas extremas, el asfalto es frágil para temperaturas bajas y dúctil para temperaturas altas. El asfalto se comporta durante su vida de servicio a temperaturas intermedias no siendo completamente frágil o dúctil. Análogamente sucede con la aplicación de las cargas, figura 2.1 (b).
Consistencia
COMPORTAMIENTO DE LA RIGIDEZ CON EL TIEMPO COMPORTAMIENTO DE LA RIGIDEZ CON LA
TEMPERATURAIDEAL Consistencia Flexibilidad Mezcla Resistencia a deformaciones Resistencia a deformaciones Flexibilidad 0 50 100 150 -50 Tiempo de carga [s] 1010 10-s T [°C] (a) COMPORTAMIENTO REAL Consistencia Consistencia Frágil Dúctil Dúctil Frágil 50 0 -50 100 150 -s 10 10 10 Tiempo de carga [s] T [°C] (b)
Figura 2.1 Comportamiento del Asfalto
2.2.1 COMPORTAMIENTO A ALTAS TEMPERATURAS
En climas cálidos o sometido a cargas de tráfico lentas, el cemento asfáltico se comporta como un líquido viscoso, dejando que el agregado soporte las cargas cíclicas.
La viscosidad es la característica física del material que describe la resistencia de los líquidos a fluir. Si el flujo del cemento asfáltico en caliente es lento puede ser observado microscópicamente como capas adyacentes de moléculas
deslizándose unas sobre otras. La resistencia o fricción entre capas se relaciona a la velocidad relativa de deslizamiento.
La viscosidad es una característica que ayuda a diferenciar a los líquidos y se define como el esfuerzo de corte entre la velocidad de deformación por corte. La figura 2.2 muestra un juego de cartas que tienen una línea vertical marcada a un lado. Cuando se aplica el corte en el punto superior, las cartas tratan de deslizarse una sobre la otra y los puntos marcados en las cartas empiezan a separarse. La velocidad al corte es la velocidad a la cual estos puntos se separan.
Dirección del flujo de las capas Esfuerzo de corte τ, entre capas n 2 1 Capa No: n 2 1 Capa No:
Figura 2.2 Características del Flujo de Líquidos
Los fluidos Newtonianos tienen una relación lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad relativa. El aire, agua y asfalto caliente (a temperaturas mayores que 60ºC) son comúnmente fluidos Newtonianos. A temperaturas moderadas, la viscosidad del asfalto decrece cuando la velocidad relativa se incrementa. Los líquidos viscosos como el asfalto caliente algunas veces son llamados plásticos porque una vez que empiezan a fluir no retornan a su posición original. Esto se da a temperaturas altas, cuando algunos pavimentos de HMA menos estables fluyen bajo cargas repetidas de llantas formando una huella a lo largo de su trayectoria. Sin embargo, la deformación permanente en pavimentos asfálticos durante temperaturas calientes es también influenciada por las propiedades de l agregado.
2.2.2 COMPORTAMIENTO A BAJAS TEMPERATURAS
En climas fríos o bajo aplicaciones de carga rápida, el cemento asfáltico se comporta como un sólido elástico. Los sólidos elásticos son como ligas porque cuando cesa la carga que los deforma, regresan a su posición original.
Si el material se esfuerza más allá de su capacidad, el sólido elástico puede romperse. El agrietamiento por bajas temperaturas algunas veces ocurre en los pavimentos cuando están sometidos a climas fríos. En estos casos, las cargas aplicadas producen esfuerzos internos que se acumulan en el pavimento
asfáltico que tenderá a contraerse mientras su movimiento es restringido por las capas inferiores.
2.2.3 COMPORTAMIENTO A TEMPERATURAS INTERMEDIAS
En estos climas el asfalto muestra características de líquido viscoso y sólido elástico. A estas temperaturas, el asfalto es un excelente material adhesivo usado en pavimentación. Cuando se calienta el asfalto actúa como un lubricante, permitiendo mezclarse con el agregado, cubrirlo y compactarse formando una superficie lisa y densa. Tan pronto como se enfría, el asfalto actúa manteniendo juntos los agregados en la matriz sólida. En esta etapa el comportamiento del asfalto es viscoelástico es decir, tiene características elásticas y viscosas, dependiendo de la temperatura y velocidad de carga.
2.2.4 COMPORTAMIENTO DEL LIGANTE ENVEJECIDO
Como el cemento asfáltico está compuesto por moléculas orgánicas, pueden reaccionar con el oxígeno del medio ambiente. Esta reacción se denomina
oxidación. La oxidación cambia la estructura y composición de las moléculas de
asfalto haciéndolo más frágil. La inapropiada compactación puede generar oxidación o endurecimiento prematuro. En estos casos, los inadecuados niveles de compactación tienen altos porcentajes de vacíos de aire interconectados, que permiten que más aire o el agua penetre en la mezcla acelerando la oxidación.
2.3 ENSAYOS EMPÍRICOS DEL LIGANTE
El cemento asfáltico históricamente se evaluó con dos ensayos empíricos; penetración y viscosidad. Estos ensayos se desarrollaron a través del tiempo, usando la experiencia con pavimentos asfálticos.
Los ensayos de penetración y viscosidad se desarrollaron durante una época en la que el tráfico era menor y las cargas aplicadas significativamente inferiores. El peso de los camiones estuvo limitado a 72,000 lb y presión de llanta de 75 psi. En la actualidad, Los camiones exceden las 80,000 lb. y las presiones de llanta son de 125 psi. El incremento del 10% en el peso de los camiones puede no parecer significativo, pero resulta en un 40% de incremento en los esfuerzos aplicados al pavimento. Estos factores, junto con el incremento de la red vehicular somete a nuestros pavimentos asfálticos a esfuerzos, resultando en deformaciones permanentes y fallas prematuras.
2.3.1 ENSAYO DE PENETRACIÓN
El ensayo de penetración mide la profundidad hasta la cual penetra una aguja normalizada de 100 g, a 25°C durante 5 s en una muestra de asfalto. La rigidez
del asfalto se reporta en décimas de milímetro. Este ensayo se realiza en asfaltos originales para determinar su grado de penetración. Por ejemplo, si un asfalto es PEN 120-150 tendrá un valor de penetración en el asfalto original entre 120 y 150 décimas de milímetro. En la figura 2.3 se ilustra el procedimiento de ensayo.
Se tienen que realizar otros ensayos para complementar éste. El ensayo del punto de inflamación, ensayo de ductilidad y el ensayo de película fina en horno rotatorio.
Las ventajas del ensayo radican en que evalúa las propiedades del material a la temperatura promedio de servicio, bajo costo del equipo, poca dificultad y poco tiempo para obtener resultados. Sin embargo, son muchas las desventajas asociadas al ensayo de penetración, como el amplio rango de variación de las propiedades de un PEN dado, a altas y bajas temperaturas, velocidad de corte variable y sobre todo que no es una medida fundamental necesaria para elaborar modelos mecanísticos que predigan el comportamiento del pavimento entre otras.
Figura 2.3 Ensayo de penetración
2.3.2 ENSAYO DE VISCOSIDAD
Son dos las viscosidades medidas: la viscosidad absoluta (60°C) y viscosidad cinemática (135 oC). Ambas usan el principio de velocidad de flujo a través de un área conocida.
La viscosidad absoluta mide el tiempo que requiere el asfalto para fluir a través de un tubo capilar calibrado a 60°C, como el asfalto a esa temperatura es muy rígido, se requiere someter al vacío a la muestra para que el asfalto se mueva a través del tubo en un tiempo razonable. La viscosidad en poises se
calcula multiplicando el tiempo de flujo, en segundos, por el factor de calibración del viscosímetro. En unidades cgs un poise (P) es 1 g/cm-s; en el Sistema Internacional (SI), la unidad de la viscosidad es 1 Pa-s (1 Ns/m2) y es
equivalente a 10 poises.
La viscosidad cinemática se ensaya a 135°C y mide el tiempo requerido para que un volumen fijo de líquido fluya, por capilaridad, a través de un viscosímetro, a esa temperatura solo se requiere de la gravedad para que el asfalto fluya. La viscosidad cinemática se calcula multiplicando el tiempo de flujo en segundos por el factor de calibración del viscosímetro.
La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de un líquido. La unidad en el Sl es m2/s; pero es más conveniente,
para uso práctico, el submúltiplo mm2/s. La unidad cgs es 1 cm2/s y se llama
Stoke (St). La unidad que se acostumbra utilizar es 1 centistoke (1 cSt = 10-2
St) que equivale a 1 mm2/s. El Centistoke es convertido a centipoise
multiplicando centistoke por la gravedad específica del asfalto.
El sistema de gradación de los asfaltos se basa en la viscosidad absoluta (60°C). Una viscosidad mínima a 135°C se incluye para ayudar a definir la máxima velocidad de cambio en las propiedades del material con la temperatura. Los valores de penetración decrecen con el incremento de la viscosidad.
2.4 GRADO DE PERFORMANCE
A diferencia de las especificaciones anteriores, la especificación del ligante Superpave se basa directamente entre las propiedades físicas básicas del ligante y su comportamiento observado. El grado de comportamiento del ligante o
performance graded (PG) se selecciona basado en las temperaturas extremas de
servicio del ligante.
La diferencia entre los diferentes tipos de PG o grados del ligante vienen a ser las temperaturas mínima y máxima de servicio. Por ejemplo, un ligante clasificado como PG 58-34 se le evaluará físicamente a 58ºC y –34ºC.
Temperatura mínima anual del pavimento
Grado de performance
PG 58-34
Promedio de la temp. máx. del pavimento durante 7 días
Junto con el grado del ligante clasificado de acuerdo a altas y bajas temperaturas, se requiere mayor información para seleccionar el PG que debe tener el ligante en un lugar en particular. Se debe conocer el área geográfica,
temperatura del pavimento y la temperatura del aire, variables que deben ser
convertidas a la temperatura del pavimento.
2.4.1 TEMPERATURAS DEL PAVIMENTO
Los datos históricos medioambientales se convierten a temperaturas del pavimento. Los investigadores de la SHRP desarrollaron algoritmos para convertir temperaturas de aire altas y bajas a temperaturas de pavimento. El algoritmo original de la SHRP para determinar la temperatura extrema baja del pavimento fue corregido porque no determinaba adecuadamente este valor. La FHWA con el programa LTPP (Long Term Pavement Performance) desarrolló un nuevo algoritmo basado en 30 estaciones medioambientales a lo largo de los EE.UU.
Modelo con Confiabilidad del LTPP para Temperaturas Altas
( ) ( )
(
)
(
)
2 1 2 aire 10 2 airepav 54.32 0.78T 0.0025Lat 15.14log H 25 z9 0.61
T = + − − + + + σ
T(pav) Temperatura alta del pavimento bajo la superficie, ºC
T(aire) Temperatura alta del aire, ºC
Lat Latitud de la zona, º
H Profundidad desde la superficie, mm
σaire Desviación estándar de la temperatura media del aire de los 7 días más altos, ºC
z Para distribución estándar normal y una confiabilidad del 98%, z=2.055.
Nota: la profundidad H generalmente es de 20 mm
Modelo con Confiabilidad del LTPP para Temperaturas Bajas
( ) ( )
(
)
(
)
2 1 2 aire 10 2 airepav 1.56 0.72T 0.004Lat 6.26log H 25 z4.4 0.52
T =− + − + + − + σ
T(pav) Temperatura baja del pavimento bajo la superficie, ºC T(aire) Temperatura baja del aire, ºC
Lat Latitud de la zona, º
H Profundidad desde la superficie, mm
σaire Desviación estándar de la temperatura media del aire durante el año, ºC
z Para distribución estándar normal y una confiabilidad del 98%, z=2.055.
Confiabilidad
La confiabilidad es el factor de seguridad que se incorpora en el Sistema de Gradación PG basado en la confiabilidad de la temperatura. El 50% de confiabilidad en la temperatura representa el promedio de los datos de la estación. La confiabilidad del 98% de temperatura se determina en función de la desviación estándar a bajas temperaturas (σbaja temperatura) y alta (σalta temperatura).
a temperatur baja 50% al mín 98% al mín a temperatur alta 50% al máx 98% al máx 2 T T 2 T T σ − = σ + =
El nivel del tráfico y la velocidad también se consideran en la selección del grado de performance (PG). La Tabla 2.1 muestra las consideraciones de elección del ligante en función de la velocidad y nivel de tráfico. Los grados de performance varían cada 6ºC, la Tabla 2.2 muestra los PG Superpave.
Tabla 2.1: Selección del Ligante en Función de la Velocidad y Nivel de Tráfico. AASHTO MP-2
Grado del ligante corregido, PG5
Rata de la carga de tráfico ESAL1 de
diseño (millones)
Permanente2 Bajo3 Estándar4
< 0.3 -6 - -
0.3 a < 3 2 1 -
3 a < 10 2 1 -
10 a < 30 2 1 -
≥ 30 2 1 1
(1) ESAL de diseño es el tráfico esperado en el carril de diseño para un período de 20 años.
(2) Tráfico permanente, donde la velocidad del tráfico promedio es menos que 20 km/h
(3) Tráfico bajo, donde la velocidad del tráfico promedio está entre 20 y 70 km/h (4) Tráfico estándar, donde la velocidad del tráfico promedio es mayor que 70
km/h
(5) Incrementar el grado de la temperatura del aire el número de grado equivalente indicado(1 grado equivale a 6ºC). Usar el grado bajo de temperatura como se indicó antes.
(6) Se puede considerar el incremento de la temperatura alta en 1 grado
Tabla 2.2: Grados de performance Superpave
Temperatura de Pavimento Máxima Promedio de 7 días (PG#-_)
46ºC 52ºC 58ºC 64ºC 70ºC 76ºC 76ºC+n6º
Temperatura Mínima de Pavimento (PG_-#)
+2ºC -4ºC -10ºC -16ºC -22ºC -28ºC -28ºC-n6º
2.5 ENSAYOS SUPERPAVE DEL LIGANTE
El tema central de las especificaciones del ligante Superpave es someter a ensayos en condiciones que simulen las tres etapas críticas durante la vida del ligante.
Los ensayos realizados en el ligante original representan la primera etapa crítica de la vida del ligante que corresponde al transporte, almacenamiento y manipuleo.
La segunda etapa representa el asfalto durante la producción de la mezclas y construcción y es simulado por un proceso de envejecimiento en el Horno
Rotatorio de Película Delgada. Este procedimiento expone la película delgada del ligante a calentamiento y aire aproximándolo al envejecimiento del asfalto durante la mezcla y construcción.
La tercera etapa ocurre cuando el ligante se envejece durante la operación o vida de servicio. Esta etapa se simula con el ensayo de Envejecimiento en la
Cámara de Presión Vessel. Este procedimiento expone la muestra de ligante a calentamiento y presión para simular el envejecimiento durante la vida de servicio.
Las especificaciones del ligante Superpave y los métodos de ensayo usados para caracterizar el asfalto están siendo actualmente evaluados por la AASHTO y ASTM. En este texto se incorporan los últimos procedimientos y especificaciones, sin embargo, estos pueden ser modificados.
Los ensayos Superpave miden las propiedades físicas que se pueden relacionar directamente con el comportamiento en campo por principios ingenieriles. Los ensayos se realizan a la temperatura de servicio del pavimento. En la Tabla 2.3 se listan los nuevos equipos y el propósito para los que se utilizan.
La Figura 2.4 describe como cada ensayo está relacionado al comportamiento del ligante en campo.
Tabla 2.3 Equipos para Ensayos Superpave
Equipos Propósito Película Fina en Horno Rotatorio
(RTFO) Simula el envejecimiento inicial del ligante
Presión de Envejecimiento Vessel (PAV) Simula el envejecimiento durante la vida de servicio del ligante Reómetro de Corte Dinámico (DSR) Mide las propiedades del ligante a temperaturas altas e intermedias Viscosímetro Rotacional (RV) Mide las propiedades del ligante a temperaturas altas Reómetro de Viga de Flexión (BBR)
Ensayo de Tensión Directa (DTT)
Mide las propiedades del ligante a temperaturas bajas
Figura 2.4 Ensayos de Laboratorio Superpave Relacionados con su Comportamiento Viscosímetro Rotacional Reómetro de Corte Dinámico Reómetro de Viga de Flexión Tensión Directa Deformación Permanente Agrietamiento por Fatiga Agrietamiento Baja Temperatura Preparación Bombeo
2.5.1 ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO
Ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio, RTFO AASHTO T240 ó ASTM D 2872
El ensayo de RTFO tiene dos propósitos. Uno es determinar la cantidad de masa de volátiles perdidos durante el proceso y el segundo es envejecer el asfalto que será usado en ensayos posteriores.
La masa perdida de volátiles indica el envejecimiento que puede ocurrir en el asfalto durante los procesos de mezcla y construcción. Algunos asfaltos dan peso constante durante el proceso de RTFO porque se formó el producto oxidado. Esto indica la relativa importancia de la pérdida de peso sobre el proceso de envejecimiento en sí.
El ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio, RTFO simula el envejecimiento corto del ligante, producido durante el transporte, manipuleo y producción. En la prueba, el ligante en forma de película fina es sometido a calentamiento y un flujo de aire.
El procedimiento de ensayo requiere de un horno eléctrico con base circular giratoria (Foto 2.1). La base circular sujeta envases de muestra que rotan alrededor de su centro. Se aplicará flujo de aire dentro de cada envase de muestra con una boquilla ubicada en la parte inferior de la base rotatoria. El horno RTFO debe ser precalentado a la temperatura de envejecimiento de 163ºC, por un período mínimo de 16 horas antes de ser usado.
Ventilador
Envase para muestra
Surtidor de aire
Foto 2.2 Envases para ensayo RTFO
La muestra que se ensayará se debe calentar hasta que fluya, no excediendo los 150ºC. Los envases de RTFO se llenan con 35 gr del ligante. Se requiere ensayar ocho envases de muestras para Superpave. Dos envases se requieren para determinar la pérdida de masa, y las otras seis se usan para ensayos posteriores. La Foto 2.2 muestra dos envases, el primero luego del ensayo y el segundo antes de verter la muestra.
Los envases se colocan en la base y se hacen rotar a 15 rev/min sometiéndolos a un flujo de aire de 4000 ml/min por 85 minutos.
Luego del envejecimiento, los dos envases conteniendo las muestras para determinar la pérdida de masa se enfrían y pesan con una aproximación de 0.001 gramo, luego esta muestra se descarta. El residuo RTFO de los otros envases se vierte dentro de un contenedor y se remueve hasta alcanzar homogeneidad.
La pérdida de masa es el promedio de los dos envases envejecidos RTFO y se expresa en porcentaje, según la siguiente ecuación:
100 original Masa envejecida Masa original Masa % masa, de Pérdida = − ×
Presión de Envejecimiento Vessel, PAV. AASHTO PP1
El ensayo de Presión Vessel, PAV simula el envejecimiento largo del ligante, para un período de servicio entre 7 a 10 años. Como el ligante es sometido a un envejecimiento largo (durante vida de servicio) debe haber sufrido envejecimiento corto (durante la mezcla y construcción), por lo que la muestra que se envejece en el PAV será aquella que fue previamente envejecida en el RTFO.
El equipo de presión de envejecimiento consiste de una cámara de presión Vessel y un horno con corriente de aire a presión. La presión Vessel es diseñada para operar bajo las condiciones de presión y temperatura del ensayo (2070 kPa y 90ºC, 100ºC ó 110ºC). En el portamuestras se pueden acomodar hasta diez muestras. Foto 2.3.
Antes de ensayar en PAV, el ligante envejecido en RTFO se calienta hasta que fluya y removido para asegurar homogeneidad. Tres muestras PAV de 50 g cada una se preparan y se colocan en el portamuestras.
Bases
Portamuestras Cámara de
presión Vessel
Foto 2.3 Equipo para ensayo de Presión de Envejecimiento Vessel
El PAV no presurizado es precalentado a la temperatura de ensayo. Luego del precalentamiento, el portamuestras con las muestras son colocadas en el Vessel caliente y se tapa inmediatamente. El envejecimiento se realiza a diferentes temperaturas dependiendo del clima de diseño. Cuando la temperatura del Vessel está dentro de 2C de la temperatura requerida, se aplica la presión. Luego de 20 horas, la presión se disminuye paulatinamente y el portamuestras se retira del PAV. Las muestras se llevan a horno de 163C por 30 minutos. Este paso elimina el aire atrapado en la muestra. Las muestras son retiradas y guardadas en un contenedor para ser posteriores ensayos.
2.5.2 ENSAYOS REOLOGICOS
Viscosímetro Rotacional, RV. ASTM D4402
El ensayo en el viscosímetro rotacional o de Brookfield es usado para determinar las características de flujo del ligante asfáltico asegurando que puede ser bombeado y manipulado para la mezcla en caliente. Como se
muestra en la Foto 2.4, el viscosímetro rotacional está compuesto por un contenedor térmico, un controlador de temperatura, eje de extensión, llaves de control y lector digital. El viscosímetro automáticamente calcula la viscosidad a la temperatura de ensayo. Eje de extensión Controlador de temperatura Contenedor térmico
Foto 2.4 Viscosímetro Rotacional
La viscosidad rotacional se calcula midiendo el torque requerido para mantener una velocidad constante de rotación del vástago mientras está dentro de la muestra de asfalto a temperatura constante, Figura 2.5. Este torque se relaciona directamente con la viscosidad del ligante, que se calcula automáticamente por el viscosímetro. Esta viscosidad del ligante se usa para asegurar que el asfalto es lo suficientemente fluido durante el bombeo y mezcla con el agregado. El viscosímetro también puede ser empleado para elaborar cartas de temperatura-viscosidad para estimar las temperaturas de mezcla y compactación durante el diseño.
Vástago Cámara de
muestra Muestra
Torque
El ensayo se realiza en ligante original, y consiste en calentar aproximadamente 30 g de ligante en un horno a una temperatura no mayor de 150ºC hasta fluir. La muestra debe ser removida durante el calentamiento para eliminar el aire atrapado. La cantidad de asfalto usado durante el ensayo esta entre 8 a 11 gramos y varía con el tamaño del vástago. La cámara de muestra conteniendo la muestra de ligante se coloca en un contenedor térmico precalentado, el eje precalentado se introduce en la muestra, y el ligante está listo para ser ensayado cuando la temperatura se estabilice.
Un período de espera de 15 minutos puede necesitarse para alcanzar la temperatura uniforme de 135°C. Durante este período, el motor del viscosímetro se acciona a 20 rpm y se lee la viscosidad y porcentaje de torque. La viscosidad se reporta como el promedio de tres lecturas. La lector digital está en unidades de centipoise (cP) mientras que las especificaciones Superpave usan Pascal-segundo, s. La conversión usada es 1000 cP = 1 Pa-s. Las especificaciones del ligante Superpave indica que la viscosidad no debe ser mayor de 3 Pa-s.
Reómetro de Corte Dinámico, DSR. AASHTO TP5
El Reómetro de Corte Dinámico, DSR determina el comportamiento elástico-viscoso del ligante a través del Módulo de Corte Complejo, G* y el ángulo de fase, δ para temperaturas altas e intermedias.
El ensayo consiste en colocar la muestra de asfalto entre dos platos paralelos, uno que es fijo y el otro oscilante, Figura 2.6. El movimiento del plato oscilante es de A a B; de B a C pasando por A; y de C a A. Esta oscilación es un ciclo y se repite constantemente durante la operación de DSR. Todos los ensayos en ligante Superpave se hacen a una frecuencia de 10 rad/s que es aproximadamente igual a 1.59 Hz (ciclos por segundo).
1 ciclo A C B A A Tiempo Plato Fijo Plato Oscilante B A C
Hay dos tipos de DSR: de esfuerzos controlados y deformaciones controladas. El reómetro de esfuerzos controlados trabaja aplicando un torque fijo para mover el plato oscilante del punto A a B. Dependiendo de la rigidez del ligante asfáltico, el torque necesario para mover el plato puede ser variable. Los ensayos en ligantes Superpave se realizan a esfuerzos controlados. Los reómetros de deformación controlada trabajan moviendo el plato oscilante del punto A a B a una frecuencia especificada y midiendo el torque. La diferencia entre ambos reómetros es que el reómetro de deformación controlada mantiene un esfuerzo máximo en el espécimen (nivel fijo de torque) y la distancia radial del plato puede variar ligeramente entre ciclos. Para un reómetro de deformación controlada, la distancia entre los platos es fija y el torque o esfuerzo varía.
El Módulo de Corte Complejo, G* es la resistencia total del material a deformarse cuando se expone a pulsos repetidos de esfuerzos cortante, tiene 02 componentes: elástico (recuperable) y viscoso (no recuperable). El ángulo de fase, δ es un índice de la cantidad relativa de deformaciones recuperables y no recuperables. Los valores de G* y δ dependen directamente de la temperatura y la frecuencia de carga. A temperaturas altas el asfalto se comporta como un líquido viscoso sin capacidad de recuperación. En este caso, el asfalto puede representarse en el eje vertical con δ = 90º (componente solamente viscoso) en la Figura 2.7.
Comportamiento Viscoso δ2 δ1 E2 E1 G2* G1* Ambos comportamientos visco-elástico Comportamiento Elástico V1 V2
Figura 2.7 Comportamiento Visco-elástico
A bajas temperaturas, el asfalto se comporta como un sólido elástico. Esta condición se representa en el eje horizontal (solamente componente elástica) en la figura No. 2.06. En este caso, δ = 0º.
Bajo temperaturas normales de pavimento y cargas de tráfico, el asfalto actúa con características de sólido elástico y líquido viscoso. En la Figura 2.6 G1* y
G2* representan los módulos complejos de los asfaltos 1 y 2. Cuando estos
asfaltos son sometidos a cargas parte de su deformación es elástica (E) y parte es viscosa (V); de esta manera el asfalto es un material viscoelástico. En la Figura 2.6 el asfalto 2 es más elástico que el asfalto 1, porque su δ es menor. Como el asfalto 2 tiene una componente elástica mayor, se recuperará más luego de aplicársele la carga.
La muestra empleada para el ensayo tiene un diámetro igual al diámetro del plato oscilante, su espesor debe ser controlado durante todo el proceso de ensayo. El ligante asfáltico debe ser calentado hasta fluir, mezclando ocasionalmente para eliminar las burbujas de aire y obtener una muestra homogénea. Los ligantes asfálticos modificados requieren mayores temperaturas, pero no debe exceder los 163ºC. La muestra se puede poner directamente sobre el plato o utilizando un molde que luego será colocado en el plato fijo. Luego de la colocación se corta el excedente de muestra y controla el espesor.
Como las propiedades del ligante asfáltico dependen de la temperatura, debe ser controlada y mantenida uniforme durante el ensayo. Puede usarse un baño de agua alrededor de la muestra o aire caliente de horno.
Cuando la temperatura se equilibre, se aplica un esfuerzo oscilatorio constante y se registran las deformaciones y los tiempos de retardo, δ. La velocidad de oscilación especificada en Superpave es 10 rad/s. Luego de un período de acondicionamiento de 10 ciclos se aplican 10 ciclos más para obtener los datos de ensayo. El software del reómetro automáticamente calcula el valor de G* y d, usando las relaciones entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes.
El módulo complejo de corte, G*, es la relación del esfuerzo total de corte (τmáx – τmín) y la deformación total por corte (γmáx – γmín). El tiempo de retardo
entre el esfuerzo aplicado y la deformación resultante (para reómetros de esfuerzo constante) o entre la deformación aplicada y el esfuerzo resultante (para reómetros de deformación constante) se relaciona con el ángulo de fase, δ. Para un material perfectamente elástico, la carga aplicada causa una respuesta inmediata; así, el tiempo de retardo o ángulo de fase es cero. Un material viscoso (como el asfalto a temperatura de mezcla en caliente) tiene un largo tiempo de retardo; en este caso, el ángulo se aproxima a 90º. Como el ligante asfáltico es viscoelástico a temperaturas normales de pavimentos, su comportamiento estará entre los dos extremos y el DSR generará una respuesta similar a la mostrada en la Figura .2.8.
Las fórmulas usadas por el software del reómetro para calcular τmáx y γmáx son:
3 r T 2 π = τ h r Θ = γ
Donde:
T torque máximo aplicado
r radio del espécimen (cualquiera de los dos 12.5 ó 4 mm) θ ángulo de rotación, y
h altura del espécimen (cualquiera de los dos 1 ó 2 mm)
mín máx mín máx * G γ − γ τ − τ = δ = ∆t tiempo de retardo... ∆t Esfuerzo de Corte aplicado Resultado de deformación por Corte γ min γ máx τ min Tiempo Tiempo τ máx
Fig. 2.8 Comportamiento Esfuerzo-Deformación de material viscoelástico: 0 < δ < 90º
Las especificaciones Superpave utilizan de dos maneras los valores de G* y δ. Para evaluar la capacidad del ligante a resistir deformaciones permanentes que es gobernada por la relación G*/senδ a la temperatura de ensayo, este valor debe ser mayor a 1 kPa en el ligante original y mayor a 2.2 kPa para el ligante con envejecimiento corto. Para controlar el agrietamiento por fatiga el ensayo se realiza en el ligante con envejecimiento corto (RTFO) y largo (PAV) a la temperatura promedio y las especificaciones recomiendan que el valor G*senδ sea menor o igual a 5000 kPa.
Reómetro de Viga de Flexión, BBR. AASHTO TP1
El Reómetro de Viga de Flexión, BBR determina la propiedad del ligante a bajas temperaturas. El BBR se usa para medir cómo el ligante se deflecta o fluye bajo carga y temperatura constante. Las temperaturas de ensayo en el BBR se relacionan a las temperaturas de servicio mínimas del pavimento,
cuando el asfalto actúa mas como un sólido elástico. De esa manera, el ensayo se realiza sobre ligante doblemente envejecido en RTFO y PAV.
Las partes del equipo son: un marco de carga, baño de temperatura controlada, y el sistema de control de computadora y adquisición de datos. El método de ensayo usa la teoría de la viga para calcular la rigidez de una muestra de asfalto en forma de viga bajo una carga de flujo. Aplicando la carga constante en el centro de la viga se puede medir su deflexión luego de cuatro minutos de ensayo, la rigidez al flujo (s) y la razón de flujo (m). La carga de flujo simula el esfuerzo térmico que gradualmente actúa en el pavimento cuando la temperatura desciende. La rigidez al flujo es la resistencia del ligante asfáltico a la carga de flujo y el valor “m” es la variación de la rigidez del asfalto con respecto al tiempo de aplicación de carga.
El espécimen tiene las dimensiones mostradas en la Figura 2.9. Antes de verter la muestra en el molde debe ser calentado hasta fluir (usualmente alrededor de 135ºC, pero no debe exceder los 163ºC). Luego de un período de enfriamiento entre 45 a 60 minutos, el exceso de asfalto es cortado. El espécimen de asfalto permanece en el molde por un período no mayor de 2 horas. Desmoldar el espécimen y acondicionarlo por 60 minutos a la temperatura de ensayo dentro de un baño. Luego del período de acondicionamiento la viga se ensaya.
Figura 2.9 Ensamblaje del espécimen de ensayo
Luego de los 60 minutos de acondicionamiento, la viga de asfalto se coloca en los soportes. La viga es sometida a un acondicionamiento de carga. Se aplica manualmente 30 mN (milinewtons) para asegurar que la viga tiene un firme contacto con los soportes. Se aplica 980 mN de carga automáticamente por un segundo. Luego de realizar este paso, se reduce la carga hasta el nivel de precarga por un período de recuperación de 20 segundos.
Luego de los 20 segundos de período de recuperación, el ensayo se inicia. Se aplica a la viga 980 mN de carga por un período de 240 segundos. Se mide la
deflexión con el transductor de deformaciones, Figura 2.10. Durante el ensayo se grafica la carga y deflexión versus el tiempo. Luego de 240 segundos, la carga de ensayo es automáticamente retirada y el software del reómetro calcula la rigidez al flujo y razón de flujo.
Transductor de deformaciones Posición deflectada de la viga de asfalto Posición original de la asfalto viga de
Figura 2.10 Ensayo de Viga de Flexión, BBR
La ecuación para calcular la rigidez al flujo, S(t), es:
( )
( )
t h b 4 PL t S 33 δ =S(t) Rigidez (MPa) en un tiempo t P carga constante aplicada, N L distancia entre soportes b altura de viga, 12.5 mm h ancho de viga, 6.25 mm δ(t) deflexión (mm) en el tiempo t
La Fig. 2.11 muestra los gráficos usados y el procedimiento para obtener δ(t). El valor deseado de rigidez al flujo es cuando el asfalto es cargado por dos horas a la temperatura mínima de diseño de pavimento. Sin embargo, usando el concepto de superposición tiempo-temperatura, los investigadores de la SHRP confirmaron que elevando la temperatura de ensayo en 10ºC, la rigidez al flujo se obtiene a 60 segundos de carga.
Superpave especifica que la rigidez del ligante sea menor a 300 MPa. En caso que la rigidez se ubica entre 300 y 600 MPa, comportamiento poco dúctil del ligante a baja temperatura, deberá realizarse el ensayo de Tensión Directa, DTT a la temperatura mínima incrementado en 10°C con el ligante envejecido, PAV.
Figura 2.11 Deflexión y Valor “m” del BBR
el valor “m”. El valor “m” es la
nsayo de Tensión Directa, DTT. AASHTO TP3
umerosos estudios del comportamiento del ligante a bajas temperaturas
a rigidez al flujo medida con el BBR no es completamente adecuada para
l equipo que mide la cantidad de deformación del ligante antes de la falla a doblemente envejecido por RTFO y PAV.
pendiente = valor “m”
Log tiempo carga, t (seg) 8 15 30 60 120 240 Log flujo Rigidez, S(t) Deflexión Simula la Rigidez a 2 hr. y 60 Tiempo, s. temperatura 10ºC menor δ (t)
El segundo parámetro determinado es
pendiente del logaritmo de la rigidez versus el logaritmo del tiempo para un tiempo, t. Las especificaciones Superpave indican que “m” sea mayor igual a 0.3000 a 60 segundos.
E
N
muestran que existe una fuerte relación entre la rigidez del ligante asfáltico y la cantidad de elongamiento que el ligante puede sufrir antes de romperse. Los asfaltos que experimentan considerables elongamientos antes de la falla son llamados dúctiles; y los que se rompen a poca distancia se llaman frágiles. Es importante que el ligante asfáltico sea capaz de elongarse una cantidad mínima. L
caracterizar la capacidad del asfalto a elongarse antes de romperse. Por ejemplo, algunos ligantes muestran alta rigidez al flujo pero pueden elongarse bastante antes de romperse. En consecuencia, los investigadores de la SHRP desarrollaron un sistema para especificar estos ligantes rígidos pero dúctiles. Este requisito adicional se aplica a ligantes que con el ensayo BBR tuvieron rigidez al flujo entre 300 y 600 MPa. Si la rigidez al flujo es menor de 300 MPa, este requisito adicional no es necesario.
E
temperaturas muy bajas es el ensayo de tensión directa, DTT. El ensayo se realiza a un rango de temperatura entre –0ºC a –36ºC. El ligante debe ser
