Desarrollo Del Método de Diseño Superpave

MANTENIMIENTO Y REHABILITACION DE CARRETERAS

INDICE

1. INTRODUCION

………………………………………………………………………………………….. ……2

2. DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA- SUPERPAVE ………………………………………………..….

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2.1.DESARROLLO 2.1. DESARROLLO DEL MÉTODO DE DISEÑO SUPERPAVE ……………………………………3

2.2.FORMULAS 2.2. FORMULAS VOLUMETRICAS FUNDAMENTALES

………………………………………….4

2.3.REQUISITOS 2.3. REQUISITOS DE DESEMPEÑO Y ACEPTACION DE DISEÑO …………………………….. 7

3. MEZCLAS ASFALTICAS EN CALIENTE ………………………………………………………………..  10

4. MEZCLAS ASFALTICAS TIBIAS…………………………………………………………………………… 15

5. RECICLADO DE PAVIMENTO ASFALTICO……………………………………………………………. 18

6.

CONCLUCIONES, RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES Y BIBLIOGRAFIA …………………………………… ……………………………………19

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INTRODUCCIÓN

El uso de diseños de mezclas asfálticas en nuestros días tiene como objetivo el lograr propiedades volumétricas adecuadas en la carpeta asfáltica, ya que de esto depende en gran medida el desempeño de la superficie de rodamiento en si vida de servicio. De ahí, de ahí la importancia de simular de manera adecuada en el laboratorio lo que ocurre en campo, bajo la acción vehicular y de esta forma llegar a mezclas que muestre un mejor comportamiento en condiciones específicas de tránsito y clima. El diseño de una mezcla asfáltica, consiste en seleccionar la calidad de los agregados y granulometría de le mezcla a emplear, así como el tipo y cantidad de asfalto de acuerdo al clima y a las cargas que estarán presentes durante la vida útil del pavimento. La mezcla asfáltica en caliente está compuesto de agregado bien gradado y cemento asfáltico, los cuales son calentados y mezclados en proporciones exactas en una planta de mezclado en caliente. Después de que las partículas del agregado s on revestidas uniformemente, la mezcla en caliente se lleva al lugar de la construcción, en donde el equipo de asfaltado la coloca sobre la base que ha sido previamente preparada. Antes de que la mezcla se enfríe, las compactadoras proceden a compactarla para lograr la densidad especificada. A medida que se enfría, el asfalto se endurece y recupera las propiedades ligantes que hacen de el un material vial eficaz capaz de soportar el tránsito. La dosificación o fórmula de la mezcla de concreto asfáltico (o simplemente mezcla asfáltica en caliente) así como los regímenes de temperatura de mezclado y de colocación que se pretenda utilizar, se presentan con cantidades o porcentajes definidos y únicos.

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DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA- SUPERPAVE 1. DESARROLLO DEL MÉTODO DE DISEÑO SUPERPAVE En prácticas de diseño de mezclas asfálticas se ha recurrido a diferentes métodos para establecer un diseño optimo en el laboratorio correlacionando con el comportamiento de las mezclas en campo, comúnmente los más utilizadas son el método Marshall y el superpave, siendo el primero el más común en la práctica peruana La práctica actual del diseño de mezclas asfálticas deja de ver la importancia de lograr las propiedades volumétricas adecuadas en la carpeta asfáltica terminada, ya de eso depende en gran medida el desempeño de la superficie de rodamiento en su vida de servicio. De ahí, la trascendencia de simular de manera adecuada en el laboratorio la densificación que ocurre en el campo bajo la acción vehicular, y de esta forma llegar a fórmulas de trabajo que permitan dosificar mezclas que exhiben un mejor comportamiento en condiciones de tránsito y clima . El objetivo que se busca en este capítulo es mostrar de manera clara y detallada lo correspondiente al diseño del método Superpave, así también se requiere el conocimiento de cierta terminología y formula, las cuales son esenciales para realizar el diseño volumétrico Un adecuado diseño de mezclas asfálticas depende principalmente de la selección de los materiales y de las propiedades volumétricas de la mezcla compactada. Como se muestra a continuación en la siguiente figura, la mezcla asfáltica compacta tiene básicamente tres componentes agregados, asfalto y aire

Figura: Parámetro de diseño volumétrico

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Figura: diagrama de los componentes de una mezcla asfáltica componente Donde: Vma= volumen de vacíos en agregado mineral Vmb=volumen total de la mezcla asfáltica Vmm=volumen de la mezcla asfáltica sin vacíos Vfa= volumen de vacíos llenados con asfalto Va= volumen de vacios de aire Vb=volumen de asfalto Vba=volumen de asfalto absorbido Vsb = volumen de agregado mineral (gravedad especifica de la masa) Vse = volumen de agregado mineral (gravedad especifica)

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2. FORMULAS VOLUMETRICAS FUNDAMENTALES a) Gravedad específica neta, Gsb.- proporción de la masa de aire de una unidad de volumen de una material permeable .

Donde: Gab= gravedad especifica neta para el agregado total P1, P2, Pn, = porcentajes individuales por masa de agregado G1, G2, Gn, = gravedad especifica neta individual del agregado b) Gravedad especifica efectiva Gse.- proporción de la masa en aire de una unidad de volumen de un material permeable

c)

Vacíos en el agregado mineral VAM.- Volumen de espacios vacíos intergranular entre las partículas del agregado de una mezcla asfáltica compactada.

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MANTENIMIENTO Y REHABILITACION DE CARRETERAS Si la composición de la mezcla es determinada como el porcentaje de la masa dela agregado:

Pb= contenido de asfalto, porcentaje de la masa del agregado

d) Vacíos de aire Va .- volumen total de una pequeña bolsa de aire entre las partículas cubiertas del agregado en una mezcla de pavimento compactado.

e) Vacíos llenados con asfalto, VFA.- porción del porcentaje del volumen de espacio intergranular entre las partículas de agregad, que se ocupa por el asfalto efectivo.

VFA = vacios llenados con asfalto, porcentaje de VAM VAM= vacios en el agregado mineral, porcentaje del volumen total Va= vacios de aire en mezclas compactadas, porcentaje del volumen total f) Gravedad específica máxima de la mezcla asfáltica.- en el diseño de una mezcla asfáltica para un agregado dado, se necesita la gravedad específica máxima, Gmm, para cada contenido de asfalto con el fin de calcular el porcentaje de vacios de aire para cada contenido de asfalto.

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g) Absorción del asfalto.- la absorción se expresa como un porcentaje de la masa del agregad.

3. PARAMETROS VOLUMETRICOS DE DISEÑO SUPERPAVE A continuación se presentan las propiedades volumétricas de la mezcla que se deben cumplir, tanto para la escogencia de la granulometría óptima como para la escogencia del contenido de asfalto óptimo. 1) Giros de compactación (N diseño): Los giros de compactación de diseño dependen del volumen de tránsito del proyecto

Giros de compactación Superpave (Tabla 1, AASHTO R35, 2012)

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MANTENIMIENTO Y REHABILITACION DE CARRETERAS 2) Parámetros volumétricos de diseño superpave: La volumetría de la mezcla para encontrar la granulometría óptima y el contenido de asfalto óptimo debe cumplir los parámetros establecidos en la siguiente tabla. Los vacíos de aire de diseño para todas las condiciones de tránsito deben ser de 4,0 %.

Requisitos de la mezcla para el diseño superpave (Tabla 6, AASHTO M323, 2012)





Para un volumen de tránsito >3 millones de ESAL´s, para mezclas de TMN 9,5 mm el rango de VFA debe ser de 73 a 76 y para mezclas de TMN de 4,75 mm el rango de VFA debe ser de 75 a 78. Para mezclas de TMN de 4,75 mm la relación polvo/asfalto debe ser de 0,9 a 2,0. Para mezclas de TMN de 9,5 mm la relación polvo/asfalto debe ser de 0,9 a 1,6.

3)

REQUISITOS DE DESEMPEÑO Y ACEPTACION DE DISEÑO Requisitos para mezclas asfálticas se presentan los requisitos de desempeño que se deben cumplir para la aceptación de la fórmula de trabajo y para las actualizaciones del diseño que se realicen con la frecuencia establecida por la Administración.

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VERIFICACION DEL DISEÑO DE MEZCLA

La Administración debe revisar el diseño de mezcla suministrado por el Contratista y realizar una verificación del mismo reproduciendo el diseño de mezcla. Si la verificación es realizada, la información suministrada por el Contratista deberá coincidir con los resultados de los ensayos de verificación con las tolerancias establecidas en la siguiente tabla

Notas. 





Se permite que la granulometría quede fuera de los límites establecidos por los puntos de control mientras se mantenga esta tolerancia. Se permite que la granulometría quede fuera de límites establecidos por los puntos de control mientras se mantenga esta tolerancia. No se permite que esta diferencia en el tamiz de 0,075 (N° 200) sobrepase los límites de variación del tamiz establecido con los puntos de control.

Se debe garantizar el cumplimiento de los parámetros de diseño en todo momento. No se debe iniciar la producción de la mezcla asfáltica hasta que el diseño sea formalmente aceptado por la Administración.

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MEZCLAS ASFALTICAS EN CALIENTE La mezcla asfáltica en caliente está compuesto de agregado bien gradado y cemento asfáltico, los cuales son calentados y mezclados en proporciones exactas en una planta de mezclado en caliente. Después de que las partículas del agregado s on revestidas uniformemente, la mezcla en caliente se lleva al lugar de la construcción, en donde el equipo de asfaltado la coloca sobre la base que ha sido previamente preparada. Antes de que la mezcla se enfríe, las compactadoras proceden a compactarla para lograr la densidad especificada. A medida que se enfría, el asfalto se endurece y recupera las propiedades ligantes que hacen de el un material vial eficaz capaz de soportar el tránsito. Las mezclas asfálticas en caliente si dividen en tres tipos: de gradación densa, open graded o mezclas abiertas o porosas y gad-praded o mezcla de granulometría incompleta Las gradaciones densas se subdividen en open en gradación continua o mezclas asfálticas en caliente convencionales, large-stone mix, y mezclas a rena asfalto. Las mezclas open  –graded de divide en open-graded friction course, OGFC y base permeable tratada con asfalto. El tipo gap-graded asphalt, SME.

abarca mezclas de concreto asfaltico gap-graded y mezcla Stone mastic

prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de mezcla que considera factores como el tráfico, medio ambiente, sub rasante, condiciones del pavimento existente y su preparación y evolución económica

Tipos de mezclas asfálticas en caliente

Si las mezclas se clasifican según el porcentaje de vacios atrapada en la mezcla luego de la compactación se clasificara de la siguiente manera: Mezclas Densas (vacios de arie V A menor de 6% ) 

Mezclas convencionales



Mezclas superpave



Mezclas SMA

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MANTENIMIENTO Y REHABILITACION DE CARRETERAS Mezclas semi  –cerradas

(6% menor VA mayor 12 %)

Mezclas abiertas

(VA mayor 12 %)

Mezclas porosas

(V A mayo 20%)

a) MEZCLA DE GRADACIONES DENSAS ( mezcla asfáltica en caliente) esta compuesta por ligante de cemento asfaltico y agregados de gradación continuas. Las mezclas convencionales de cemento asfaltico en caliente consisten de agregados de tamaños máximos nominales en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg) a 19 mm (0. 75 pulg) Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25 m( 1 pul), estas mezclas contienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores que el tamiz 4.75 mm). Por el tamaño máximo de agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe ser monitoreada para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactación. Asfalto- arena está compuesto por agregados que pasa el tamiz 9.5 m m o 0.375 pulg. El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas convencionales por que se incrementan os vacios en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezcla es típicamente muy bajo.

Gradación densa

b) MEZCLAS OPEN –  GRADED Las mezclas open – graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfaltico o ligante modificado. El principal propósito de este tipo de mezcla es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Como se indicó hay dos tipos de mezclas open- graded. El tipo de mezclas son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open –  graded friction OGFC.

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El segundo mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC  – 19 mm a 25 mm y se usa para drenar el agua que entra en la estructura del pavimento desde la superficie o de la sub rasante

Open-graded

c) MEZCLAS GAP –  GRADED La función de las mezclas gap  – graded es similar a las mezclas de gradación densas porque estas también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se viene usando por muchos años. El rango de los agregados va desde los gruesos hasta los finos, con poca presencia de tamaños intermedios. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el Stone mastic aspahlt,SMA. Una presentación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la siguiente imagen. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o 200 mm Como en las mezclas open graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento del ligante durante el almacenamiento o transporte. Las fibras o polímeros son normalmente usados como SMA para prevenir el draindown.

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gap-graded

Gradaciones representativas de mezclas asfálticas en caliente CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE MEZCLAS Las características del diseño de mezclas comprenden: 

Densidad de la mezcla



Vacíos de aire



Vacíos en el agregado mineral



Contenido de asfalto

la densidad de la mezcla es la relación entre el peso de la mezcl a por unidad de volumen, si bien es cierto que esta característica no es utilizada en el diseño de la mezcla, se emplea para controles de compactación . a la mezcla asfáltica compactada en el laboratorio se le asigna la densidad patrón y será hasta el punto de referencia en los controles.

Los vacíos de aire o vacíos están conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada. A menor porcentaje de vacíos de aire la mezcla será menos permeable. En el diseño de mezcla convencional los vacíos de aire estas entre 3 a 5% en el laboratorio, pero en campo se permite tener vacíos de aires no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo tránsito.

Los vacíos en el agregado mineral (VMA) considerando los volúmenes ocupados por los vacíos de aire atrapados y el asfalto efectivo, el diseño considera un porcentaje mínimo de VMA dependiendo del tamaño del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos las películas de asfalto será delgada y la mezcla será susceptible a oxidación. Con altos porcentajes de VMA la película de asfalto será más gruesa y la mezcla será más durable

el contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del asfalto será absorbido por el agregado y el resto de asfalto formara una película que rodean las partículas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo

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MANTENIMIENTO Y REHABILITACION DE CARRETERAS el óptimo contenido de asfalto de la mezcla está en función de la granulometría y el porcentaje de absorción del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie específica) requerirán mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentajes de asfalto que una mezcla convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menos de 20%) necesitan menor porcentaje de asfalto.

Mezcla convencional

Mezcla porosa

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MEZCLAS ASFÁLTICAS TIBIAS (MAT) Las mezclas asfálticas tibias (MAT o Warm Mix Asphalt, WMA) son un conjunto de tecnologías desarrolladas en Europa durante el Tratado con Kyoto y la Comunidad Económica Europea en 1997, como una respuesta los gases del efecto invernadero. La National Asphalt Pavement Association (NAPA) en cooperación con la Federal Highway Administration (FHWA) introdujeron las MAT en el World Asphalt Show & Conference del 2004, en Nashville, TN. Como aporte a estos Problemas ambientales. El objetivo de estas tecnologías es bajar las temperaturas de trabajo, principalmente de compactación. Para ello existen diferentes técnicas que buscan reducir la viscosidad del ligante asfáltico y que pueden aplicarse tanto en mezclas continuas como discontinuas. Dichas técnicas se separan en cuatro categorías definidas como: Reducción de la viscosidad utilizando aditivos orgánicos   Asfaltos espumados  Tecnología con bases acuosos Uso de aditivos químicos  Las mezclas asfálticas tibias producidas típicamente a temperaturas en un rango entre 120°C a 140°C

Esta técnica consiste en reducir la viscosidad del ligante utilizando ceras como aditivo orgánico.

Las ceras pueden ser adicionadas de dos maneras: al tambor mezclador en forma sólida o bien pueden pre mezclarse con el asfalto antes de entrar al tambor; esta última es la más apropiada para obtener una distribución más homogénea sin alargar el tiempo de mezclado.

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•Fácil de utilizar, dado que no se requieren inversiones ni modificación de la planta. •Reducción de la temperatura de mezclado (130°C -140°C). •Mejor trabajabilidad durante todo el proceso de mezclado y compactación. •Puede mejorar la resistencia al ahuellamiento. Se emplean las mismas especificaciones y pruebas estándar para diseño y verificación que las mezclas en caliente (MAC). •El mejoramiento en el comportamiento y los efectos de las ceras en el asfalto dependen de la cristalización y el punto de ablandamiento de estas.

Consiste en añadir pequeñas cantidades de agua y aire comprimido al ligante asfaltico caliente dentro de una cámara de expansión, formando de manera controlada un efecto espumado, que permite aumentar el volumen del asfalto y reducir en apariencia su viscosidad. Para la producción de mezclas con asfalto espumado, el agregado debe ser incorporado mientras el asfalto se encuentre en estado de espuma. Al desintegrarse la burbuja en presencia del agregado, las gotitas de asfalto se aglutinan con las partículas más finas (especialmente con aquellas fracciones menores a 0.075 mm), produciendo una mezcla con agregado fino; este proceso se denomina dispersión del asfalto (Figura 5).Esto resulta en una pasta de filler y asfalto que actúa como un mortero entre las partículas gruesas.

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Este tipo de tecnologías permiten producir mezclas tibias de dos formas, en la primera el asfalto espumado se inyecta en el tambor mezclador y en la segunda se adiciona agregado húmedo a la mezcla caliente. Utilizando el primer método de producción, el asfalto en su estado. Existen principalmente dos tipos de aplicaciones para el asfalto es pumado: el reciclado en frío de pavimentos asfálticos y la estabilización de suelos. La primera consiste en recuperar un pavimento asfáltico, por ejemplo Mediante un equipo fresador, el cual es mezclado con asfalto espumado, adiciones y agregados nuevos (si es necesario), para formar una base asfáltica. La segunda aplicación consiste en recuperar agregados de un camino sin pavimentar o de nuevas fuentes, los que posteriormente se mezclan con asfalto espumado. Ambas alternativas pueden ser ejecutadas mediante tecnología en sitio y en planta.

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Pavimento asfáltico reciclado (RAP, por sus siglas en inglés) es el término que se le da a los materiales del pavimento removidos y/o reprocesados que contienen asfalto y agregados. Estos materiales se generan cuando los pavimentos asfálticos son removidos para reconstrucción o rehabilitación. Cuando se tritura y tamiza apropiadamente, el RAP consiste en agregados de alta calidad, bien distribuidos recubiertos por asfalto.

CARACTERISTICAS Las propiedades del RAP dependen en gran parte de las propiedades de los materiales constituyentes y el tipo de mezcla asfál tica (capa de rodadura, capa de base, etc.). Puede haber diferencias sustanciales entre mezclas asfálticas con respecto a la calidad del agregado, tamaño y consistencia. Durante su procesamiento, virtualmente todo el RAP es triturado a un tamaño de 38 mm o menos, con un tamaño máximo permitido de 51 mm o 63 mm. La mayoría de fuentes de RAP son agregados gruesos bien distribuidos, comparables a, o ligeramente más fi nos y variables que los agregados triturados naturales. El contenido de asfalto del RAP se encuentra típicamente en el rango de 3% a 7% por peso. El asfalto adherido al agregado es más rígido que el asfalto virgen debido a la oxidación y el envejecimiento del pavimento. VENTAJAS   

Reducción de costos de construcción asociados con materiales y acarreo. Conservación de recursos naturales. Conservación de energía. Reducción de materiales de desecho.

DESVENTAJAS 



Falta de una metodología para determinar con precisión el grado de mezclado entre el asfalto virgen y el asfalto proveniente del RAP. Menor trabajabilidad y compactabilidad de la mezcla. Variabilidad de las fuentes de RAP

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CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES El aporte del análisis deformacional en el diseño de pavimento asfaltico, cualquiera sea su categoría, es de suma importancia debido a que permite evaluar el criterio de diseño aplicado, el tipo de diseño considerado y la influencia de las condiciones de cimentación La metodología permite considerar la variable que influyen en la vida del pavimento, como temperatura, velocidad del tránsito, estratigrafía del terreno, la influencia de espesores de capas estabilizadas y/o tratadas, que otros métodos debido a su limitación no pueden considerar La innovación de nuevas tecnologías en el diseño de pavimentos de cemento asfalticos nos permite incrementar la resistencia y durabilidad de la estructura del pavimento

BIBLIOGRAFIA 1. FHWA. Warm Mix Asphalt: European Practice. Washington D.C., Estados Unidos. 2008. 2. M. Kasozi, Andrew; Y. Hajj, Elie, PhD; E. Sebaaly, Peter, PhD, P.E.; John C. Elkins. TRB-112569 Evaluation of foamed Warm-Mix A sphalt incorporating recycled asphalt pavement for volumetric and mechanical properties. Department of Civil & Environmental Engineering, University of Nevada Reno; 2010. 3. Diseño moderno de pavimentos asfalticos ( universidad nacional de ingeniería  – ICG) 4. Voletin técnico – PROGRAMACION DE INFRESTRUCTURA DE TRNASPORTE  – PITRA 5. TABLA ASFALTO – SUPER - PAVE

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