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5/9/2018 mi_1068 - slidepdf.com

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Caracterización de asfaltos con tecnología Superpave y análisis deahuellamiento.

J.F.SuárezUniversidad de los Andes, Bogotá, Cundinamarca, Colombia

RESUMEN: Se realiza una caracterización reológica en el Reómetro de Corte Dinámico (DSRimplementado por la nueva tecnología SUPERPAVE a muestras asfálticas procedentes de las refinerías Apiay y Barrancabermeja, se plantea un barrido de temperaturas, frecuencias, amplitudes, En función de rigidez del ligante a cargas cíclicas G* y a la respuesta del asfalto a recuperarse (ángulo de fase), a muestr

asfálticas originales y envejecidas en: RTFO y PAV, se correlaciona dicha caracterización con comportamiento en la conformación de una mezcla asfáltica regulada por las especificaciones de INVIAtipo MDC-2, por medio de un ensayo de Resistencia a la Deformación Plástica de las Mezclas BituminosMediante la Pista de Ensayo. Donde determinamos el ahuellamiento a 3 diferentes temperaturas.

ABSTRACT: It is made a rheologic characterization with the Dynamic Shear Rheometer (DSRimplemented by the new technology Superpave to asphalt samples from the refineries of Apiay anBarrancabermeja, It is formulated different intervals of temperatures, frequencies, amplitudes, in function the stiffness of the asphalt under cyclic loads G* and to the answer of the asphalt to recover itself (phaangle), to original asphaltic samples and aged in: RTFO and PAV, It is co-relationated that characterizatiwith the behavior in the conformation of a regulated mix by the specification of INVIAS type MDC-2, withe proving of strength to the plastic deformation of the bituminous mix with the test road where is w

determined the tire marking to 3 different temperatures

1 INTRODUCCION

Ya que son las carreteras el principal medio detransporte a nivel mundial, la investigación sobre elcomportamiento de los materiales que las componenes de vital importancia para así evitar su prontodeterioro y garantizar seguridad y confort a sususuarios.

Para estudiar el comportamiento de los materiales

que componen un pavimento, en Colombia se hanimplementado métodos empíricos a los que se lesasocia parámetros como densidad, estabilidad yflujo, los cuáles tratan de correlacionar con elcomportamiento de un asfalto en una mezclaasfáltica.

Considerando las debilidades conceptuales que presentan las correlaciones para lograr pavimentosasfálticos con una mayor vida útil y un menor costode mantenimiento, el Gobierno de los Estados

Unidos asignó U$ 150 millones, orientados estudio de la durabilidad y seguridad de scarreteras, este programa se denominó StrategHighway Research Program (SHRP), y a Superpa(Superior Performing Asphalt Pavements), que es u producto de investigación se SHRP al que se asignó la tercera parte de toda la inversión. Es programa se completo en 1993, desde entoncestecnología de mezclas asfálticas atraviesa un periode transición y sus efectos se alcanzan a percibir

un corto plazo. Este artículo presenta el estudio de dos asfaltos producidos Colombia, analizando su reología, logrando así mayor criterio que el de los métodos convencionalde caracterización de asfaltos, lo cual promete mejcomportamiento, ya que requiere propiedadespecíficas.



2 COMPORTAMIENTO DEL LIGANTEASFALTICO

El ligante asfáltico por si mismo es un material deconstrucción atractivo y estimulante con el cualtrabajar. Su más importante característica, muchasveces una ventaja, a veces una desventaja, es sususceptibilidad térmica. Esto es, sus propiedadesmensurables dependen de la temperatura. Por esta

razón, casi todos los ensayos de caracterización decementos asfálticos y mezclas asfálticas debenespecificar la temperatura. Sin una temperatura deensayo especificada, el resultado del ensayo no puede ser efectivamente interpretado. Elcomportamiento del cemento asfáltico dependetambién del tiempo de aplicación de la carga.

El cemento asfáltico es a veces llamado materialvisco-elástico porque exhibe simultáneamentecaracterísticas viscosas y elásticas. A altastemperaturas el cemento asfáltico actúa casi comoun fluido viscoso. En otras palabras calentado atemperaturas elevadas (por ejemplo: >100° C),muestra la consistencia de un lubricante utilizadocomo aceite para motores. A muy baja temperatura(por ejemplo < 100° C), el cemento asfáltico secomporta casi como un sólido elástico. Es decir,actúa como una banda de goma. Cuando es cargadose estira o comprime adoptando diferentes formas.Cuando es descargado, retoma fácilmente su formaoriginal.

Al reaccionar con el Oxígeno, la estructura delasfalto se hace más dura y frágil y da origen al

término “endurecimiento por oxidación” o“endurecimiento por envejecimiento”.

3 COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLASASFALTICAS

Siendo las propiedades individuales de loscomponentes de la HMA importantes, elcomportamiento de la mezcla asfáltica se explicamejor considerando que el cemento asfáltico y elagregado mineral actúan como un sistema. Uncamino para entender mejor el comportamiento de

las mezclas asfálticas es considerar los tipos básicosde deterioros que el ingeniero trata de evitar: ladeformación permanente, la fisuración por fatiga yfisuración por baja temperatura.

3.1 Deformación permanente

La deformación permanente es el deteriorocaracterizado por la existencia de una seccióntransversal de la superficie que ya no ocupa su

posición original. Se llama deform“permanente” pues representa la acumulación pequeñas deformaciones producidas con caplicación de carga. Esta deformación irrecuperable. Si bien el ahuellamiento puede tenvarias causas (por ejemplo debilidad de la HMA pdaño de la humedad, abrasión, densificación dtránsito). Causado usualmente por variaplicaciones de carga consecutivas.

3.2 Fisuración por fatiga

Como el ahuellamiento, la fisuración por fatiga un tipo de deterioro que con mucha frecuencia produce en la huella donde las cargas pesadas saplicadas. Las fisuras longitudinales intermitenteslo largo de la huella (esto es, en la dirección dtránsito) son un signo prematuro de la fisuración pfatiga. Este es un deterioro de tipo progresi porque, en algún momento, las fisuras iniciales unirán con otras, causando aún más fisuras. Uestado intermedio de la fisuración por fatiga es denominado “piel de cocodrilo”, así llamado porqsu forma se asemeja a la piel de un cocodrilo. Ealgunos casos extremos, el estado final de fisuración por fatiga es la desintegración con formación de baches. Un bache se forma cuanvarias piezas comienzan a dislocarse y desprender bajo la acción del tránsito.

4 PROTOCOLO SUPERPAVE

4.1 Ligantes asfálticos

Una parte del Superpave, es una nueespecificación sobre ligantes asfálticos con un nueconjunto de ensayos.

La singularidad del nuevo sistema para ligantasfálticos reside en que es una especificación basaen el desempeño. Especifica ligantes en base clima y a la temperatura prevista en el pavimento

El grado de Performance (PG) de un ligante como el de la muestra de análisis PG 58-16.

primer número, 58, Grado de Alta TemperatuEsto significa que el ligante poseería propiedadfísicas adecuadas al menos hasta los 58 °C (altemperatura correspondiente al clima en el que ligante estará en servicio). Así mismo el segunnúmero (-16) es llamado frecuentemente “grado baja temperatura” y significa que el lig poseería propiedades físicas adecuadas hastamenos los -16 °C. Consideraciones adicionales dan sobre el tiempo de carga (Carreteras, Call



urbanas, Intersecciones, etc.) y la magnitud de lacarga (camiones pesados).

Otro aspecto clave en la evaluación de ligantescon el sistema Superpave es que las propiedadesfísicas son medidas sobre ligantes que han sidoenvejecidos en laboratorio para simular lascondiciones de envejecimiento en un pavimentoreal. Algunas mediciones de las propiedades físicasde los ligantes son ejecutadas sobre ligantes sin

envejecer. Las propiedades físicas son tambiénmedidas sobre ligantes que han sido envejecidos enel horno de película delgada rotativa (RTFO: rollingthin film oven) para simular el endurecimiento por oxidación que ocurre durante el mezclado encaliente y la colocación. Un equipo deenvejecimiento a presión (PAV: pressure agingvessel) se usa en el laboratorio para simular elsevero envejecimiento que sufre el ligante despuésde varios años de servicio en un pavimento.

Las propiedades físicas de los ligantes sonmedidas con 4 dispositivos:•Reómetro de corte dinámico (DSR: dynamic shear rheometer)•Viscosímetro rotacional (RV: rotacionalviscometer)•Reómetro de flexión (BBR: bending beamrheometer)•Ensayo de tracción directa (DTT: direct tensiontest).

El reómetro de corte dinámico (DSR) se emplea para caracterizar las propiedades visco-elásticas delligante. Mide el módulo complejo en corte (G *) y el

ángulo de fase ( δ

), sometiendo a una muestra pequeña de ligante a tensiones de corte oscilante. Lamuestra está colocada entre 2 platos paralelos, amanera de sándwich:

Figura 2 Reómetro de Corte Dinámico

El DSR calcula G* y δ midiendo la respuesta dela deformación específica de corte del espécimensometido a un torque

4.2 Mecanismos de falla del pavimento

Deformación permanente: causada por cargas tráfico (cíclico), temperaturas altas (la más críticaocurre temprano en la vida del pavimento (liganoriginal o no envejecido), dentro de la casuperficial, es un fenómeno controlado por esfuerzo, se infiere como un mecanismo dislocación permanente del agregado después dcizallamiento del ligante entre los agregados, acumula gradualmente con el tráfico.

4.2.1 Parámetro deformación permanente: G*/SinConcepto: un ligante más rígido y más elástiresistirá más la deformación permanente.Para disminuir la energía disipada, se requiere uvalor más alto de G*/sin δ, es por esto que es parámetro controla, la acumulación deformaciones permanentes en un ligante asfáltico

4.2.2 Daños por fatiga

Causado por cargas de tráfico (cíclicas), más crítia temperaturas intermedias del pavimento, ocurtarde en la vida útil del pavimento (liganenvejecido).Son de dos tipos:Para pavimentos de capas finas sobre bases suaveocurre debido a la repetitiva flexión de ca(controlado por deformación).Para capas gruesas, ocurre por el repetido esfueral que se expone la capa, no ocurre mucha flexión la capa. (controlado por esfuerzo)Acumulación de cizallamiento del ligante ba

tráfico.

4.2.3 Parámetro de control de fatiga G*.sinδ Concepto: un ligante menos rígido y más elástiserá más resistente a la fatiga.

Para disminuir la energía disipada es necesario uG*sinδ más bajo, es así como este parámetcontrola las futuras fisuras en el comportamiento dligante a bajas temperaturas.

5 PRUEBAS DE LABORATORIO

5.1 Pérdidas por calentamiento de los asfaltos

Este método de ensayo tiene por objeto determinlas pérdidas en peso (exclusive el agua) de aceitecompuestos asfálticos cuando se calientan a 163°C

Es desarrollada en el equipo de envejecimienRTFO.Tabla 1 Puntos de ablandamiento de las muestras.



Muestra de asfalto Pérdida de masa (%)Barranca 1 1.45Barranca2 1.35Barranca3 1.37Apiay1 2.05Apiay2 2.04Apiay3 1.99Promedio Barranca 1.39Promedio Apiay 2.03

5.2 Punto de ablandamiento

La temperatura en promedio de dos esferas, en la prueba es de:Apiay 53°C,Barrancabermeja 51°C

5.3 Reómetro de corte dinámico (DSR) Se determina los parámetros de las muestrasasfálticas (módulo complejo y ángulo de fase)

A continuación se presentan gráficamente los barridos de temperaturas desde una temperaturainicial de 40°C creciendo hasta 66°C y retornando latemperatura inicial de 40 °C, en función de los parámetros de módulo complejo y ángulo de fase.

Figura 3 Barrido de temperaturas en función del móducomplejo de las muestras originales.

Observamos que al comenzar desde 40 °C, alcanzuna temperatura de 66°C y volver a la inicial, comvarían los valores del módulo complejo entre temperatura inicial y la correspondiente a despudel barrido, se realizan cuatro pruebas con l

barridos mencionados, con dos muestras de mismo origen, es decir dos procedentes de Apiaydos procedentes del complejo petrolero Barrancabermeja, Esto se realiza para evitincertidumbre en los resultados de cada origen.En los resultados obtenidos en el barrido temperaturas anterior, se representa a continuacilas mismas temperaturas en función del ángulo fase, en donde observamos un aumento de estemedida que incrementamos la temperatura, retornar a la temperatura de 40°C (inicial) este valtambien crece respecto a la lectura inicial.

BARRIDO TEMPERATURA VS ANGULO DE FASE

(delta)

70

75

80

85

90

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66

TEMPERATURA (°C)

A N G U L O D

E

F A S E d e l t

apiay 1 apiay 2

barranca 1 barranca 2

BARRIDO TEMPERATURAS VS MODULO COMPLEJO

(G*)

100

1000

10000

100000

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

TEMPERATURA (°C)

G * ( P a )

APIAY 1 APIAY 2

BARRANCA 1 BARRANCA 2

Figura 4. Barrido de temperaturas en función del ángulo fase

5.3 Ensayo de resistencia a la deformación plástide las mezclas bituminosas mediante la pista deensayo de laboratorio.

El ensayo consiste en someter una probeta cuadrade mezcla bituminosa al paso alternativo de u



rueda, midiendo periódicamente la profundidad de ladeformación en la huella, la presión de contactorueda – asfalto y la temperatura de la cámara que para este caso fue de 40°C, 50°C y 60 °C, paramuestras de Apiay y Barrancabermeja. las probetasde ensayo son constituidas por una mezcla tipoMDC-2 de INVIAS.

Figura 5. Probetas de ensayo de ahuellamiento

Se fallan las muestras a las temperaturas ya descritas

según Norma Técnica de Referencia NLT-173/84.

Figura 6. Resultados de ahuellamiento de las mezclas asfálticas

Figura 7. Vista frontal de la probeta fallada.

Figura 8. Vista lateral de la prueba en ejecución

6 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSOBTENIDOS EN LOS BARRIDOS DETEMPERATURAS, FRECUENCIAS YAMPLITUDES.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

020406080100120

TIEMPO (min)

LECTURA S 50°C B arranca LECTURA S 4 0°C B arranca

LECTURAS 60°C Barranca lect uras 60°Apiay

lecturas 50°C Apiay lecturas 40°C Apiay

Analizando los resultados de los asfaltos originaleenvejecidos, en todos los barridos ya nombrado(no todos los resultados se incluyen en este artículoobservamos que al incrementar la frecuencdisminuye el “strain %” desde 10 rad/seg, sienesta disminución significativa, lo que indica que a

se logra un aumento en el módulo complejo y udisminución en el ángulo de fase, esto correlaciona con que a una misma temperatura asfalto se recupera más lento con un mayor númede ciclos de carga.

Al realizar un barrido de temperaturas y volverla temperatura inicial, el valor de el móducomplejo cambia disminuyendo como se ve en barrido de frecuencias realizado desde 40°C ha66°C y retomando después de esto la temperatuinicial, lo que señala que un asfalto como estoriginal, va perdiendo rigidez en climas con cambi

frecuentes de temperaturas, pero manteniendo misma respuesta del asfalto ya que el ángulo de fase mantiene.

En el barrido de temperaturas de los asfaltoriginales, se nota que en el asfalto Barrancabermeja el módulo complejo cae mrápidamente que el procedente de Apiay, por tanto este primero es más susceptible en cuanto pérdida de rigidez en zonas de gran variacclimática.



La recuperación del los asfaltos es mejor y másrápida en Barrancabermeja que en Apiay, ya que elángulo de fase crece más rápidamente en estesegundo ligante al incrementar la temperatura.

Obtuvimos un grado PG de 58-16 (grado dedesempeño), para ambos asfaltos, estas temperaturasde buen desempeño de los ligantes son prácticamente cercanas a sus puntos deablandamiento.

A frecuencias bajas, el módulo complejo crece másrápidamente en las muestras de Apiay que en las deBarrancabermeja y con el incremento de latemperatura el valor de G* tiende a estandarizarse.Esto debido a que al aumentar la temperatura aciclos bajos, la rigidez no varía.

Analizando los efectos del calentamiento en planta de mezcla, expresados en los resultados de lasmuestras de RTFO, en barridos de temperaturas δ esmayor en Barranca que en Apiay y esta última crecemás rápidamente, esto muestra una gran variación enaumento de rigidez y disminución de la respuestadel asfalto, respecto a una muestra original.

En muestras de PAV G* alcanza valores másaltos en Apiay que Barranca, y este segundo varíamás rápido, el δ alcanza valores más altos enBarranca al incrementar las temperaturas, por lotanto es más susceptible a deformaciones con elenvejecimiento que las muestras de Apiay.

En los ensayos a muestras PAV, el % strain selinealiza a 0,4%, el valor de G* es más alto en Apiayque en Barranca y sucede lo contrario con losvalores de δ .

En el análisis de ahuellamiento las mezclasMDC-2 a temperaturas de 40°C Barranca crece másrápido y con el avance de tiempo se linealizan másrápidamente que Apiay; esto es predeterminadodesde el barrido de temperaturas realizado en elDSR, ya que el parámetro de ahuellamientoG*/senδ, que se obtuvo crece más rápido enBarrancabermeja, además el ahuellamiento totallogrado en Barrancabermeja es mayor que elobtenido en Apiay, lo cual corresponde a un menor valor del parámetro de ahuellamiento, obtenido enesta primera muestra a dicha temperatura,

A 50°C El asfalto de Barranca presenta mayor ahuellamiento que Apiay, esto se ve reflejado desdelos valores más bajos de G* que alcanzó estamuestra en comparación a la otra y valores más altosde ángulo de fase, semejante a la temperaturaanterior.A 60°C El asfalto de Apiay presenta un mayor ahuellamiento , el cual crece rápidamente hastavalores muy altos debido a que se alcanzó latemperatura del punto de ablandamiento, se ve que a

esta temperatura G* es más alto en Barranca; estambién se puede tomar como predeterminado deslos parámetros del barrido de temperaturas; esresultado no es genérico, ya que al alcanzar el punde ablandamiento de cada asfalto, este deja aportar rigidez al sistema, tomando las cargas solo agregado mineral.

Los parámetros de control de ahuellamiento son un indicio de que este no ocurra posteriormen

en una mezcla en caliente, es un indicativo de cómse va a comportar el asfalto en la mezcla respectootro.

Hay que tener en cuenta que el grado desempeño (performance) se estipula para asfaltque ya han aprobado con anterioridad pruebas com pérdida de masa y viscosidad rotacional, que antemano pueden rechazar una muestra. Es así comdeterminar el grado PG es de cuidado antes caracterizar un asfalto completamente cSUPERPAVE.

SUPERPAVE es un proyecto de investigacicuyo objetivo final es implementar una herramiende análisis reológico de asfaltos, para lo cual recomienda determinar claramente las solicitaciona las que el material estará sometido, para aoptimizar un futuro diseño de mezclas.

En el continuo proceso de mejoramiento perfeccionamiento de caracterizaciones reológicconsidero que el asfalto es fundamental analizarcon los ensayos de simulación de envejecimientocaracterizarlo teniendo en cuenta el grado desempeño PG, a su vez cumplir l

especificaciones de Superpave y si es el camodificarlos para llegar a ajustarse a dichespecificaciones.

Hacer una divulgación adecuada de esherramienta, buscando no solo la participación futuros investigadores en el desarrollo de la mismsi no también su consolidación como ensayestandarizados de frecuente uso en el medio de infraestructura vial.

7 REFERENCIAS.- Referencias en el texto: (figura 2.). ICHAS Bolet

Técnico No. 4, Septiembre de 2001Ensayos equipos SUPERPAVE para caracterización asfáltos, www.ichasfalto.cl/bol

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