Superpave y El Diseño de Mezclas Asfalticas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL INSTITUTO DE INVESTIGACIONES

ING. SILENE MINAYA GONZALEZ [email protected]

M.I. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMAN [email protected]

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

ING. SILENE MINAYA GONZALEZ [email protected]

M.I. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMAN [email protected]

© 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 2.3.1

Ensayo de Penetración

2.3.2

Ensayo de Viscosidad

2.4 Grado de Performance 2.4.1

Temperaturas del Pavimento

2.5 Ensayos Superpave del Ligante

15 15 16 17 18 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

7.4 Proceso Constructivo

162 163

7.4.1

Materiales

163

7.4.2

Producción en Planta

164

7.4.3

Compactación

166

Bibliografía Apéndice: Método Marshall

193-196

1

Capítulo

Introducción 1.1 HISTORIA

E

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. 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:

API gravedad( ° ) =

141.5 − 131.5 gravedad especifica

Introducción

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.

API (grado) SP. Gravedad % Azufre

BOSCAN VENEZUELA 10.1 0.999 6.4

Gasolina

3%volumen

Kerosene

6

Aceites Ligeros

7

NIGERIA LIGERO 38.1 0.834 0.2

21 33 14

26

Aceites Pesados

10 26

Bitumen

ARABIA PESADO 28.2 0.886 2.8

5858

28

20

16

58 27

30

1

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

2

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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

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

3

Introducción

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.

4

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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 costoefectivo 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,

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

5

Introducción

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.

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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

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

7

Introducción

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).

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

COMPRESION EDOMETRICA ASTM D 2435

COMPRESION TRIAXIAL ASTM D 4767

C.B.R. ASTM D 1883

σd

p

PLACA DE CARGA ASTM D 1194

p

p

σc

σc

ρ

ρ

ev=∆h/ho Ecbr = 9.83CBR (kg/cm2)

σd

E.edo = p/ev

E = π(1-ν2)pr/2ρ

E.t = σd./ev A. ORDOÑEZ, 2001 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.

p

PLACA DE CARGA ASTM D 1194

TRIAXIAL CICLICO ASTM D 5311 carga, p (kg/cm2)

σc

p

carga, p (kg/cm2)

D

σc k = p/s (kg/cm3)

asentamiento, s (cm)

Mr = p/εe

εp

εe

deformación vertical, ev

εtotal

k = 1.4E/D

A. ORDOÑEZ, 2001

Figura 1.3 Ensayos para la Modelar el efecto de las Cargas en el Pavimento

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

9

Introducción

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

carga, p

(kg/cm2)

2

(kg/cm )

deformación

deformación

εp

εe

vertival, εv

εp

εe

vertival, εv

Fig. 1.4 a-b Comportamiento Mecánico de Suelos Granulares y Limo-arcillosos

El caso crítico lo constituye cuando la sub-rasante contiene fracciones importantes de finos limo-arcillosos (Fig. 1.4b). Es sabido que los suelos limoarcillosos 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).

10

2

Capítulo

El Ligante Superpave 2.1 INTRODUCCIÓN

C

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. 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

The Future of Performance-Related Binder Specificcations. L. Zanzotto y otros. 2000.

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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).

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

COMPORTAMIENTO DE LA RIGIDEZ CON EL TIEMPO COMPORTAMIENTO DE LA RIGIDEZ CON LA TEMPERATURAIDEAL Consistencia

Consistencia Flexibilidad

Flexibilidad

Resistencia a deformaciones

Resistencia a deformaciones

Mezcla

-50

0

50

100

150

10-s

1010

Tiempo de carga [s]

T [°C]

(a) COMPORTAMIENTO REAL Consistencia

Consistencia Frágil

Frágil

Dúctil Dúctil -50

0

50

T [°C]

100

150

10

-s

Tiempo de carga [s] 10

10

(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

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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.

Capa No:

Esfuerzo de corte τ, entre capas

Dirección del flujo de las capas

1

Capa No: 1

2

2 n

n

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

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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

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El Ligante Superpave

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

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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. PG 58-34

Grado de performance

Temperatura mínima anual del pavimento

Promedio de la temp. máx. del pavimento durante 7 días

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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 T(pav ) = 54.32 + 0.78 T(aire ) − 0.0025Lat 2 − 15.14 log 10 (H + 25 ) + z 9 + 0.61σ aire

)

1

2

T(pav) T(aire) Lat H σaire

Temperatura alta del pavimento bajo la superficie, ºC Temperatura alta del aire, ºC Latitud de la zona, º Profundidad desde la superficie, mm 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 T(pav ) = −1.56 + 0.72 T(aire ) − 0.004 Lat 2 + 6.26 log 10 (H + 25 ) − z 4.4 + 0.52σ aire

T(pav) T(aire) Lat H σaire z

Temperatura baja del pavimento bajo la superficie, ºC Temperatura baja del aire, ºC Latitud de la zona, º Profundidad desde la superficie, mm Desviación estándar de la temperatura media del aire durante el año, ºC Para distribución estándar normal y una confiabilidad del 98%, z=2.055.

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)

1

2

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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).

Tmáx al 98% = Tmáx al 50% + 2σ alta temperatura Tmín al 98% = Tmín al 50% − 2σ baja temperatura 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

1

ESAL de diseño (millones)

Grado del ligante corregido, PG5 Rata de la carga de tráfico 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 equivalente.

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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.

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Tabla 2.3 Equipos para Ensayos Superpave

Equipos Película Fina en Horno Rotatorio (RTFO)

Propósito Simula el envejecimiento inicial del ligante Simula el envejecimiento durante Presión de Envejecimiento Vessel (PAV) la vida de servicio del ligante Mide las propiedades del ligante a Reómetro de Corte Dinámico (DSR) temperaturas altas e intermedias Mide las propiedades del ligante a Viscosímetro Rotacional (RV) temperaturas altas Mide las propiedades del ligante a Reómetro de Viga de Flexión (BBR) temperaturas bajas Ensayo de Tensión Directa (DTT)

Viscosímetro Rotacional

Preparación Bombeo

Deformación Permanente Reómetro de Corte Dinámico Agrietamiento por Fatiga Reómetro de Viga de Flexión Tensión Directa

Agrietamiento Baja Temperatura

Figura 2.4 Ensayos de Laboratorio Superpave Relacionados con su Comportamiento

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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 2.1 Ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio

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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:

Pérdida de masa, % =

Masa original − Masa envejecida × 100 Masa original

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.

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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.

Cámara de presión Vessel

Portamuestras

Bases 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

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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 Contenedor térmico Controlador de temperatura

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.

Torque Muestra Cámara de muestra

Vástago

Figura 2.5 Operación del Viscosímetro Rotacional

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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, Pa-s. La conversión usada es 1000 cP = 1 Pas. 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 elásticoviscoso 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).

B Plato Oscilante B

A

C

A

Tiempo A

A

Plato Fijo

C 1 ciclo

Figura 2.6 Operación del Reómetro de Corte Dinámico

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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 G1*

V1

Ambos comportamientos visco-elástico G2*

V2 δ1

δ2 E1

E2

Comportamiento Elástico

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

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El Ligante Superpave

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: τ=

2T πr 3

γ=

Θr h

28

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Donde:

T r θ h

torque máximo aplicado radio del espécimen (cualquiera de los dos 12.5 ó 4 mm) ángulo de rotación, y altura del espécimen (cualquiera de los dos 1 ó 2 mm)

τ máx Esfuerzo de Corte aplicado

Tiempo G* =

τ min γ máx

∆t

τ máx − τ mín γ máx − γ mín

∆ t = tiempo de retardo.. ........ δ

Resultado de deformación por Corte

Tiempo

γ min

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,

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

29

El Ligante Superpave

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

30

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

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 original de la viga de asfalto

Posición deflectada de la viga de asfalto

Figura 2.10 Ensayo de Viga de Flexión, BBR

La ecuación para calcular la rigidez al flujo, S(t), es: S (t ) =

S(t) P L b h δ(t)

PL3 4 b h 3 δ (t )

Rigidez (MPa) en un tiempo t carga constante aplicada, N distancia entre soportes altura de viga, 12.5 mm ancho de viga, 6.25 mm 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.

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

31

El Ligante Superpave

Deflexión δ (t)

Log flujo Rigidez, S(t) pendiente = valor “m”

60

Tiempo, s.

8

15

30 60 120 240

Log tiempo carga, t (seg) Simula la Rigidez a 2 hr. y temperatura 10ºC menor Figura 2.11 Deflexión y Valor “m” del BBR

El segundo parámetro determinado es el valor “m”. El valor “m” es la 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. Ensayo de Tensión Directa, DTT. AASHTO TP3

Numerosos estudios del comportamiento del ligante a bajas temperaturas 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. La rigidez al flujo medida con el BBR no es completamente adecuada para 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. El equipo que mide la cantidad de deformación del ligante antes de la falla a 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 doblemente envejecido por RTFO y PAV.

32

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

El ensayo DTT consiste en jalar un espécimen de asfalto hasta que falle. La elongación a la que falla, se usa para calcular la deformación de falla, que es un índice que despeja la duda de cómo se comportaría el ligante (frágil o dúctil) a bajas temperaturas de ensayo. La Fig. 2.12 ilustra el procedimiento de ensayo.

Carga ∆L deformació n de falla =

Le

variación de longitud (∆L ) Longitud efectiva (L e )

Carga Figura 2.12 Ensayo de Tensión Directa, DTT

En el ensayo de tensión directa, la falla se define como la carga a la cual el esfuerzo alcanza su máximo valor, Fig. 2.13, que no es necesariamente la carga a la cual el espécimen se rompe. El esfuerzo en falla (σf) es la carga en falla dividido entre el área de su sección transversal del espécimen, A, (36 mm2). Las especificaciones requieren que la deformación en falla debe ser por lo menos 1% de la falla.

Carga (P)

A=36mm2

Esfuerzo σf

σ=

P A

Deformación εf

Figura 2.13 Curva Esfuerzo-Deformación

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

33

El Ligante Superpave

Se ensayan cuatro muestras para cada ensayo. El espécimen tiene aproximadamente 3 gramos y 100 mm de largo, incluyendo los extremos de soporte. El equipo consta de una máquina universal de ensayo para aplicar carga, un sistema de medida de elongación, y un sistema de control medioambiental. La máquina universal debe ser capaz de aplicar por lo menos 500 N a razón de 1.0 mm/minuto. Cada uno de los cuatro especimenes se ensaya por separado. La temperatura de ensayo es la misma temperatura del ensayo BBR. En febrero de 1996 se publicaron los resultados de un proyecto de investigación tenía por finalidad verificar las especificaciones Superpave para el evitar el agrietamiento por bajas temperaturas. Dichos trabajos se relatan en el artículo Prediction of Low-Temperature Cracking Using Superpave Binder Specifications, de P. Kandhal y otros de la NCAT. La investigación se inicia con la evaluación de seis diferentes cementos asfálticos que se usaron para un proyecto en Pensilvania en setiembre de 1976. Dos de los seis pavimentos desarrollaron agrietamiento por baja temperatura en enero de 1977. Los otros cuatro pavimentos se agrietaron a diferentes grados luego de tres años. Se obtuvieron muestras de estos seis cementos asfálticos entre 1976 y 1995 (19 años) para ensayarlos con el BBR siguiendo las especificaciones Superpave. Se llegaron a la conclusión que el valor de rigidez máxima de 300 MPa y el valor mínimo de “m” de 0.300, recomendado por las especificaciones generalmente parecen ser razonables en la mitigación del agrietamiento por bajas temperaturas, cinco de los cementos asfálticos cumplieron con las especificaciones. El cemento asfáltico T-3 excedió la rigidez máxima de 300 MPa pero no se agrietó; esto indica que tiene una alta deformación a la falla por su ductilidad. Esta propiedad se verificó con el ensayo DTT. Otra de las importantes conclusiones fue que el valor de la rigidez para ensayos realizados en ligantes envejecidos con RTFO y PAV no es significativa. Sin embargo, el valor de “m” decrece significativamente.

Ejemplo de Aplicación:

El ligante del proyecto elegido es PG 58-22, los resultados de ensayos en laboratorio y especificaciones se muestran en la Tabla 2.4.

34

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 2.4 Resultados de los Ensayos de Laboratorio Ensayo

Resultado

Criterio

310ºC

≥ 230ºC

Ligante Original

Punto de Inflamación Viscosímetro Rotacional

135ºC

0.364 Pa.s

≤ 3 Pa.s

Viscosímetro Rotacional

165ºC

0.100 Pa.s

n/a

1.7 kPa

≥ 1kPa

Reómetro de Corte Dinámico, G*/senδ 58ºC

Ligante Envejecido – Residuo RTFO

Pérdida de masa Reómetro de Corte Dinámico, G*/senδ 58ºC

0.4%

≤ 1.0%

2.8 kPa

≥ 2.2 kPa

Ligante Envejecido – Residuo RTFO + PAV

Reómetro de Corte Dinámico, G*senδ

22ºC

3.4 MPa

≤ 5 MPa

Reómetro de Viga de Flexión, Rigidez

-12ºC

280 MPa

≤ 300 MPa

0.334

≥ 0.3

Reómetro de Viga de Flexión, valor “m” -12ºC

Especificaciones Superpave

En la Tabla 2.5 se muestran las especificaciones Superpave para los diferentes grados de performance (PG).

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

35

El Ligante Superpave

Tabla 2.5 Especificaciones del Ligante Superpave Grado de Comportamiento

PG 46 -34

Temperatura Diseño, °C Promedio máx 7-dias Pavimento Temperatura Diseño, °C Minima Pavimento

-40

PG 52 -46

-10

-16

-22

< 46 >-34

>-40

-28

PG 58 -34

-40

-46

-16

-22

< 52 >-46

>-10

>-16

>-22

>-28

-28

PG 64 -34

-40

-10

-16

-22

< 58 >-34

>-40

>-46

>-16

>-22

>-28

-28

-34

-40

>-34

>-40

< 64 >-34

>-40

>-10

>-16

>-22

>-28

LIGANTE ORIGINAL Tº Punto Inflamación, T48: Min °C

230

Viscosidad, ASTM D 4402: Max, 3 Pa.s (3000 cP) Temp Ensayo, °C Corte Dinámico, TP5: G*/sen d, Min, 1.00 kPa Temp ensayo@10 rad/s, °C

135 46

58

64

ENVEJECIMIENTO RTFO (T240) O HORNEADO DE PELICULA DELGADA (T179) RESIDUO 1.00

Pérdida Masa, Max, % Corte Dinámico, TP5: G*/sen δ, Min, 2.20 kPa Temp ensayo@10 rad/s, °C PAV Temp Envej, °C Corte Dinámico, TP5: G*/sen δ, Min, 5000 kPa Temp ensayo@10 rad/s, °C Endurecimiento Físico Rigidez al Flujo, TP1: S, Max, 300 MPa Valor m, Min, 0.300 Temp ensayo,@ 60s, °C Tensión Directa, TP3: Deform. Falla, Min, 1.0% Temp ensayo @ 1.0mm/min, °C

52

46

52

90 10

7

4

25

58

64

PRESION DE ENVEJECIMIENTO VESSEL RESIDUO (PP1) 90 100

100

22

19

16

13

10

7

25

22

19

16

13

31

28

25

22

19

16

Reporte -24

-30

-36

0

-6

-12

-18

-24

-30

-36

-6

-12

-18

-24

-30

0

-6

-12

-18

-24

-30

-24

-30

-36

0

-6

-12

-18

-24

-30

-36

-6

-12

-18

-24

-30

0

-6

-12

-18

-24

-30

36

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 2.5 Especificaciones del Ligante Superpave, continuación PG 70

Grado de Comportamiento -10 Temperatura Diseño, °C Promedio máx 7-dias Pavimento Temperatura Diseño, °C Minima Pavimento

-16

-22

PG 76

-28

-34

-40

-10

-16

-22

< 70 >-10

>-16

>-22

PG 82 -28

-34

-10

-16

< 76 >-28

>-34

>-40

>-10

>-16

>-22

-22

-28

-34

< 82 >-28

>-34

>-10

>-16

>-22

>-28

>-34

LIGANTE ORIGINAL Tº Punto Inflamación, T48: Min °C Viscosidad, ASTM D 4402: Max, 3 Pa.s (3000 cP) Temp Ensayo, °C Corte Dinámico, TP5: G*/sen d, Min, 1.00 kPa Temp ensayo@10 rad/s, °C Pérdida Masa, Max, % Corte Dinámico, TP5: G*/sen δ, Min, 2.20 kPa Temp ensayo@10 rad/s, °C PAV Temp Envej, °C Corte Dinámico, TP5: G*/sen δ, Min, 5000 kPa Temp ensayo@10 rad/s, °C Endurecimiento Físico Rigidez al Flujo, TP1: S, Max, 300 MPa Valor m, Min, 0.300 Temp ensayo,@ 60s, °C Tensión Directa, TP3: Deform. Falla, Min, 1.0% Temp ensayo @ 1.0mm/min, °C

230 135 70

76

82

ENVEJECIMIENTO RTFO (T240) O HORNEADO DE PELICULA DELGADA (T179) RESIDUO 1.00 70

76

82

PRESION DE ENVEJECIMIENTO VESSEL RESIDUO (PP1) 100 (110) 100 (110) 34

31

28

25

22

19

37

34

31

100 (110)

28

22

40

37

34

31

28

Reporte 0

-6

-12

-18

-24

-30

0

-6

-12

-18

-24

0

-6

-12

-18

-24

0

-6

-12

-18

-24

-30

0

-6

-12

-18

-24

0

-6

-12

-18

-24

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

37

3

Capítulo

El Agregado 3.1 INTRODUCCIÓN

L

as investigaciones realizadas por la Strategic Highway Research Program, SHRP sobre el comportamiento del asfalto involucró un gasto de $50 millones de dólares americanos durante un período de cinco años. La SHRP desarrolló un nuevo sistema de evaluación del ligante asfáltico orientado a predecir el comportamiento en campo, así como un nuevo diseño de mezclas. Sin embargo, las investigaciones realizadas no consideraron el comportamiento del pavimento basado en la caracterización de los agregados. Para especificar las características de los agregados, la SHRP convocó un Expert Task Group, ETG grupo de expertos en agregados. El grupo de expertos en el área de pavimentos de distintas instituciones comprometidas, basado en un consenso de criterios recomendó un grupo de ensayos para agregados, denominado “propiedades consensuales de los agregados” para ser utilizado en el diseño de mezclas Superpave. Sin embargo, en la década de los noventa, la National Center for Asphalt Technology, NCAT de la Universidad de Auburn, Alabama realizó un programa de investigación sobre agregados con una inversión de $500,000 y tres años del esfuerzo bajo la orientación del Dr. Kandhal. Otra de las instituciones que desarrollaron investigaciones en este campo fue la Cold Regions Research and Engineering Laboratory, CRREL de la U.S. Army Engineer Research and Development Center, ERDC en Hanover, New Hampshire bajo la conducción del Dr. Janoo. Los agregados constituyen alrededor del 94% de las mezclas asfálticas en caliente (Hot Mix Asphalt, HMA). Por lo tanto, las propiedades de los agregados gruesos y finos usados en HMA son muy importantes en el comportamiento de la estructura de pavimento en el cual es utilizado. Sin embargo, actualmente la mayoría de los ensayos actuales utilizados en la evaluación del agregado son empíricos, es decir, ensayos que no miden directamente, algún comportamiento mecánico. En el presente capítulo se hace una revisión de los ensayos encontrados en la literatura y que tratan de evaluar la calidad y el comportamiento del agregado.

El Agregado

Se toma como referencia los trabajos realizados por NCAT, CRREL, las normas de Ensayo ASTM y AASHTO y las especificaciones Superpave. Las fallas que se presentan de manera frecuente en las carpetas de mezclas asfálticas en caliente son: el agrietamiento por baja temperatura, la deformación permanente o rutting, el agrietamiento por fatiga, el desprendimiento superficial o raveling y la susceptibilidad al humedecimiento o stripping. Algunas de las fallas mencionadas como el agrietamiento por baja temperatura y por fatiga, están mas directamente relacionados a las propiedades del cemento asfáltico. Los agregados pueden hacer poco para detener el agrietamiento una vez que ya se formó. La deformación permanente o rutting y susceptibilidad al humedecimiento o stripping no solo dependen del contenido de cemento asfáltico sino de las características del agregado, una buena selección de agregados puede reducir ambos tipos de fallas. El desprendimiento o raveling puede ser un problema de diseño de mezcla (proporcionamiento de la mezcla); es decir, la cantidad de cemento asfáltico en la mezcla es crítica. Bajos contenidos de cemento asfáltico pueden acelerar el raveling en mezclas HMA. Otra falla de las mezclas asfálticas poco mencionada es la resistencia al patinaje, la buena elección de las características superficiales del agregado y su forma, pueden mejorar significativamente la resistencia al patinaje. Muchos ensayos índices ASTM y AASHTO intentan caracterizar la calidad de los agregados necesarios para mezclas HMA; midiendo el tamaño y gradación, limpieza del agregado, tenacidad y dureza, durabilidad, textura superficial, forma de la partícula, absorción, y afinidad al ligante asfáltico. Sin embargo, estos métodos no indican claramente el comportamiento o performance del agregado en mezclas HMA con respecto a las fallas típicas mencionadas. La SHRP especificó las propiedades de agregados para mezclas Superpave basándose en el “consenso de expertos”1. La SHRP consideró algunos ensayos de agregados usados anteriormente, como la determinación del porcentaje de partículas chatas y alargadas, equivalente de arena para determinar la cantidad de finos plásticos y polvo en el agregado fino y la angularidad del agregado fino y grueso. No se recomendaron ensayos para resistencia al patinaje. La NCHRP realizó un estudio para relacionar ensayos de agregados y su comportamiento en el concreto asfáltico (Kandhal y Parker 1998), la Tabla 3.1 muestra los ensayos propuestos según este estudio.

1

V. Janoo y Ch. Korhonen, “Performance Testing of Hot-Mix Asphalt Aggregates”

40

SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 3.1 Ensayos para Agregados Recomendado (Kandhal y Parker, 1998) Propiedades de Agregados Gradación y tamaño Contenido de vacíos no compactados de agregados gruesos Contenido de vacíos no compactados de agregados finos Ensayo azul de Metileno para agregados finos Ensayo azul de Metileno para materiales que pasan No. 200 Ensayo de Abrasión MicroDeval Resistencia al sulfato de magnesio Análisis de las partículas que pasan la No. 200

Agrietamient o por fatiga

Deformación permanente

X

X

X

X

Raveling

Stripping

X X X X X X

X

3.2 ENSAYOS DE AGREGADOS Los agregados especificados por Superpave deben cumplir: (a) 04 ensayos consensuales obligatorios, y (b) ensayos denominados propiedades de fuente, especificados por la agencia local, relacionado a condicionantes geológicos, ambientales y de tránsito de cada zona. Los ensayos consensuales son: Angularidad del agregado Fino, AASHTO T 30496; Angularidad del agregado grueso, ASTM D 5821; Partículas Chatas y Alargadas, ASTM D 4791; y Equivalente de Arena, AASHTO T 176. Son dos los factores importantes para minimizar las deformaciones permanentes en mezclas HMA: (a) el uso de arenas chancadas, y (b) cantidad de caras fracturadas de agregado grueso. Ambos factores relacionan la forma y textura de las partículas de agregados. 3.3 FORMA TEXTURA Y ANGULARIDAD DEL AGREGADO FINO La forma del agregado se discutió básicamente en la diferencia entre agregados naturales (gravas) y agregados artificiales o chancados. Se encuentran en la bibliografía reportes que indican que la forma de la partícula del agregado fino es más importante que la forma del agregado grueso porque mejora la S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

41

El Agregado

estabilidad de las mezclas HMA al incrementar su resistencia a las deformaciones permanentes. Los siguientes procedimientos de ensayo son actualmente usados en los U.S. para determinar la forma y textura superficial de los agregados finos: ASTM D3398 AASHTO T304 (ASTM C1252)

: Indice de Forma y Textura del Agregado : Contenido de Vacíos no compactados del agreg. fino.

Sin embargo, son amplios los estudios del efecto de la forma del agregado en la estabilidad de las mezclas HMA. Entre los investigadores que desarrollaron trabajos al respecto están: Lottman y Goetz; Shklarsky y Livneh; Griffith y Kallas; Wedding y Gaynor; Manpin; Herrin y Goetz; Moore y Welke; Foster. Son varios los métodos para evaluar la forma y textura de la partícula del agregado fino. Estos métodos se dividen generalmente en dos categorías, directos e indirectos. Los métodos directos son aquellos que evalúan directamente cada partícula y los métodos indirectos, miden las propiedades bulk del agregado fino por fracción o tamiz y la combinación de ellos. Métodos Directos Método de la Corps of Engineers CRD-C120-55 Método de Ensayo de partículas chatas y alargadas para agregados finos. La forma de la partícula se evalúa con microscopio. La muestra se separa en cinco tamices, se contabiliza las partículas que tienen relación largo a ancho de más de tres para cada grupo y se obtiene en porcentaje. Este método evalúa la forma de la partícula pero no la textura. Método Laughlin Este método desarrollado básicamente para agregado fino y usado en concreto de cemento Pórtland, mide las partículas retenidas en cada fracción usando fotografías ampliadas de partículas. Se evalúa el radio de curvatura de las partículas y el radio del circulo que se puede inscribir. Este ensayo mide la redondez de la partícula y no su textura superficial. Métodos Indirectos ASTM D3398 Standard Test Method for Index of Aggregate Particle Shape and Texture La muestra se separa en fracciones individuales determinando su granulometria. El material de cada tamiz se compacta, por separado, en un molde cilíndrico con 10 y 50 golpes, usando un pisón desde una altura de 2

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

pulgadas. Concluido el apisonamiento el molde se llena completamente con material hasta el ras. Se pesa el material más el molde para cada energía de compactación y se calcula el porcentaje de vacíos. Se calcula el índice de partícula de cada tamiz y con la distribución granulométrica conocida, se calcula el índice de partícula promedio por peso. National Aggregate Association, NAA Método propuesto para calcular la forma y textura de la partícula de agregado fino usando el contenido de vacíos no compactados. Para el ensayo se vierte agregado fino de gradación conocida a través de un embudo de diámetro conocido, hasta llenar un cilindro de 100 cm3 de volumen. Se retira el exceso de material y se pesa el cilindro con el agregado. El contenido de vacíos no compactados se calcula conociendo el peso del agregado y su gravedad específica seca bulk. Se propusieron dos variaciones a este método de ensayo, el método A usa muestra de gradación específica mientras que en el método B el contenido de vacíos se calcula usando el resultado del contenido de vacíos de tres tamaños: no. 8 a no. 16, no. 16 a no. 30 y no. 30 a no. 50. Método New Zealand Similar al método anterior. Se ensaya el material que pasa el tamiz 5/16” con un embudo de ½” de diámetro. Se mide el tiempo que se requiere para que 1000 g de material fluya a través del orificio y se calcula el contenido de vacíos. Esta es una medida básica de la forma y textura de la partícula. Método de la National Crushed Stone Association, NCSA Este método también es de flujo y consiste en separar en tres tamices el material. El contenido de vacíos de cada fracción se calcula por separado, al permitir su flujo a través de un orificio de 1” de diámetro. La media aritmética del contenido de vacíos de los 3 tamices se calcula como la medida básica de forma y textura de partículas. Método de la National Sand and Gravel Association, NSGA Similar al desarrollado por Rex y Peck y posteriormente usado por Bloem y Gaynor y Wills pero con diferentes detalles. También es un ensayo de flujo con orificio de 0.4” de diámetro. La muestra se separa en 4 tamices y se recombina en proporciones específicas. El contenido de vacíos de la muestra así preparada se calcula y reporta como medida básica de forma y textura de la partícula. Método de Ishai y Tons Este ensayo relaciona los resultados de los ensayos de flujo (mediciones indirectas) con las mediciones geométricas de la irregularidad de la partícula (mediciones directas). El tamaño del orificio depende del tamaño de partícula a ensayar. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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El Agregado

Specific Rugosity by Packing Volume Este método también es de flujo y fue usado para medir directamente la gravedad específica del conjunto de agregado de un tamiz. La muestra se separa en 4 tamices y cada una se coloca en un cono y luego vertido en un contenedor de volumen conocido. La gravedad específica se calcula usando el peso del agregado dentro del contenedor. Los vacíos de macrosuperficie y microsuperficie se calcularon usando las gravedades específicas aparentes y bulk del conjunto. La suma de los vacíos de macro superficie y micro superficie así obtenida llegan a la rugosidad específica2. Ensayo de Corte Directo Mide el ángulo de fricción interna del agregado fino en diferentes condiciones de esfuerzos normales. Una muestra de agregado es compactada en un molde de corte. La muestra se coloca en el dispositivo de corte directo y sometida a una fuerza horizontal mientras se le aplica un esfuerzo normal conocido. Prácticas Actuales de Evaluación De los ensayos resumidos, sólo el método ASTM D3398 mide la forma y textura de las partículas de agregados. Entre los años 1991 a 1992 los investigadores de la NCAT realizaron trabajos de investigación para correlacionar los resultados obtenidos con el método NAA (no estandarizada) y la ASTM D3398 (estandarizada), la razón es que este último ensayo toma mucho tiempo para su ejecución. Una de las conclusiones de la NCAT es que según el Método ASTM D3398 las arenas naturales tienen valores menores de índice de partícula de forma y textura del agregado que las arenas chancadas. Un valor de índice de partículas de 14 puede diferenciar las arenas naturales de las chancadas, éste valor mínimo puede ser usado en las especificaciones. Similares tendencias se observaron en los resultados de los Métodos A y B usando el método de la NAA. Se concluyó en3:

Ia = 1.03VNAA − 31.2 Ia = 1.00 VNAA − 33.5

Método A Método B

donde: Ia VNAA

índice de partícula de forma y textura del agregado contenido de vacíos no compactados (mide la forma y textura de la partícula) obtenidos con el método NAA

2

P. Kandhal y otros, “Evaluation of Particle Shape and Texture: Manufactured versus Natural Sands”, NCAT Report No. 1991-3, January 1991. 3

P. Kandhal y otros, “Evaluation of Particle Shape and Texture of Mineral Aggregates and Their Blends”, NCAT, May 1992.

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Evaluación y Especificaciones Superpave Los investigadores de la SHRP consideran el Contenido de Vacíos No Compactados del Agregado Fino dentro de sus especificaciones, para asegurar un alto nivel de fricción interna y resistencia a las deformaciones permanentes. El ensayo se realiza en agregado que pasa la malla 2.36 mm. Este método de ensayo está especificado por Superpave en AASHTO T304. Esta propiedad mide la influencia de la forma de la partícula, textura superficial y gradación. Altos contenidos de vacíos indican mayores valores de caras fracturadas. Valores menores de 45% indican formas más redondeadas relacionadas con arenas naturales. El procedimiento de ensayo consiste en verter una muestra de agregado fino, lavado y secado, dentro de un cilindro calibrado a través de un embudo, ver Foto 3.1.

Foto 3.1 Equipo para contenido de vacíos no compactados de agregado fino.

El contenido de vacíos se calcula con la siguiente ecuación:

%Vacíos no compatados =

donde: V W Gsb

V - W/G sb × 100 V

volumen del cilindro peso del agregado fino suelto que llenó el cilindro gravedad específica bulk del agregado fino

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El Agregado

La Tabla 3.2 da los valores mínimos requeridos para la angularidad del agregado fino (contenido de vacíos no compactados) como una función del nivel de tráfico y su ubicación en el pavimento. Tabla 3.2 Criterios de Angularidad del Agregado Fino Superpave ESALs de Diseño (millones) < 0.3 0.3 a < 3 3 a 100 mm ≤ 100 mm 40 40 45 40 45 40 45 45

3.4 FORMA Y TEXTURA DEL AGREGADO GRUESO Los siguientes ensayos son los más comunes en la determinación de la forma y textura superficial de los agregados gruesos: ASTM D3398 ASTM D4791 ASTM D5821

: Indice de Forma y Textura del Agregado : Partículas Chatas y Alargadas en Agregados Gruesos : Determinación del Porcentaje de Caras Fracturadas en Agregados Gruesos

Partículas Chatas y Alargadas Las partículas chatas y alargadas son poco deseables en las mezclas asfálticas porque tienden a quebrarse durante la construcción y bajo tráfico. Este procedimiento está estandarizado por ASTM D4791, Flat or Elongated Particles in Coarse Aggregate y se realiza en agregados mayores al tamiz 4.75 mm. Superpave especifica 10% como máximo de partículas chatas y alargadas de relación 5:1 para la combinación de agregados. En la norma la elongación de partículas se evalúa comparando largo a ancho, y su aplanamiento comparando ancho con espesor. Con este procedimiento de ensayo es posible tener agregados que sean chatas, alargadas, chatas y alargadas o ninguno de los dos, figura 3.2.

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

a

h

L: largo a: ancho h: espesor

L

a

Fig. 3.2 Relación de largo-ancho y ancho-espesor Este método usa un dispositivo de calibración para identificar las partículas chatas o alargadas ensayando cada partícula, foto 3.2. El porcentaje de partículas chatas, alargadas y chatas y alargadas se calcula por peso.

B

A

Foto 3.2 Calibrador de partículas chatas y alargadas

El procedimiento de ensayo consiste en medir las relaciones de dimensiones de una muestra representativa de agregado. La longitud mayor del agregado se coloca en el extremo A del calibrador que tiene la relación buscada, se retira el agregado y se coloca en el extremo B. Si el agregado no llena el espacio, se considera que la partícula es chata o alargada. Las especificaciones Superpave para las partículas Chatas y Alargadas se presentan en la tabla 3.3.

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El Agregado

ESALs de Diseño (millones) < 0.3 0.3 a < 3 3 a 100 mm ≤ 100 mm < 0.3 55/-/0.3 a < 3 75/50/3 a 3

Chatas y alargadas

Partículas que cumplen ambos criterios

Descripción de la redondez La redondez de una partícula es susceptible a abrasión y desgaste a que se someten los agregados durante el proceso de preparación y construcción. El procedimiento para determinar la redondez de una partícula es bastante complejo y conlleva el calcar una imagen ampliada de la partícula. Graficar un circulo inscrito en el agregado calcado y determinar el radio. También se determina el radio de los bordes y esquinas. Estos radios se usan como un índice de la redondez del agregado (R) que está expresado como: r R = r' N ∑

donde: r r’ N

radio de la curva de una esquina de la superficie de la partícula radio del máximo círculo inscrito en el plano proyectado número de esquinas

Como éste es un proceso largo se prepararon cartas visuales, elaboradas por Krumbein 1941, para estimar la redondez del agregado, la fig. 3.5 muestra una carta para determinar la redondez para agregados de 16 a 32 mm. La redondez (R) varía entre 0.1 y 0.9. Una valor de R mayor que 0.6 indica alta redondez, R entre 0.4 y 0.6 indica redondez media, y R menor que 0.4 indica redondez baja.

6

V. Janoo, “Quantification of Shape, Angularity, and Surface Texture of Base Course Materials”

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Figura 3.5 Carta de redondez para agregadosde 16 a 32 mm (Krumbein 1941) Descripción de Angularidad Lees (1964) comprobó que cuando se usa el método de Krumbein (1941) para determinar la redondez del agregado, es posible obtener números similares de redondez para dos diferentes formas de agregados. Lees (1941) propuso un método para determinar el grado de angularidad que considera no solamente redondeada las esquinas sino también su imagen proyectada, Fig. 3.6. El grado de angularidad se calcula con la siguiente ecuación: A i = (180 º −a )

x r

donde: Ai a x r

grado de angularidad ángulo medido distancia desde el vértice al centro del máximo círculo inscrito radio del máximo círculo inscrito

Fig. 3.6 Parámetros para el grado de angularidad (Lees 1964)

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El Agregado

El grado total de angularidad (A) es la suma de todos los valores de las esquinas medidas en tres planos perpendiculares. También se desarrollaron cartas visuales para facilitar éste trabajo, Fig. 3.7.

Fig. 3.7 Carta del grado de angularidad (Lees 1964) La norma ASTM D2488-90 (1996), Standard Practice for Description and Identification of Soils (procedimiento visual-manual), describe la angularidad del agregado grueso como angular, subangular, subredondeado, o redondeado, Tabla 3.7. Tabla 3.7 Criterio para Describir la Angularidad del Agregado Grueso (ASTM D2488-90) Descripción

Criterio

Angular

Partículas con bordes afilados y caras relativamente planas con superficie rugosa

Subangular

Partículas similares a las angulares pero con bordes redondeados

Subredondeado

Partículas con lados casi planos pero con esquinas y bordes bien redondeados

Redondeado

Partículas con lados curvados lisos y esquinas

sin

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Una carta visual para determinar la angularidad del agregado, similar al presentado en ASTM D2488-90 se muestra en la Fig. 3.8.

Fig. 3.8 Identificación visual de la angularidad del agregado (ASTM D2488-90) Descripción de la Textura Superficial Se considera que la textura o característica superficiales de un agregado tienen un efecto en la respuesta ingenieril del material. Terzaghi y Peck (1967) describieron con textura al grado de finura y uniformidad. Ellos definieron expresiones cualitativas como liso, afilado, etc., para describir la textura. Barksdale e Itani (1994) usaron una escala de rugosidad para determinar la tectura superficial del agregado. La rugosidad superficial (SR) se basa en una inspección visual e índice para un rango de escala de 0 (para partículas muy lisas) a 1000 (para partículas muy rugosas). Otro método fue el de Bikerman 1964, para agregados con asfalto, éste método determina la microtextura de la superficie y la natural absorción del agregado, siendo un índice de la rugosidad de la superficie.

Análisis de Imágenes Los métodos mencionados toman tiempo y son laboriosos. El trabajo se facilita con ayuda de una computadora que analiza la forma, angularidad y rugosidad del agregado. Investigadores de la Federal Highway Administration (FHWA) aplicaron esta tecnología. Wilson y otros (1995) desarrollaron índices de redondez y forma. El procedimiento consiste en capturar imágenes de los agregados a alta resolución con una video cámara. Luego la imagen es analizada con un programa de cómputo.

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El Agregado

El Ministerio de Transportes de Québec (QMOT) uso el análisis de imágenes de manera rutinaria para verificar la angularidad de agregados para mezclas en caliente.

Métodos Indirectos Los métodos indirectos se basan en el cambio de vacíos de fracciones de muestras. Son varios los ensayos para evaluar el agregado grueso como el número angularidad, índice de partículas y rugosidad. Otro ensayo índice mide el tiempo que requiere una gradación dada para fluir a través de un orificio de dimensiones conocidas. Número de Angularidad El número de angularidad (AN) fue desarrollado por Shergold (1953) y normado por la British Standards (BS 812 1975) como un índice de angularidad de agregados naturales y chancados usados en concreto. El procedimiento consiste en compactar en tres capas las fracciones individuales de una muestra, el volumen del molde es de 2800 cm3, cada capa se compacta con 100 golpes de pisón de 900 a 950 gr. Se calcula el porcentaje de vacíos. Shergold, basado en sus estudios, determinó que el porcentaje mínimo de vacíos en gravas redondeadas es aproximadamente de 33%, con éste punto de referencia Shergold caracterizó la angularidad de otros agregados como la diferencia entre el porcentaje de vacíos y 33%. El número de angularidad tiene un rango entre 0 y 12. Lees (1964) hizo varias observaciones a éste método como que sólo se basa en el resultado de seis muestras de agregados gruesos, éste método no es aplicable a la forma del agregado (geometría), y que el AN para esferas perfectas es mayor que para cubos perfectos, conclusión aparentemente contradictoria. Además, el peso de la compactación `puede quebrar los agregados modificando su angularidad. Gupta (1985) refinó el modelo AN incorporando la forma del agregado. El AN se calcula de forma similar a la anterior, con excepción que Gupta definió el porcentaje de vacíos en la masa del agregado como una función de la forma y el tamiz promedio del agregado (mm): η = C dn

donde:

η C n d

porcentaje de vacíos factor de forma exponente, -0.032 para todos los materiales y mezclas ensayadas diámetro del agregado de volumen promedio, mm

Mayor detalle en el procedimiento de ensayo se puede revisar la referencia.

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Indice de Partícula El índice de partícula (Ia) se basa en el concepto que la forma, angularidad y textura superficial de agregados del mismo tamaño no solo afecta la relación de vacíos sino también la relación a la cual los vacíos varían cuando el agregado es compactado en un molde estandar (Huang 1962). El ensayo del índice de partícula se desarrolló para tres tamaños de agregados: los que pasan la 19 mm y se retienen en el tamiz 12.7 mm, pasan la 12.7 mm y se retienen en el tamiz 9.5 mm, y pasan la 9.5 mm y se retienen en el tamiz no. 4 (4.75 mm). Para cada tamaño de agregado se realiza el ensayo con un pisón uniforme dando 10 golpes en tres capas iguales dentro de un molde estándar, compactada la última capa, se rellenan los vacíos superficiales con muestras de agregado. Se repite el mismo procedimiento con 50 golpes por capa. El porcentaje de vacíos en el agregado se calcula usando la siguiente ecuación: W ⎤ ⎡ Vn = ⎢1 − n ⎥ × 100 ⎣ S× v⎦

donde: Vn Wn S v

porcentaje de vacíos a “n” golpes por capa peso neto del agregado en el molde a “n” golpes por capa, gr. densidad bulk del agregado, gr/cm3 volumen del molde, cm3

El índice de partículas (Ia) se calcula usando la siguiente expresión:

I a = 1.25 V10 − 0.25 V50 − 32.0 Los ensayos realizados demostraron que el método es capaz de diferenciar entre agregados lisos, redondeados, rugosos y angulares. Además, el índice distingue los diferentes niveles de gravas chancadas. El ensayo está estandarizado por ASTM D3398-93 (1996), Standard Test Method for Index of Aggregate Particle Shape and Texture, para agregados gruesos y finos. Para la fracción gruesa, el tamaño máximo se incrementa a 38 mm. Dependiendo del tamaño del agregado a ser ensayado se usan diferentes moldes. El problema con este ensayo, respecto a agregados gruesos, es la determinación del volumen de vacíos. Inicialmente, los vacíos fueron calculados basándose en el volumen del molde. Esto implicaba que los agregados llenaran todo el molde hasta la superficie. Se concluyó que el resultado de los ensayos dependía del operador. Huang (1965) modificó el método de ensayo con la medida real del volumen de la masa de agregado compactado. Se requiere un dispositivo denominado “volumeter” que se ajustó exactamente sobre el molde. El “volumeter” está hecho de una membrana delgada flexible y un tubo. El procedimiento de compactación es similar, excepto que al final la última capa, la membrana S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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El Agregado

flexible se coloca en la superficie y se introduce agua con ayuda del tubo. La idea es que al introducir agua, la membrana tome la forma superficial de la superficie. Conociendo el volumen del molde y el volumen del agua en el “volumeter”, se puede determinar el volumen del agregado ensayado. Huang también modificó el método para evaluar el índice de partícula del agregado fino (material que pasa el tamiz no. 4 y se retiene en la malla no. 200). Brinda y Al-Sanad (1983) modificaron el ensayo del índice de partícula para agregados gruesos hasta un tamaño máximo de 50 mm. Se definió como agregado grueso al material mayor que 2.36 mm. El método de ensayo es similar al desarrollado por Huang (1965) con excepción que las dimensiones y peso del molde así como las dimensiones del pisón son diferentes. Con los ensayos realizados en agregados, por Brinda y Al-Sanad (1983), desde agregados naturales a escorias de altos hornos, llegaron a la conclusión que el índice de partícula para agregados de superficies lisas y redondeados tienen un promedio de 6.5; y para agregados chancados, alta angularidad y textura rugosa el promedio es de 17.5. Ellos también propusieron un nuevo método para medir el volumen, utilizando arena. Vacíos No Compactados en Agregados Inicialmente desarrollado para agregados finos por la National Aggregate Association, consiste en verter agregado fino libremente dentro de un cilindro calibrado desde una altura especificada. La excepción aquí es que el material no se separa en diferentes tamices como se hace con otros ensayos índice. El procedimiento de ensayo está descrito como uno de los métodos indirectos.

Fig. 3.9 Colocación de la muestra no compactada (Ishai y Tons 1977)

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Indice de Tiempo Son diversos los ensayos para agregados finos donde la velocidad de flujo a través de un orificio estándar se usa como un índice de la forma, angularidad y textura del agregado (Rex y Peck 1956, Tobin 1978). El tiempo de flujo se compara con la de un material estándar como la arena de Ottawa. Un método similar pero para agregados gruesos se desarrolló por French en 1981. La base del ensayo es la velocidad de flujo de la masa de un agregado que es afectado por su angularidad, textura superficial y gravedad específica bulk. El equipo de ensayo es el mostrado en la Foto 3.4 y que se encuentra en el Ministerio de Transportes de Québec.

Foto 3.4 Aparato del Indice de Tiempo

El coeficiente de flujo (Ce) de un agregado es el tiempo que requiere en segundos para que 7 kg del material fluya a través de la abertura especificada con una frecuencia de vibración de 50 Hz. El ensayo se repite por cinco veces y se calcula el tiempo promedio. La abertura es de 60 mm para agregados que pasan el tamaño de 20 mm y son retenidos en el tamiz de 4 mm. El tamiz máximo actualmente ensayado con este equipo es de 20 mm. El coeficiente de flujo se define como: Ce =

donde: Ce t Gsb k

t × G sb k

coeficiente de flujo tiempo en segundos gravedad específica bulk constante (1 segundo)

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El Agregado

Se ensayaron muestras similares por el método de análisis de imágenes y usando este equipo. Los resultados se muestran en la Tabla 3.8 Tabla 3.8 Coeficiente de Flujo Promedio para Materiales de Sub-base de Vermont Material Grava chancada

Tiempo promedio (seg) 33.45

Coeficiente de flujo 92.2

Piedra chancada

44.13

114.7

Los resultados indican que, basados en el coeficiente de flujo y asumiendo la gravedad específica bulk del agregado de 2.6, la piedra chancada es más angular que la grava chancada.

Resultados de Laboratorio considerando la Angularidad del Material Para ensayos triaxiales estáticos, es bien sabido que los agregados redondeados producen una significativa mayor deformación permanente que suelos con agregados angulares. Esto se refleja en el ángulo de fricción interna (φ). Durante la compresión, se encuentra comúnmente que las partículas redondeadas son capaces de deslizarse fácilmente, mientras que los materiales angulares tienen que vencer las altas fuerzas de fricción en los contactos de la interface. Generalmente, φ se incrementa con el incremento de la angularidad (Holtz y Kovacs 1981). Holtz y Kovacs (1981) también encontraron que cuando la superficie rugosa se incrementó, también lo hizo el φ. Los efectos en φ de la angularidad, rugosidad superficial, y otros se muestran en la tabla 3.9. La información de la tabla 3.9 relaciona las condiciones de carga estática. Sin embargo, las condiciones de carga en la estructura de pavimento no son estáticas, sino cíclicas. Además, los niveles de carga aplicados no están cerca al esfuerzo cortante del material excepto cuando se encuentra saturado, que es el caso del deshielo de primavera de algunos países. Es poca la información con que se cuenta sobre la performance de materiales de base gruesa bajo carga cíclica. Esto probablemente se debe a la suposición errónea que la base granular no falla.

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 3.9 Resumen de los Factores que Afectan φ (Holtz y Kovacs 1981) Factores

Efectos

Relación de vacíos (e)

e↑ φ↓

Angularidad (A)

A↑ φ↑

Distribución granulométrica

Cu↑ φ↑

Rugosidad superficial (R)

R↑ φ↑

Contenido de humedad (w) Tamaño de partícula (S)

w↑ φ↓ ligeramente No afecta (con e constante)

Esfuerzos principales intermedios Sobreconsolidación o precarga

φps≥φtx Poco efecto

Con los diseños mecanísticos de pavimentos se realizaron estudios sobre módulos resilientes en base granulares. Existen diferentes modelos para predecir el modulo resiliente de la base granular, semejante al modelo K1-K6 en Superpave (Lytton 1993) y el modelo universal K1-K3 (Witczak y Uzan 1988). Sin embargo, el modulo resiliente para gravas naturales y roca chancada es similar (Thompson y Smith 1990). El rango de valores es de 200 a 240 MPa para un esfuerzo bulk de 138 kPa. Ishai y Gelber encontraron tendencias similares para el caso de mezclas bituminosas. Los autores indicaron que se esperaban estos resultados porque en el ensayo del módulo resiliente, el nivel de esfuerzos aplicados son muy bajos y solamente cuando se encuentra cerca de las condiciones de falla se evidenciaría el efecto de las irregularidades geométricas del agregado. En cambio, las deformaciones bajo el mismo nivel de esfuerzo, cuando la base está saturada, son altas, y la angularidad y rugosidad de los agregados tendría un efecto mayor en el comportamiento del pavimento. Existe poca información del comportamiento de bases granulares asociada a la forma, angularidad, y rugosidad de los agregados. Holubec y Wilson (1970), usaron grava y piedra chancada en su estudio. El objetivo fue observar el efecto de la angularidad y la proporción de material chancado en el comportamiento de bases granulares. Las muestras fueron compactadas al óptimo contenido de humedad de 4.5% usando un martillo de 4.5 kg desde una altura de 457 mm y aplicando 25 golpes por capa. Las muestras fueron de 102 mm de diámetro y 203 mm de altura. El tamaño máximo del agregado fue de 9.5 mm.

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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El Agregado

Holubec y Wilson (1970) estudiaron en función de las deformaciones de flujo cíclico. La deformación de flujo cíclico es la mínima deformación total de las deformaciones elásticas. Se encontró que la deformación de flujo cíclico luego de 5000 repeticiones de carga decrece cuando el porcentaje de partículas chancadas se incrementa, Fig. 3.10.

Fig. 3.10 Efecto de las partículas en la deformación de flujo cíclico

Las muestras se prepararon con combinaciones en diferentes proporciones de agregado chancado y grava redondeada de la misma mineralogía. Referente a la esfericidad y angularidad, cuando el agregado se hace angular, la deformación de flujo cíclico se incrementa luego de 5000 repeticiones de carga, figura 3.11.

Fig. 3.11 Efecto de la combinación de esfericidad y angularidad en flujo cíclico de bases granulares (Holubec y Wilson 1970)

Los resultados aparentemente son contradictorios, porque se podría esperar que la deformación por flujo disminuya con el incremento de la angularidad. Los resultados podrían explicarse por el hecho que los materiales redondeados tienen mayor área de contacto que los agregados angulares y se requeriría mayor esfuerzo de corte en los puntos de contacto para mover los agregados. Esto también se explicaría porque el módulo de los materiales redondeados y

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

angulares son similares7. En estudios similares se encontró que el ángulo de fricción se incrementa con el incremento de la angularidad., Fig. 3.12.

Fig. 3.12 Efecto de la esfericidad y angularidad en el ángulo de fricción interna (Holubec y Wilson 1970) Los estudios realizados por Barksdale e Itani 1994, muestran resultados del efecto de la forma del agregado en el comportamiento resiliente y deformación permanente de cinco materiales de base granular. La gradación usada se muestra en la tabla 3.10 y sus características de forma y textura superficiales se muestran en la figura 3.13. Tabla 3.10 Gradación de los Materiales ensayados (Barksdale e Itani 1994) Porcentaje que pasa Gradación

38.1 mm 19 mm

9.5 mm

Nº4

Nº40

Nº200

Medio

100

80

60

45

13

4

Grueso

100

65

43

27

7

0

Fino

100

85

70

58

25

10

7

V. Janoo, “Quantification of Shape, Angularity, and Surface Texture of Base Course Materials” S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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El Agregado

Fig. 3.13 Clasificación de los agregados (Barksdale e Itani 1994) Las muestras de 25 mm de tamaño máximo se compactaron con un compactador giratorio en moldes de 152 mm de diámetro y 305 mm de altura. Para estudiar la deformación permanente, la muestra se sometió a 41 kPa de presión confinante y a 70,000 repeticiones de carga en una relación de esfuerzos principales de 4 ó 6. Barksadle encontró que el módulo resiliente de materiales angulares rugosos es mayor que los materiales redondeados en más o menos 50% a valores de esfuerzos bajos y más o menos 25% a valores de esfuerzos altos, figura 3.14, estos valores son mucho más altos que los reportados por Thompson y Smith en 1990.

Fig. 3.14 Influencia del tipo de material y estado de esfuerzos en el módulo resiliente (Barksdale e Itani 1994)

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Barksadle e Itani (1994) reportaron que bajo condiciones drenadas, el módulo resiliente decrece en 50% (comparado al óptimo contenido de humedad) para gravas de río a esfuerzos bulk de 103 kPa. Para condiciones no drenadas, la disminución puede ser mucho mayor. Ellos también reportaron que la cantidad de finos en los materiales de base granulares tuvo un significativo efecto en la cantidad de deformaciones plásticas. 3.8 AGREGADOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS Las características de los agregados definen el comportamiento de la carpeta asfáltica. A continuación se detallarán las principales características que deben cumplir los materiales granulares para evitar fallas en las carpetas.

Deformaciones permanentes Las características más comunes para evitar las deformaciones permanentes son: forma de la partícula, textura superficial, tamaño de partícula, estructura porosa, y resistencia de la partícula. La deformación permanente se debe a la densificación y flujo plástico de las mezclas asfálticas a altas temperaturas. Factores como el contenido y características del asfalto, así como las características del agregado, procedimiento constructivo, temperatura, e incremento de las repeticiones de carga influyen en la deformación permanente de la mezcla. Aunque todos estos factores son importantes, los agregados constituyen el 90% de la mezcla, jugando un rol importante en el control de las deformaciones permanentes, como se ve en la actualidad con la incorporación del diseño de mezclas Stone Mastic Asphalt (SMA) en los USA. Para minimizar la deformación permanente, la trabazón de los agregados es crucial. La forma, angularidad y textura superficial afectan la trabazón de agregados. Sin embargo, esta trabazón parece ser crítica en agregados finos, como lo recalca Uge y Van de Loo (1974), quien reportó que usar agregados gruesos redondeados con agregados finos chancados también producen mezclas asfálticas en caliente resistente a las deformaciones permanentes (fig. 3.15) . La cuantificación de la forma, angularidad y textura superficial se miden con métodos directos, indirectos o por ensayos en la mezcla. Los métodos son muchos de los descritos líneas arriba. Para agregados gruesos, los geólogos emplean medida directa de las características físicas de la partícula. Como usaron los petrologistas, la forma se describe por su longitud, ancho, espesor, redondez y angularidad. Se analiza la superficie para describir su textura (Wright 1955). Otros, como Barksdale e Itani (1994), elaboraron escalas de rugosidad para describir la textura del agregado. Para el agregado fino, la forma y angularidad se realiza con el análisis de imágenes. Un estudio de factibilidad realizado por la Federal Highway S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

67

El Agregado

Administration (FHWA) en éste método (Wilson y otros 1995) demostró que el análisis de imágenes es una herramienta viable para distinguir la forma y angularidad en arenas finas.

Fig. 3.15 Influencia de la redondez del agregado en la deformación permanente de mezclas de concreto asfáltico Otro método es inferir las características de los agregados mediante propiedades de masa. Las más conocidas son: número de angularidad, índice de tiempo, índice de partícula y rugosidad. Para agregados gruesos, el número de angularidad (AN) desarrollado por Shergold (1953) y recomendado por la British Standards Institute (1989) para evaluar la angularidad de agregados naturales y chancados usados en concreto. Esta tecnología puede ser fácilmente transferida a mezclas HMA. El índice de partícula, rugosidad, vacíos no compactados e índice de tiempo, también son aplicables a agregados para mezclas asfálticas en caliente. Indice de Partículas En mezclas granulares compactadas, las partículas angulosas tienen mejor trabazón y desarrollo de fricción interna, resultando en estructuras con mayor estabilidad mecánica. Las mezclas con partículas redondeadas, tienen mejor trabajabilidad y requieren menor esfuerzo de compactación para obtener la densidad requerida. Esta facilidad en la compactación no es necesariamente una ventaja porque la densificación continúa se dará con el tráfico, acelerando el rutting debido a bajos vacíos y deformación plástica.

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La textura superficial, así como la forma de las partículas, también influye en la trabajabilidad y resistencia de HMA. La rugosidad, tiende a incrementar la resistencia aunque requiere mayor contenido de cemento asfáltico para vencer la pérdida de trabajabilidad, comparadas con las superficies lisas encontradas en muchas gravas y arenas de río. Agregados de textura lisa pueden ser fáciles de cubrir con una película de asfalto, pero el cemento asfáltico usualmente forma vínculos mecánicos muy resistentes con texturas rugosas de agregados. El efecto combinado de la forma y textura superficial del agregado se puede determinar mediante el ensayo de Indice de Partículas según la norma ASTM D 3398 ó MTC E208-1999. El ensayo consiste en tamizar material por las mallas ¾”, ½”, 3/8”, no. 4, no. 8, no. 16, no. 30, no. 50, no. 100 y no. 200. Se determina el peso específico aparente seco. Se llenan tres capas iguales de la fracción a ensayar y se aplican 10 golpes de varilla por capa. Para otra muestra de la misma fracción se realiza el mismo procedimiento pero con 50 golpes por capa. Se determina el porcentaje de vacíos de cada fracción para 10 golpes (V10) y 50 golpes (V50). El Indice de Partículas se determina utilizando la siguiente ecuación:

I a = 1.25 V10 − 0.25 V50 − 32.0 Los parámetros V10 y V50 se determinan utilizando las siguientes ecuaciones: ⎡ ⎛ W ⎞⎤ V10 = ⎢1 − ⎜ 10 ⎟⎥ × 100 ⎣ ⎝ sv ⎠⎦ ⎡ ⎛ W ⎞⎤ V50 = ⎢1 − ⎜ 50 ⎟⎥ × 100 ⎣ ⎝ sv ⎠⎦ donde: W10 y W50 peso promedio del agregado en el molde compactado a 10 y 50 golpes, respectivamente. s peso específico aparente seco, de la fracción ensayada. v volumen del molde, ml (cm3) Un agregado compuesto de partículas redondeadas con textura superficial lisa puede tener un índice de 6 a 7, mientras que agregados con alto contenido de partículas angulares con textura superficial rugosa pueden tener índice de partículas de 15 a 20 ó más.

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El Agregado

La Fig. 3.16 muestra el efecto del Indice de Partículas en la estabilidad Marshall. El ensayo demora mucho tiempo y no es muy utilizado. Sin embargo, es importante resaltar su aplicación cuando se requiera mezclas asfálticas de alta resistencia.

Figura 3.16 Efecto del Indice de Partícula en la Estabilidad Marshall

Resistencia al patinaje Para pavimentos de mezclas asfálticas en caliente, la resistencia al patinaje depende de la fricción desarrollada entre la superficie del pavimento y la llanta. Esta fricción depende de la rugosidad microscópica y macroscópica de la superficie del pavimento, características de pulimento de los agregados y la capacidad drenante de la superficie (Beaton 1976). Otros factores que afectan la resistencia al patinaje de la superficie del pavimento son la humedad en la superficie, variaciones estacionales y temperatura. La fricción en la superficie es evaluada mediante ensayos estandarizados (ASTM E274-1994 y E 1551-1994). El procedimiento consiste en medir la fuerza de fricción entre una llanta estándar a una presión de inflado especificado y la superficie del pavimento mojado. Como la fuerza de fricción depende de la velocidad del vehículo, este es usualmente reportado a 65 km/hr. El coeficiente de fricción se multiplica por 100 y se reporta el número de patinaje (SN). Rugosidad y Textura La definición de micro textura y macro textura se ilustra en la figura 3.17, la macro textura influye más en la fricción con respecto a la velocidad como se ilustra en la figura 3.18.

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Fig. 3.17 Características de Textura de la Superficie de Rodadura (Tremblay 1995)

Fig. 3.18 Correlación entre la macro textura, micro textura, resistencia al patinaje y velocidad (Tremblay 1995) Se observa que para mantener una resistencia al patinaje constante la velocidad varía, y la superficie tiene que tener macro y micro textura. La rugosidad macroscópica se reporta cada 0.5 a 50 mm (horizontal) y 0.2 a 10 mm (vertical) (Donbavand 1989). Este espaciamiento proporciona canales para un rápido drenaje de agua desde la superficie y es importante para velocidades mayores a 50 km/hr. (Donbavand 1989). Por lo tanto, a velocidades mayores que 50 km/hr, la resistencia al patinaje depende principalmente del espaciamiento proporcionado por los agregados gruesos (Beaton 1976). La micro textura se refiere a las irregularidades de los agregados gruesos y finos. El efecto de la textura en la resistencia al patinaje se muestra en la fig. 3.19, de la que se pueden sacar varias conclusiones. Primero, la micro textura puede proporcionar una adecuada resistencia al patinaje a bajas velocidades, como en áreas urbanas (línea 3). Segundo, el uso de agregados gruesos y finos redondeados da valores bajos de resistencia al patinaje (línea 2 y 4).

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El Agregado

Fig. 3.19 Efecto de la textura del pavimento en la resistencia al patinaje

Diferentes ensayos de carga repetida evalúan el cambio de la micro y macro textura. Algunos de los métodos empleados pueden dividirse en volumétricos, perfil, topografía, contacto, drenaje y otros. Los diferentes métodos reportan resultados diferentes y no es posible correlacionar un ensayo con otro. El método más común para la macro textura es el ensayo del “área de arena”. Los métodos volumétricos son comúnmente usados para evaluar la micro textura. Este incluye el área de arena, área de arena modificado, vibración del área de arena, sendero de arena, mancha de aceite y masilla de silicona. Los ensayos para medir el perfil pueden ser el texturómetro, linealidad, liviandad, y desgaste/rugosidad. El texturómetro, desarrollado por el Texas Transportation Institute, consiste en calibrar a cero una superficie lisa, y luego deslizarla por la superficie para medir la variación en la superficie. Otros métodos que usan microscopio son la linealidad, liviandad, y desgaste/rugosidad. La linealidad desarrollado por Kansas Highway Comision consiste en desplazar el espécimen transversalmente bajo el microscopio. Ensayo del Área de Arena Normado por la ASTM E 965-1995 usado para evaluar la profundidad promedio de la macro textura de la superficie del pavimento. Valores mayores a 0.80 mm se consideran excelentes, para valores menores a 0.60 mm se considera que la macro textura es inadecuada y puede ser extremadamente resbaladizo (Tremblay y otros 1995). El ensayo consiste en colocar un volumen conocido de material en una superficie seca. La foto 3.5 muestra el volumen predeterminado del material de ensayo en el contenedor y espécimen de ensayo. El material a ser ensayado en el que pasa el tamiz No. 60 y se retiene en la No. 80. Este material se extiende

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dentro de un área circular con un disco, foto 3.6. Se mide el diámetro del área, foto 3.7. Se realizan por lo menos cuatro mediciones, y el diámetro promedio se usa para determinar la profundidad promedio de la macro textura de la superficie (MATXd).

Foto 3.5 Contenedores con materiales a ser ensayados

Foto 3.7 Medida del área de arena

Foto 3.6 Area circular del material de ensayo

La profundidad de la macro textura se calcula con la siguiente ecuación: MATX d =

4V πD 2

donde: V D

volumen del material de ensayo diámetro promedio del área cubierta por el material de ensayo

Ensayo de Drenaje Superficial El tiempo en que la superficie drene también puede ser usada como un índice de la textura superficial. Un medidor de drenaje (Moore 1966) de 13 mm de diámetro y 13 mm de altura conteniendo un volumen conocido de agua a presión atmosférica se coloca sobre la superficie del pavimento. Un anillo de jebe pegado debajo del cilindro se comporta de manera similar al paso de la llanta en la superficie. El tiempo que demora el agua para fluir fuera del tanque se relaciona con la macro textura de la superficie del pavimento.

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El Agregado

Micro textura Medir la micro textura en la superficie del pavimento es dificultoso y puede ser inferido por los cambios en sus propiedades friccionantes. Estos se hace usando un dispositivo de pulimento acelerado y un sistema de medición de fricción. A continuación se detalla ambos ensayos normados por la ASTM. Equipo Británico Portátil de Resistencia al Patinaje ASTM E 303 (1995) También llamado Péndulo Británico de resistencia al patinaje, foto 3.8 puede usarse tanto en laboratorio como en campo. El ensayo consiste de un péndulo que se puede desplazar 180º. Un dispositivo en forma de patita de jebe se coloca en la base del péndulo. El péndulo tiene una energía potencial. Cuando la energía potencial se convierte en energía cinética se disipa por fricción de la patita de jebe sobre la superficie. Se registra el máximo desplazamiento del péndulo.

Foto 3.8 Equipo Británico Portátil de Resistencia al Patinaje

La ventaja de este ensayo es que tiene un costo inicial bajo, es portátil y puede ensayarse en diferentes orientaciones. Sus desventajas incluyen que los resultados de la macro textura gruesa pueden ser cuestionables, esto solo puede simularse a bajas velocidades de patinaje (780 m/h) y se requiere calibración en el laboratorio. Para tener consistencia en los resultados, para la calibración se usa una superficie estándar de aluminio. Ensayo de Desgaste por Pulimento Con respecto a este ensayo, se necesitan evaluar cinco características del agregado: textura, forma, minerales constituyentes, composición química y gradación (Beaton 1976). La forma (angularidad) de los agregados puede evaluarse por cualquiera de los métodos ya descritos. Los minerales constituyentes se pueden evaluar por métodos petrográficos, estos minerales juegan un rol importante en el mantenimiento de la resistencia al patinaje. Los agregados de calizas/dolomitas tienden a desgastarse fácilmente y así la resistencia al patinaje decrece rápidamente. Los agregados volcánicos también muestras baja pero estable resistencia al deslizamiento, aunque su resistencia al pulimento es alta, la superficie del pavimento con este tipo de agregados tiende

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a mantener su macro textura en el tiempo. Areniscas de cuarzo, feldespato y minerales arcillosos muestran alta resistencia al pulimento. Actualmente, el Departamento de Transportes de New Hampshire emplea el ensayo de abrasión por el método de Los Angeles para evaluar las características de desgaste de los agregados de HMA. Este ensayo estandarizado por AASHTO T-96-94(1998), Standard Test Method for Resistance to Degradation of Small Size Coarse Aggregate by Abrasión and Impact in the Los Angeles Machine. Consiste en colocar el peso conocido de un material en un tambor junto con esferas de acero de peso conocido. El tambor se hace rotar y luego de un número de revoluciones, el material menor que el tamiz No. 12 se pesa. El porcentaje de abrasión es el porcentaje que pasa el tamiz No.12. El porcentaje de abrasión no está bien correlacionado con el comportamiento en campo. El ensayo da altos valores para escorias y calizas, los pavimentos construidos con estos agregados muestran un buen comportamiento en campo. Dispositivo de Desgaste Acelerado y Pulimento Británico BS 812 (1989) El equipo fue diseñado para acelerar el desgaste y pulimento de la superficie del pavimento bajo un neumático de aproximadamente 20 cm de diámetro con 310 kPa de presión de inflado. La velocidad de la llanta es aproximadamente 420 m/hr (foto 3.9). La llanta presiona la superficie, preparada con la muestra a ser ensayada, con una carga normal de 391 N, por lo general el ensayo demora alrededor de 6 horas. La llanta rota con libertad en su propio eje y fricciona la muestra de pavimento con una arenilla. La arenilla gruesa se usa para acelerar el desgaste y la arenilla fina acelera el pulimento. Se emplea agua para humedecer la superficie del pavimento.

Foto 3.9 Dispositivo de Desgaste y Pulimento Británico

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El Agregado

Método de Proyección Es un método de pulimento acelerado usando altas presiones de agua por Laboratoire des Chaussées du Québec y el Laboratoire Ponts et Chaussées. Usa presión de agua de 10 MPa y un abrasivo fino colocado en un ángulo de 40º en la superficie del pavimento. La muestra se coloca en una tabla que es controlada por un computador moviéndola en incrementos de 0.25 mm en las direcciones XY (Foto 3.10). El agua y el abrasivo son colocados en cámaras debajo del dispositivo de ensayo. La muestra es de 150 mm por 100 mm (foto 3.11) y puede ser preparada mecánicamente usando un rodillo de compactación o un compactador Kneading. El ensayo demora aproximadamente 3 hr. por muestra.

Foto 3.10 Agua del dispositivo de proyección

Foto 3.11 Espécimen del método de proyección

La muestra se retira y se miden sus propiedades friccionantes usando el British skid resistance tester. En resumen, el British skid resistance tester es un método comúnmente usado para caracterizar las variaciones en las propiedades friccionantes de la superficie del pavimento. En los Estados Unidos, los ensayos acelerados de pulimento en el laboratorio son poco comunes. En otras ciudades como Canadá, los ensayos acelerados de laboratorio en agregados son rutinariamente realizados usando el dispositivo de Desgaste Acelerado y Pulimento Británico o usando el método de proyección (en Québec).

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Resistencia a la helada La durabilidad del agregado depende de la cantidad de agua que se congela dentro del agregado y su capacidad de resistir y/o la expansión. La durabilidad se relaciona con el volumen de poros -más precisamente con la distribución del tamaño de poros- y el módulo del agregado. A continuación se detallarán ensayos empleados en la evaluación de los agregados a ser utilizados en pavimentos para regiones frías. Ensayo de Durabilidad En el ensayo se emplea sulfato para evaluar la resistencia al congelamiento del agregado. Este es uno de los ensayos de laboratorio comúnmente usados para predecir la durabilidad de los agregados; fue mencionado en 1800 y posteriormente sufrió modificaciones, y ahora está normado por AASHTO T104 (1990) y ASTM C88 (1981). Los agregados son repetidamente empapados en sulfato de sodio o sulfato de magnesio y luego secados en horno. El ensayo simula la fuerza de expansión del agua congelada en los poros del agregado. En el ensayo la expansión es simulada por el crecimiento de los cristales de sulfato en los poros. Los cristales se incrementan en volumen durante el secado en horno generando expansión interna que puede dilatar el agregado, pero el esfuerzo interno que desarrolla debido al agua congelada no son solamente relacionados al crecimiento de cristales. Una causa mayor de esfuerzo durante el congelamiento, es la presión hidráulica producida por el agua expulsada debido a la expansión del hielo contra la pared del poro. Además, es bien conocido que la temperatura a la cual el agua se congela dentro de algún material poroso varía con el tamaño del poro: el poro muy pequeño, se congelará a menor temperatura. Como el agregado tiene diferentes tamaños de poro, no todos los poros se congelan a la misma temperatura, mientras que en el ensayo del sulfato, todos los poros, a pesar del tamaño, experimentan fuerzas expansivas causadas por el crecimiento de cristales. En consecuencia, el mecanismo de destrucción interna causada por el ensayo de resistencia al sulfato no reproduce el congelamiento natural. Ensayo de Fractura Hidráulica Recientemente, se generó un ensayo para simular las fuerzas hidráulicas generada por congelamiento del agua dentro del agregado. En este ensayo, el agregado sumergido en agua es sometido a altas presiones. La descompresión instantánea hace que el aire comprimido en el agua fluya desde los poros simulando el descongelamiento del agua en el interior del agregado. Sin embargo, las variaciones de presiones que se producen pueden no ser S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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El Agregado

representivos del fenómeno. Generalmente, los agregados que pueden resistir más de 100 ciclos de presión son completamente durables, y los que producen fracturas en 5% de las partículas del agregado en menos que 50 ciclos de presión tiende a mostrar pobre resistencia al congelamiento. Este ensayo requiere de más experiencia para evaluarlo. 3.9 ESTRUCTURA GRANULAR SUPERPAVE Históricamente las especificaciones de gradación han consistido de usos granulométricos. Los usos son bandas en el cual se especifica el porcentaje máximo y mínimo de un determinado tamaño de partícula que pasa un determinado tamiz. Tales especificaciones presentan una limitación no deseable. Mezclas pueden ser diseñadas dentro de la especificación el cual demuestra un pobre comportamiento en servicio. Específicamente, estas muestras tienen una pobre estructura granular y son susceptibles a deformaciones permanentes. Dentro de la misma especificación las mezclas pueden ser suficientemente densas que pueden reducir el contenido de asfalto al mínimo deseable y por lo tanto presentar problemas de durabilidad. Debido a ello, la SHRP desarrolló un método de especificación de la gradación granular basado en el concepto de puntos de control y la definición de una zona restringida. Tamaño Máximo Nominal y Tamaño Máximo El tamaño máximo nominal del agregado es el primer tamiz que retiene más del 10% de material. El tamaño máximo es el siguiente tamiz mayor que el tamaño máximo nominal.

Carta de Potencia 0.45 Superpave adoptó la carta de potencia 0.45 para graficar la granulometría de la mezcla de agregados como estaba siendo utilizada por la FHWA. No existe información a la elección de dicha carta. Algunos artículos señalan que la carta de potencia 0.45 no sería aplicable a todo tipo de agregado. Específicamente, se menciona que cartas de potencias mayores como 0.50 o 0.60 representarían mejor agregados chancados. La SHRP investigó la historia de la adopción de la carta 0.45. La carta tal como es utilizada actualmente está basado en el trabajo de Nijboer de los Países Bajos y de Goode y Lufsey de Bureau of Public Roads. Nijboer evaluó el acomodo de los agregados tanto naturales como artificiales y encontró que la configuración más densa ocurría para una gradación que reflejaba una línea recta en la carta de 0.45 de potencia. Goode y Lufsey, 1962 validó el trabajo de Nijboer para agregados en los EE.UU. La FHWA usa la carta de gradación de potencia 0.45 para definir las gradaciones permisibles. Esta carta usa una técnica gráfica para evaluar la

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distribución granulométrica de la combinación de agregados. El eje de las ordenadas (eje Y) es el porcentaje que pasa y el eje de las abscisas (eje X) está en escala aritmética de la abertura del tamiz en micrones, elevado a la potencia 0.45. La selección de la estructura granular resulta de la comparación con las especificaciones. El control de la gradación se basó en cuatro tamices de control: el tamaño máximo, el tamaño máximo nominal, el tamiz 2.36 mm, y el tamiz 0.075 mm. La línea de máxima densidad seca a la potencia 0.45 se grafica desde el origen hasta el tamiz máximo en el que pasa el 100% de material. A continuación se dará un ejemplo de elaboración de la carta potencia 0.45 para la designación Superpave 12.5 mm. El tamaño máximo nominal es 12.5 mm y el tamaño máximo del agregado 19.0 mm: Se detallará el procedimiento de elaboración de la carta: 1º) El tamaño de los tamices se grafican elevados a la potencia 0.45, por ejemplo, el tamiz 4.75 mm se grafica como 2.02, es decir 4.75 elevado a la potencia 0.45. Las cartas de potencia 0.45 no muestran las abscisas en escala aritmética como se muestra en la fig. 3.20, sino muestran las marcas de los tamices como en la fig. 3.21. 2º) Una importante característica de la carta de potencia 0.45 es la línea de máxima densidad seca. Esta línea se grafica desde el tamiz del tamaño máximo hasta el origen. La línea de máxima densidad seca (figura 3.20) representa la gradación donde las partículas del agregado alcanza su máximo arreglo posible. En el ejemplo la línea de máxima densidad para el tamaño máximo de 19 mm va desde el tamaño máximo nominal de 12.5 mm hasta el origen. Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100 80 60 40

Ejemplo: Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02

20 0 0

1

2

3

4

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Fig. 3.20 Base de la Carta Potencia de 0.45 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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El Agregado

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100 80 60

Línea de máxima densidad seca

40 20

19

12.5

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.075 0.15 0.3

0

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Fig. 3.21 Línea de máxima densidad seca para tamaño máximo de 19 mm

Puntos de Control La gradación del agregado deberá estar dentro de los límites de los “puntos de control”. Los “puntos de control” aseguran la buena gradación del agregado evitando problemas de segregación y de mezcla, con el ligante. Sin embargo, los “puntos de control” limitan el diseño, tanto que el tipo de mezcla SMA explicado más adelante, considera una granulometría incompleta, lo que le permite obtener una estructura granular más estables, resistente y menos deformable; sin embargo, dicha granulometria cae fuera de los “puntos de control”. Los problemas de segregación y mezcla con el ligante en el SMA son resueltos con la incorporación de fibras. Los puntos de control se ubican en le tamaño máximo nominal, un tamiz intermedio (2.36 mm), y tamiz más pequeño (0.075 mm). En el ejemplo los puntos de control están en 12.5, 2.36 y 0.075 mm. Figura 3.22.

Zona Restringida Para Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, de la mezcla. La zona restringida se encuentra a lo largo de la línea de máxima densidad seca entre el tamiz intermedio (4.75 mm ó 2.36 mm) y el tamiz 0.3 mm. La fig. 3.22 muestra los puntos de control y la zona restringida para una mezcla Superpave de designación 12.5 mm.

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Se especifica que las gradaciones no deben pasar por la zona restringida que es un área a uno y otro lado de la línea de máxima densidad seca que generalmente comienza en el tamiz 2.36 mm y se extiende hasta el tamiz 0.300 mm. El valor máximo y mínimo que se requiere para los puntos de control depende del tamaño máximo nominal.

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100

línea máx. densidad

80 60

zona restringida

40

tamaño máx tamaño nominal máx

puntos control

20

19

12.5

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.075 0.15 0.3

0

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Fig. 3.22 Límites de gradación Superpave para tamaño máximo de 19 mm La zona restringida forma una banda que Superpave recomienda que la granulometria de agregados no pase. Las granulometrías que pasan por debajo de la zona restringida son llamadas “gradación humped o encorvada”. En muchos casos, las gradaciones encorvadas indican mezclas muy arenosa y/o que la mezcla tiene mucha arena fina en relación a la arena total. Esta gradación con frecuencia resulta en una “mezcla tender”, que se manifiesta por problemas de compactación durante la construcción. Estas mezclas también reducen su resistencia a las deformaciones permanentes durante su vida de servicio. La Tabla 3.11 define los puntos de control y la zona restringida recomendada para diferentes tamaños máximos nominales. Todas las combinaciones de agregados deben pasar entre los puntos de control establecidos, además, deben estar fuera de la zona restringida.

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El Agregado

Tabla 3.11 Especificaciones de Agregados Superpave

Puntos de Control Tamaño estándar Tamaño máximo Nominal (mm) 9.5 mm 12.5 mm 19 mm 25 mm 50.0 37.5 100 25.0 100 90-100 19.0 100 90-100 12.5 100 90-100 9.50 90-100 2.36 32-67 28-58 23-49 19-45 0.075 2.0-10.0 2.0-10.0 2.0-8.0 1.0-7.0 Tamiz Zona Restringida 4.75 39.5 2.36 47.2 39.1 34.6 26.8-30.8 1.18 31.6-37.6 25.6-31.6 22.3-28.3 18.1-24.1 0.60 23.5-27.5 19.1-23.1 16.7-20.7 13.6-17.6 0.30 18.7 15.5 13.7 11.4

37.5 mm 100 90-100

15-41 0.0-6.0 34.7 23.3-27.3 15.5-21.5 11.7-15.7 10.0

Comentarios: a. Los cuatro puntos de control menores sirven para diferentes propósitos. El requerimiento mínimo y máximo de finos, asociado al tamiz 0.075 mm, está típicamente asociado al diseño de una mezcla asfáltica densa. Otras mezclas como Stone Mastic Asphalt, SMA que tiene de 10 a 14% de finos no cumpliría con esta especificación. b. Los puntos de control en el tamiz de 2.36 mm controlan la cantidad de arena en la mezcla. El punto de control superior limita la cantidad de arena en la mezcla y excluye las mezclas asfalto-arena las cuales no pueden ser diseñadas con la especificación Superpave. El punto de control inferior asegura el contenido adecuado de arena en la mezcla para asegurar la gradación densa. Una mezcla de granulometría abierta tipo “open graded” y mezclas asfálticas porosas no pueden conseguirse con esta especificación. c. La zona restringida ha sido especificada para asegurar una adecuada estructura en la mezcla. La combinación de agregados puede pasar sobre o debajo de la zona restringida. Las mezclas que pasan sobre la zona restringida tienden a ser arenosas y tienen una estructura más débil que las mezclas que pasan por debajo de la zona restringida. d. Las mezclas que pasan por debajo de la zona restringida están limitadas por el porcentaje mínimo que pasa la malla 2.36 mm. El punto de control estrangula la zona por donde la curva granulométrica debe pasar, por lo que

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

todas las mezclas que pasen por debajo de la zona restringida tendrán un contenido de arena similar. e. La zona restringida fomenta las mezclas incompletas o gap graded. Las mezclas que pasan debajo de la zona restringida son del tipo gap graded. Este tipo de mezcla fomenta una estructura con mayor capacidad de soporte de cargas al permitir una mayor participación de las partículas de gravas. El espacio entre los agregados gruesos es llenado con la mezcla asfalto-arena. Las arenas juegan un rol pobre en el soporte de cargas. Si la mezcla tiene mayor contenido de arena la granulometría el desplazada hacia arriba a la zona restringida, las partículas de arena comenzarían a separa el partículas de grava reduciendo la capacidad de soporte. f. Las mezclas gap graded son muy utilizadas en Europa. La mezcla tipo SMA es una mezcla gap graded en el cual la carga es soportada por el contacto piedra con piedra del agregado grueso y los vacíos se llenan con una masa fillerasfalto. La función del esqueleto de piedra es soportar la carga y desarrollar una alta resistencia a las deformaciones permanentes. La función del relleno asfáltico es proporcionar durabilidad y una larga vida al pavimento. Otro ejemplo de mezclas gap graded es el asfalto drenante que contiene 20% de vacíos de aire en campo. La carga es soportada por el contacto piedra con piedra de las partículas de agregado grueso. Los espacios vacíos contienen solo aire.

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4

Capítulo

Tipos de Mezclas Asfálticas 4.1 ANTECEDENTES

L

as mezclas asfálticas en caliente o hot-mix asphalt, HMA se utilizan para diferentes tipos de tráfico y diferentes condiciones medioambientales, debiendo los materiales y diseño cumplir con los requisitos del proyecto. El término hot-mix asphalt, HMA o mezcla asfáltica en caliente, se usa generalmente para incluir mezclas de agregado y cemento asfáltico que se producen en plantas de asfalto a altas temperaturas.

HMA se divide en tres tipos de mezclas: de gradación densa, open-graded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompletas. La Tabla 4.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las características granulométricas. Las gradaciones densas se subdividen en gradación continua o HMA convencional, large-stone mix, y mezcla arena-asfalto. Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable tratada con asfalto. El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfáltico gap-graded y mezclas stone mastic asphalt, SMA. Algunas mezclas HMA deben ser diseñadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se diseñan para mejorar la fricción, evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido. La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association, NAPA prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de

Tipos de Mezclas Asfálticas

mezcla que considera factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su preparación, y evaluación económica.

Tabla 4.1 Tipos de Mezclas Asfálticas en Caliente Gradación densa Convencional Tamaño máximo nominal usualmente de 12.5 a 19mm (0.5 a 0.75 pulg.) Large-stone Tamaño máximo nominal usualmente de 25 a 37.5mm (1 a 1.5 pulg.) Arena asfalto Tamaño máximo nominal menos que 9.5 mm (0.375pulg.)

Open-garded Porous friction course

Gap-graded Gap-graded convencional

Base permeable tratada Stone Mastic Asphalt con asfalto (SMA)

4.2. DEFINICIONES Mezclas de gradación densa HMA HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de gradación continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal 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 mm (1 pulg.). Como se ve en la Fig. 1.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (más grandes que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactación. Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (Fig. 1.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacíos 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 mezclas es típicamente muy bajo.

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a. Gradación densa

b. Open-graded

c. Gap-graded

Fig. 4.1 Gradaciones representativas de HMA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (Fig. 1.1b). El principal propósito de este tipo de mezclas 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 primer tipo de mezcla son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional. El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa. Mezclas gap-graded La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la Fig. 1.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la Fig. 1.1c. 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 no. 200. Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el draindown.

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4.3 TIPOS DE PAVIMENTO ASFÁLTICOS Los pavimentos asfálticos son estructuras flexibles que distribuyen las cargas a la subrasante preparada. Los pavimentos flexibles consisten de capas de HMA colocadas sobre la subrasante preparada. La subrasante es la capa de fundación que consiste del suelo existente o material de préstamo a una densidad específica. Las capas de pavimento generalmente se dividen en: capa superficial, capa intermedia o ligante y capa base. Estas capas son diferentes en composición y se colocan en operaciones separadas. Las capas de pavimento de dos tipos comunes son: full-depth HMA y HMA sobre bases granulares se muestra en la Figura 4.2.

Fig. 4.2 Tipos de Pavimentos Asfálticos más comunes

Capa Superficial o Carpeta La carpeta superficial normalmente está formada por materiales de alta calidad. Proporciona características friccionantes, control de ruido, lisura, resistencia a las deformaciones y drenaje. Además, previene el ingreso de excesivas cantidades de agua superficial a las capas intermedias del pavimento. Capa Intermedia La capa intermedia consiste de una o más capas estructurales de HMA colocadas debajo de la carpeta. Su finalidad es distribuir las cargas de tráfico a la fundación sin que ésta se deforme permanentemente. Esta capa puede o no ser usada, dependiendo de la selección del tipo de mezcla. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Capa Base La capa base consiste de una o más capas de HMA ubicadas en la base de la capa estructural de HMA. Tambié, puede ser base granular o base estabilizada. Su principal función es proporcionar el principal soporte a la estructura del pavimento. Capa Nivelante La capa nivelante, es una delgada capa de HMA usada en rehabilitaciones para corregir pequeñas variaciones del perfil longitudinal y transversal del pavimento existente. Tráfico Las cargas de tráfico se calculan para definir los espesores y el tipo de mezcla HMA que será usada en la estructura del pavimento. La American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO expresó el tráfico en número de ejes equivalentes de 18-kip denominado ESAL. La FHWA considera los siguientes niveles de tráfico: Tráfico Bajo Intermedio Alto

ESAL 10’000,000

4.4 APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS Las conclusiones que llegaron un grupo de expertos de las instituciones más representativas en los EE.UU. (NCAT, FHWA, NAPA, y DOTs de Florida, Georgia, Maryland, Arizona y New York) sobre cuales son los tipos de mezclas asfálticas más apropiadas para las diferentes capas que componen la estructura de pavimento en función del tráfico se presentan en la Fig. 4.3 Las recomendaciones se dan en 03 niveles: Altamente Recomendable, Medianamente Recomendable y Poco Recomendable. También se señalan 03 niveles de tráfico: Alto, Intermedio y Bajo nivel de Tráfico de acuerdo al criterio de la FHWA. Las mezclas asfálticas consideradas son: las mezclas de HMA densas tanto gruesas como finas, las mezclas del tipo gradación abiertas o mezclas porosas denominadas open-grade, las mezclas de gradación abierta de alto nivel de fricción superficial o open-graded friction course OGFC, las mezclas tipo SMA y las bases tratadas con asfaltos, ATPB.

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Fig. 4.3 Recomendación del Tipo de Mezclas Asfálticas

Las recomendaciones del grupo de expertos fueron aún más al detalle. La Fig. 4.4 considera además del tipo de mezcla asfáltica, el espesor mínimo de capa relacionado al tamaño máximo nominal del agregado.

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Fig. 4.4 Espesor Mínimo de Capa

4.5 ELECCIÓN DEL TIPO DE MEZCLA ASFÁLTICA Los siguientes pasos permiten elegir un tipo de mezcla apropiado para una aplicación específica: 1. Determinar el espesor total del HMA requerido. Construcción nueva diseño estructural de acuerdo a los procedimientos establecidos Rehabilitación evaluación del comportamiento o performance y diseño estructural del pavimento. 2. Determinar el tipo de mezcla apropiado para la carpeta basado en función del tráfico y costo.

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a) Identificar en la Fig. 4.3 la categoría del tráfico del pavimento. Por ejemplo, para trafico bajo, el grupo de expertos recomienda solamente mezclas densas. Sin embargo, para tráfico alto, se puede considerar un SMA o OGFC. Para tráficos altos todos los tipos de mezclas son apropiados b) Determinar el tamaño del agregado que se usará en la mezcla. La principal consideración para esto es el tráfico. A mayores cargas de tráfico, la mezcla de agregado debe tener mayor tamaño máximo nominal. c) Consideraciones de apariencia. Mezclas con tamaño de agregado mayores con frecuencia tienen textura superficial gruesa y puede ser más susceptible a la segregación. Por eso, para pavimentos en calles, se recomienda usar mezclas más finas como mezclas de gradación densa de 9.5 a 12.5 mm, mientras que las mezclas 19.0 mm puede ser la más apropiada para áreas industriales. Sin embargo, nunca se debe sustituir la performance por la apariencia. d) Flujo de tráfico. Otra consideración es seleccionar el tamaño de agregado en una mezcla minimizando el impacto del flujo de tráfico durante rehabilitación de la carretera existente. 3. Descontar el espesor de la carpeta del espesor total de diseño. Determinar qué mezcla o mezclas son apropiadas para capas intermedias y/o base. 4. Descontar la capa intermedia/base del espesor total, hasta que los espesores de capa de la mezcla sean seleccionados para la sección de pavimento requerido. Ejemplo de Aplicación A continuación se muestra un ejemplo del proceso de selección para dos pavimentos que requieren 150 mm(6”) de HMA cada uno. Uno de los pavimentos está ubicado en el centro de la ciudad en una zona comercial con tráfico moderado. La otra está en un área industrial con tráfico moderado pero mayor porcentaje de tráfico de camiones y traileres.

Paso 1: Determinación del Espesor Total Proyecto A: Calle del centro de la ciudad que será reconstruido. Tanto performance como apariencia son importantes. Espesor total de HMA requerido para este proyecto es 150 mm (6”). Tráfico moderado

Proyecto B: Zona industrial, parte de carretera rural existente. El incremento de tráfico requiere 150 mm (6”) de recapado. Tráfico moderado a alto.

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Paso 2: Determinación del tipo de mezcla de la carpeta y espesor 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm Proyecto A: Según las Fig. 4.3 y 4.4, la gradación fina densa (DFG) es la más recomendada para este nivel de tráfico. SMA también puede ser usado para este caso puede no justificar el gasto. Un DFG 9.5 mm, parcialmente por apariencia. El espesor es de 37.5 mm.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm Proyecto B: Según las Fig. 4.3 y 4.4, todas las mezclas son adecuados para este tráfico. Como el tráfico es lento, OGFC no se considera. La resistencia a las deformaciones permanentes es el principal mecanismo de falla por el alto porcentaje de camiones y traileres, de esa manera una mezcla de piedra grande puede usarse para la carpeta porque la apariencia no es muy importante. Mezcla de gradación gruesa densa 12.5 mm se selecciona para la carpeta. El espesor de la mezcla es 37.5 mm.

Paso 3: Determinación del tipo de mezcla de la capa intermedia y espesor 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DFG o DCG, espesor 57 mm Proyecto A: Según las Fig.4.3 y luego 4.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0 mm son adecuados para este tráfico y capa El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor colocarla en una sola capa porque el espesor mínimo es 75 mm, que es más de la mitad del espesor restante. Con mezcla 19.0 mm de DFG o DCG se colocaría alrededor de la mitad del espesor restante total. Un 19.0 mm DFG o DCG se selecciona para mejorar la performance. El espesor seleccionado es 57 mm para facilitar la compactación.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DCG, espesor 57 mm Proyecto B: Según las Fig.4.3 y luego 4.4, se puede usar 19.0 mm o 25.0 mm de DFG o DCG para la carga de tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor colocarla en un espesor de 75 mm que es más que la mitad del espesor restante. Tanto DFG y DCG de 19.0 mm pueden colocarse en la mitad del espesor restante. Un 19.0 mm DCG se seleccionó para prevenir la deformación permanente. La capa es de 57.0 mm.

Paso 4: Determinación del tipo de mezcla de la capa base y espesor 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DFG o DCG, 2 capas de 57 mm de espesor cada capa. Proyecto A: Según la Fig. 4.3 y luego 4.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0 mm son adecuadas para este tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Mezcla 25.0 mm no se usa porque el espesor restante es menor que el espesor mínimo (75 mm). Mezcla DFG y DCG de 19.0 mm pueden colocarse como espesor restante, cualquiera de las dos proporcionan adecuada performance. El espesor de la capa es 57.0 mm para facilitar la compactación de mezclas DCG. El espesor total del pavimento sería ligeramente mayor que el requerido (151.5 mm vs. 150 mm) que es aceptable.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DCG, 2 capas de 57 mm cada capa. Proyecto B: Según la Fig. 4.3 y luego 4.4, mezcla densa DFG o DCG puede usarse para este tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm-37.5mm57.0mm), 55.5 mm. Una mezcla 25.0 mm no puede usarse porque el espesor restante es menos que el mínimo (75 mm). Tanto DFG y DCG de 19.0 mm pueden emplearse con el espesor restante. La mezcla DCG de 19.0 mm se selecciona para evitar deformaciones permanentes. El espesor total del pavimento es ligeramente mayor que el requerido (151.5 mm vs. 150 mm) que es aceptable.

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4.6 MEZCLAS ASFÁLTICAS DENSAS Una mezcla densa es una mezcla bien gradada (distribución uniforme de las partículas de agregados grueso a fino) de agregado y ligante de cemento asfáltico. Las mezclas apropiadamente diseñadas y construidas son relativamente impermeables. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). ƒ Tamaño Máximo Nominal (TMN) Con la finalidad de definir adecuadamente los términos, todas las mezclas densas se identifican por el tamaño máximo nominal del agregado en la mezcla. Este término se define por Superpave como un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene más del 10%. ƒ Mezclas densas de gradación fina y gruesa Las mezclas densas pueden clasificarse como de gradación fina o gruesa. Las mezclas de gradación fina tienen mas arena fina que las mezclas de gradación gruesa. La Tabla 4.2 puede ser usada para definir la granulometría que deben cumplir estas mezclas. Tabla 4.2 Definición de Mezclas Densas de Gradación Fina y Gruesa Mezcla TMN 37.5 mm (1 ½”) 25.0 mm (1”) 19.0 mm (3/4”) 12.5 mm (1/2”) 9.5 mm (3/8”) 4.75 mm (No. 4)

Gradación Gruesa

Gradación Fina

< 35% pasa el tamiz 4.75 > 35% pasa el tamiz 4.75 < 40% pasa el tamiz 4.75 > 40% pasa el tamiz 4.75 < 35% pasa el tamiz 2.36 > 35% pasa el tamiz 2.36 < 40% pasa el tamiz 2.36 > 40% pasa el tamiz 2.36 < 45% pasa el tamiz 2.36 > 45% pasa el tamiz 2.36 Gradación no estandarizada por Superpave

HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

La Tabla 4.3 presentan algunas ventajas de las un tipo de mezclas con respecto a la otra.

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Tabla 4.3 Ventajas de la Mezclas Densas Gruesas y Finas Gradación Fina Baja permeabilidad Trabajabilidad (TMN < 25mm)

Gradación Gruesa Permite espesores cerca de (TMN < 25mm) Textura macro incrementada (TMN < 25mm)

Espesor delgado (TMN < 25mm) Buena durabilidad para bajos volúmenes de tráfico (TMN < 25mm) Textura lisa (TMN < 25mm) HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

Características Se considera que las mezclas densas HMA son usadas de manera efectiva en todas las capas del pavimento y para todas las condiciones de tráfico. Una mezcla densa puede ser usada para cumplir con alguna o todas de las siguientes necesidades del proyectista: Estructural Este es el primer objetivo de las mezclas densas y es la principal función de los espesores de capa. Fricción Esta es una consideración importante para superficies gruesas. La fricción es una función del agregado y las propiedades de la mezcla. Nivelación Estas mezclas pueden ser usadas en capas delgadas o gruesas para llenar depresiones en la carretera. Materiales La Tabla 4.4 proporciona una guía de los materiales empleados en mezclas densas.

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Tabla 4.4 Materiales empleados en Mezclas Densas Capa Superficial

Material Agregado Ligante asfáltico Otros

Intermedia/ ligante

Agregado Ligante asfáltico Otros

Base

Agregado Ligante asfáltico Otros

Tráfico bajo ƒ Grava (limitada) ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ Típicamente no modificada ƒ Se pueden hacer modificaciones para tráfico pesado , intersecciones para tráfico alto. ƒ RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) ƒ Antistripping si los ensayos lo indican ƒ Grava (limitada) ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ Típicamente no modificado

Tráfico medio ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ Típicamente no modificada

Tráfico alto

ƒ Probablemente modificado ƒ Asfaltos no modificados basados en experiencias locales

ƒ Grava y piedra chancada ƒ Arena chancada y natural ƒ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos

ƒ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ƒ Antistripping si los ensayos lo indican No estandarizado No estandarizado ƒ Típicamente no modificada No estandarizado

ƒ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos ƒ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ƒ Antistripping si los ensayos lo indican

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Las mezclas densas se diseñan en los EE.UU. usando el método Superpave. Las Fotos 4.1 y 4.2 ilustran muestras densas. El método Marshall aún se utiliza en el Perú. Información sobre el Marshall, puede remitirse al “Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I” de S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la FIC-UNI.

Foto 4.1 Núcleo de muestra de 25.0 mm de mezcla densa

Foto 4.2 Muestras de 12.5 mm (izquierda) y 9.5 mm (derecha) de mezcla densas diseñadas con Superpave

Espesores recomendados La Fig. 4.5 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas densas.

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Fig. 4.5 Espesores mínimos recomendados para mezclas densas 4.7 STONE MASTIC ASPHALT (SMA) Las mezclas tipo SMA introducido en los EE.UU. en los años noventa y últimamente en Canadá. Las mezclas SMA cada vez tiene mayor aceptabilidad, sobre todo en lugares de climas fríos y para niveles de tránsito pesado. El SMA es de origen alemán de los años sesenta y su propagación en Europa ha sido vertiginosa. El tipo de mezcla par americano viene a ser el gap-graded. La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años en los EE.UU. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gapgraded se muestra en la Fig. 4.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la Fig. 4.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm (No. 200). Al igual que en las mezclas opengraded, la temperatura de descarga de la mezcla debe ser controlada para prevenir el draindown del ligante durante el almacenamiento o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con mezclas SMA para prevenir el draindown. SMA es una mezcla asfáltica en caliente tipo gap-graded que maximiza la resistencia a las deformaciones permanentes y durabilidad con un estable esqueleto de piedra-piedra junto con una mezcla rica en cemento asfáltico, filler y agentes estabilizadores como fibras y/o asfaltos modificadores. SMA es un pavimento desarrollado en Europa, específicamente en Alemania, para incrementar la resistencia a las deformaciones permanentes y evitar el desgaste de llantas con cadenas en climas gélidos. Las mezclas SMA tiene un alto costo inicial debido al mayor porcentaje de asfalto y el uso de agregados más resistente. Sin embargo, este mayor costo inicial puede ser más que compensado con el incremento de la resistencia a las deformaciones permanentes bajo cargas de tráfico medio a alto. Además, se incrementa la durabilidad y se evita el agrietamiento por fatiga. Algunos reportes incluyen disminución del ruido al paso de las llantas y mejor resistencia friccionante por su textura superficial gruesa. El agrietamiento reflejado en las mezclas SMA con frecuencia no es severo como en las mezclas densas porque el agrietamiento tiene menor tendencia a esparcirse. Función Como se mencionó líneas arriba, el principal propósito de las mezclas SMA es mejorar su comportamiento ante las deformaciones permanentes e S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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incrementar su durabilidad. Además, estas mezclas son exclusivamente usadas por su superficie gruesa bajo tráfico alto. En casos especiales como tráfico lento de vehículos y carga pesada, las mezclas SMA pueden emplearse en las capas intermedias. El estado de Georgia, usa frecuentemente mezclas de SMA con open-graded friction courses, OGFC como superficie de desgaste. Materiales SMA es una mezcla de alta calidad de sus materiales. Agregados cúbicos, baja abrasión, piedra chancada y arena preparada porque la mezcla se beneficia más del desarrollo de la resistencia del esqueleto de agregado piedra-piedra. El 100% de los agregados deben tener una o más caras fracturadas. No se permite el uso de arenas naturales. Los agregados deben tener alto valor al pulimento para tener buena resistencia al patinaje. La matriz de arena, asfalto, filler mineral, y aditivos también es importante en su comportamiento. Las arenas chancadas, filler mineral, y aditivos (fibras y/o polímeros) rigidizan la matriz que es una importante propiedad en este tipo de mezclas. El filler mineral y aditivos también reducen la cantidad de asfalto que drena hacia abajo en la mezcla durante la construcción, incrementando la cantidad de asfalto usado en la mezcla, mejorando así su durabilidad. En la Tabla 4.5 se da una guía general de los materiales usados en las mezclas SMA.

Tabla 4.5 Materiales para Mezclas SMA Capa Superficial e intermedia /ligante

Material Agregado

Ligante asfáltico Otros

Tráfico medio Tráfico alto ƒ Grava chancada ƒ Piedra chancada ƒ Arena chancada ƒ Filler mineral ƒ Asfalto modificado ƒ Asfalto modificado ƒ El asfalto no modificado ƒ Asfaltos no modificados puede ser usado para dependiendo de la tráfico bajo. experiencia local. ƒ Fibras ƒ Antistrip en la cantidad definida en laboratorio

En la tabla 4.6 se presenta un rango típico de granulometría SMA, presentado en el Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction.

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Tabla 4.6 Granulometría Típica para Mezclas Tipo SMA Tamiz de Diseño 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 0.60 mm 0.30 mm 0.075 mm 0.020 mm

Porcentaje que Pasa 100 85-95 Máx. 75 20-28 16-24 12-16 12-15 8-10 Menos que 3

Diseño de Mezclas El procedimiento de compactación Marshall y Superpave pueden ser usados para el diseño de mezclas SMA. Espesores Mínimos La Fig. 4.6 muestra el rango mínimo recomendado para las mezclas SMA de acuerdo al tamaño máximo nominal de partículas.

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Fig. 4.6 Espesores mínimos recomendados para mezclas SMA

La Tabla 4.7 presenta que mezclas tipo SMA son apropiadas para diferentes capas y el propósitos por el que se usan.

Tabla 4.7 Aplicaciones de Mezclas Tipos SMA Mezcla propuesta Tamaño máximo nominal del agregado Capa superficial Capa intermedia

9.5 mm ƒ Desgaste superficial ƒ Fricción ƒ Estructura ƒ Lisura No

12.5 mm

19 mm

No

ƒ Estructura

La foto 4.3 ilustra la diferencia en la estructura de agregados entre mezclas densas diseñado con el Superpave y una mezcla SMA.

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Foto 4.3 Diferencia entre mezcla densa y SMA 4.8 MEZCLAS OPEN-GRADED En los Estados Unidos, desde 1950, se emplean las mezclas OGFC para mejorar la resistencia friccionante, minimizar los encharcamientos (acumulaciones superficiales de agua), reducir las salpicaduras y emanaciones de vapor, mejorar la visibilidad nocturna y disminuir el ruido. En 1974 la FHWA desarrolló un procedimiento de diseño de mezclas OGFC usado por varios estados. Muchos departamentos de transportes reportaron un comportamiento aceptable. Con un buen diseño de mezclas y buena práctica constructiva, las mezclas OGFC no deben tener problemas de raveling o delaminación y deben mantener su alta permeabilidad y macro textura. La NCAT investigó una nueva metodología de diseño de mezclas para OGFC y evaluó el tipo de fibra que se incorpora en estas mezclas para evitar el escurrimiento. Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (Fig. 4.1b). Las mezclas opengraded se diseñan para que sean permeables, mejorando las condiciones de manejo al permitir el drenaje del agua a través de su estructura porosa. Además, minimiza el encharcamiento durante las lluvias. Se tienen dos tipos de mezclas open-graded. La primera comprende mezclas con superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reducir las salpicaduras de las llantas y los ruidos de las llantas; este tipo de mezcla frecuentemente se define como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC -19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.)- y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de mezclas open-graded friction course, OCFG es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia entre estos dos tipos de mezcla es la gradación de los agregados. Los asfaltos con caucho

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incorporados o rubberized se usan con frecuencia en la producción de mezclas OGFC para mejorar la capacidad de adhesión del asfalto al agregado. Aunque el contenido de vacíos es alto, el espesor de la película de asfalto es típicamente mayor que para las mezclas HMA de gradación densa. El contenido de asfalto total para mezclas OGFC es similar o ligeramente mayor que las mezclas densas con el mismo tamaño máximo de agregados. El procedimiento de diseño de mezclas OGFC consiste en seleccionar el contenido de asfalto necesario para un espesor de película de asfalto seleccionado. Una de las propiedades que generalmente se evalúan en el diseño de mezclas es su capacidad drenante a través de la matriz del agregado. La FHWA recomendó las siguientes gradaciones OGFC: Tamiz ½” (12.5 mm) 3/8” (9.5 mm) no.4 (4.75 mm) no.8 (2.36 mm) no.200 (0.075 mm)

%pasa 100 95-100 30-50 5-15 2-5

El contenido de asfalto se calcula con la capacidad superficial (Kc) del agregado retenido en el tamiz no.4 (4.75 mm). Kc se calcula con el porcentaje de aceite grado SAE no.10 retenido por el agregado que representa el efecto total del área superficial, las propiedades de absorción del agregado y rugosidad superficial. La capacidad de vacíos del agregado grueso es determinada utilizando un equipo de compactación vibratorio. La cantidad óptima de agregado fino es la que llena los vacíos entre las partículas de agregado grueso. La mezcla de agregados debe proporcionar el suficiente espacio para el contenido de asfalto requerido e interconectar los vacíos para el drenaje. El procedimiento de la FHWA establece temperaturas de mezcla óptima sobre la base de ensayos de drenaje realizados a diferentes temperaturas. . El empleo de asfaltos con caucho incorporados o rubberized con ligante resulta en temperaturas de mezcla generalmente mayores que las mezclas convencionales de asfalto. La temperatura de mezcla muy alta permite que el ligante drene a través del agregado, resultando en una alta variación del contenido de asfalto en la mezcla, formando manchas sobre el pavimento. Si la temperatura de mezcla es muy baja, el agregado no será completamente recubierto. El problema del drenaje de asfalto depende del tiempo de almacenamiento del OGFC. Un largo periodo de almacenamiento resulta en excesivo drenaje de asfalto a través de la mezcla. Cuando la mezcla tipo OGFC es almacenada en un silo por corto periodo de tiempo, el drenaje no ocurre.

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El asfalto puede tender a drenar a través del agregado durante el transporte, desde la zona de mezclado hasta la obra. Si esto ocurre, el asfalto puede salirse del camión que lo transporta o puede formar un charco en la base del camión y causar una gran mancha debajo en el fondo de la mezcla cuando se descarga. Así, el asfalto del fondo resulta en una mancha sobre la superficie del pavimento. Cuando el OGFC llega al lugar de colocación, tiende a verse abundante debido al mayor espesor de película y la escasez de material fino. Esto es normal. Por lo general el espesor de OGFC colocado en obra es de ¾” (19 mm) usando gradación de tamaño máximo ½” (12.5 mm). Las mezclas OGFC no se usan sobre superficies de pavimentos desniveladas. El pavimento deberá ser nivelado con una mezcla de gradación densa. Otro problema que ocurre cuando se recapea pavimentos desnivelados es el daño sobre mezclas de espesor menor de ¾ pulg. ó 19mm. El OGFC no se coloca en climas fríos. Severas fallas se atribuyen a la pérdida de vínculo entre el OGFC y la superficie existente porque se colocó en climas fríos. Muchos estados especifican temperatura mínima de aire entre 60 y 70ºF (16 a 21ºC) para la colocación de mezclas OGFC. No se especifica densidades para mezclas OGFC. El procedimiento normal de compactación es 2 a 3 pasadas sobre la superficie con rodillo con llanta de acero. No se deben utilizar rodillos compactadores vibratorios o neumáticos. El rodillo vibratorio degrada el agregado y el rodillo neumático tiende a levantar el asfalto, especialmente cuando se usa asfalto rubberized. Otro problema con el rodillo neumático es que cierra excesivamente los vacíos debido a la acción de las llantas. Los valores bajos de vacíos no permiten un buen drenaje del agua a través de la superficie. El control de calidad de mezclas OGFC es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia es que no requieren controles de compactación de campo o laboratorio. Los ensayos generalmente realizados son: contenido de asfalto, granulometría, espesor y lisura. Estos ensayos se realizan rutinariamente para asegurar una mezcla satisfactoria. El proceso de control de calidad de campo debe ser realizada por un supervisor con experiencia en este tipo de mezclas. Las fallas más frecuentes que pueden ocurrir son: drenaje de asfalto, levantamiento de la mezcla detrás de la pavimentadora y el procedimiento inapropiado de compactación. La superficie del OGFC debe mostrar una adecuada resistencia al patinaje, sobre todo en climas lluviosos. Existen muchos estudios que indican problemas de stripping en la capa donde reposa el OGFC. Para salvar este problema, se usan agentes antistripping en las capas inferiores. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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friction course, OGFC para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La diferencia de las mezclas open-graded con las mezclas densas y SMA, es que estas mezclas usan solamente piedra chancada o, en algunos casos grava chancada con pequeño porcentaje de arena chancada. Se recomienda el uso de asfaltos modificados y fibras. Esto incrementa la cantidad de asfalto que puede ser usado con estas mezclas, mejorando su durabilidad y comportamiento. Materiales La Tabla 4.8 proporciona una guía general de los materiales usados en mezclas open-graded. Tabla 4.8 Materiales de Mezclas Open-graded Capa OGFC

Material Agregado Ligante asfáltico Otros

Tráfico medio Tráfico alto Piedra chancada, Grava chancada y Arena chancada Asfalto modificado Fibras y agentes antistripping

Espesores Mínimos La Fig. 4.7 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas open-graded.

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Fig. 4.7 Espesores Mínimos de mezclas open-graded

La Tabla 4.8 presenta el tipo de mezcla apropiada para diferentes capas y el propósito para el que se usan.

Tabla 4.8 Aplicación de tipos de mezclas open-graded Propósito Tamaño máximo nominal del agregado Capa superficial Capa base

9.5 mm

12.5 mm

ƒ Desgaste superficial ƒ Fricción ƒ Reducción de ruidos ƒ Reducción de salpicaduras No No

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19 mm

No ƒ Drenaje

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Capítulo

Tipos de Daños en Carpetas Asfálticas 5.1 INTRODUCCIÓN

Las mezclas asfálticas como otros materiales de pavimentación están sujetas a una variedad de daños. El desarrollo de estos daños no debería ser visto con alarma a menos que ocurra de manera prematura y significativa en la vida del pavimento. Tan pronto como el pavimento se aproxima a su vida útil o de diseño, la ocurrencia de daños es esperada como resultado de la influencia del medio ambiente y las cargas de tráfico. Es importante entender que el tipo de daño que ocurre en la superficie del pavimento puede tener diversas causas, las cuales pueden ser adecuadamente identificadas antes que las acciones correctivas deban ser tomadas. Por ejemplo, si deformaciones excesivas han ocurrido en la superficie de la mezcla, el ingeniero debe determinar cuál capa o capas de la estructura del pavimento ha causado dicho daño, antes que un método de reparación sea diseñado. Las deformaciones pueden ocurrir debido a mezclas inestables por el alto contenido de asfalto, consolidación bajo tráfico, desprendimiento del recubrimiento de asfalto del agregado debido a mayores cargas de tránsito o presiones de llanta considerados en el diseño. La manifestación visible del problema en la superficie puede ser la misma; sin embargo, la solución para cada causa puede ser diferente. Asimismo, si la remediación es efectiva, la causa del problema debe ser identificado y corregido. En 1979 Kennedy y otros, desarrollaron las siguientes definiciones sobre daños en pavimentos flexibles: a. Daño es la condición de la estructura de pavimento que reduce o tiende a reducir la serviciabilidad. b. Las manifestaciones de daño son las consecuencias visibles de varios mecanismo de daños los cuales usualmente tiende a reducir la serviciabilidad.

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c. Falla estructural es una fractura o distorsión que puede o no puede causar una inmediata reducción en la serviciabilidad pero tiende a futura pérdida de serviciabilidad. d. Fractura es el estado del material del pavimento que es quebrado. e. Distorsión es un cambio permanente en la forma del pavimento o sus elementos constituyentes. f. Desintegración es la descomposición o abrasión del pavimento o de sus elementos constituyentes. g. Grietas reflejadas ocurren en la superficie del pavimento que coinciden con y/o son causadas por, el movimiento relativo de grietas y juntas en capas sobreyacientes. h. Grietas por baja temperatura son generalmente grietas transversales que son causadas cuando los esfuerzos de tensión causados por la contracción de la mezcla, exceden la resistencia a la tracción del material superficial. i. Deslaminación es la progresiva desintegración de la capa superficial de mezcla. La deslaminación se produce hacia abajo debido al desprendimiento de las partículas de agregados. Esto puede ser causado por insuficiente asfalto en la mezcla, endurecimiento del asfalto, presencia de humedad o polvo en el agregado, agregado con superficie lisa o compactación insuficiente. j. Asentamiento son depresiones longitudinales que se forma en la trayectoria de la llanta sobre el pavimento. Los asentamientos resultan de la compactación o migración lateral de uno o más de los materiales de las capas de pavimento bajo la acción del tráfico o medio ambiente. k. Superficies desgastadas son partículas de agregados superficiales que tienen superficies suaves y redondeadas con microtextura fina, tanto en su condición original como después del efecto abrasivo del tráfico. l. Grietas por fatiga en la capa del pavimento son causados por la combinación de deformaciones repetitivas y la reducción aparente de la resistencia a tracción causado por fatiga del material de capa. Las deformaciones repetitivas que causan fatiga son usualmente resultados del tráfico pero puede incluir deformaciones termo-inducidas u otro tipo de deformación. De los tipos de daños mencionados se explicarán con mayor detalle los más importante por la frecuencia con que se producen. 5.2 DEFORMACIÓN PERMANENTE La deformación permanente o “rutting” es el resultado de la deformación plástica no recuperable debido a cargas de tráfico aplicadas al pavimento. La

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deformación permanente puede ocurrir en alguna capa del pavimento o subrasante. El enfoque de este análisis es la deformación permanente en HMA causado por consolidación y/o desplazamiento lateral de la HMA bajo tráfico. El desplazamiento lateral es por falla al corte de la capa de HMA que generalmente ocurre en los primeros 100 mm de la carpeta, sin embargo, esto puede ocurrir a mayores profundidades cuando los materiales usados no son satisfactorios. La deformación permanente en el pavimento por lo general se desarrolla gradualmente con el incremento de las aplicaciones de carga, típicamente aparece como una depresión longitudinal en la trayectoria de la llanta algunas veces acompañada por pequeños levantamientos a los lados. Esto es típicamente causado por una combinación de densificación (disminución de volumen e incremento de densidad) y deformación por corte que puede ocurrir en una o más capas de HMA (foto 5.1).

Foto 5.1: Deformación Permanente debido al tiempo de servicio, tráfico pesado y altas temperaturas 5.3 AGRIETAMIENTO POR FATIGA El agrietamiento por fatiga, también llamado “piel de cocodrilo”, generalmente ocurre cuando el pavimento es esforzado al límite de fatiga por repetidas aplicaciones de carga y deformaciones elásticas excesivas (foto 5.2). El agrietamiento por fatiga se asocia con cargas pesadas para la estructura del pavimento, más repeticiones de carga que las de diseño que inducen deformaciones excesivas. El problema se incrementa con un inadecuado drenaje en el pavimento que contribuye a fallas, permitiendo que las capas de pavimento se saturen, pierdan resistencia y sobre todo rigidez. Las capas de HMA experimentan altas deformaciones cuando las capas granulares subyacente se debilitan por exceso de humedad y falla prematura por fatiga. El agrietamiento por fatiga puede desarrollar baches cuando las piezas individuales de HMA se separan físicamente del material adyacente y son desalojados de la superficie del pavimento por acción del tráfico. Los baches generalmente ocurren cuando el agrietamiento por fatiga es excesivo o muy avanzado y cuando se usan capas delgadas de HMA (diseño subdimensionado).

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Foto 5.2: Agrietamiento por fatiga debido a las deformaciones elásticas excesivas y/o tráfico y tiempo de servicio.

El agrietamiento por fatiga generalmente se considera como un problema estructural más que un problema individual de calidad de materiales. Esta falla se produce por un número de factores que ocurren individual o simultáneamente en el pavimento. Obviamente, la repetición de cargas pesadas debe estar presente. Un inadecuado drenaje en la subrasante, resulta en un pavimento débil y con grandes deflexiones, siendo ésta la causa principal del agrietamiento por fatiga. Un diseño inapropiado y/o deficiente calidad de construcción de las capas del pavimento, sometidas a altas deflexiones cuando son cargadas, contribuyen al agrietamiento por fatiga. En el pasado se pensaba que el agrietamiento por fatiga se iniciaba en las capas inferiores y se propagaba hacia la superficie, en la creencia que estos agrietamientos comenzaban por la pérdida de resistencia a la tensión de las capas inferiores de la HMA. Recientemente, se ha observado también que el agrietamiento por fatiga puede iniciarse en la superficie y migra hacia abajo. En realidad el inicio del agrietamiento dependerá de las características de la subrasante y el pavimento o en el estado esfuerzo-deformación que se genere. Se postula que en subrasantes resistentes conformado por suelos granulares y pavimentos delgados la compactación dinámica o pérdida de rigidez localizada puede generar asentamientos diferenciales y esfuerzos de tracción en el nivel inferior. En subrasantes débiles y pavimentos de mayores espesores la flexión se produce en la superficie iniciando la fisura por tracción en la superficie.

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NIVELES DE AGRIETAMIENTOS POR FATIGA El agrietamiento por fatiga se evalúa de acuerdo al grado de severidad, en la foto 5.3 se puede apreciar que la severidad baja tiene discontinuidades con grietas delgadas comenzando a interconectarse y formando una ligera piel de cocodrilo; la severidad media, tiene agrietamientos completamente interconectados y con la piel de cocodrilo formada, el ancho de las grietas pueden ser mayores que ¼”, pero permanecen en su sitio; y la severidad alta, la piel de cocodrilo está bien formada, las piezas individuales están sueltas y pueden romperse bajo cargas de tráfico, pudiendo moverse y perderse. El bombeo de los finos a través de las grietas es evidente. Bajo

Medio

Alto

Foto 5.3: Grados de severidad de agrietamientos por fatiga 5.4 AGRIETAMIENTO POR BAJA TEMPERATURA El agrietamiento por baja temperatura es debido a bajas temperaturas extremas, mientras que el agrietamiento debido a ciclos de temperatura se refiere al agrietamiento por fatiga térmica. El agrietamiento por baja temperatura se atribuye a deformaciones por tensión inducidas en la mezcla por la caída, a niveles críticamente bajo de temperatura. El agrietamiento es causado por bajas temperaturas más que por las cargas de tráfico, aunque estas deben representar un papel importante. El agrietamiento por fatiga térmica se caracteriza por grietas transversales al eje de la carretera que aparecen a distancia constante, foto 5.4. El agrietamiento por baja temperatura se produce cuando el pavimento se contrae en climas fríos, iniciándose la deformación por tensión dentro de la capa. En algunos puntos a lo largo de la carretera, el esfuerzo de tensión excede la resistencia a la tensión de la capa de asfalto, agrietándose. El agrietamiento por baja temperatura con frecuencia ocurre con un único evento de descenso de temperatura. El agrietamiento por baja temperatura puede también ser un fenómeno de fatiga resultando del efecto acumulativo de muchos ciclos de climas fríos. La magnitud y frecuencia de temperaturas bajas y rigidez de la mezcla asfáltica en la superficie, son los principales factores en la ocurrencia e intensidad del agrietamiento transversal por baja temperatura.

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Foto 5.4: Agrietamiento por fatiga térmica.

El agrietamiento comienza en la superficie y desciende. La rigidez de la mezcla, inicialmente relacionada a las propiedades del ligante asfáltico, es probablemente el mayor contribuyente al agrietamiento por baja temperatura. La severidad de las grietas por fatiga térmica se muestra en la foto 5.5. La severidad baja tiene espesores menores que ¼”; en la severidad media, las grietas son ligeramente mayores que ¼”, de espaciamiento aleatorio; y la severidad alta, presenta grietas espaciadas aleatoriamente cerca de los bordes e intersecciones, se propaga a lo largo de toda la sección. Bajo

Medio

Alto

Foto 5.5: Grados de severidad de agrietamientos por fatiga térmica

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5.5 SUSCEPTIBILIDAD AL HUMEDECIMIENTO O STRIPPING Los factores medioambientales como la temperatura y la humedad pueden tener un importante efecto en la durabilidad del pavimento. Cuando las condiciones medioambientales críticas se combinan con una pobre calidad de materiales y tráfico pesado, las fallas prematuras pueden ser consecuencia de la peladura o stripping del ligante asfáltico de las partículas de agregados. La peladura o stripping se define como el debilitamiento o pérdida eventual de la adhesión agregado-ligante por presencia de agua. La resistencia de la mezcla es consecuencia de la resistencia cohesiva del ligante, y la resistencia friccionante y trabazón del agregado. Si la resistencia a la cohesión se pierde ocurre una falla en la interfase agregado-ligante. El stripping es un problema complejo que depende de muchas variables que incluyen el tipo y uso de la mezcla, características del cemento asfáltico, características del agregado, condiciones medioambientales, tráfico, práctica constructiva, y el uso de aditivos anti-stripping; sin embargo, la presencia de la humedad es el factor más común de todos los stripping, foto 5.6.

Foto 5.6: Susceptibilidad al humedecimiento o stripping La adhesión se define como la fuerza de atracción entre moléculas simples que forman un cuerpo unido. La adhesión entre un material y otro es un fenómeno superficial. Esto depende del contacto cerrado de los dos materiales y la mutua atracción de sus superficies. Existen diferentes teorías que tratan de explicar el vínculo, o la escasez de éste, entre el agregado mineral y el asfalto. De acuerdo a la teoría generalmente aceptada, la adhesión es causada por energía libre en la superficie de la roca que atrae la energía libre de la superficie del líquido (asfalto o agua). Este fenómeno se denomina tensión superficial.

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Para posibles contactos cerrados entre el asfalto y la superficie del agregado, el asfalto debe ser licuado – por calentamiento, emulsificación, o combinación con solventes del petróleo. La capacidad del asfalto licuado para mantener los contactos cerrados con la superficie del agregado se llama fuerza de humedecimiento. La fuerza de humedecimiento del asfalto se controla por su viscosidad, a menor viscosidad, mayor fuerza de humedecimiento. La capacidad del agregado para formar contactos íntimos con un líquido se llama wettability. Prácticamente el asfalto no tiene atracción por el agua, y algunos agregados tienen atracción por el asfalto y agua. Así, si una película de agua esta en la superficie del agregado, el asfalto puede cubrir la partícula del agregado con facilidad pero no adherirse a su superficie, a menos que el asfalto reemplace la película de agua. Figura 5.1.

Asfalto Película de agua o polvo Agregado

Agregado

Figura 5.1: Sección transversal del agregado El asfalto también puede recubrir las partículas de agregado cubiertas con polvo sin adherirse a éste. El polvo evita el contacto del asfalto con la superficie del agregado, figura 4.1. Inclusive, si el agregado está seco, las partículas de polvo pueden crear fenómeno de tubificación o migración (pinholes) en la película de asfalto que permita el paso del agua a través. La textura superficial, porosidad, y absorción afectan la adhesión del asfalto al agregado. Los agregados de superficie lisa no se adhieren tan bien al asfalto como los agregados de superficie rugosa. Las partículas porosas requieren más asfalto que los agregados no porosos. Tipos de Stripping El stripping ocurre cuando el contacto entre el asfalto y el agregado se rompen o debilitan por el agua. El agua puede encontrarse sobre o dentro del agregado por un secado incompleto o por otras fuentes luego de la construcción. Son por lo menos seis las maneras en que el agua puede causar el rompimiento del contacto agregado y asfalto: emulsificación, desprendimiento, desalojamiento, ruptura de película, presión de poros, y arrastre hidráulico.

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1. Emulsificación:- Leer causas de stripping, más adelante. 2. Desprendimiento:- Se define como la separación del asfalto desde la superficie del agregado por causa de una delgada capa de agua. La película de asfalto puede despellejarse limpiando el agregado. 3. Deslaminación:- Cuando el asfalto adherido a la superficie del agregado se remueve por el agua. En este tipo de stripping, el agua libre consigue atravesar la superficie del agregado rompiendo el recubrimiento de asfalto. La ruptura puede ser por recubrimiento incompleto durante la mezcla o ruptura de la película o lámina de asfalto. 4. Ruptura de película:- La ruptura de película es un método de stripping. Actualmente, este inicia el stripping. La ruptura de la película de asfalto en las partículas del agregado probablemente ocurre bajo esfuerzos de tráfico en los bordes y esquinas cuando la película es muy delgada. 5. Presión de poros:- El incremento paulatino de la presión de poros es un tipo de stripping. Si la mezcla asfáltica tiene alto porcentaje de vacíos, el agua puede circular libremente a través de los vacíos interconectados. El tráfico puede reducir el contenido de vacíos del pavimento, cerrar las interconexiones entre vacíos, y atrapar el agua. A causa del tráfico, el agua tiene un movimiento frecuente y la presión de poros se incrementa paulatinamente hasta producir el stripping del asfalto desde el agregado. 6. Arrastre hidráulico:- El arrastre hidráulico se aplica más a cursos de agua superficiales que a cursos inferiores. Cuando el pavimento está saturado, las ruedas del vehículo presionan el agua dentro del pavimento en frente de los neumáticos y succiona detrás del neumático, éste ciclo tensióncompresión contribuye al stripping de la película de asfalto desde el agregado. Además, el polvo puede mezclarse con el agua de lluvia y precipitar el desgaste de la película de asfalto. Causas del Stripping El Proyecto de investigación bajo la designación SHRP A-003B realizado por la National Center for Asphalt Technology (NCAT) muestra que las propiedades superficiales físico-químicas del agregado mineral son las más importante para el stripping inducido por humedad comparado con las propiedades del ligante de cemento asfáltico. Algunos agregados minerales son muy susceptibles al stripping. Sin embargo, en muchos casos los factores externos y/o propiedades de campo de pavimentos HMA inducen al stripping prematura en pavimentos HMA. Un apropiado conocimiento de estos factores es esencial para identificar y resolver los problemas de stripping. Drenaje Inadecuado del Pavimento Un inadecuado drenaje superficial y/o subsuperficial proporción agua o vapor de agua que es el ingrediente necesario para inducir el stripping. El exceso de agua o humedad presentes en el pavimento pueden pelarlo prematuramente. Kandhal reportó algunos casos históricos donde el stripping no fue un fenómeno general ocurrido en el proyecto, pero se ubicó en áreas localizadas del proyecto sobre saturado con agua y/o vapor de agua debido a condiciones

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inadecuadas de drenaje, más detalles con respecto a estos casos históricos se dan en hojas posteriores. Inadecuado Secado del Agregado Estudios de laboratorio indican que el alto contenido de humedad residual en el agregado mineral antes de la mezcla con el cemento asfáltico incrementa el potencial de stripping. Cuando el tambor mezclador se introdujo en la producción de HMA por los años 70, se requerían bajas temperaturas de mezclado (y alto contenido de humedad en el HMA) para facilitar la compactación. Es una hipótesis, ahora, que esto podría causar algún problema de stripping. Sin embargo, muchos estados incrementan la temperatura de mezcla requerida por el tambor para facilitar el proceso de mezclado de la remesa. Indudablemente, un agregado con la superficie seca incrementaría su adhesión con el cemento asfáltico comparado con una superficie húmeda o mojada. Tipo de agregado Se cree que el agregado con alto contenido de silicatos, algunas veces llamado hidrofílicos (afinidad por el agua), son los más propensos al stripping y los agregados con bajo o nulo contenido de silicatos, algunas veces llamados hidrofóbicos (rechazo por el agua), no lo son. La experiencia, demuestra que son pocos los agregados que resisten completamente la acción del agua bajo todas las condiciones de uso. Los agregados silícicos o silicatos (hidrofílicos) como los agregados cuarzosos pueden ser usados con buenos resultados en muchas áreas cuando se pone el cuidado debido en el diseño de mezclas, propiedades de la mezcla, y práctica constructiva. Como regla general, usar agregados a base de rocas carbonatadas o calizas (hidrofóbicas). Si el agregado utilizado en la mezcla HMA es débil y friable, se degrada durante el proceso de compactación o bajo cargas de tráfico. La degradación expone nuevas superficies del agregado que pueden absorber agua con facilidad e iniciar el proceso de stripping en la mezcla. Además, si no se observa cuidadosamente, estas superficies de agregados descubiertas pueden equivocadamente ser consideradas como agregados pelados. Obviamente, se recomienda usar agregados sanos y durables en las mezclas HMA. Emulsificación espontánea Los investigadores indican que, bajo tráfico, el asfalto en la mezcla puede reaccionar con el agua libre en forma de una emulsificación invertida (gotas de agua dentro del asfalto en lugar que gotas de asfalto dentro del agua como ocurre comúnmente en asfaltos emulsificados). Cuando esto ocurre el asfalto se pela desde el agregado. Es evidente que, en presencia del agua, algunos aditivos antistripping pueden actuar como emulsificadores. Algunos estudios de laboratorio concluyen que algunos aditivos antistripping resultan en un mejor recubrimiento inicial, pero se acelera el stripping cuando se emulsiona. Arcilla

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mineral como la bentonita, montmorilionita y caolinita pueden ser también emulsificadores. Las arcillas, combinadas con agua, pavimento caliente, y acción del tráfico pueden emulsionar el asfalto en la mezcla. Envejecimiento en almacenamiento Ocasionalmente, un agregado recién chancado tiene una resistencia pobre al stripping. Sin embargo, si el agregado está almacenado por una semana o más, la resistencia al stripping se incrementa hasta un nivel aceptable porque las moléculas superficiales se reorientan. Exceso de Polvo Recubriendo el Agregado Los asfaltos no se adhieren a las partículas de agregado recubiertas de polvo o arcilla (figura 4.1), generando canales por donde penetra el agua, en presencia del agua las partículas se pelan fácilmente.. El asfalto que recubre el polvo y no entra en contacto con la superficie del agregado. Existe la hipótesis que algunos materiales finos arcillosos pueden causar stripping por emulsificación del ligante de cemento asfáltico en presencia del agua, pero esto parece ser un factor insignificante y poco común [10]. En la referencia [10] se indica que existe un proyecto en el que ocurrió stripping por el mecanismo de arrastre hidráulico que es aplicable solo a superficies gruesas. Diferente a los stripping típicos porque el stripping comienza en la superficie y progresa hacia abajo. El arrastre hidráulico resulta de la acción de las llantas de los vehículos en la superficie saturada del pavimento. Agua libre Investigaciones confirman que la mayoría de los stripping se inician en las capas mas superiores del pavimento asfáltico hasta encontrar una base granular mojada. El agua entonces trabaja sobre las capas tratadas. También se debe indicar que pavimentos asfálticos sobre base granular no tratada con buen diseño y apropiado drenaje no tienen problemas de stripping, constante cuando se hace con agregados que son propensos al stripping. Estructuras de pavimentos asfáltico construido con capas no tratadas en secciones de trinchera sin drenaje libre atrapa el agua y están propensos a pelarse. El stripping puede ocurrir en recapeados sobre concreto de cemento viejo y pavimentos asfálticos donde el drenaje libre se impide. Inadecuada Compactación La compactación inadecuada de las mezclas HMA son probablemente el problema constructivo más común, responsable del stripping prematuro. Algunos estudios demuestran que por lo menos el 4 a 5% de vacíos de aire contenidos en la mezcla HMA por lo general no se interconectan y son mas impermeables al agua. Las mezclas HMA diseñadas con 3 a 5% de vacíos de aire se construyen a un máximo de 8% de vacíos de aire máximos. Se asume que el pavimento se densificará en los próximos 2 a 3 años de su colocación

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bajo cargas de tráfico. La falta de un adecuado control de la compactación de campo, resulta en contenidos de vacíos de aire mayores que 8% en la construcción. Esto puede causar raveling prematuro en la superficie porque la mezcla no posee una adecuada cohesión. Altos porcentajes de vacíos resultan en canales que permiten el flujo del agua y vapor de agua a través de la mezcla. Esto enfatiza la necesidad de una apropiada compactación de la mezcla asfáltica durante la construcción. Recapeo sobre Pavimentos de Concreto Deteriorado Muchos pavimentos de concreto se deterioran antes de cumplir con su periodo de diseño. Recientemente se está incrementando el recapeo de HMA sobre pavimentos de concreto existente, algunos de los cuales están fallados, descostrados, agrietados, y con bombeo por agua. Subbases de gradación densa bajo pavimentos de concreto puede guardar considerables cantidades de agua que escapan a través de las grietas, y juntas longitudinales y transversales (foto 5.7). Una vez que el pavimento de concreto está recapeado con una capa impermeable gruesa de HMA, el agua es atrapado debajo. El exceso de presión de poro se desarrolla por acción del tráfico iniciando el stripping. (foto 5.8). Siempre que un pavimento de concreto es recapado por primera vez, es necesario evaluar las condiciones de drenaje existente. Si el pavimento de concreto existente está deteriorado, agrietado y bombeando agua debido a un inadecuado drenaje, se recomienda colocar 4 pulgadas de capa de material permeable tratado con asfalto, ATPM (que puede ser una mezcla tipo open-graded) directamente sobre el pavimento de concreto antes de colocar el recapeo de mezcla densa HMA. Esta capa drenante debe estar conectada al drenaje lateral. El ATPM no solamente drena el agua muy eficientemente, sino que previene los vapores de agua del sistema de pavimento. Además, ayuda a minimizar las grietas reflejas que surgen del pavimento de concreto.

Foto 5.7: Bombeo de agua por las juntas transversales del pavimento de concreto

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Foto 5.8: Parcheo con HMA de junta en zona de bombeo en pavimento de concreto Prevención del Stripping Si se construye un pavimento nuevo o recapado o reciclando un pavimento antiguo, la siguiente guía podría minimizar la probabilidad de stripping. 1. Para pavimentos nuevos, usar una buena compactación, gradación densa, concretos asfáltico full-depth colocados directamente sobre una subrasante preparada apropiadamente. Investigaciones indican que no se acumula agua debajo de estos pavimentos con secciones de canales apropiadamente construidas. De esa manera estos pavimentos resisten adecuadamente el stripping. 2. Proporcionar un adecuado drenaje a la estructura del pavimento. Si el agua libre se saca rápidamente o se mantiene fuera de la mezcla asfaltoagregado, es poco probable que se produzca un stripping por emulsión, desplazamiento, ruptura de película, o arrastre hidráulico. 3. En muchos casos, usar gradaciones densas más que mezclas asfaltoagregado open-gaded para capas de base o intermedias. El uso de mezclas de gradación densa bien compactadas previene que el agua libre ingrese al pavimento. Cuando las bases de mezclas open-graded se usan en recapados de grietas un sistema de drenaje positivo es esencial para prevenir la presión de poros y el posible stripping. 4. Asegurarse que todo el recorrido en el pavimento sea compactado cuidadosamente. En capas de gradación densa no debe existir vacíos interconectados para evitar el paso del agua. El método de ensayo tentativo de “Permeabilidad de Mezclas Bituminosas”, ASTM D3637, considera un procedimiento para verificar la permeabilidad de pavimentos compactados en campo. 5. No usar agregados recién chancados con pobre resistencia al stripping. Es menos probable que el asfalto descubra un agregado almacenado por una semana o más que agregados recién chancados.

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6. Secado del agregado. Si el agregado está superficialmente seco, no existe humedad entre este y la película de asfalto, es menos probable que ocurra el stripping. 7. Usar agregados limpios. Los agregados gruesos con arcilla o polvo adheridos fuertemente a su superficie no deben usarse. Si el asfalto cubre completamente la partícula de agregado el polvo evitará que se adhiera a su superficie. 8. No usar agregados altamente hidrofílicos. Seleccionar el agregado que tenga la mayor resistencia al stripping. Usando un ensayo aceptado de susceptibilidad al agua y teniendo al asfalto del proyecto, determine que agregado es el mejor para el proyecto. 9. Cuando se usa agregados hidrofílicos, añadir un agente antistripping en la proporción adecuada, determinado por el diseño de mezcla del laboratorio y ensayo de susceptibilidad al agua. Limos hidratados y agentes anti-stripping líquidos de carga estable proveen aceptable comportamiento en campo con agregados seleccionados. Si limo hidratado es seleccionado, se obtiene mejores resultados cuando el agregado es tratado con riego de limo hidratado. La otra buena posibilidad es cuando el limo se incorpora al agregado grueso durante la producción antes del almacenamiento. La tercera posibilidad es cuando el limo hidratado se incorpora a la mezcla asfáltica durante su producción. Con algunas mezclas, los materiales anti-stripping de carga estable, demuestran ser efectivos. 10. Si un agente anti-stripping líquido es usado, asegurarse que el agente tenga la cantidad recomendada por el laboratorio. 11. Seleccionar un grado de asfalto que, cuando se licúe, humedezca el agregado, pero en servicio tenga una viscosidad suficientemente alta que resista el stripping y mantenga los objetivos del diseño. A mayor viscosidad, el asfalto incrementa su resistencia al stripping. 12. Asegurarse que las partículas de agregado estén completamente y uniformemente recubiertas con película de asfalto tan grueso como permitiendo que la mezcla cumpla los requisitos de resistencia. Con un espesor y película constante es difícil que el agua pueda ingresar a la superficie del agregado. 13. Mantener un buen control de calidad durante la construcción. AGENTES ANTISTRIPPING (AS) Los agentes antistripping se requieren en el caso que una mezcla HMA propensa a desarrollar stripping, como consecuencia de uno de los ensayos de laboratorio detallado en hojas posteriores. Antistripping Líquido Muchos de los antistripping líquidos son agentes superficiales activos, que mezclados con el cemento asfáltico, reduce la tensión superficial y, por consiguiente, incrementa la adhesión con el agregado. La composición química de la mayoría de estos aditivos es la amina.

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La manera más simple y económica de incorporar el aditivo en la mezcla es mezclarlo con el cemento asfáltico en estado líquido antes de mezclarlo con el agregado. La cantidad a ser usada en la mezcla es muy importante. Pequeñas cantidades puede no ser efectivo y grandes cantidades pueden causar un detrimento en la mezcla HMA. Aditivos Alcalinos Estos aditivos son diferentes a los aditivos líquidos que son los usualmente incorporados en los cementos asfálticos, los alcalinos son incorporados al agregado antes de mezclar con el cemento asfáltico. Los estudios indican que estos son agentes antistripping muy efectivos. CASOS HISTORICOS Es poca la literatura referente a casos históricos de pavimentos HMA que fallan debido a stripping. Cuatro proyectos fueron ubicados en Pennsylvania (Pennsylvania Turnpike, Cumberland County); Oklahoma (Interestatal 40 y Will Rogers Parkway); y New South Wales, Australia (Hume Highway). Las siguientes observaciones y recomendaciones fueron hechas por los autores como parte de la revisión bibliográfica y observación de los casos históricos: 1. Un buen drenaje es lo más importante para el pavimento. El stripping no ocurrirá en ausencia de agua o vapor de agua. 2. Todos los casos observados mostraron saturación de las capas de asfalto por varios mecanismos. Es razonable concluir que la saturación es la causa del stripping. 3. El grado de saturación del pavimento y capas de asfalto es un elemento crítico en la valuación de las fallas por stripping. 4. Si el drenaje subsuperficial del pavimento es inadecuado, agua y/o vapor de agua pueden moverse hacia arriba debido a la acción capilar y saturación del asfalto. 5. El bombeo térmico de humedad puede ocurrir si el tráfico no reduce la permeabilidad de las mezclas típicas HMA, y la saturación puede suceder. 6. Si existe saturación el stripping es altamente probable, el ligante descubre la superficie del agregado debido a la presión de poros generado por tráfico pesado. El stripping se acelera si la mezcla HMA está formado por agregados susceptibles a stripping. 7. Una base gruesa de asfalto tratado se recomienda para ser colocado debajo del pavimento asfáltico, de tal manera que intercepte el agua y/o vapor de agua. Esta base debe llegar hasta el drenaje lateral de la carretera.

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5.6 EROSION SUPERFICIAL O RAVELING El desprendimiento por erosión superficial debido a cursos superficiales de agua o raveling es usualmente causado por uno o una combinación de los siguientes factores: deficiente contenido de asfalto, cantidad insuficiente de matriz fina para mantener juntas las partículas de agregado grueso, bajo nivel de compactación (alto contenido de vacíos de aire) y envejecimiento excesivo del cemento asfáltico. El alto contenido de vacíos de aire en pavimentos HMA durante la construcción, acelera el envejecimiento prematuro de la mezcla y su endurecimiento, el resultado es un desprendimiento prematuro. La carpeta pierde su aspecto liso y parece muy rugoso y abierto. La severidad es función del grado de pérdida del agregado y ligante. La falla es medida u observada dependiendo del tipo de carretera. La foto 5.9 muestra los grados de severidad por raveling. La severidad baja, indica que el agregado/ligante comienza a perderse, pero no progresa significativamente, el pavimento solamente parece ligeramente envejecido y rugoso; en la severidad media, el agregado y/o ligante parece gastado y la textura superficial es moderadamente rugosa, se presentan partículas sueltas, y los agregados finos están parcialmente ausentes de la superficie; y, la severidad alta indica que el agregado y/o ligante están ausentes, la textura superficial es muy rugosa, los agregados finos están fuera de la superficie, las grietas se extienden a profundidades aproximadas de ¼ del tamaño del agregado grueso. Bajo

Medio

Alto

Foto 5.9: Grados de severidad de agrietamientos por raveling

5.7 PROPIEDADES FRICCIONANTES La fricción durante condiciones húmedas es importante porque proporciona seguridad al conductor durante su viaje en lugares lluviosos, muchas agencias de los EE.UU. tienen que establecer programas para proporcionar una fricción adecuada al pavimento o resistencia al patinaje. La fricción se define como la relación entre la fuerza vertical y la fuerza horizontal desarrollada por una llanta a lo largo de la superficie del pavimento.

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La fricción en la superficie del pavimento depende de su textura superficial que se divide en dos componentes, microtextura y macrotextura. La microtextura la proporciona una superficie gravosa en la que penetran películas delgadas de agua y produce buena resistencia a la fricción entre la llanta y el pavimento. La macrotextura, proporciona canales de drenaje para expulsar agua entre la llanta y el pavimento permitiendo así un mejor contacto llanta-pavimento desarrollando resistencia a la fricción previniendo el patinaje o hidroplaning. Para el diseñador, la fricción es un importante factor relacionado a la propiedad de la superficie del pavimento que debe ser considerado para la selección de materiales, diseño y construcción. En términos de manejo de pavimentos, la fricción es una medida de serviciablidad. Las características friccionantes que son deseables en una buena superficie del pavimentos son: 1.- alta fricción. Idealmente la fricción en su condición mojada debe ser tan alta como sea posible cuando se compara con pavimentos en estado seco, 2.- baja o no decrece la fricción con el incremento de velocidad. La fricción del pavimento seco es necesariamente independiente de la velocidad, pero ese no es el caso para pavimentos mojados. 3.- no se reduce la fricción con el tiempo, por pulimento u otras causas, 4.- resistencia al desgaste por abrasión de agregados, atribución del ligante o mortero, o pérdida de partículas. 5.8 MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE DAÑOS El desarrollo de los métodos de predicción o modelos, requiere una adecuada técnica que no solamente calcule la respuesta del pavimento ante una carga, sino que también caracterice adecuadamente los materiales. El objetivo es que los ensayos de laboratorio representen las condiciones de campo, incluyendo el estado de esfuerzos, temperatura, humedad, u condiciones generales del material. 5.8.1 DEFORMACIONES PERMANENTES Numerosos métodos de ensayo fueron usados en el pasado y viene siendo utilizados para caracterizar la respuesta del pavimento ante las deformaciones permanentes. Los métodos se dividen en las siguientes categorías: 1. Ensayos Fundamentales 1.1 Ensayo uniaxial y triaxial: ensayo de resistencia y carga repetida en flujo con especimenes cilíndricos no confinado (uniaxial) y confinado (triaxial) 1.2 Ensayo de corte adicional y ensayo de corte con carga: a) Ensayo de corte Superpave – Módulo dinámico de corte b) Corte Quasi-directo (ensayo de corte en campo)

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c) Ensayo de corte Superpave –Carga repetida a altura constante d) Ensayo de corte directo Ensayos diametrales: especimenes cilíndricos en flujo o carga repetida, ensayo de resistencia.

2. Ensayos Empíricos 2.1 Ensayo Marshall 2.2 Ensayo Hveem 2.3 Máquina para Ensayo giratorio del Cuerpo de Ingenieros 2.4 Indicador de presión lateral 3. Ensayos Simuladores 3.1 Analizador de pavimentos asfálticos, APA (nueva generación del ensayo de llanta cargada de Georgia) 3.2 Dispositivo de pista-llanta de Hamburg 3.3 Ensayo de deformación permanente Francés (pista para llanta LCPC) 3.4 Dispositivo de pista para llanta del Laboratorio de la Universidad de Purdue 3.5 Modelo simulador de carga móvil 3.6 Pista seca para llanta (Wessex Ingenieros) 3.7 Ensayo de llanta cargada rotatoria (rutmeter) Las condiciones de esfuerzo en un pavimento cuando se produce el paso de un llanta cargada sobre este son extremadamente complejos y no pueden calcularse con precisión reproduciendo el ensayo en laboratorio sobre una mezclas HMA. Por lo tanto, es muy difícil predecir la performance usando un mecanismo aproximado. Los ensayos simulados en los que se puede modelar el tráfico actual, se pueden usar para comparar la performance de un rango amplio de materiales incluidos el HMA. Luego de un estudio realizado por la NCAT, se concluyó que los ensayos simuladores: Analizador de pavimentos asfálticos, APA; Dispositivo de pistallanta de Hamburg; y Ensayo de deformación permanente Francés, son los más indicados para evaluar las deformaciones permanentes, a continuación se detallarán estos ensayos. ANALIZADOR DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS El APA, mostrado en la foto 5.10, es una modificación del ensayo de la llanta cargada de Georgia (GLWT), fue fabricado en 1996 por Pavement Technology Inc. El APA se usa en la evaluación de deformaciones permanentes, fatiga y resistencia al humedecimiento de mezclas HMA.

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Foto 5.10: Analizador de pavimentos asfálticos, APA El GLWT, mostrado en la foto 5.11, se desarrolló durante los años 80 a través de un estudio entre el Departamento de Transporte de Georgia y el Instituto Tecnológico de Georgia.

Foto 5.11: Ensayo de la llanta cargada de Georgia El ensayo GLWT consistía en aplicar 445 N de carga sobre un neumático de aluminio con desplazamiento lineal a 690 kPa (100 psi) de presión. El neumático se traslada de atrás hacia adelante un total de 8,000 ciclos de carga (un ciclo consiste en un desplazamiento de atrás hacia delante). Sin embargo, algunos investigadores sugieren menores ciclos de carga. El APA es un ensayo de segunda generación del GLWT. Una llanta cargada se aplica sobre un espécimen de ensayo y se permite su desplazamiento de atrás

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hacia delante induciendo la deformación permanente. Similar al GLWT, en el APA se aplican 8,000 ciclos. A diferencia del GLWT, las muestras pueden ser ensayadas en condición seca o sumergida. Los especimenes de ensayo pueden ser cilíndricos o en viga. Actualmente, el método más común de compactación en viga es el Compactador Vibratorio de Asfalto. Sin embargo, algunos se pueden compactar con el compactador Kneading. El compactador más común de especimenes cilíndricos es el Compactador Giratorio Superpave. Las vigas con frecuencia son compactadas a 7% de vacíos; y las muestras cilíndricas a 4 y 7% de vacíos de aire. La temperatura de ensayo para el APA varía de 40.6ºC a 64ºC. En trabajos recientes el ensayo se realiza a temperaturas máximas del pavimento. Recientes investigaciones estudian el uso de llantas de carga 533 N (120 lb) y presión 830 kPa (120 psi) con resultados satisfactorios. La figura No. 5.2 muestra los resultados típicos de un ensayo con APA. Este indica que los especimenes se deforman rápidamente al principio del ensayo. La cantidad de deformación permanente por ciclos decrece y se hace estable luego de un cierto número de ciclos de carga.

Figura 5.2: Resultados típicos de profundidad de deformación APA versus ciclos de carga DISPOSITIVO DE PISTA-LLANTA DE HAMBURG (HWTD) El dispositivo se muestra en la foto 5.12, desarrollado por Helmut-Wind Incorporated of Hamburg, Alemania. Este ensayo es usado para evaluar las deformaciones permanentes y stripping en carreteras de Alemania. El ensayo se realiza sobre espécimen de 260 mm de ancho, 320 mm de longitud, y típicamente 40 mm de grosor. Este espécimen por lo general es compactado a

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Foto 5.12: Dispositivo de pista-llanta de Hamburg 7±1% de vacíos de aire usando un compactador lineal Kneading. El ensayo también se puede realizar sobre especimenes compactados en el compactador giratorio Superpave. El ensayo HWTD se realiza bajo agua en un rango de temperatura de 25ºC a 70ºC, siendo la temperatura más común 50ºC. La carga es de 705N (158 lb) sobre una llanta de acero de 47 mm de ancho. La llanta de acero se desplaza de atrás hacia delante sobre la muestra El ensayo se realiza con 20,000 pasadas o hasta que la deformación sea de 20 mm. La velocidad de desplazamiento es aproximadamente 340 mm por segundo. Como se muestra en la figura 5.3, los resultados del HWTD son las profundidades de deformación, pendiente de flujo, punto de inflexión de stripping, y pendiente de stripping. La pendiente de flujo es la inversa de la tasa de deformación dentro de la región lineal de la curva de deformación luego de la post compactación y antes del stripping (si el stripping ocurre). La pendiente de stripping es la inversa de la tasa de deformación dentro de la región lineal de la curva de deformación, luego del inicio del stripping. El punto de inflexión de stripping es el número de pasadas de llanta correspondiente a la intersección de la pendiente de flujo y la pendiente de stripping. Este valor se usa para calcular la resistencia relativa de la muestra HMA al daño inducido por humedecimiento. El uso de la llanta de acero incrementa la severidad en el ensayo, porque la llanta de acero no deforma de manera similar a la llanta neumática, la carga efectiva por unidad de área es mucho mayor que la que ocurre en el campo. Una muestra que pasa el ensayo de HWTD puede resistir las deformaciones

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permanentes en campo; sin embargo, las muestras que no pasan el ensayo también pueden tener un buen comportamiento.

Figura 5.3: Definición de resultados del dispositivo de pista-llanta de Hamburg ENSAYO FRANCÉS (PISTA PARA LLANTA LCPC) El Laboratoire Central des Ponts et Chaussés (LCPC) (también conocida como el ensayo de deformación permanente Francés, FRT), mostrado en la foto 5.13, es usado en Francia desde hace 20 años para prevenir satisfactoriamente las deformaciones permanentes en pavimentos HMA. En años recientes, la FRT es usado en Estados Unidos, principalmente por el estado de Colorado y Turner Fairbank Highway Research Center de la FHWA. La FRT es capaz de realizar dos ensayos a la vez, sobre especimenes rectangulares de 180 mm de ancho, 500 mm de largo, y 20 a 100 mm de espesor. Generalmente las muestras son compactadas con un LCPC compactador de llanta de caucho en laboratorio. La muestra se carga aplicando 5000 N (1124 lb) sobre una llanta neumática de 90 mm de ancho y presión de inflado de 600 kPa (87 psi). Durante el ensayo la llanta neumática pasa sobre el centro de la muestra dos veces por segundo. La profundidad de deformación dentro del FRT está expresada en porcentaje con respecto al espesor inicial del espécimen. La deformación está definida como el promedio de las profundidades de deformación de una serie de 15 mediciones. Estas mediciones consisten de tres medidas en todo el ancho del espécimen.

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Foto 5.13: Ensayo de deformación permanente Francés En Francia, una mezcla HMA aceptable es aquella que tiene deformaciones permanentes menores o igual a 10% del espesor original del espécimen, luego de 30,000 ciclos. El Departamento de Transportes de Colorado y la Turner Fairbank Highway Research Center de la FHWA participaron en estudios de investigación para evaluar el FRT y la performance en campo. Un total de 33 pavimentos a lo largo de Colorado mostraron un rango de deformaciones permanentes. Las investigaciones indicaron que la especificación de deformación permanente Francés (profundidad de deformación menor o igual a 10% con 30,00 pasadas) es muy rigurosa para algunos de los pavimentos en Colorado. Otras investigaciones realizaron comparaciones entre las profundidades de deformación del LCPC y FRT comparadas con la deformación permanente en campo. Cuatro mezclas fueron evaluadas con el FRT y representadas en una pista de prueba en Nantes, Francia. Los resultados mostraron que el FRT puede ser usado como un método para determinar el buen comportamiento de una mezcla ante deformaciones permanentes. 5.8.2 AGRIETAMIENTO POR FATIGA El agrietamiento por fatiga se considera como un problema estructural que generalmente no está afectado por las propiedades de la mezcla. Sin embargo, las propiedades de la mezcla pueden jugar un rol en el agrietamiento por fatiga. Existen diferentes técnicas, equipos, configuración de especimenes, tipos y maneras de carga que se usan para evaluar la respuesta a la fatiga de mezclas HMA. Generalmente los ensayos de laboratorio son: flexión simple, flexión en

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cantilever, axial directa, diametral, triaxial y fractura. La tabla 5.1 muestra los diferentes ensayos. Todos los ensayos mostrados en la tabla 5.1 se usan para evaluar las propiedades de fatiga de mezclas HMA. Sin embargo, ninguno se usa en el diseño de mezclas o QC/QA para evaluar las propiedades de fatiga. Tabla 5.1: Ensayo para Evaluación de Agrietamiento por Fatiga Método

Resultado Ventajas de ensayos Ensayo de Sí 1. Ampliamente conocido flexión repetida σb ó εb, Smezcla 2. Técnica básica que puede usars diferentes conceptos 3. Resultados que pueden usarse directamente en el diseño 4. Opción de esfuerzos o deformaciones controladas 1. Su realización para evaluar Ensayo de Sí (con fatiga es limitado tensión directa correlaciones) 2. Existen correlaciones con σb ó εb, Smezcla resultados de fatiga

Ensayo de Sí carga repetida 4σb y Smezcla diametral

1. Simple 2. Equipo que puede usarse en otros ensayos 3. Predecir el agrietamiento Relativamente mejor en la simulación de las condiciones de campo

Ensayo de tensión y compresión repetida triaxial Ensayo de pista-llanta (laboratorio)

Sí σd , σc, Smezcla Sí σ0 ó εb

Buena simulación de las condiciones de campo

Ensayo de pista-llanta (campo)

Sí σ0 ó εb

Determina directamente la respuesta a la fatiga bajo carga de llanta

Nota: σb σd σc εb Smezcla

Desventajas y limitaciones Costoso, demanda de mucho tiempo, necesidad de un equipo especializado

Con la metodología LCPC: a. Correlaciones basadas en 1 millón de repeticiones b. Temperatura de 10ºC c. Usa el espesor de la capa de ligante para 1 millón de repeticiones 1. Estado de esfuerzos biaxial 2. Sobre estima la vida a la fatiga Costoso, demanda de mucho tiempo, necesidad de un equipo especializado 1. Para baja rigidez de la mezcla debido al limitado efecto lateral 2. Equipo especial 1. Costoso, demanda mucho tiempo 2. Relativamente pocos materiales pueden evaluarse 3. Equipo especial

esfuerzo de rotura (en fatiga o tensión directa) esfuerzo desviador esfuerzo confinante deformación de rotura (en fatiga o tensión directa) rigidez de la mezcla

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5.8.3 AGRIETAMIENTO POR BAJA TEMPERATURA Y FATIGA TERMICA Como se mencionó, el agrietamiento por baja temperatura se debe a las deformaciones por tensión inducidas en las mezclas asfálticas en caliente por baja temperatura hasta niveles críticos. Este problema está directamente relacionado a las propiedades del ligante, que representa el papel central en el agrietamiento por baja temperatura. Uno de los principales objetivos de la SHRP incluyó un nuevo sistema de clasificación de ligante asfáltico asociado a ensayos y especificaciones. Los ensayos Superpave de ligantes pueden hacerse para ligantes modificados y no modificados. Los ensayos especificados son: Reómetros de Corte Dinámico, Reómetro de Viga de Flexión, Ensayo de Tensión Directa. Todos estos ensayos fueron descritos en el capítulo 2 de este libro. PREDICCION DEL AGRIETAMIENTO POR BAJA TEMPERATURA USANDO ESPECIFICACIONES DEL LIGANTE SUPERPAVE En setiembre de 1976 se construyeron en Pennsylvania seis secciones de pavimentos para ser evaluados, se usó cemento asfáltico AC-20 de diferentes fuentes. Dos secciones de pavimentos desarrollaron agrietamientos por baja temperatura en enero de 1977 (cuatro meses después de la construcción). Las otras cuatro secciones de pavimentos no desarrollaron grietas transversales significativas durante los primeros tres años. Luego de este tiempo, estos pavimentos desarrollaron gradualmente grietas transversales en diferentes grados. Estos pavimentos fueron recapados en 1984. Durante los siete años de servicio, los pavimentos fueron evaluados periódicamente, y se recolectaron los datos climatológicos. Las propiedades reológicas del ligante asfáltico original y envejecido se evaluaron con núcleos de muestras. La NCAT realizó un estudio con la finalidad de evaluar las propiedades del cemento asfáltico a bajas temperaturas usado en el proyecto de Pennsylvania y medir la eficacia de las especificaciones del ligante Superpave en la predicción de agrietamientos por baja temperatura que ocurrieron en el proyecto desde enero de 1977 a octubre de 1983. Superpave desarrolló los ensayos de Reómetro de Viga de Flexión y Ensayo de Tensión Directa. Estos ensayos y sus especificaciones estuvieron disponibles en marzo de 1993. Kandhal se involucró en el proyecto de Pennsylvania, y recuperó ligantes de cemento asfáltico AC-20 usados en el proyecto de Pennsylvania desde 1976 a 1988 (12 años) y transfirió las muestra de al SHRP Materials Reference Library (MRL) en 1988. Estas muestars de cemento

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asfáltico se usaron en Oregon State University en el proyecto SHRP A-003 A para estudiar el envejecimiento y comportamiento a bajas temperaturas de la mezcla de pavimento asfáltico. Se concluyó que el módulo de rigidez del cemento asfáltico y mezcla de pavimento asfáltico fueron los principales responsables de las grietas por baja temperatura. El módulo de rigidez a los siete años del núcleo de pavimento asfáltico, se midió directamente con el ensayo de flujo diametral a cuatro temperaturas: -29, -18, -7 y 4°C. Sin embargo, el módulo de rigidez del ligante asfáltico se midió a bajas temperaturas usando el nomograma de Van Der Poel, modificado por Heukelom y McLeod. Con respecto a las especificaciones Superpave se concluyó: 1. El criterio de rigidez máxima de 300 Mpa y el valor mínimo “m” de 0.30 recomendado por las especificaciones del ligante Superpave parecen ser razonables en la mitigación de agrietamientos por baja temperatura. El comportamiento de todos los cementos asfálticos, de las secciones de ensayo, excepto uno cumplió este criterio. 2. Generalmente, no hay diferencia significativa entre la rigidez a baja temperatura del residuo del RTFOT y PAV. Sin embargo, el valor “m” decrece significativamente cuando el residuo RTFOT es envejecido adicionalmente en el PAV.

5.8.4 CARACTERÍSTICAS FRICCIONANTES La fricción se define como la relación entre la fuerza vertical y la fuerza horizontal que desarrolla la llanta al deslizarse sobre la superficie del pavimento. Reconociendo la importancia de manejar con seguridad en pavimentos durante épocas de lluvia, se crearon programas para evaluar la resistencia al patinaje. MODELOS PARA FRICCION DE PAVIMENTOS HUMEDOS En general, la fricción del pavimento húmedo decrece con el incremento de la velocidad. Varios modelos incluyen el Modelo de Estado Penn, Modelo Rado, Modelo PIARC y el Indice de Fricción Internacional. METODOS DE LABORATORIO Y CAMPO En la tabla 5.2 se resumen las características de muchos de los ensayos actualmente usados.

Tabla 5.2: Dispositivos representativos para medida de fricción

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Dispositivo

Modo de operación E-274 Llanta cerrada

ASTM trailer British Portable Tester Diagonal Braked Vehicle (DBV) DFTester DWW Trailer

Deslizador Llanta cerrada

% de Velocidad Ciudad deslizamiento (km/hr) 100 30-90 Estados Unidos 100 10 Reino Unido 100 65 U.S. (NASA)

Deslizador 100 0-90 Japón Deslizamiento 86 30-90 Nueva fijo Zelanda Criptester Deslizamiento 14.5 30-90 Escocia fijo IMAG Deslizamiento 0-100 30-90 Francia fijo variable Japanese Skid Llanta cerrada 100 30-90 Japón Tester Komatsu Skid Deslizamiento 10-30 30-60 Japón Tester fijo variable DWW Ensayo de fricción de Diens Weg-gn Waterbouwkunde IMAG Instrumento de medición automática de Glissance Los métodos de laboratorio se usan para evaluar especimenes obtenidos de campo o preparados en laboratorio. Varios departamentos de transportes de diferentes estados tienen un método de pulimento seguido de un ensayo de fricción. Los dos dispositivos actualmente usados son el British Portable Tester y Dynamic Friction Tester (DFTester). Ambos equipos pueden usarse para medir pavimentos en campo como en laboratorio. BRITISH PORTABLE TESTER El British Portable Tester, mostrado en la foto 5.14, se usa desde principios de 1960, la primera versión es ASTM E303, las especificaciones de operación se publicaron el 1961. El BPT se opera soltando el péndulo desde una altura que se ajusta a la superficie de deslizamiento de caucho en una longitud fija. Cuando el péndulo alcanza la superficie su energía potencial se convierte en energía cinética máxima.

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Foto 5.14: British Portable Tester (BPT) .

5.8.5 EVALUACIÓN DE DAÑO POR HUMEDECIMIENTO El principal objetivo de los tecnólogos de asfalto es desarrollar un ensayo de laboratorio que identifique mezclas de pavimento que sean susceptibles al stripping, permitiendo dar solución antes que el problema se presente. Los ensayos para evaluar el stripping se pueden dividir en tres tipos: 1)ensayos que visualmente evalúan el stripping, 2) ensayos que miden el tiempo de interrupción de especimenes de mezcla esforzados de alguna manera bajo la presencia de agua, y 3) ensayos que miden el cambio en las propiedades mecánicas de los especimenes de mezcla expuestos a agua en algún tipo de esquema. La primera categoría de ensayos incluye los ensayos de ebullición, como el ASTM D3625, y el ensayo de inmersión estática como el ASTM D1664. Estos procedimientos son subjetivos y requieren una estimación visual de la peladura del agregado luego de la condición prescrita. Ellos generalmente proporcionan un criterio numérico del desprendimiento del asfalto pero no existe ninguna correlación con el comportamiento de campo. La segunda categoría de ensayos está tipificado por el ensayo de pedestal de congelamiento-deshielo de Texas. Se mide el número de ciclos de congelamientodeshielo que un pequeño especimen de asfalto-agregado sumergido en agua destilada puede mantenerse adherido antes que el agrietamiento ocurra. Una importante observación de este ensayo es que se usa solamente en una banda

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limitada del agregado total en mezclas de pavimentos. Kennedy y sus coautores señalan que esta hecho a “.... maximizar los efectos de contorno y minimizar los efectos de las propiedades mecánicas de la mezclas como la gradación, densidad, y trabazón de agregados usando gradación uniforme”. La tercera categoría abarca métodos como el ensayo de Inmersión-Compresión (ASTM D1075), el ensayo Marshall-Inmersión, procedimiento de Lottman (descrito en NCHRP reporte 246) y el procedimiento Root-Tunnicliff (descrito en NCHRP reporte 274). En estos ensayos los especimenes de asfalto-agregado compactados son expuestos a condiciones severas; la proporción del valor de una propiedad mecánica, como esfuerzo compresivo o esfuerzo de tensión, medido antes y después del acondicionamiento proporciona un objetivo, calibrador numérico de daño de stripping. Estudios recientes han examinado las correlaciones de los resultados de varios de estos ensayos con la performance del pavimento en campo. El daño por humedecimiento es un problema que resulta de un amplio rango de fallas en el pavimento. Son numerosos los métodos (cualitativos y cuantitativos) de ensayo desarrollados en el pasado para predecir la susceptibilidad al humedecimiento de mezclas HMA. ENSAYO DE AGUA EN EBULLICIÓN (ASTM D3625 o variación) La mezcla HMA suelta se incorpora en agua en ebullición. ASTM D3625 especifica un período de 10 minutos. El área total cubierta del agregado expresado en porcentaje luego de la ebullición, será mayor o menor del 95%. Este ensayo podría utilizarse para evaluaciones preliminares de la mezcla. Algunas agencias de transportes usan este método para control de calidad de antistripping. Este método es subjetivo (o cualitativo). ENSAYO DE LOTTMAN (NCHRP 246) Este método fue desarrollado por Lottman bajo el programa de investigación 246 de la National Cooperative Highway. Nueve especimenes de 4” de diámetro y 2 ½” de altura se compactan al contenido de vacíos esperado en campo. Los especimenes se dividen en tres grupos de tres cada uno. El grupo 1 es para control sin ningún acondicionamiento. En el grupo 2 los especimenes son saturados al vacío (26 pulgadas o 660 mmHg) con agua por 30 minutos. Grupo 3, los especimenes son saturados al vacío como el grupo 2 y sometidos a ciclos de congelamiento (-18ºC por 15 horas) y descongelados (60ºC por 24 horas). A los 9 especimenes se les determina el módulo resiliente (MR) y/o resistencia a la tensión indirecta (ITS) a 13ºC ó 23ºC. Una tasa de carga de 0.065 pulg/min (1.65 mm/min). El grupo 2 refleja el comportamiento en campo luego de 4 años. El grupo 3 representa la condición de campo entre 4 y 12 años. La tasa de resistencia a la

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tensión (TSR) se calcula con los especimenes de los grupos 2 y 3, con la siguiente expresión: TSR =

ITS de especimen acondicion ado ITS de especimen de control

Un valor mínimo de 0.7 de TSR es el recomendado por Lottman y Maupin, quienes reportaron valores entre 0.70 y 0.75 como la diferencia entre mezclas HMA con stripping y sin stripping. ENSAYO DE LOTTMAN MODIFICADO (AASHTO T283) Este método fue propuesto por Kandhal y adoptado por la AAHTO en 1985. Combina el método de Lottman (NCHRP 246) y el ensayo de Tunnicliff y Root (NCHRP 274). Seis especimenes se compactan a 6-8% de vacíos de aire. El grupo 1 que tiene 3 especimenes se usa para control. El grupo 2, que tiene 3 especimenes, se satura al vacío (55 a 80% de saturación) con agua, y luego sometido a ciclos de congelamiento y deshielo como en el ensayo de Lottman. Todos los especimenes se ensayan por ITS a 25ºC usando una tasa de 2 pulg/min, y se calcula el TSR. Este ensayo ha ganado aceptación, y está incluido en Superpave.

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6

Capítulo

Propiedades Volumétricas de Mezclas Compactadas 6.1 GENERALIDADES

U

n factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asfálticas son las relaciones volumétricas entre el ligante asfáltico y los agregados.

Las propiedades volumétricas más importante de una mezcla compactada de pavimento son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un índice del probable comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio. Cualquier método de diseño de mezclas asfálticas simula en el laboratorio la densidad de campo de las mezclas HMA luego de la densificación producida por el tráfico. Luego el comportamiento mecánico es evaluado mediante las propiedades volumétricas. Es necesario entender las definiciones y procedimientos analíticos de la evaluación de las relaciones peso-volumen, para seleccionar la mezcla adecuada. Estas definiciones se aplican tanto a especimenes compactados en laboratorio como a muestras no disturbadas que fueron extraídas en el campo. 6.2 DEFINICIONES El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en diferentes grados. Además, la proporción de agua a asfalto absorbido varia con el tipo de agregado. Los tres métodos para medir las gravedades especificas de los agregados consideran estas variaciones. Los métodos son: gravedad específica bulk, gravedad especifica aparente y gravedad especifica efectiva. La diferencia entre las gravedades especificas viene de las diferentes definiciones de volumen del agregado.

Propiedades Volumétricas de Mezclas Compactadas

Gravedad Específica Bulk, Gsb La relación del peso en el aire de un material permeable (incluyendo los vacíos permeables e impermeables del material) a temperatura establecida al volumen del agregado incluyendo los vacíos permeables. Fig. 6.1. G sb =

Ws

( V + V )γ s

pp

w

Donde: Gsb Ws Vs Vpp γw

gravedad especifica bulk del agregado peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables volumen de vacíos permeables peso específica del agua, 1 gr/cm3

Gravedad Específica Aparente, Gsa Es la relación del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del agregado incluyendo los vacíos impermeables. Fig. 6.1. G sa =

Ws Vs γ w

donde: Gsa Ws Vs γw

gravedad especifica aparente peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables peso específica del agua, 1 gr/cm3

Gravedad Específica Efectiva, Gse Relación del peso en el aire de un material permeable (excluyendo los vacíos permeables al asfalto) con respecto al volumen del agregado con los vacíos impermeables y vacíos permeables que no absorbieron asfalto. Fig. 6.1. G se =

(V + V s

Ws pp

)

− Vap γ w

donde: Gse Ws Vs γw

gravedad especifica efectiva peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables peso específico del agua, 1 gr/cm3

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Fig. 6.1 Propiedades Peso-Volumen en Mezclas Asfálticas Compactadas Las definiciones de vacíos en el agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo (Pbe), vacíos de aire (Va), y vacíos llenos con asfalto (VFA) son:

vacíos en el agregado mineral (VMA) Volumen de vacíos entre los agregados de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla. Ver figura No. 6.02.

Contenido de asfalto efectivo (Pbe) El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto absorbida por el agregado. Ver figura No. 6.02.

vacíos de aire (Va) Volumen total de las pequeñas cavidades de aire entre las partículas de agregado cubiertas en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Ver figura No. 6.02.

vacíos llenos con asfalto (VFA) Porción del volumen de vacíos entre las partículas de agregado (VMA) que es ocupado por el asfalto efectivo. Fig. 6.2.

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Propiedades Volumétricas de Mezclas Compactadas

El diseño de mezclas Superpave requiere del cálculo de VMA para mezclas compactadas en términos de la gravedad específica bulk del agregado. La gravedad específica efectiva es la base para el cálculo de los vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas. Los vacíos en el agregado mineral (VMA) y los vacíos de aire (Va) se expresan como porcentaje por volumen de mezcla. Los vacíos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de VMA lleno con asfalto efectivo. Dependiendo de cómo se especifique el contenido de asfalto, el contenido de cemento asfáltico puede expresarse como porcentaje, por masa, de la masa total de la mezcla, o por masa, del agregado de la mezcla.

aire

Va

asfalto

Vfa

Vma Vb

Vba Vmm Vmb agregado mineral

Vma Vmb Vmm Vfa Va Vb Vba Vsb Vse

Vsb

Vse

volumen de vacíos en agregado mineral volumen bulk de la mezcla compactada volumen de vacíos de la mezcla de pavimentación volumen de vacíos llenos con asfalto volumen de vacíos de aire volumen de asfalto volumen de asfalto absorbido volumen del agregado mineral (gravedad específica bulk) volumen del agregado mineral (gravedad específica efectiva)

Fig. 6.2 Esquema de una Muestra HMA Compactada El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas deben calcularse en términos de la gravedad específica bulk del agregado, Gsb. La gravedad específica efectiva debe ser la base para calcular los vacíos de aire en la mezcla de asfalto compactado.

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

Los vacíos en el agregado mineral (VMA) y vacíos de aire (Va) se expresan como porcentaje del volumen de la mezcla. El vacío llenado con asfalto (VFA) es el porcentaje de VMA que se llena con el asfalto efectivo. Dependiendo de como se especifique el contenido de asfalto, el contenido de asfalto efectivo puede expresarse como el porcentaje en peso del peso total de la mezcla, o como el porcentaje en peso del agregado en la mezcla. Como los vacíos de aire, VMA y VFA son volúmenes, no pueden ser pesados, una mezcla puede primero ser diseñado o analizado en base del volumen. Para propósitos de diseño, este volumen aproximado puede fácilmente ser cambiado a peso. 6.3 ANÁLISIS DE MEZCLA COMPACTADA La siguiente relación indica el procedimiento de análisis necesario para analizar los vacíos: 1. Medida de la gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128). 2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854). 3. Cálculo de la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla. 4. Medida de la gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o AASHTO T209). 5. Medida de la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o ASTM D2726 o AASHTO T166). 6. Cálculo de la gravedad específica efectiva del agregado. 7. Cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto. 8. Cálculo del asfalto absorbido por el agregado. 9. Cálculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla. 10. Cálculo del porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla compactada. 11. Cálculo del porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada. 12. Cálculo del porcentaje de vacíos llenados con asfalto en la mezcla compactada. 6.4 GRAVEDAD ESPECIFICA BULK DEL AGREGADO Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y filler, todos tienen diferentes gravedades específicas, la gravedad específica bulk de la combinación de agregados se calcula usando:

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Propiedades Volumétricas de Mezclas Compactadas

G sb =

P1 + P2 +......+ Pn P1 P P + 2 +......+ n G1 G 2 Gn

Donde: Gsb P1, P2, Pn G1, G2, Gn

gravedad específica bulk de la combinación de agregados porcentajes individuales por peso del agregado gravedad específica bulk individual del agregado.

La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil determinarlo actualmente. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es mínimo. 6.5 GRAVEDAD ESPECIFICA EFECTIVA DEL AGREGADO La gravedad específica efectiva se calcula con la gravedad específica teórica máxima de mezclas asfálticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresión: G se =

Pmm − Pb Pmm P − b G mm G b

Donde: Gse Pmm Pb Gmm Gb

Gravedad específica efectiva del agregado Porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra Gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacíos de aire) Gravedad específica del asfalto

El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un agregado estaría siempre entre su gravedad específica bulk y aparente. Cuando la gravedad específica efectiva está fuera de estos límites, se debe asumir que este valor es incorrecto. La gravedad específica aparente, Gsa, de la combinación de agregados puede calcularse de manera similar a la fórmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de los agregados grueso, fino y filler.

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

6.6 GRAVEDAD ESPECIFICA TEORICA MAXIMA DE MEZCLAS CON DIFERENTES CONTENIDOS DE ASFALTO Cuando se diseña una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad específica teórica máxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de vacíos de aire para cada contenido de asfalto. Luego de calcular la gravedad específica efectiva de los agregados considerando cada medición de las gravedades específicas teóricas máximas y promediando los resultados de Gse, la gravedad específica teórica máxima para algún otro contenido de asfalto puede obtenerse con la siguiente expresión:

G mm =

Pmm Ps P + b G se G b

Donde: Gmm Pmm Ps Pb Gse Gb

Gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacíos de aire) Porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla Gravedad especifica efectiva del agregado Gravedad especifica del asfalto

6.7 ABSORCIÓN DE ASFALTO La absorción de asfalto se expresa como el porcentaje en peso del agregado mas que como el porcentaje del peso total de la mezcla, el asfalto absorbido, Pba, se determina usando: Pba = 100 ×

G se − G sb Gb G sb G se

Donde: Pba Gse Gb Gsb

asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. Gravedad especifica efectiva del agregado Gravedad especifica del asfalto Gravedad especifica bulk del agregado

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Propiedades Volumétricas de Mezclas Compactadas

6.8 CONTENIDO DE ASFALTO EFECTIVO DE LA MEZCLA El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla es el contenido de asfalto total menos la cantidad de asfalto absorbido dentro de las partículas de agregado. Esta es la porción del contenido de asfalto total cubre el exterior del agregado. Este es el contenido de asfalto que gobierna la performance de una mezcla asfáltica. La fórmula es:

Pbe = Pb −

Pba P 100 s

Donde: Pbe Pb Pba Ps

contenido de asfalto efectivo, porcentaje del peso total de la mezcla. contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla. asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla.

6.9 PORCENTAJE DE VMA EN MEZCLA COMPACTADA Los vacíos en el agregado mineral, VMA, se definieron como los vacíos entre las partículas de agregado de la mezcla compactada, incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, se expresa como un porcentaje del volumen total. El VMA se calcula en base a la gravedad específica bulk del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Por consiguiente, el VMA puede calcularse restando el volumen del agregado determinado por su gravedad especifica bulk del volumen bulk de la mezcla compactada. Si la composición de la mezcla se determina como porcentaje por peso de la mezcla total:

VMA = 100 −

G mb Ps G sb

Donde: VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk Gsb gravedad especifica bulk del agregado total Gmb gravedad especifica bulk de la mezcla compactada (AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726) Ps contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla

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SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas

6.10 PORCENTAJE COMPACTADA

DE

VACIOS

DE

AIRE

EN

MEZCLA

Los vacíos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consiste de los pequeños espacios de aire entre las partículas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada puede determinarse usando: Va = 100 ×

G mm − G mb G mm

Donde: Va Gmm Gmb

vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total gravedad especifica teórica máxima de la mezcla gravedad especifica bulk de mezcla compactada

6.11 PORCENTAJE VFA EN MEZCLA COMPACTADA Los vacíos llenos con asfalto, VFA, es el porcentaje de los vacíos entre partículas (VMA) que se llenan con asfalto. VFA, no incluye el asfalto absorbido, y se determina usando: VFA = 100 ×

( VMA − Va ) VMA

Donde: VFA vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VMA VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk vacíos de aire en mezcla compactada, porcentaje del volumen Va total.

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7

Capítulo

Sistema Superpave 7.1 INTRODUCCION

A

A principios de 1920, no existían ensayos de resistencia para evaluar el comportamiento de las mezclas asfálticas. Las mezcla se diseñaban teniendo en cuenta la experiencia del diseñador acumulada en el campo. El primer método de ensayo usado fue el de Hubbard-Field desarrollado a mediados de los años 20 para medir la resistencia de las mezclas asfálticas. Este método se usó hasta mediados de 1950, cuando surgieron los métodos también empíricos, Marshall y Hveem. Aproximadamente el 75% de los estados de EE.UU. adoptaron el método Marshall, mientras que el método Hveem fue adoptado por el 25% de los estados. Las limitaciones de los métodos empíricos para disminuir los problemas de mantenimiento crearon la necesidad de desarrollar métodos más racionales. Durante los años 1987-1992 con el apoyo del Congreso Americano se realizaron trabajos de investigación por la Strategic Highway Research Program (SHRP) surgiendo un nuevo sistema de diseño de mezclas volumétricas Superpave. Superpave se planteó en cuatro partes: (1) selección de materiales, (2) combinación de agregados, (3) análisis volumétrico de los especimenes compactados usando el Compactador Giratorio Superpave (SGC), y (4) análisis de las propiedades de la mezcla seleccionada para determinar su performance. Sin embargo, la cuarta parte aún no está disponible para su utilización. Muchas agencias de transportes en los Estados Unidos que están empleando el diseño de mezclas volumétricas Superpave no cuentan con ensayos de resistencia para complementar sus diseños. A diferencia, los métodos Marshall y Hveem están asociados a ensayos de resistencia, pero son empíricos y sólo proporcionan alguna referencia de la calidad de la mezcla. Considerando que en Estados Unidos más de 2 millones de toneladas de HMA se colocan en un día de construcción normal, los contratistas y algunas agencias de estado deben tener a la brevedad posible un método de medición directa y acelerada de la performance o comportamiento del pavimento diseñado.

Sistema Superpave

Son cinco las áreas de falla para el cual se deben considerar estos estudios: deformación permanente, agrietamiento por fatiga, agrietamiento por baja temperatura, susceptibilidad al humedecimiento y fricción. Los conceptos mecanísticos como la resistencia al corte, deformabilidad tangencial, distribución de esfuerzos, elasticidad, resiliencia, ductibilidad, medios no homogéneos y materiales con diferentes rigideces y variables, son incorporados actualmente en la ingeniería de pavimentos en reemplazo de prácticas y métodos empíricos. En el Perú el método de diseño de carpetas asfálticas todavía utilizado es el Método Marshall, método empírico basado en ensayos que no reflejan el comportamiento mecánico de la carpeta en servicio. En los EE.UU. desde 1993, con una inversión de más de 500 millones de dólares en su implementación, se utiliza el Sistema Superpave denominada metodología mecanística porque incorpora a través de diversos ensayos y criterios los conceptos mecánicos. El Superpave permite realizar un diseño optimizado y por lo tanto económico. Actualmente todos los estados de la Unión Americana utilizan el Superpave a excepción del estado de California, donde se utiliza el ensayo Hveem. 7.2 IMPLEMENTACION El Sistema Superpave viene siendo implementado por muchas agencias de estado en reemplazo de los métodos de diseño Marshall. En 1999, 2515 proyectos, aproximadamente 73 millones de toneladas métricas fueron colocadas a lo largo de las carreteras de los Estados Unidos. La mayoría de los proyectos en 1999 y años previos se construyeron con poca dificultad. En muchos de los proyectos, se presentaron problemas durante su implementación inicial. Para la mayor parte, la causa de los problemas se identificaron y resolvieron. En el 2000, se calculan en 3900 los proyectos con aproximadamente 134 millones de toneladas métricas de Superpave colocadas; esto representa el 62% del total de las mezclas HMA contratadas por las agencias de estado durante el 2000 en los Estados Unidos. Desde 1998, en Canadá se viene adquiriendo experiencia con los equipos de ensayo Superpave. De esta manera, en la actualidad se viene monitoreando todos los pavimentos que han sido colocados en Canadá con tecnología Superpave. La cantidad total de mezclas asfálticas Superpave reportadas entre 1994 y 2001 en Canadá es aproximadamente de 4.13 millones de toneladas, mientras que la cantidad de mezcla asfáltica producida con el ligante PG y método Marshall es ligeramente más de 28.3 millones de toneladas. En términos del sistema de diseño de mezclas Superpave, solamente la ciudad de Vancouver está completamente implementado.

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Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas

7.3 ETAPAS DEL SISTEMA SUPERPAVE El diseño de mezclas SUPERPAVE considera cuatro etapas: 1. 2. 3. 4.

Selección de Materiales (Agregados y Ligante) Diseño de la Estructura Granular Determinación del Contenido de Ligante Evaluación de la Sensibilidad al Humedecimiento.

7.3.1 SELECCIÓN DE MATERIALES a) SELECCIÓN DE AGREGADOS Los agregados deben cumplir: (a) 04 ensayos consensuales obligatorios y (b) ensayos denominados propiedades de fuente, especificados por la agencia local, relacionado a condicionantes geológicos, ambientales y de tránsito de cada zona. Los ensayos consensuales son: Angularidad del agregado grueso, ASTM D 5821; Angularidad del agregado Fino, AASHTO T 304-96; Partículas Chatas y Alargadas, ASTM D 4791; y Equivalente de Arena, AASHTO T 176. Todos los detalles y especificaciones se pueden encontrar en el capítulo 3. b) ENSAYOS DEL LIGANTE El capítulo 2 de este texto cubre todos los tópicos relacionados a el ligante Superpave, pero en líneas generales especificaciones consideran: ¾ La temperatura de ensayo del ligante se cambia de acuerdo al grado que es seleccionado en base a las condiciones climáticas y el proceso de producción. ¾ Las propiedades son evaluadas con los ensayos de ligantes SUPERPAVE y son directamente relacionadas con el comportamiento en el campo. ¾ El ligante se ensaya para 03 condiciones: (1) Durante la preparación: transporte, almacenado y manipulado; (2) Envejecimiento “corto” luego de la producción (3) Envejecimiento “largo” durante su vida de servicio. El envejecimiento es la pérdida de las propiedades del asfalto por oxidación de sus componentes más sensibles. ¾ Se considera el rango completo de temperaturas que experimentará el pavimento en el lugar del proyecto, sobre todo las temperaturas extremas en servicio. ¾ Los ensayos del ligante se han desarrollado con la finalidad de controlar los 03 tipos de fallas típicas que sufren las carpetas asfálticas: deformación permanente (“rutting”), agrietamiento por fatiga y agrietamiento térmico. ¾ El Superpave considera 04 grupos de ensayos para evaluar el comportamiento del ligante: (1) El Viscosímetro Rotacional o de Brookfield evalúa la viscosidad del ligante a temperaturas similares a las comúnmente usadas durante la

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Sistema Superpave

construcción (135°C). La especificación Superpave recomienda que la viscosidad sea menor a 3 Pa-s. (2) El Reómetro de Corte Dinámico, DSR que determina el comportamiento elástico-viscoso del ligante a través del Módulo de Corte Complejo, G* y el ángulo de fase δ, para temperaturas intermedia y máxima del ligante. El ensayo DSR es utilizado para evaluar la capacidad del ligante para resistir deformaciones permanentes. Las especificaciones Superpave recomiendan que el valor G*/senδ sea 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. (3) 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 una temperatura de 163° por 10 minutos y un flujo de aire de 4000 ml/min determinándose la pérdida de la masa. El ensayo de Presión Vessel, PAV simula el envejecimiento largo del ligante, para un período de servicio entre 7 a 10 años debido a la oxidación durante el período de servicio. El ligante resultante del ensayo RTFO es sometido en forma de pastilla por un período de 20 horas a temperatura de 90 a 110°C y a una presión de 300 psi en la cámara de presión Vessel. (4) El Reómetro de Viga de Flexión, BBR determina la propiedad del ligante con envejecimiento largo, PAV a bajas temperaturas. En este ensayo se aplica una carga a una viga de ligante a la temperatura mínima de servicio incrementado en 10°C. 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. En el ensayo DTT Superpave recomienda que la deformación axial en falla sea mayor a 1%. c) DETERMINACIÓN DE LA GRADACIÓN DEL LIGANTE El sistema Superpave clasifica el ligante en función de las temperaturas extremas de calor y frío del pavimento, considerando un registro de temperaturas de 20 años. Capítulo 2. 7.3.2 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA GRANULAR SUPERPAVE El diseño de la estructura granular se basa en la consideración que el ligante tendrá una función estructural principal, es decir, soportará los esfuerzos transmitidos por las cargas. Este enfoque conceptual del Superpave es

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diferente respecto al SMA donde el ligante, es un miembro secundario y no soportará esfuerzo significativo. La gradación del agregado deberá estar dentro de los límites de los “puntos de control”. Los “puntos de control” aseguran la buena gradación del agregado evitando problemas de segregación y de mezcla, con el ligante. Sin embargo, los “puntos de control” limitan el diseño, tan es así que el SMA considera una granulometría incompleta, lo que le permite obtener una estructura granular más estables, resistente y menos deformable; sin embargo dicha granulometría cae fuera de los “puntos de control”. Para el Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, en la mezcla. Capítulo 3. Dentro del sistema de diseño Superpave la estructura granular tiene tamaño máximo nominal de mezcla entre 9.5 y 37.5 mm. Muchas agencias americanas muestran especial interés en mezclas con tamaño máximo nominal de 4.75 mm porque su aplicación resultaría en superficies más lisas, que se usan para corregir los defectos superficiales, y proporcionar una mezcla superficial para bajos volúmenes de tráfico. En Maryland, las mezclas delgadas de HMA para recapeo, se usan como parte del mantenimiento preventivo, mostrando excelente resistencia a las deformaciones permanentes y agrietamientos. Estas mezclas generalmente contienen alrededor de 65% de arena chancada y 35% de arena natural. El buen comportamiento de este tipo de mezcla también se verifica en Georgia. El Departamento de Transporte de Georgia viene diseñando este tipo de mezclas con el Compactador Giratorio Superpave a un Ndiseño de 50 revoluciones. El rango de diseño de los vacíos de aire es de 4 a 7%. Con estas mezclas, a veces se usan mayores vacíos de aire de diseño, permitiendo menores contenidos de asfalto por consideraciones económicas, sin reducir la durabilidad de la mezcla. Recientes investigaciones de la NCAT se realizan para evaluar el comportamiento de mezclas con tamaño máximo nominal de 4.75 mm, diseñadas con criterios Superpave. Todo este trabajo se debe plasmar en una norma estándar AASHTO, cuyo borrador está publicado en el National Center for Asphalt Technology. 7.3.3 DETERMINACION DEL CONTENIDO DE LIGANTE Y COMPORTAMIENTO DE LA MEZCLA COMPACTADOR GIRATORIO SUPERPAVE La principal herramienta del diseño de mezclas volumétricas es el compactador giratorio Superpave (SGC). Un diseño de mezclas satisfactorio es aquel que cumpla los requisitos volumétricos a niveles inicial y de diseño de

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revoluciones; estos niveles dependen del tráfico. Intuitivamente, las propiedades de la curva de densificación del SGC se correlacionan de alguna manera con la performance del pavimento, en particular, la deformación permanente, pero la relación propiedad-performance no está cuantificada. Los investigadores de la SHRP tuvieron varios objetivos al desarrollar un método de compactación de laboratorio. El Compactador Giratorio Superpave, SCG compacta las muestras de manera similar a la que se obtendrá bajo tráfico y condiciones de clima específicos. El equipo de compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a las observadas en campo y es capaz de medir la compacidad, así puede identificar las mezclas tender y problemas relacionados a la compactación. EQUIPO DE COMPACTACIÓN La base del SGC fue un modificado compactador giratorio de Texas que usa los principios del compactador giratorio Francés. El modificado compactador giratorio de Texas densifica los especimenes de manera realista y es razonablemente portátil. El diámetro del espécimen es de 6 pulg. (150 mm) pudiendo compactar mezcla con agregados de 50 mm de tamaño máximo (37.5 mm de tamaño máximo nominal). El SGC (figura 7.1) consiste de estos componentes: ƒ Marco de reacción, base rotatoria, y motor ƒ Sistema de carga, pisón de carga, y medidor de presión ƒ Medición de altura y sistema de registro ƒ Molde y plato de base ƒ Eyector de espécimen

Figura 7.1: Esquema del Equipo de Compactación

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Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas

El pisón aplica 600 kPa de presión de compactación sobre el espécimen. Un medidor mantiene constante la presión en el pisón durante la compactación. El molde del SGC (fig. 7.2) tiene un diámetro interior de 150 mm y un plato en la base del molde proporcionando confinamiento. La base del SGC rota a una velocidad de 30 rev/min durante la compactación, con el molde ubicado a un ángulo de compactación de 1.25°. Presión de pisón 600 kPa

Molde 150 mm 1.25º

30 rev/min Figura 7.2: Configuración del Molde SGC La altura del espécimen puede medirse durante la compactación, esta es una de las principales características del SGC. La densidad del espécimen se puede calcular durante la compactación conociendo la masa colocada en el molde, el diámetro interior del molde y la altura. La altura del espécimen se mide registrando la posición del pisón durante el ensayo. Usando esta medida, se puede conocer las características del espécimen, figura 7.3. La figura 7.3 ilustra como la densidad de la mezcla asfáltica se incrementa con el incremento del número de revoluciones. Como con otros procedimientos de diseño de mezclas, las mezclas asfálticas se diseñan a niveles específicos de esfuerzos de compactación. El número de revoluciones de diseño, Ndiseño, se basa en el nivel del tráfico (tabla 7.1).

% Gmm

Figura 7.3: Característica de las Mezclas Compactadas con SGC

10

100 Log revoluciones

1000

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Sistema Superpave

Tabla 7.1: Esfuerzo de Compactación del SGC ESALs de diseño (millones)

Parámetros de Compactación Ndiseño Nmáximo Ninicial

< 0.3

6

50

75

0.3 a